Jak wiadomo, maksymalna zawartość pary wodnej w powietrzu maleje wraz ze spadkiem temperatury. Przy temperaturze np. 25°C zawartość wilgoci wynosi aż 20,34 g/kg suchego powietrza, zaś przy –20°C – tylko 0,64 g/kg. Sytuacja ta powoduje, że klimatyzowane powietrze wymaga często nawilżania.

Jednym ze sposobów w jaki możemy nawilżyć powietrze jest zastosowanie baterii rozpylaczy hydrodynamicznych o wysokim stopniu rozpylenia lub nawilżaczy parowych. Jak wykazuje praktyka codzienna ostatni sposób jest niezwykle energochłonny. 

W artykule przedstawiony został zaproponowany przez autorów oryginalny nawilżacz parowy, w którym wykorzystano ideę niezwykle skutecznego mieszadła przepływowego [1] – rys. 1 oraz atomizer – rys. 2 i prądownicę – rys. 3, które rozpylają wodę do postaci suchej mgły za pomocą przegrzanej pary wodnej. 

Rys. 1. Wizualizacja działania mieszadła przepływowego

Rys. 2. Działanie atomizera naddźwiękowego o zderzających się strumieniach

Rys. 3. Działanie jednostrumieniowej prądownicy naddźwiękowej o dużym przekroju poprzecznym strumienia

W wyliczeniach założono, że temperatura początkowa powietrza wynosi –20°C, końcowa 25°C, wilgotność względna początkowa 40%, końcowa 60%, stąd przyrost zawartości pary wodnej w powietrzu x=14 g/kg powietrza. 

Przyjęto również, że nadciśnienie pary wynosi 3b, temperatura 150°C, ciśnienie zewnętrzne 1b, stąd parametry spiętrzenia wynoszą:

p_o = 4b,

ρ_o = p_o/RT_o = 2,05 kg/m³,

a_o = √kRT_o = 510 m/s

gdzie:

R = 462 m²/s²K,

k = 1,33 – stałe materiałowe dla przegrzanej pary wodnej.

Jeżeli prędkość przepływu jest równa lokalnej prędkości dźwięku, to mamy do czynienia z występującym w artykule przepływem krytycznym. Z tego względu przytaczamy następujące stosunki parametrów krytycznych i spiętrzenia:

p_*/p_o = 0,539, ρ_*/ρ_o = 0,629, a_*/a_o = 0,921

Nawilżacz parowy

Najpierw rozpatrzymy wypływ przegrzanej pary wodnej z otworu; po, pw, pz – ciśnienia kolejno w zbiorniku, wylotowe, zewnętrzne. Jeśli p_z/p_o > 0,539, to wypływ jest poddźwiękowy, jeśli p_z/p_o = 0,539 – krytyczny i p_w = p_z, jeśli p_z/p_o < 0,539 – krytyczny i p_w > p_z – powstaje zogniskowana fala rozrzedzeniowa, wobec czego wypływający strumień staje się rozbieżny.

Następnie weźmiemy pod uwagę wypływ w przypadku p_z/p_o < 0,539, ale z otworu o ściętym wylocie. Naturalnie na ściance krótszej fala zogniskowana powstaje wcześniej niż na dłuższej, przeto wypływający strumień skręca w stronę ścięcia.

Korzystamy z rys. 4, nawilżacz ma 48 rowków, tworzących kąt 60° z promieniem, o przekroju poprzecznym 1 mm x 1 mm, wyznaczony doświadczalnie współczynnik kontrakcji rowka α = 0,8, stąd pole wylotu α · 48 · 1 · 1 = 38,4 mm².

Rys. 4. Konstrukcja nawilżacza parowego

Wypływ krytyczny pary odbywa się w dwóch płaszczyznach górnej i dolnej. Występuje składowa obwodowa prędkości zwrócona w górnej płaszczyźnie w prawo, zaś w dolnej płaszczyźnie – lewo, co sprzyja nasyceniu powietrza parą wodną.

Na przedstawionym schemacie na rysunku rys. 4, zauważyć możemy, że rowek w górnej płaszczyźnie ma dolną ściankę krótszą niż górną, przeto powstaje na niej zogniskowana fala rozrzedzeniowa, w związku z czym wypływ zostaje odchylony do dołu. Identyczną sytuację pokazuje rys. 5.

Rys. 5. Wizualizacja wypływu w przypadku, gdy ciśnienie wylotowe jest znacznie większe od zewnętrznego i wylot ścięty

Naturalnie, wypływ w dolnej płaszczyźnie zostaje odchylony do góry. W efekcie ma miejsce wzajemne oddziaływanie obu wypływów, co również sprzyja nasycaniu powietrza parą wodną.

skąd Q_m = 83,8 kg/h.

Obowiązuje tu zależność 

Q_m = xρ_pQ_p (2)

gdzie:

ρ_p = 1,17 kg/m³ – gęstość końcowa powietrza,

Q_p – wydatek nawilżanego powietrza,

stąd Q_p = 5100 m³/h.

Atomizer

Rozpylacz cieczy wytwarzający suchą mgłę nazywa się atomizerem. Atomizer może być hydrodynamiczny, mechaniczny lub gazodynamiczny, ten ostatni ma najwyższy stopień rozpylenia. Atomizer wyposażony w dyszę lub dysze Lavala nazywa się naddźwiękowym. Dysza Lavala może mieć przekrój kołowy lub pierścieniowy. Atomizery naddźwiękowe wykonuje się w dwóch głównych wariantach, mianowicie, o zderzających się strumieniach lub o przepływie osiowym jedno- lub dwustrumieniowym. Obecnie zajmujemy się atomizerem o zderzających się strumieniach, w dalszych naszych rozważaniach wystąpi prądownica – jest to atomizer naddźwiękowy o przepływie osiowym jednostrumieniowym. Przyjrzyjmy się konstrukcji atomizera na rysunku 6.

Rys. 6. Konstrukcja atomizera o zderzających się strumieniach: 1 – przegrzana para wodna, 2 – woda, 3 – gardziel dyszy Lavala, 4 – nagłe rozszerzenie przekroju

Atomizer instaluje się w specjalnej komorze usytuowanej na ściance kanału powietrznego [3]. Atomizer ma dwie dysze, średnica gardzieli d_* = 5,5 mm, średnica igły lekarskiej pełniącej rolę rurki wodnej δ = 2 mm, α = 0,9, stąd 

F_* = 2απ(d²_* – δ²)/4 = 37 mm²

Z zależności (1) dostajemy Qm = 80,8 kg/h.

Wprowadźmy ważną dla atomizera wielkość, tj. stosunek strumieni masy rozpylanej wody i pary wodnej β = ρwQw/Qm, gdzie ρw = 1000 kg/m3, Qw – wydatek wody. Przyjmujemy β = 0,8, stąd ρwQw = 64,6 kg/h.

Odpowiednik zależności (2) ma postać

Q_m + ρ_wQ_w = xρ_pQ_p (3)

skąd Q_p = 8900 m³/h.

Dysza atomizera ma dwa stopnie naddźwiękowe, dyszę Lavala zaprojektowaną na liczbę Macha M1 = 2,5 i nagłe rozszerzenie przekroju, dla którego M2 = 3, średnice wylotowe obu stopni znajdujemy z zależności (2) 

gdzie:

i = 1,2, skąd d₁ = 9 mm, d₂ = 11,5 mm.

Wprowadzamy stosunek strumieni masy pary wodnej i nawilżanego powietrza Q_m/ρ_pQ_p i stwierdzamy, że zastąpienie nawilżacza parowego atomizerem zmniejsza zużycie pary wodnej o 44,5%.

Prądownica

W badaniach przedstawiona konstrukcja prądownicy na rysunku 7. zainstalowana została współprądowo w osi dostatecznie długiego prostoliniowego kanału powietrznego. Szczelina wodna o pierścieniowym przekroju poprzecznym ma szerokość 0,4÷0,6 mm, zaprojektowana na M = 3 pierścieniowa dysza Lavala tworzy kąt 30° z osią prądownicy.

Rys. 7. Konstrukcja prądownicy jednostrumieniowej: 1 – przegrzana para wodna, 2 – woda

Gardziel dyszy Lavala określona jest przez średnice 20 mm i 23 mm, α = 0,9, stąd F_* = 79 mm2. Z zależności (1) dostajemy Q_m = 172 kg/h, przyjmujemy β = 0,6 – wartość znacznie mniejszą niż dla atomizera, kolejno wyznaczamy ρ_wQ_w = 103 kg/h, Q_p = 16 800 m³/h, z zależności (4) średnice 28 mm i 34 mm określające wylot dyszy.

Sprawdzamy, że zastąpienie nawilżacza parowego prądownicą zmniejsza zużycie pary wodnej o 39%.

Tego typu prądownica została – między innymi – zastosowana w liczbie 36 sztuk w Hucie Katowice do kondycjonowania spalin przed ich wprowadzeniem do elektrofi ltra rys. 8.).

Rys. 8. Konstrukcja prądownicy dwustrumieniowej: 1 – przegrzana para wodna, 2 – woda, 3 – wewnętrzna pierścieniowa dysza Lavala na M=3,5, 4 – pierścieniowa szczelina wodna, 5 – zewnętrzna pierścieniowa dysza Lavala na M=2, 6 – występ montażowy, 7 – kołnierz mocujący prądownicę w instalacji

Dr inż. Antoni TARNOGRODZKI
Politechnika Warszawska,
Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa,
Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej

Prof. dr inż. Andrzej SZUMMER
Politechnika Warszawska,
Wydział Inżynierii Materiałowej

LITERATURA:
[1] TARNOGRODZKI A., SZUMMER A., DUDA L.: Nowe urządzenia przepływowe. Hydraulika i Pneumatyka – 2/2014, 11-13
[2] TARNOGRODZKI A.: Dynamika gazów. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności Warszawa 2003
[3] TARNOGRODZKI.: Autorski przegląd atomizerów naddźwiękowych. Chłodnictwo i Klimatyzacja 10/2011, 20-22