Тепловой баланс генератора горячего тумана с устройством для диспергирования

Автомобильный транспорт нашел широкое применение для перевозки животных и сельскохозяйственной продукции в агропромышленном комплексе, что позволяет упростить и ускорить транспортировку на перерабатывающие предприятия и реализацию. При эксплуатации техники необходимо соблюдать санитарные требования, а именно проводить регулярную очистку и дезинфекцию фургонов транспортных средств [1, 2].

Во время транспортировки в автомобильном фургоне возникают благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры, такие как: высокая влажность, температура, наличие питательной среды и при попадании опасных и вредных микроорганизмов на рабочие поверхности, а именно стенки и пол, начинается их развитие и рост. Все это может привести к заражению уже готовой продукции и снижению ее сохранности и качества [1, 3].

Для проведения очистки и дезинфекции автомобильных фургонов нами предложено использовать установку для обработки рабочих поверхностей дезинфицирующим аэрозолем. Установка для дезинфекции представляет собой генератор горячего тумана с устройством для диспергирования. Устройство для диспергирования представляет собой эжектор, в котором происходит подогрев дезинфицирующего раствора и образование дезинфицирующего аэрозоля [4]. Технологическая схема устройства для проведения очистки и дезинфекции автомобильных фургонов представлена на рисунке 1.

Устройство содержит в себе камеру сгорания 1, в которой выполнена смесительная камера 2 с форсункой и свечой зажигания [5]. Подача воздуха в смесительную камеру происходит по специальным каналам, которые в установившемся режиме осуществляют подогрев воздуха. В результате сгорания топлива объем газовой смеси существенно увеличивается и поступает в жаровую трубу 3. Благодаря омыванию стенок жаровой трубы генератора, воздух дополнительно нагревается и поступает в выходное сопло 6. В конце жаровой трубы установлено диспергирующее устройство 4, которое представляет собой эжектор с коническими стенками, которые образуют со стенками жаровой трубы дополнительную трубчатую камеру для теплообмена топочных газов с дезинфицирующей жидкостью. Нагрев дезинфицирующей жидкости способствует созданию лучших условий для диспергирования. Находящиеся в диспергирующем устройстве распылители 5 располагаются по винтовой линии и имеют скосы под углом 45є для образования завихрений потока топочных газов. Образовавшийся в результате испарения аэрозоль смешивается с горячим воздухом и образует горячий туман. За счет разности температур пара и рабочих поверхностей фургона происходит фазовый переход и конденсация дезинфицирующего раствора, что способствует улучшению адгезии раствора с рабочей поверхностью. Высокая адгезия раствора с поверхностью способствует созданию пленки дезинфицирующего вещества, которая в свою очередь будет препятствовать размножению патогенных микроорганизмов [2, 4].

• 1- камера сгорания; 2- смесительная камера; 3- жаровая труба;
• 4- диспергирующее устройство; 5- распылители; 6- выходное сопло

Рисунок 1 — Технологическая схема устройства для проведения очистки и дезинфекции автомобильных фургонов Таким образом, обеспечение высокой дисперсности аэрозоля достигается применением диспергирующего устройства, которое позволяет повысить температуру дезинфицирующего раствора и создать завихрение потоков топочных газов при диспергировании раствора.

Условия образования аэрозоли и ее дисперсность будут зависеть от следующих факторов: количество теплоты выделяемого при сгорании топлива; тепловые потери в окружающую среду; температуры дезинфицирующего раствора. Поэтому необходимо рассмотреть тепловой баланс генератора горячего тумана, исследовать теплообмен между топочными газами и дезинфицирующем раствором в диспергирующем устройстве [6].

Работа генератора горячего тумана основана на сгорании жидкого топлива — бензина. Принципиальная схема генератора горячего тумана представлена на рисунке 2. генератор горячий туман дезинфекция Входные параметры генератора горячего тумана обусловлены параметрами исходных компонентов, обеспечивающих работу: бензин, воздух, дезинфицирующий раствор. Входными параметрами камеры сгорания являются: объем бензина V, теплотворная способностьq, плотность бензина г, а так же количество воздуха, характеризуемое коэффициентом избытка воздуха в. Дезинфицирующий раствор будет характеризоваться расходом G_др, массовой теплоемкостью с_др, начальной температурой t_др1. Входными параметрами воздуха будут: расход V₂, объемная теплоемкость с_в, температура окружающего воздуха t₃. Генератор горячего тумана является сложной термодинамической системой, в которой присутствует внутренний теплообмен, который способствует сокращению потерь в окружающую среду. В процессе теплообмена в генераторе горячего тумана учувствуют два теплообменника. Первый теплообменник представляет собой коаксиальную трубную конструкцию. Воздушный теплообмен будет характеризоваться коэффициентом теплопередачи б_тп, разницей температур Дt и площадью поверхности теплообменника F. Второй теплообменник — диспергирующее устрйство, выполненный, в виде конфузора-диффузора служит для нагрева дезинфицирующего раствора. Теплообмен между ними будет определяться с одной стороны параметрами топочных газов, а именно: расход V₁, температура t₁, теплоемкость с₁, с другой стороны расходом дезинфицирующего раствора G_др, а так же коэффициентами теплопроводности теплообменников генератора горячего тумана. Сопло обеспечивает смешивание потоков горячего воздуха и образованного в диспергирующем устройстве горячего тумана [7, 8].

Т — топливо; ТГ — топочные газы; А+ТГ — аэрозоль + топочные газы;

ДА — дезинфицирующий аэрозоль; ТИ+К — тепловое излучение + конвекция; ДР — дезинфицирующий раствор; ГДР — горячий дезинфицирующий раствор; ХВ — холодный воздух; ГВ — горячий воздух.

Рисунок 2 — Принципиальная схема генератора горячего тумана Процесс горения будет характеризоваться поступлением топлива и воздуха необходимого для образования горючей смеси. Масса топлива будет равна[5]:

(1).

где m_T — масса топлива (бензина), кг;

V — объем топлива, м³;

г — плотность топлива (710 кг/м³).

Теплота сгорания топлива в горелке будет определяться выражением:

(2).

где q — теплота сгорания бензина, (29 000 кДж/кг).

Для сгорания горючей смеси необходимо в камеру сгорания подавать воздух в строго определенных количествах, который характеризуется коэффициентом избытка воздуха. В тоже время расход воздуха для сжигания топлива существенно меньше, чем расход воздуха на образование горячего тумана, поэтому при расчете камеры сгорания мы не учитываем нагрев воздуха поступающего в камеру сгорания [7, 8].

Что бы уменьшить потери теплоты в окружающую среду, камера сгорания и жаровая труба генератора горячего тумана омываются потоком воздуха, который затем направляется в сопло для повышения температуры образуемой аэрозольной смеси.

Исследование теплообмена в генераторе горячего тумана.

Рассмотрим тепловой баланс генератора горячего тумана с учетом процессов теплообмена с окружающей средой. На рисунке 3 изображена часть жаровой трубы с указанием тепловых потоков, возникающих во время работы генератора горячего тумана.

При исследовании баланса теплоты в генераторе горячего тумана, введем следующие допущения [9]:

• · потоки теплоносителя в жаровой трубе генератора горячего тумана движутся преимущественно вдоль оси трубы (не учитываются завихрения);
• · стенки жаровой трубы генератора горячего тумана являются термически тонкими (не учитывается термическое сопротивление стенок);
• · в процессе теплообмена генератора горячего тумана с внешней средой, тепловое излучение преобладает по отношению к конвективному теплообмену;
• · процесс теплообмена на длине расчетного участка l будем считать равномерным (длина участка не превышает 0,2 м).

Рисунок 3 — Баланс теплоты в генераторе горячего тумана Рассмотрим тепловой баланс жаровой трубы генератора горячего тумана на двух участках. На первом участке происходит теплообмен между топочными газами и горячим воздухом, участвующим в образовании горячего тумана. На втором участке в процессе теплообмена между топочными газами и горячим воздухом, дополнительно участвует дезинфицирующий раствор.

Рассмотрим тепловой баланс процесса теплообмена на первом участке. В процессе работы генератора горячего тумана, в установившемся режиме, изменение температуры топочных газов преобразуется в нагрев внутренней стенки жаровой трубы. С учетом неразрывности потока данный процесс можно описать выражением:

V₁c_1(n-1)t_1(n-1)-V₁c_1(n)t_1(n)= б₁(t₁-t_с1)рd_в1l+б₀₋₁(t₁-t_с1)рd_в1l (3).

где V₁ — расход топочных газов, м³/с;

с_1(n-1),с_1(n) — объемные теплоемкости топочных газов, с учетом изменения параметров потока, Дж/(м³· К);

t_1(n-1),t_1(n) — температуры топочных газов, с учетом изменения параметров потока, К;

t_с1, t_c2,t₁ — температура стенок внутренней и наружной труб и температура топочных газов, на расчетном участке, К;

б₁ — коэффициент теплоотдачи от топочных газов к внутренней стенке жаровой трубы генератора горячего тумана, Вт/(м²· К);

б₀₋₁ — коэффициент теплоотдачи излучением от топочных газов к внутренней стенке (5,67· 10^-8е_T[(t_c1)⁴-(t_c2)⁴]/(t_c1-t_c2)), Вт/(м²· К);

е_T — приведенная степень черноты топочных газов и внутренней трубы;

d_в1 — диаметр внутренней стенки внутренней трубы, м;

l — длина расчетного участка, м.

В процессе теплообмена через стенку внутренней трубы, баланс теплоты описывается выражением:

[б₁(t₁-t_с1)рd_в1l+ б₀₋₁(t₁-t_с1)рd_в1l] · з₁ = б₂₋₃(t_c1-t_c2)р· цd_н1l + б₂(t_c1-t₂)рd_в2l(4).

где б₂ — коэффициент теплоотдачи от стенки внутренней трубы к горячему воздуху, Вт/(м²· К);

б₂₋₃ — коэффициент теплоотдачи излучением от внутренней к наружной трубе генератора горячего тумана (5,67· 10^-8е_с1[(t_c1)⁴-(t_c2)⁴]/(t_c1-t_c2)), Вт/(м²· К);

ц — коэффициент рассеивания и пересчета поверхности нагрева лучистой энергии.

е_с1 — приведенная степень черноты внутренней и наружной трубы;

t₂ — температура горячего воздуха, К;

d_н1 — диаметр внутренней стенки наружной трубы, м;

d_в2 — диаметр наружной стенки внутренней трубы, м;

з₁ — коэффициент рассеивания тепла внутренней трубы.

Так как воздух является оптически прозрачной средой, то нагрев воздуха излучением внутренней трубы минимален, поэтому тепловой баланс потока горячего воздуха описывается выражением:

V₂c_2(n)t_2(n)— V₂c_2(n-1)t_2(n-1)= б'₂(t₂-t_c2)d_н1l (5).

где V₂ — расход горячего воздуха, м³/с;

c_2(n), c_2(n-1) — объемные теплоемкости горячего воздуха, с учетом изменения параметров потока, Дж/(м³· К);

t_2(n-1),t_2(n) — температуры горячего воздуха, с учетом изменения параметров потока, К;

б'₂ — коэффициент теплоотдачи от горячего воздуха к стенке внаружной трубы, Вт/(м²· К);

В процессе теплообмена через стенку наружной трубы, баланс теплоты описывается выражением:

б₃(t_c2-t₃)d_н2l = [б₂'(t₂-t_c2)d_н1l+ б₂₋₃(t_c1-t_c2)р· цd_н1l]·з₂ (6).

где б₃ — коэффициент теплоотдачи от стенки наружной трубы к воздуху окружающей среды, Вт/(м²· К);

t₃ — температура воздуха окружающей среды, К;

d_н2 — диаметр наружной стенки наружной трубы, м;

з₂ — коэффициент рассеивания тепла наружной трубы.

Рассмотрим тепловой баланс процесса теплообмена на втором участке. В процессе работы генератора горячего тумана, в установившемся режиме, изменение температуры топочных газов преобразуется в нагрев внутренней стенки диспергирующего устройства, что приводит к нагреву дезинфицирующего раствора. Тепловой поток в этом случае будет определяться расходом дезинфицирующего раствора, его теплоемкостью и изменением температуры. С учетом неразрывности потока данный процесс можно описать выражением:

V₁c_1(n)t_1(n) — V₁c_1(n+1)t_1(n+1) = б₀₋₁(t₁-t_ду)F + q_ду (7).

Где с_1(n+1) — объемная теплоемкость топочных газов, с учетом изменения параметров потока, Дж/(м³· К);

t_1(n+1), — температура топочных газов, с учетом изменения параметров потока, К;

t_ду -температура стенки диспергирующего устройства, К;

F — площадь внутренней поверхности диспергирующего устройства, м².

q_ду — тепловой поток конвективного теплообмена топочных газов с внутренней поверхностью диспергирующего устройства, Вт;

В процессе теплообмена через диспергирующее устройство, баланс теплоты учитывает нагрев дезинфицирующего раствора и описывается выражением:

[б₀₋₁(t₁-t_ду)F + q_ду — с_дрG_др(t_др2-t_др1)] · з₁ =

= б₂₋₃(t_c1-t_c2)р· цd_н1l + б₂(t_c1-t₂)рd_в2l (8).

с_др — массовая теплоемкость дезинфицирующего раствора, Дж/(кг· К);

G_др — расход дезинфицирующего раствора, кг/с;

t_др1 — начальная температура дезинфицирующего раствора, К;

t_др2 — конечная температура дезинфицирующего раствора, К;

Так как воздух является оптически прозрачной средой, то нагрев воздуха излучением внутренней трубы минимален, поэтому тепловой баланс потока горячего воздуха описывается выражением:

V₂c_2(n+1)t_2(n+1) — V₂c_2(n)t_2(n)= б₂'(t₂-t_c2)рd_н1l (9).

c_2(n+1) — объемная теплоемкость горячего воздуха, с учетом изменения параметров потока, Дж/(м³· К);

t_2(n+1) — температура горячего воздуха, с учетом изменения параметров потока, К;

В процессе теплообмена через стенку наружной трубы, баланс теплоты описывается выражением:

б₃(t_c2-t₃)d_н2l=[б₂'(t₂-t_c2)рd_н1l+б₂₋₃(t_c1-t_c2)рцd_н1l]· з₂ (10).

Рассмотренные уравнения теплового баланса на первом участке (формулы с 3 по 6) и на втором участке (формулы с 7 по 10) позволяют оценить движение тепловых потоков внутри жаровой трубы генератора горячего тумана. Решая совместно уравнения, полученные для каждого из участков, задавшись параметрами процесса температурой, расходом газов и дезинфицирующего раствора, возможно, определить коэффициенты теплоотдачи и обосновать рациональные параметры установки [6]. Для оценки эффективности работы диспергирующего устройства следует провести сравнительный анализ тепловых потоков и в итоге оценить потери теплоты в окружающую среду. Для этой цели нами было проведено моделирование процессов в программе MathCad 14, зависимость изменения мощности тепловых потоков в радиальном направлении трубы генератора горячего тумана приведена на рисунке 4 [6].

Анализ зависимости показывает, что применение диспергирующего устройства в конструкции жаровой трубы позволяет существенно увеличить передачу тепла от топочных газов к стенке внутренней трубы, что будет способствовать нагреву дезинфицирующего раствора. Так же благодаря снижению тепловых потоков от внутренней трубы к наружной, уменьшаются потери теплоты генератора горячего тумана в окружающую среду.

Рисунок 4 — Зависимость изменения мощности тепловых потоков в радиальном направлении трубы генератора горячего тумана Генераторы горячего тумана обеспечивают равномерное распределение частиц дезинфицирующего раствора внутри фургонов для перевозки сельскохозяйственной продукции. Эффективность обработки увеличивается с повышением температуры аэрозоля.

• 1. Механизация и технология производства продукции животноводства / В. Г. Коба [и др.]. — М.: Колос, 1999. — 528 с.
• 2. Рощин, П. М. Механизация в животноводстве / П. М. Рощин. — М.: Агропромиздат, 1988. — 287 с.
• 3. Зоогигиена с основами проектирования животноводческих объектов / В. А. Медведский [и др.]. — Минск: ИВЦ Минфина, 2008. — 60 с.
• 4. Шилов, В. Е. Устройство и техническое обслуживание дезинфекционного оборудования / В. Е. Шилов, А. Ф. Князев, Е. А. Булашов. — М.: Агропромиздат, 1991. — 351 с.
• 5. Пат. 142 474 Российская Федерация, МПК A61L2/07. Установка для обработки рабочих поверхностей дезинфицирующим раствором с помощью водяного пара / Мельников В. С., Костенко М. Ю., Горячкина И. Н.; патентообладатель: Мельников В. С. — № 2 014 111 358/15; заявл. 25.03.2014; опубл. 27.06.2014, бюл. № 18.
• 6. Мельников, В. С. Способ дезинфекции фургонов и помещений / В. С. Мельников, И. Н. Горячкина, М. Ю. Костенко // Современная наука глазами молодых ученых: материалы межвузовской научно-практической конференции. — Рязань: Изд-во ФГБОУ ВПО РГАТУ, 2014. — Ч. 1. — С. 81−86.
• 7. Новиков, И. И. Термодинамика: учебное пособие / И. И. Новиков. — М.: Машиностроение, 1984. — 592 с.
• 8. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент / В. А. Григорьева, В. М. Зорина. — 2 изд., перераб. — М.: Энергопромиздат, 1988. — 560 с.
• 9. Хоанг, Х. Х. Исследование сложного теплообмена в трубах Фильда и их использование в энергосберегающей схеме стекловаренной установки: дис. канд. техн. наук / Х. Х. Хоанг. — М., 2010. — 143 с.