Выразим величину теплового потока конвективного теплообмена топочных газов с внутренней поверхностью диспергирующего устройства из выражения (21) с учетом выражения (22).

(23)

Исследованиями Хутской Н.Г. установлено, что критерий Нуссельта для диффузора аэрозольного генератора определяется эмпирической зависимостью [5]:

Nu = 1,62Re0,44K1 (24)

где Re - критерий Рейнольдса для диффузора аэрозольного генератора (Re = 3,2·104…3,6·104 при среднем квадратическом отклонении 12,1 %, при уровне доверительной вероятности 0,95 %);

K1 - коэффициент параметров потока теплоносителя (0,82…0,95).

Рисунок 2 - Зависимость критерия Нуссельта от температуры стенки диспергирующего устройства при температуре топочных газов 600 єС

Анализ рисунка 3 показывает, что методика приближенных вычислений критерия Рейнольдса сопоставима с экспериментальными значениями, приведенными в исследованиях Хутской Н.Г. Для работы генератора горячего тумана в установившемся режиме критерий Рейнольдса составит 3,4·104, что соответствует приведенному диапазону Re = 3,2·104…3,6·104 при среднем квадратическом отклонении 12,1 %, при уровне доверительной вероятности 0,95 % [5].

Коэффициент параметров потока зависит от соотношений жидкой и газообразной фазы, а так же температур стенки диспергирующего устройства и потока топочных газов.

Рисунок 3 - Взаимозависимость критериев Рейнольдса и Нуссельта.

Тепловой расчет отдельных частей генератора горячего тумана позволил определить основные параметры тепловых потоков топочных газов, горячего воздуха, дезинфицирующего раствора, которые образуют горячий туман, представляющий собой дезинфицирующий аэрозоль. Рассмотрим тепломассобмен компонентов горячего тумана, происходящего в сопле генератора. Детерминированная модель процесса тепломассобмена, происходящего в сопле, представлена на рисунке 4.

В процессе образования дезинфицирующий аэрозоли, в диспергирующем устройстве, теплообмен происходит между тремя телами, а именно - топочными газами, дезинфицирующим раствором и горячим воздухом. Так как размеры диспергирующего устройства не велики, а теплоемкость материала незначительная, то в процессе работы, в течение одной минуты происходит полный прогрев, а затем происходит стабильная работа в установленном режиме. Потери теплоты в окружающую среду через стенки диспергирующего устройства в установившимся режиме малы (<3%), поэтому их не учитываем. Диспергирующее устройство представляет собой термоизолированную систему, так как она не получает энергию извне и не отдает ее, а теплообмен происходит только между телами входящими в нее. Процесс образования дезинфицирующий аэрозоли представленный на рисунке 4 включает в себя подачу топочных газов, с параметрами: V1 - расход топочных газов, [м3/с], с1 - объемная теплоемкость топочных газов, [Дж/(м3·К)],t1- температура топочных газов, [К], дезинфицирующего раствора, с параметрами: Gдр - расход дезинфицирующего раствора [кг/с], tдр - температура дезинфицирующего раствора, [К], сдр - массовая теплоемкость дезинфицирующего раствора, [Дж/(кг·К)].

Рисунок 4 - Детерминированная модель процесса образования дезинфицирующего аэрозоля в генераторе горячего тумана

Дезинфицирующий аэрозоль представляет собой дисперсную среду, состоящую из двух фаз. Газообразная фаза представлена топочными газами, жидкая фаза - дезинфицирующим раствором. На практике аэрозоли рассматривают как однородную субстанцию, обладающую усредненными свойствами. Рассмотрим свойства дезинфицирующего аэрозоля образуемого генератором горячего тумана. Средняя плотность дезинфицирующего аэрозоля можно описать выражением: [11]

 (25)

где Gда - массовый расход аэрозоля, кг/с;

Vда - объемный расход аэрозоля, м3/с.

С учетом того что, в состав аэрозоля входят топочные газы, и дезинфицирующий раствор, средняя плотность дезинфицирующего аэрозоля будет определяться выражением:

(26)

где G1 - массовый расход топочных газов, кг/с;

Vдр - объемный расход дезинфицирующего раствора, м3/с.

Плотность топочных газов, входящих в состав аэрозоля зависит от температуры и давления. Будем считать, что на выходе из диспергирующего устройства их давление близко к атмосферному, тогда расход газообразных компонентов аэрозоля будет определяться выражениями:

(27)

где с1 - плотность топочных газов с учетом температур на выходе из диспергирующего устройства, кг/м3.

С другой стороны средняя плотность дезинфицирующего аэрозоля определяется выражением:

(28)

где сдр - плотность дезинфицирующего раствора, кг/м3.

Обозначим объемную долю жидкой фазы дезинфицирующего аэрозоля

(29)

Тогда плотность дезинфицирующего аэрозоля определятся выражением:

(30)

Объемная доля жидкой фазы дезинфицирующего аэрозоля может характеризоваться концентрацией дезинфицирующего раствора в аэрозоле.

(31)

где N- среднее число частиц дезинфицирующего раствора в единице объема аэрозоля [1/м3];

н - средний объем одной частицы дезинфицирующего раствора, м3.

Тогда объемную долю жидкой фазы дезинфицирующего аэрозоля:

(32)

где xi - число частиц дезинфицирующего раствора i-й фракции в единице объема аэрозоля [1/м3];

d - диаметр одной частицы i-й фракции;

n - число фракций аэрозоля.

В сопле генератора горячего тумана происходит смешивание дезинфицирующего аэрозоля с горячим воздухом имеющего следующие параметры V2 - расход горячего воздуха, [м3/с], c2- объемная теплоемкость горячего воздуха, [Дж/(м3·К)], t2 - температура горячего воздуха, [К]. Объемная доля горячего воздуха в дезинфицирующем аэрозоле определяется аналогичным способом:

(33)

Так как поступление горячего воздуха в сопло происходит за счет разряжения, то давление горячего воздуха будет несколько ниже атмосферного, тогда расход горячего воздуха определится следующим выражением

(34)

где с2 - плотность горячего воздуха с учетом температур на выходе из сопла, кг/м3.

С учетом полученных объемных долей дезинфицирующего раствора и горячего воздуха параметры аэрозоля на выходе из сопла определятся следующими выражениями:

(35)

Тогда температура аэрозоля на выходе из сопла с учетом неразрывности потока определится выражением:

(36)

где с'др - объемная теплоемкость дезинфицирующего раствора, Дж/(м3·К);

Vа - объемный расход аэрозоля на выходе из сопла генератора горячего тумана, м3/с;

са - объемная теплоемкость аэрозоля на выходе из сопла генератора горячего тумана, Дж/(м3·К);

tа - температура аэрозоля на выходе из сопла генератора горячего тумана, К.

(37)

Поток аэрозоля генератора горячего тумана направляется на рабочие поверхности фургона для дезинфекции. Эффективность обработки в этом случае будет зависеть от температуры аэрозоля, расстояния сопла генератора горячего тумана до обрабатываемой поверхности и ширины распыла факела аэрозоля. Производительность генератора горячего тумана в этом случае определится следующим выражением:

(38)

где м - коэффициент распределения аэрозоля;

h - расстояние от сопла генератора горячего тумана до обрабатываемой поверхности, м.

Качество дезинфекции рабочих поверхностей фургона будет зависеть от сплошности пленки дезинфицирующего раствора на обрабатываемых поверхностях. Исследованиями установлено, что устойчивая пленка жидкости на обрабатываемой поверхности возможна при ее толщине 70…100 мкм. Тогда необходимый объем дезинфицирующего раствора, приходящийся, на единицу обрабатываемой поверхности определяется выражением [9]:

(39)

где Tобр - время обработки, с;

S - площадь обрабатываемой поверхности, м2.

Выразим из выражения (39) величину объемного расхода дезинфицирующего раствора:

(40)

Расход топочных газов для обеспечения необходимого объемного расхода дезинфицирующего раствора определяется выражением:

(41)

Выразим расход топочных газов через производительность генератора горячего тумана с учетом выражения (35):

(42)

Приравняв выражения (41) и (42) получим формулу для расчета производительности генератора горячего тумана:

 (43)

Применение диспергирующего устройства в конструкции генератора горячего тумана позволяет существенно увеличить передачу тепла от топочных газов к дезинфицирующему раствору. Анализ работы диспергирующего устройства показывает, что наибольшее значение критерия Нуссельта соответствует меньшей разности температур топочных газов и стенки диспергирующего устройства. Для работы генератора горячего тумана в установившемся режиме, критерий Нуссельта составит 142,15.

Установлено что наиболее важными факторами, влияющими, на производительность генератора горячего тумана являются размеры облака тумана и время обработки, с другой стороны эффективность обработки будет зависеть от концентрации дезинфицирующего аэрозоля. Также эффективность дезинфицирующей обработки рабочих поверхностей будет зависеть от температуры и дисперсности аэрозоля.

дезинфекция аэрозоль генератор диспергирование

Список литературы

1. Пат. 142474 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.. - №2014111358/15; заявл. 25.03.2014; опубл. 27.06.2014, бюл. №18.

2. 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.

3. Тепловой баланс генератора горячего тумана с устройством для диспергирования [Электронный ресурс] / В.С. Мельников [и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2014. - №102. - С. 864 - 876. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/54.

4. Теория тепломассообмена: учебник для вузов/ С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др.; Под ред. А. И. Леонтьева. - М.: Высш. школа, 1979. - 495 с., ил.

5. Хутская Н.Г. Характеристики теплообмена и сопротивления воздушно-водяных потоков в каналах применительно к теплоиспользующим устройствам: Дисс. канд. техн. наук. Минск, 1983. - 248 с.

6. Черняк О.В. Основы теплотехники и гидравлики: учебник / О.В. Черняк, Г.Б. Рыбчинская. - 3-е изд. сокр., перераб. - М.: Высш. школа, 1979. - 246 с.

7. Юдаев Б.Н. Теплопередача: учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1981. - 319 с.

8. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.: Справочник/ Под общ.ред. чл.-корр. АН СССР В.А. Григорьева, В.М. Зорина. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергопромиздат, 1988. - 560 с.

9. Романенко П.Н. Гидродинамика и тепломассообмен в пограничном слое. М., «Энергия», 1974. - 464 с.

10. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - М.: Наука, 1981. - 447с.

11. Макроскопические свойства дисперсных систем: учеб.-метод. пособ. / С.Б. Коныгин, Д.А.Крючков. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2007. - 22 с.

References

1. Pat. 142474 Rossijskaja Federacija, MPK A61L2/07. Ustanovka dlja obrabotki rabochih poverhnostej dezinficirujushhim rastvorom s pomoshh'ju vodjanogo para / Mel'nikov V.S., Kostenko M.Ju., Gorjachkina I.N.; patentoobladatel': Mel'nikov V.S.. - №2014111358/15; zajavl. 25.03.2014; opubl. 27.06.2014, bjul. №18.

2. Mel'nikov, V.S. Sposob dezinfekcii furgonov i pomeshhenij / V.S. Mel'nikov, I.N. Gorjachkina, M.Ju. Kostenko // Sovremennaja nauka glazami molodyh uchenyh: materialy mezhvuzovskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. - Rjazan': Izd-vo FGBOU VPO RGATU, 2014. - Ch. 1. - S. 81-86.

3. Teplovoj balans generatora gorjachego tumana s ustrojstvom dlja dispergirovanija [Jelektronnyj resurs] / V.S. Mel'nikov [i dr.] // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2014. - №102. - S. 864 - 876. - Rezhim dostupa: http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/54.

4. Teorija teplomassoobmena: uchebnik dlja vuzov/ S.I. Isaev, I.A. Kozhinov, V.I. Kofanov i dr.; Pod red. A. I. Leont'eva. - M.: Vyssh. shkola, 1979. - 495 s., il.

5. Hutskaja N.G. Harakteristiki teploobmena i soprotivlenija vozdushno-vodjanyh potokov v kanalah primenitel'no k teploispol'zujushhim ustrojstvam: Diss. kand. tehn. nauk. Minsk, 1983. - 248 s.

6. Chernjak O.V. Osnovy teplotehniki i gidravliki: uchebnik / O.V. Chernjak, G.B. Rybchinskaja. - 3-e izd. sokr., pererab. - M.: Vyssh. shkola, 1979. - 246 s.

7. Judaev B.N. Teploperedacha: uchebnik dlja vuzov. - 2-e izd., pererab. i dop. - M.: Vyssh. shkola, 1981. - 319 s.

8. Teoreticheskie osnovy teplotehniki. Teplotehnicheskij jeksperiment.: Spravochnik/ Pod obshh.red. chl.-korr. AN SSSR V.A. Grigor'eva, V.M. Zorina. - 2-e izd., pererab. - M.: Jenergopromizdat, 1988. - 560 s.

9. Romanenko P.N. Gidrodinamika i teplomassoobmen v pogranichnom sloe. M., «Jenergija», 1974. - 464 s.

10. Sedov L.I. Metody podobija i razmernosti v mehanike. - M.: Nauka, 1981. - 447s.

11. Makroskopicheskie svojstva dispersnyh sistem: ucheb.-metod. posob. / S.B. Konygin, D.A.Krjuchkov. - Samara: Samar. gos. tehn. un-t, 2007. - 22 s.

Размещено на Allbest.ru