Экспериментальное исследование эффективности методов расчета трубчато-пластинчатых воздухоохладителей при различных режимах образования конденсата
УДК 621.565.9.045
Экспериментальное исследование эффективности методов
расчета трубчато-пластинчатых воздухоохладителей при
различных режимах образования конденсата
Кожевникова Е.В., Лопаткина Т.А.
ОАО «ИЭМЗ «Купол», г. Ижевск
E-mail: cheine@yandex.ru, trusovsa@gmail.com
Исследованы трубчато-пластинчатые воздухоохладители при слабом образовании конденсата, образовании конденсата на части поверхности и на всей поверхности. Определена погрешность трех известных методов расчета воздухоохладителей в исследованных условиях образования конденсата. Выяснено, что погрешность расчета максимальна для теплообменников с наиболее развитой поверхностью теплообмена, работающих в условиях образования конденсата на части поверхности. Причина погрешности - неудовлетворительный расчет влагосодержания воздуха на выходе из теплообменника. Получены экспериментальные данные для разработки метода расчета воздухоохладителей с учетом переходной зоны, в которой пластины покрыты конденсатом лишь частично.
Ключевые слова: трубчато-пластинчатый теплообменник, полная холодопроизводительность, скрытая холодопроизводительность, влагосодержание воздуха, погрешность расчета.
Трубчато-пластинчатые теплообменные аппараты широко используются для охлаждения воздуха в системах кондиционирования, холодильной и криогенной технике. В некоторых случаях при расчете воздухоохладителей не удается правильно определить количество образующегося конденсата, в результате при заводских или пуско-наладочных испытаниях объектов обнаруживаются отклонения фактических конечных параметров воздуха от требуемых и приходится решать вопрос о доработке объекта или о допустимости отклонений.
В данном исследовании предпринята попытка выявить, в каких случаях снижается достоверность расчета воздухоохладителей с интенсифицированной оребренной поверхностью и что может вызвать ее снижение. Исследования проводились на калориметрическом комплексе ОАО «ИЭМЗ «Купол» (г. Ижевск), опи-
санном в работе [5]. Цель испытаний – проверка точности методик расчета 1, 2,
3 , получение исходных данных для разработки алгоритма расчета аппаратов данного типа с более полным учетом условий образования конденсата.
Конструкция испытанных теплообменников. Испытания проведены в режимах охлаждения воздуха при различных условиях образования конденсата на теплообменниках с трубками диаметром 9,52 мм и 12,0 мм в и фронтальными раз-
мерами оребренной части 300 мм (высота) 600 мм (ширина).
1
Теплообменники были изготовлены на ОАО «Воздухотехника» (г. Москва). Конструкция исследованных теплообменников представлена в таблице 1, форма
пластин приведена в 4 . В таблице в скобках указаны номера, которыми теплооб-
менники обозначены в работе 4 при испытаниях в режиме нагрева.
Конструкция теплообменников
№ теплообменника
Шаг пластин,
мм
Колич. рядов трубок
1 (5) 2 (6)
2,2 4,0
2
3 (8) 4 (9)
2,2 4,0
4
5 6
2,2 4,0
6
7 8
2,2 4,0
8
9 (13)
1,6
10 (14) 2,2 2
11 (15)
3,6
12 (17) 13 (18)
2,2 3,6
4
14 15
2,2 3,6
6
16 17
2,2 3,6
8
Колич. трубок по вы-
соте 6 6 6 6
12
12 12 12
Таблица 1
Колич. змеевиков
Диаметр
колич. ходов в змее- трубки,
вике
мм
34
38 (2 8) + (2 10)
12,0
68
64
68 6 12 8 12
9,52
Серии и режимы испытаний. Выполнены 3 серии испытаний. Номера испытанных теплообменников и скорости сред указаны в таблицах 2, 4 и 5. Температура воздуха на входе в теплообменник назначалась таким образом, чтобы холодопроизводительность не превышала 17,6 кВт – максимальную величину для
испытательного оборудования 5 . Вода подводилась к теплообменникам снизу, схема движения воды и воздуха – перекрестно-противоточная.
В первой серии испытаний (см. таблицу 2) задавались условия для слабого образования конденсата, когда скрытая холодопроизводительность составляет
менее 5 % от полной. Работа 2 относит такие случаи к сухому охлаждению. На
входе в теплообменник поддерживали температуру воды из диапазона (5 – 8) С,
температура воздуха варьировалась от 25 С до 35 С при относительной влажности от 20 % до 50 %. В этой серии испытаний проверялась возможность использования формул для расчета коэффициента теплоотдачи от воздуха, полученных ра-
нее для калориферов 4 , также и для режимов сухого охлаждения воздуха. Во второй серии испытаний (см. таблицу 4) воспроизводились условия для
образования конденсата на части поверхности воздухоохладителя. Этот случай характерен для комфортного кондиционирования воздуха в зданиях и подвижных
2
объектах, расположенных в районах с умеренным климатом, когда основным источником влаги являются люди. Задавали температуру воздуха на входе в тепло-
обменник 20, 25, 27, 35 С при относительной влажности от 30 % до 70 %, темпе-
ратуру воды варьировали от 5 С до 6 С. Создавали условия для стекания конденсата по пластинам вниз и для его выноса воздушным потоком.
В третьей серии (таблица 5) воспроизводили условия для образования конденсата на всей поверхности ребер. Такие условия встречаются в технологических процессах, в комфортном кондиционировании воздуха в районах с влажным тропическим или тропическим морским климатом. Поддерживали на входе в теп-
лообменник температуру воздуха 20, 23, 26, 27, 30 С при относительной влажно-
сти от 70 % до 80 %, задавали температуру воды из диапазона (5 8) С. В части опытов обеспечивали вынос конденсата с воздухом.
Результаты испытаний и расчетов. А.Первая серия - при слабом образовании конденсата. Холодопроизводительность и рассчитанный для каждого опыта приведенный коэффициент теплоотдачи от воздуха, полученные в этой серии, представлены в таблице 2. Скрытая холодопроизводительность составила не более 4,7 % от полной. В таблице 2 указаны значения приведенного коэффициента теплоотдачи от воздуха, полученные с использованием формул коэффициента теплоотдачи от
воздуха из работы 4 при поверочном расчете теплообменников по двум методикам 1 и 2.
Испытания при слабом образовании конденсата
№ тепло-
№ опыта
обменника
(и режи-
vв , м/с
vw , м/с
Qполн , кВт
Qскр, кВт
опыт
ма)
пр в , Вт/(м2 С)
расчет по методике 1 1
Таблица 2
расчет по методике 2
2
1
1
1,0 1,4 01
2,93
0,14
33 4 (13 %)
38,6
40,5
2
1-1
2,7 1,4 92
4,75
0,17
51 5 (10 %)
52,9
3
2
2,7 1,4 82
4,10
0,11
43 5 (12 %)
46,5
4
3
2,7 1,4 72
9,71
0,00
44,1 0,9 (2,1 %)
48,9
5
3-1
3,8 1,4 72
8,03
0,18
56 4 (6 %)
58,3
60,5
6
4
3,8 1,4 42
5,99
0,25
56 5 (10 %)
51,5
52,4
7
9
2,7 1,3 87
6,77
0,10
71,4 2,1 (3,0 %)
75,8
78,2
3
№ тепло-
№ опыта
обменника
(и режи-
vв , м/с
vw , м/с
Qполн , кВт
Qскр, кВт
ма)
опыт
пр в , Вт/(м2 С)
расчет по методике 1 1
расчет по методике 2
2
8
10
2,7 1,3 87
5,92
0,07
75,8 1,2 (1,5 %)
75,5
78,3
9
10-1
4,7 1,3 97
7,54
0,28
100,9 0,9 (0,9 %)
96,9
97,0
vв - скорость воздуха во фронтальном сечении; vw - скорость воды; Qполн - холодопроизводительность полная; Qскр - холодопроизводительность скрытая; пр в - приведенный коэффициент теплоотдачи от воздуха.
Методика 1 описана в литературе 1, с. 56 . Средняя температура поверхности ребер воздухоохладителя находится по i-d диаграмме влажного воздуха на пересечении прямой, проходящей через точки начального и конечного состояния
воздуха, с кривой, описывающей воздух с относительной влажностью =100 %.
Методика 1 1 позволяет рассчитывать два вида охлаждения воздуха: без образования конденсата (сухое) и с образованием конденсата на всей поверхности ребер. Все представленные в таблице 2 случаи методика 1 относит к сухому охлаждению: средняя температура поверхности ребер выше температуры точки росы воздуха на входе в теплообменник.
Методика 2 приведена в работе 2 . Она позволяет рассчитывать последовательно зону сухого охлаждения (первую по ходу воздуха), и затем вторую зону: охлаждения с образованием конденсата на всей поверхности ребер. Переход ко второй зоне происходит, как только текущая температура поверхности ребер становится равной температуре точки росы воздуха на входе в теплообменник. Для второй зоны средняя температура поверхности ребер вычислена по методи-
ке 1 1 , а указанный в таблице 2 приведенный коэффициент теплоотдачи от воздуха осреднен по обеим зонам. Для опытов 2, 3 и 4 из таблицы 2 переход к охлаждению воздуха с выделением конденсата отсутствует.
В расчетах и обработке опытных данных принят коэффициент контакта меж-
ду воротниками пластин и трубками Ск = 0,98, как рекомендует 6, с. 72 для контакта с заполнением возможного зазора конденсатом из воздуха. Исключение опыт № 4 и расчеты к нему: вычисленная температура поверхности трубок оказалась выше температуры точки росы воздуха на входе, таким образом, контакт трубок с пластинами сухой и принят Ск = 0,9.
Приведенные в таблице 2 коэффициенты теплоотдачи от воздуха, получен-
ные по методике 1 1 для сухого охлаждения, имеют среднее квадратичное отклонение от данных опытов 4 % для теплообменников с трубками 12,0 мм и 3,0 % для теплообменников с трубками 9,52 мм. Близость расчетных значений к опыт-
ным означает, что формулы для коэффициента теплоотдачи от воздуха работы 4 для калориферов можно распространить на режимы охлаждения, а использован-
4
ное значение коэффициента контакта между воротниками пластин и трубками Ск = 0,98 согласуется с данными опытов.
На рисунке 1 представлена фактическая холодопроизводительность и рас-
считанная по методикам 1 1 и 2 2 в сопоставлении друг с другом для всех опытов первой серии, а в таблице 3 сведены данные о погрешности расчетов холодопроизводительности.
Вычисленные по методике 2 2 приведенные коэффициенты теплоотдачи от воздуха и полная холодопроизводительность (таблицы 2, 3 и рисунок 1) хуже со-
гласуются с опытными данными, чем вычисленные по методике 1 1 . Количество конденсата (таблица 3) и скрытая холодопроизводительность (рисунок 1) не соответствуют фактическим. На наш взгляд, причина несоответствий заключается в неудовлетворительном расчете конечного влагосодержания воздуха по методике 2.
Данные о погрешности расчетов охлаждения воздуха при слабом
образовании конденсата
Таблица 3
Отклонение расчетных данных от экспериментальных, %
Расчет 1,
по методике 1 9,52 мм 12 мм
Расчет 2,
по методике 2 9,52 мм 12 мм
Среднее квадратичное отклонение полной холодопроизводительности
1,5
2
2
4
Среднее квадратичное отклонение разности температур воздуха
3
6 2,1 6
Среднее квадратичное отклонение количества конденсата
120 55
Q, кВт
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 № опыта
Рис. 1. Диаграмма холодопроизводительности при слабом образовании конденсата.
Q - холодопроизводительность, кВт: - явная; - скрытая;
5
в № опыта первый столбец относится к экспериментальным данным, второй – к данным расчета по методике 1, третий – к данным расчета по методике 2.
Поэтому проектный расчет воздухоохладителей для режимов кондиционирования воздуха, в которых предполагается слабое образование конденсата (скрытая холодопроизводительность составляет менее 5 % от полной), предпочтительно выполнять по методике 1 [1], пренебрегая образованием конденсата и его влиянием на теплопередачу.
Б. Вторая серия испытаний - при образовании конденсата на части поверхности. В таблице 4 представлены результаты этой серии испытаний. Скрытая холодопроизводительность составила для теплообменников с трубками 12,0 мм от 8 % до 12 % от полной холодопроизводительности (для опыта 1 – 36 %), для теплообменников с трубками 9,52 мм - от 6 % до 16 % от полной (кроме опыта 7:
2,4 %). Для каждого опыта выполнены расчеты по методикам 1 [1] и 2 [2]. Для опы-
тов, в которых расчетом по методике 1 определен режим охлаждения с образованием конденсата на всей поверхности ребер, выполнен еще один поверочный расчет - по методике 3 [3]. Согласно методике 3 воздухоохладитель рассчитывают в условно сухом режиме охлаждения, эквивалентном по холодопроизводительности фактическому режиму охлаждения с образованием конденсата. Метод предложен
О. Я. Кокориным 3 , широко используется при проектировании кондиционеров и незаменим, если коэффициент теплопередачи представлен в виде зависимости от массовых расходов воздуха и хладоносителя.
Испытания при образовании конденсата на части поверхности
№ № теплообменника vв ,
опыта
(и режима)
м/с
vw , Qполн , м/с кВт
Qскр, кВт
Gв, кг/(с м2)
1
1
6,78 1,42 5,89 2,13
11,6
2
5
3,83 1,06 10,14 0,97
6,7
3
6
3,85 1,05 7,53 0,60
6,5
4
7
3,78 0,71 11,48 1,40
6,7
5
8
3,85 0,71 8,90 0,92
6,5
6
10
1,01 1,37 3,41 0,20
2,2
7 10-1 1,69 1,37 4,53 0,11 3,7
8
11
2,77 1,38 6,42 0,41
5,7
9
12
3,83 1,09 10,03 1,12
8,3
10
14
3,87 1,09 11,94 1,83
8,4
Таблица 4
Вынос влаги Да
Да
Да
Да
Да
Нет
Нет
Да
Да
Да
6
№ № теплообменника vв , vw , Qполн , Qскр,
опыта
(и режима)
м/с м/с кВт кВт
11 15 3,87 1,09 10,02 1,61
Gв, кг/(с м2) 8,0
Вынос влаги
Да
12
16
3,87 0,82 13,01 1,69
8,6
Да
13
17
3,77 0,82 11,61 1,80
8,1
Да
Gв – массовая скорость воздуха в живом сечении; остальные условные обозначения см. таблицу 1.
В расчете по методике 3 определена холодопроизводительность, при которой используется вся площадь теплообмена в условно сухом режиме охлаждения. Начальные параметры воздуха для условно сухого режима охлаждения вычислены
согласно работе 3 . Средняя температура поверхности ребер, конечная температура и влагосо-
держание воздуха рассчитаны по-прежнему по методике 1 1 . Использование положений методики 1 в данных расчетах позволяет выделить в чистом виде возможную погрешность методики 3 при переходе от фактического режима охлаждения к условно сухому с помощью линейной аппроксимации кривой насыщения
воздуха =100 %. Рассчитанные по методикам 1, 2 и 3 значения полной, явной и скрытой холо-
допроизводительности показаны на рисунке 2. Кроме того, рисунок 2 иллюстрирует соотношение расчетных величин полной, явной и скрытой холодопроизводительности с их фактическими значениями при образовании конденсата на части поверхности.
При массовой скорости воздуха в живом сечении теплообменника более
(5 - 6) кг/(с м2) происходит срыв и унос влаги с поверхности пластин 3, с. 102 . Капли конденсата имеют температуру ниже, чем подхвативший их поток воздуха, и следует ожидать дополнительного охлаждения воздуха от капель конденсата. В расчетах по методикам 1, 2, 3 это явление не учитывается, и потому оно могло сказаться на погрешности расчетов (кроме опытов 6, 7).
7
14,0
12,0
10,0
Q, кВт
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 № опыта
Рис. 2. Холодопроизводительность при образовании конденсата на части по-
верхности.
Q - холодопроизводительность, кВт:
- явная;
- скрытая
в № опыта первый столбец относится к экспериментальным данным,
второй – к данным расчета по методике 1, третий – по методике 2, четвертый – по методике 3.
В данной серии испытаний среднее квадратичное отклонение полной холо-
допроизводительности при расчете по методике 1 1 составило 8 % и 1,2 % для
теплообменников с трубками 12,0 мм и 9,52 мм соответственно; по методике 2 2
получены более точные данные: 7 % и 0,9 %. Методика 3 3 для теплообменников с трубками 9,52 мм дала тот же результат, что и методика 1 - 1,2 %. Линейная
аппроксимация кривой насыщения воздуха = 100 % не сказалась на погрешности расчетов по методике 3.
Расчетные данные для опыта 1 (таблица 4 и рис. 2) выбиваются из общего ряда. Вычисленная полная холодопроизводительность ниже экспериментальной на 21 %, скрытая - в 2,9 – 3,3 раза при начальной относительной влажности воздуха 74 %. Очевидно, требуется уточнение методики расчета теплообменников с трубками 12,0 мм для случаев большой массовой скорости воздуха в живом сечении при влажности выше 40 %.
При массовой скорости воздуха до 6,7 кг/(с м2) для теплообменников с трубками 12,0 мм имеет преимущество расчет по методике 2, но он дает завышение требуемой площади теплообмена приблизительно на 8 %. Погрешность расчета в основном связана с неточностью вычисления скрытой холодопроизводительности (рис. 2, опыты 2 - 5).
Что касается теплообменников с трубками 9,52 мм, то в случае 4 рядов трубок и менее имеет незначительное преимущество расчет по методикам 1 или 3
8
вплоть до массовой скорости воздуха в живом сечении 8,3 кг/(с м2) (рис. 2, опыты 6 - 9). Для 6 и 8 – рядных теплообменников очевидно преимущество расчета по методике 2 (рис. 2, опыты 10 - 13).
В.Третья серия испытаний - при образовании конденсата на всей поверхности. Результаты третьей серии приведены в таблице 5 и на рисунке 3. Скрытая холодопроизводительность в испытаниях составила 40 % – 62 % от полной для теплообменников с трубками 12,0 мм и 50 % – 60 % для теплообменников с трубками 9,52 мм. Максимальная относительная влажность воздуха на выходе составила 98 %.
На рисунке 3 показана также холодопроизводительность, рассчитанная для
испытаний третьей серии по методикам 1 1 , 3 3 и 198. В последнюю методику включен расчет части теплообменника, контактирующей с воздухом с установившейся относительной влажностью 98 %.
При расчете по методике 198 площадь теплообменника делят на две зоны по ходу воздуха: для первой зоны выполняют расчет по методике 1, причем холодопроизводительность выбирается так, чтобы относительная влажность воздуха на выходе из зоны была 98 %; во второй зоне уклон процесса охлаждения выбирается из условия равенства конечной относительной влажности воздуха также 98 %. Методика 198 использовалась, если при расчете по методике 1 относительная влажность воздуха на выходе получалась выше 98 %.
Расчет по методике 2 2 на рис 3 не представлен, т.к. в опытах третьей серии у воздухоохладителей не было сухой площади теплообмена: на входе воздуха в теплообменник температура поверхности ребер была ниже температуры точки росы воздуха.
Испытания при образовании конденсата на всей поверхности
№ № теплообменника vв ,
опыта
(и режима)
м/с
vw , Qполн , м/с кВт
Qскр, кВт
Gв, кг/(с м2)
1
1
1,00 1,41 3,01 1,44
1,8
2
1-1
2,78 1,42 4,33 1,73
4,8
3
3
2,79 1,42 11,86 6,37
4,8
4
6
2,77 2,03 15,13 9,33
4,6
5
7
2,80 1,37 17,02 9,41
5,0
6
8
2,77 1,41 14,82 8,44
4,7
7
12
4,78 1,37 13,77 6,39
10,3
8
13
4,78 1,36 12,13 5,73
10,0
9
14
2,79 1,37 17,43 10,17
6,0
10
16
3,02 0,82 17,71 10,09
6,6
11
17
2,76 1,37 17,86 10,39
5,9
Таблица 5
Вынос влаги Нет
Возможен Возможен
Нет Да
Возможен Да Да Да Да Да
9
№ № теплообменника vв ,
опыта
(и режима)
м/с
vw , Qполн , м/с кВт
Qскр, кВт
Gв, кг/(с м2)
Вынос влаги
Gв – массовая скорость воздуха в живом сечении; остальные условные обозначения см.
таблицу 1.
Q, кВт
20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0
8,0 6,0 4,0 2,0 0,0
12
34
56
7 8 9 10 11
№ опыта
Рис. 3. Холодопроизводительность при образовании конденсата на всей по-
верхности.
Q - холодопроизводительность, кВт:
- явная;
- скрытая;
в № опыта первый столбец относится к экспериментальным данным,
второй – к данным расчета по методике 1, третий – по методике 198 , четвертый – по методике 3.
Среднее квадратичное отклонение полной холодопроизводительности для теплообменников с трубками 12,0 мм и 9,52 мм составило для расчетов по методике 1 - 4 % и 0,8 % соответственно; по методике 198 - 3 % и 0,6 %; по методике 3 - 5 % и 2 %.
Выбор наиболее адекватной методики расчета зависит от расчетной относительной влажности воздуха на выходе из теплообменника. Если она ниже 98 %, то
при разности влагосодержания воздуха на входе и выходе из теплообменника d менее (2,3 – 2,6) г/(кг сухого воздуха) методики 1 и 3 обеспечивают практически
одинаковую точность (рис. 3, опыты 2, 7 и 8). При d (2,3 – 2,6) г/(кг с.в.) имеет
преимущество методика 1 (рис. 3, опыт 4 с d = 5,4 г/(кг с.в.)). Увеличение по-
грешности методики 3 с ростом разности влагосодержания воздуха d - следствие использования в ней линейной аппроксимации кривой насыщения воздуха
=100 %: погрешность аппроксимации растет при увеличении разности парциальных давлений насыщенного водяного пара.
Если расчетная относительная влажность воздуха на выходе из теплообменника, вычисленная по методике 1 или 3, оказалась выше 98 % - то более близкие к реальности результаты дает методика 198 (рис. 3, опыты 1, 3, 5, 6, 9 - 11). Зона, где
10
воздух имеет влажность 98 %, может быть значительной: в расчетах она занимала до 46 % наружной площади теплообмена.
При образовании конденсата на всей поверхности примененные методики расчета довольно точно определяют конечное влагосодержание воздуха: наибольшая погрешность расчета скрытой холодопроизводительности составила 35 % (рис. 3, опыт 2).
Согласно расчетам, наибольшее завышение требуемой площади теплообмена при расчете воздухоохладителя с образованием конденсата на всей поверхности составило для теплообменников с трубками 12,0 мм 12 % (методика 1) и 8 % (методика 198); для теплообменников с трубками 9,52 мм – 3 % (методика 1) и 1,5 % (методика 198).
Следует отметить, что теплообменники с трубками 12,0 мм испытаны в условиях стекания конденсата по поверхности ребер, поскольку вынос его с воздушным потоком или отсутствовал или только начинался (таблица 5). Поэтому погрешность расчетов теплообменников с трубками 12,0 мм в третьей серии испытаний может быть отчасти объяснена тем, что в методиках 1 и 198 не учтено турбулизирующее влияние капель и струй конденсата на воздушный поток, из-за чего фактический коэффициент теплоотдачи от воздуха мог возрасти на 5 % – 10 % 1, с. 50 .
Теплообменники с трубками 9,52 мм испытаны в условиях выноса конденсата с потоком воздуха (таблица 5). Сопоставление результатов опытов и расчетов (рис. 3, опыты 7 - 11) приводит к заключению, что в этих теплообменниках не возникают условия для существенного теплообмена между каплями конденсата и несущим их воздушным потоком.
Оценка проверенных методик расчета воздухоохладителей. В воздухоохладителях практически всегда существует, целиком или частично, переходная зона, в которой конденсат образуется только на наиболее холодной части поверхности ребер. В начале переходной зоны - это воротники ребер, а в конце – вся их поверхность. Методики 1 1 , 2 2 и 3 3 не учитывают переходную зону, и потому следует ожидать, что точность расчета будет выше в тех случаях, когда влияние переходной зоны минимально. В нашем случае в опытах первой и третьей серий переходная зона развита слабее, чем во второй серии испытаний.
Расчеты по методике 1, выполненные для всех трех серий испытаний, показывают: среднее квадратичное отклонение полной холодопроизводительности для теплообменников с трубками 12,0 мм в первой и третьей сериях испытаний в 2 – 4 раза меньше, чем во второй серии. Для теплообменников с трубками 9,52 мм среднее квадратичное отклонение полной холодопроизводительности в третьей серии опытов почти в 2 раза меньше, чем во второй.
Отсутствие учета переходной зоны ведет к увеличению погрешности расчетов, прежде всего, воздухоохладителей с наиболее развитой поверхностью ребер, работающих в условиях образования конденсата на части поверхности. Так у теплообменников с трубками 12,0 мм условная высота ребер hр составляет 25,0 мм и
11
для них по наиболее адекватной методике 2 2 получено во второй серии испытаний среднее квадратичное отклонение полной холодопроизводительности 7 % против 0,9 % для теплообменников с трубками 9,52 мм (hр = 10,8 мм). В первой и третьей сериях испытаний средние квадратичные отклонения полной холодопроизводительности для теплообменников с трубками 12,0 мм и 9,52 мм различаются менее резко: в первой серии получено 2 % и 1,5 % по методике 1 1 , а в третьей серии по методике 198 - 3 % и 0,6 %.
Данную закономерность можно проследить и в случае, когда развитие поверхности достигается уменьшением шага ребер. Погрешность расчета полной холодопоизводительности теплообменников с трубками 9,52 мм при шаге ребер 2,2 мм выше, чем при шаге 3,6 мм (рис. 2, расчет по методике 1, опыты 10 и 11, 12 и 13). В то же время в опытах первой и третьей серий различие погрешностей расчета для теплообменников с разными шагами ребер менее заметно (рис. 1, расчет по методике 1, опыты 7 и 8; рис. 3, расчет по методике 1, опыты 7 и 8, 10 и 11). Возрастание погрешности расчета полной холодопроизводительности в условиях образования конденсата на части поверхности вызвано неудовлетворительным расчетом скрытой холодопроизводительности:
- во второй серии опытов скрытая холодопроизводительность для теплообменников с трубками 12,0 мм занижена расчетом по наиболее адекватной методике 2 2 в 1,6 – 2,7 раза (рис. 2, опыты 1, 2, 4, 5), а для опыта 3 с фактической скрытой холодопроизводительностью 8 % и вовсе не определена (см. рис. 2, опыт 3). Для теплообменников с трубками 9,52 мм расчет по методике 2 дает значение скрытой холодопроизводительности от близкого к фактическому (рис. 2, опыты 8, 10, 11, 13) до завышенного в 3,2 раза (рис. 2, опыт 7);
- расчеты по методике 1 1 дают более серьезные отклонения скрытой холодопроизводительности от экспериментальных значений. Для теплообменников с трубками 12,0 мм (hр = 25,0 мм) методика 1 не позволяет обнаружить скрытую холодопроизводительность, даже в тех случаях, когда она фактически составляет 8 % – 12 % от полной (рис. 2, опыты 2 - 5). Для теплообменников с трубками 9,52 мм (hр = 10,8 мм) методика 1 дает значение скрытой холодопроизводительности от вдвое большей (рис. 2, опыт 7) до в 6,6 раза меньшей (рис. 2, опыт 12), чем фактическая.
Это значит, что использование средней температуры поверхности ребер для расчета конечного влагосодержания воздуха не является достаточно обоснованным, если в теплообменнике имеется переходная зона с увеличивающейся по ходу воздуха влажной поверхностью.
Заключение. Выполненные серии испытаний выявили, что достоверность расчетов воздухоохладителей по известным методикам снижается, если конденсат образуется только на части поверхности теплообмена и если теплообменник имеет развитую наружную поверхность. В результате проведенных испытаний получены исходные данные для разработки алгоритма расчета трубчато-пластинчатых воздухоохладителей с переходной зоной, в начале которой конденсат образуется только на воротниках ребер, а в конце – на всей их поверхности.
12
Литература.
1. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин / под ред. А.В. Быкова. М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. 248 с. 2. AHRI Standard 410-2001, Forced-Circulation Air-Cooling and Air-Heating Coils, 2001,
Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute, 2111 Wilson Blvd, Arlington, VA 22201, U.S.A. 3. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. Основы расчета и проектирования. М.: Машиностроение, 1978. 264 с. 4. Емельянов А.Л., Кожевникова Е.В. Исследование коэффициентов теплоотдачи в воздушных трубчато-пластинчатых калориферах // . 2010. № . С. - . 5. Кожевникова Е.В., Лопаткина Т.А. Калориметрический комплекс для исследования теплоотдачи в теплообменниках и испытания кондиционеров Электронный ресурс : Электронный научный журнал «Холодильная техника и кондиционирование»/ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий.-Электрон.журнал.-Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2010.- № 1.- март. 2010.- Режим доступа к журн.: http://www.openmechanics.com/journals свободный (дата обращения: 14.10.2010). 6. Теплообменные аппараты холодильных установок / под общ. ред. Г.Н. Даниловой. Л.: Машиностроение, 1986. 303 с.
13
Experimental research of heat transfer in fin-and-coil air coolers
Kozhevnikova E.V., Lopatkina Т.А.
Open joint-stock company «IEMZ «Kupol», Izhevsk
E-mail: cheine@yandex.ru, trusovsa@gmail.com
The fin-and-coil air coolers are investigated in following conditions: at weak formation of a condensate, condensate formation on a part of a surface and on all surface. The error of three known methods of calculation of air coolers in the investigated conditions of formation of a condensate is defined. It is found out that a calculation error is maximum for heat exchangers with the most developed external surface, working in the conditions of condensate formation on a part of a surface. The error reason - unsatisfactory calculation of a humidity ratio of air on an exit from the heat exchanger. Experimental data for working out of a method of calculation of air coolers taking into account a transitive zone, in which plates are covered by a condensate only partially.
Key words: fin-and-coil heat exchanger, total cooling capacity, latent cooling capacity, humidity ratio, calculation error.
14
Рецензия на рукопись в ЭНЖ СПбГУНиПТ:
УДК_621.565.9.045___№специальностиВАК РФ_01.04.14-теплофизика и теоретическая теплотехника________________________________________ Название статьи «Экспериментальное исследование эффективности методов расчета трубчато-пластинчатых воздухоохладителей при различных режимах образования конденсата»____________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________ Автор(ы):КожевниковаЕ.В.ЛопаткинаТ.А.________________________________________________
__________________________ Рецензент (ФИО, уч. звание, уч. степень, э-майл)_Буравой Семен Ефимович, профессор, доктор технических наук, E-mail: buravoy@mail.ru_______________________________________ Рецензент заполняет в таблице оценки в столбце 3 в строках 1-4 одной цифрой оценки в каждой строке и при необходимости комментирует оценки в столбце 4 Примечания.
№№ Наименование оценки Оценка. 0,1,2,3,4,5
Примечания
пп (5 – высшая оценка)
1 Степень соответствия 5
содержания рукописи
тематике ЭНЖ
2 Актуальность
4
3 Научный уровень
4
4 Практическая ценность 5
Текст рецензии: В статье приведены результаты экспериментального исследования
холодопроизводительности и коэффициентов теплоотдачи трубчато-
пластинчатых теплообменников на стороне воздуха при различных условиях об-
разования конденсата на его пластинах. Исследования проведены для большой
группы теплообменников двух типов с трубками диаметром 9,52 мм и 12,0 мм,
изготовленных по современной технологии и широко используемых в качестве
калориферов и воздухоохладителей в холодильной технике и системах кондицио-
нирования. Результаты экспериментов обработаны по трем известным методикам
расчета воздухоохладителей в рассмотренных условиях образования конденсата,
выявлена причина расхождения расчетных и опытных данных.
Полагаю, что статья содержит новые данные, представленные в наглядной,
оригинальной форме. Материал статьи представляет большой интерес для проек-
тировщиков соответствующей аппаратуры в холодильной технике.
Считаю, что статья может быть принята к публикации в электронном журна-
ле.
Рецензент:
Буравой С.Е.
15
Экспериментальное исследование эффективности методов
расчета трубчато-пластинчатых воздухоохладителей при
различных режимах образования конденсата
Кожевникова Е.В., Лопаткина Т.А.
ОАО «ИЭМЗ «Купол», г. Ижевск
E-mail: cheine@yandex.ru, trusovsa@gmail.com
Исследованы трубчато-пластинчатые воздухоохладители при слабом образовании конденсата, образовании конденсата на части поверхности и на всей поверхности. Определена погрешность трех известных методов расчета воздухоохладителей в исследованных условиях образования конденсата. Выяснено, что погрешность расчета максимальна для теплообменников с наиболее развитой поверхностью теплообмена, работающих в условиях образования конденсата на части поверхности. Причина погрешности - неудовлетворительный расчет влагосодержания воздуха на выходе из теплообменника. Получены экспериментальные данные для разработки метода расчета воздухоохладителей с учетом переходной зоны, в которой пластины покрыты конденсатом лишь частично.
Ключевые слова: трубчато-пластинчатый теплообменник, полная холодопроизводительность, скрытая холодопроизводительность, влагосодержание воздуха, погрешность расчета.
Трубчато-пластинчатые теплообменные аппараты широко используются для охлаждения воздуха в системах кондиционирования, холодильной и криогенной технике. В некоторых случаях при расчете воздухоохладителей не удается правильно определить количество образующегося конденсата, в результате при заводских или пуско-наладочных испытаниях объектов обнаруживаются отклонения фактических конечных параметров воздуха от требуемых и приходится решать вопрос о доработке объекта или о допустимости отклонений.
В данном исследовании предпринята попытка выявить, в каких случаях снижается достоверность расчета воздухоохладителей с интенсифицированной оребренной поверхностью и что может вызвать ее снижение. Исследования проводились на калориметрическом комплексе ОАО «ИЭМЗ «Купол» (г. Ижевск), опи-
санном в работе [5]. Цель испытаний – проверка точности методик расчета 1, 2,
3 , получение исходных данных для разработки алгоритма расчета аппаратов данного типа с более полным учетом условий образования конденсата.
Конструкция испытанных теплообменников. Испытания проведены в режимах охлаждения воздуха при различных условиях образования конденсата на теплообменниках с трубками диаметром 9,52 мм и 12,0 мм в и фронтальными раз-
мерами оребренной части 300 мм (высота) 600 мм (ширина).
1
Теплообменники были изготовлены на ОАО «Воздухотехника» (г. Москва). Конструкция исследованных теплообменников представлена в таблице 1, форма
пластин приведена в 4 . В таблице в скобках указаны номера, которыми теплооб-
менники обозначены в работе 4 при испытаниях в режиме нагрева.
Конструкция теплообменников
№ теплообменника
Шаг пластин,
мм
Колич. рядов трубок
1 (5) 2 (6)
2,2 4,0
2
3 (8) 4 (9)
2,2 4,0
4
5 6
2,2 4,0
6
7 8
2,2 4,0
8
9 (13)
1,6
10 (14) 2,2 2
11 (15)
3,6
12 (17) 13 (18)
2,2 3,6
4
14 15
2,2 3,6
6
16 17
2,2 3,6
8
Колич. трубок по вы-
соте 6 6 6 6
12
12 12 12
Таблица 1
Колич. змеевиков
Диаметр
колич. ходов в змее- трубки,
вике
мм
34
38 (2 8) + (2 10)
12,0
68
64
68 6 12 8 12
9,52
Серии и режимы испытаний. Выполнены 3 серии испытаний. Номера испытанных теплообменников и скорости сред указаны в таблицах 2, 4 и 5. Температура воздуха на входе в теплообменник назначалась таким образом, чтобы холодопроизводительность не превышала 17,6 кВт – максимальную величину для
испытательного оборудования 5 . Вода подводилась к теплообменникам снизу, схема движения воды и воздуха – перекрестно-противоточная.
В первой серии испытаний (см. таблицу 2) задавались условия для слабого образования конденсата, когда скрытая холодопроизводительность составляет
менее 5 % от полной. Работа 2 относит такие случаи к сухому охлаждению. На
входе в теплообменник поддерживали температуру воды из диапазона (5 – 8) С,
температура воздуха варьировалась от 25 С до 35 С при относительной влажности от 20 % до 50 %. В этой серии испытаний проверялась возможность использования формул для расчета коэффициента теплоотдачи от воздуха, полученных ра-
нее для калориферов 4 , также и для режимов сухого охлаждения воздуха. Во второй серии испытаний (см. таблицу 4) воспроизводились условия для
образования конденсата на части поверхности воздухоохладителя. Этот случай характерен для комфортного кондиционирования воздуха в зданиях и подвижных
2
объектах, расположенных в районах с умеренным климатом, когда основным источником влаги являются люди. Задавали температуру воздуха на входе в тепло-
обменник 20, 25, 27, 35 С при относительной влажности от 30 % до 70 %, темпе-
ратуру воды варьировали от 5 С до 6 С. Создавали условия для стекания конденсата по пластинам вниз и для его выноса воздушным потоком.
В третьей серии (таблица 5) воспроизводили условия для образования конденсата на всей поверхности ребер. Такие условия встречаются в технологических процессах, в комфортном кондиционировании воздуха в районах с влажным тропическим или тропическим морским климатом. Поддерживали на входе в теп-
лообменник температуру воздуха 20, 23, 26, 27, 30 С при относительной влажно-
сти от 70 % до 80 %, задавали температуру воды из диапазона (5 8) С. В части опытов обеспечивали вынос конденсата с воздухом.
Результаты испытаний и расчетов. А.Первая серия - при слабом образовании конденсата. Холодопроизводительность и рассчитанный для каждого опыта приведенный коэффициент теплоотдачи от воздуха, полученные в этой серии, представлены в таблице 2. Скрытая холодопроизводительность составила не более 4,7 % от полной. В таблице 2 указаны значения приведенного коэффициента теплоотдачи от воздуха, полученные с использованием формул коэффициента теплоотдачи от
воздуха из работы 4 при поверочном расчете теплообменников по двум методикам 1 и 2.
Испытания при слабом образовании конденсата
№ тепло-
№ опыта
обменника
(и режи-
vв , м/с
vw , м/с
Qполн , кВт
Qскр, кВт
опыт
ма)
пр в , Вт/(м2 С)
расчет по методике 1 1
Таблица 2
расчет по методике 2
2
1
1
1,0 1,4 01
2,93
0,14
33 4 (13 %)
38,6
40,5
2
1-1
2,7 1,4 92
4,75
0,17
51 5 (10 %)
52,9
3
2
2,7 1,4 82
4,10
0,11
43 5 (12 %)
46,5
4
3
2,7 1,4 72
9,71
0,00
44,1 0,9 (2,1 %)
48,9
5
3-1
3,8 1,4 72
8,03
0,18
56 4 (6 %)
58,3
60,5
6
4
3,8 1,4 42
5,99
0,25
56 5 (10 %)
51,5
52,4
7
9
2,7 1,3 87
6,77
0,10
71,4 2,1 (3,0 %)
75,8
78,2
3
№ тепло-
№ опыта
обменника
(и режи-
vв , м/с
vw , м/с
Qполн , кВт
Qскр, кВт
ма)
опыт
пр в , Вт/(м2 С)
расчет по методике 1 1
расчет по методике 2
2
8
10
2,7 1,3 87
5,92
0,07
75,8 1,2 (1,5 %)
75,5
78,3
9
10-1
4,7 1,3 97
7,54
0,28
100,9 0,9 (0,9 %)
96,9
97,0
vв - скорость воздуха во фронтальном сечении; vw - скорость воды; Qполн - холодопроизводительность полная; Qскр - холодопроизводительность скрытая; пр в - приведенный коэффициент теплоотдачи от воздуха.
Методика 1 описана в литературе 1, с. 56 . Средняя температура поверхности ребер воздухоохладителя находится по i-d диаграмме влажного воздуха на пересечении прямой, проходящей через точки начального и конечного состояния
воздуха, с кривой, описывающей воздух с относительной влажностью =100 %.
Методика 1 1 позволяет рассчитывать два вида охлаждения воздуха: без образования конденсата (сухое) и с образованием конденсата на всей поверхности ребер. Все представленные в таблице 2 случаи методика 1 относит к сухому охлаждению: средняя температура поверхности ребер выше температуры точки росы воздуха на входе в теплообменник.
Методика 2 приведена в работе 2 . Она позволяет рассчитывать последовательно зону сухого охлаждения (первую по ходу воздуха), и затем вторую зону: охлаждения с образованием конденсата на всей поверхности ребер. Переход ко второй зоне происходит, как только текущая температура поверхности ребер становится равной температуре точки росы воздуха на входе в теплообменник. Для второй зоны средняя температура поверхности ребер вычислена по методи-
ке 1 1 , а указанный в таблице 2 приведенный коэффициент теплоотдачи от воздуха осреднен по обеим зонам. Для опытов 2, 3 и 4 из таблицы 2 переход к охлаждению воздуха с выделением конденсата отсутствует.
В расчетах и обработке опытных данных принят коэффициент контакта меж-
ду воротниками пластин и трубками Ск = 0,98, как рекомендует 6, с. 72 для контакта с заполнением возможного зазора конденсатом из воздуха. Исключение опыт № 4 и расчеты к нему: вычисленная температура поверхности трубок оказалась выше температуры точки росы воздуха на входе, таким образом, контакт трубок с пластинами сухой и принят Ск = 0,9.
Приведенные в таблице 2 коэффициенты теплоотдачи от воздуха, получен-
ные по методике 1 1 для сухого охлаждения, имеют среднее квадратичное отклонение от данных опытов 4 % для теплообменников с трубками 12,0 мм и 3,0 % для теплообменников с трубками 9,52 мм. Близость расчетных значений к опыт-
ным означает, что формулы для коэффициента теплоотдачи от воздуха работы 4 для калориферов можно распространить на режимы охлаждения, а использован-
4
ное значение коэффициента контакта между воротниками пластин и трубками Ск = 0,98 согласуется с данными опытов.
На рисунке 1 представлена фактическая холодопроизводительность и рас-
считанная по методикам 1 1 и 2 2 в сопоставлении друг с другом для всех опытов первой серии, а в таблице 3 сведены данные о погрешности расчетов холодопроизводительности.
Вычисленные по методике 2 2 приведенные коэффициенты теплоотдачи от воздуха и полная холодопроизводительность (таблицы 2, 3 и рисунок 1) хуже со-
гласуются с опытными данными, чем вычисленные по методике 1 1 . Количество конденсата (таблица 3) и скрытая холодопроизводительность (рисунок 1) не соответствуют фактическим. На наш взгляд, причина несоответствий заключается в неудовлетворительном расчете конечного влагосодержания воздуха по методике 2.
Данные о погрешности расчетов охлаждения воздуха при слабом
образовании конденсата
Таблица 3
Отклонение расчетных данных от экспериментальных, %
Расчет 1,
по методике 1 9,52 мм 12 мм
Расчет 2,
по методике 2 9,52 мм 12 мм
Среднее квадратичное отклонение полной холодопроизводительности
1,5
2
2
4
Среднее квадратичное отклонение разности температур воздуха
3
6 2,1 6
Среднее квадратичное отклонение количества конденсата
120 55
Q, кВт
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 № опыта
Рис. 1. Диаграмма холодопроизводительности при слабом образовании конденсата.
Q - холодопроизводительность, кВт: - явная; - скрытая;
5
в № опыта первый столбец относится к экспериментальным данным, второй – к данным расчета по методике 1, третий – к данным расчета по методике 2.
Поэтому проектный расчет воздухоохладителей для режимов кондиционирования воздуха, в которых предполагается слабое образование конденсата (скрытая холодопроизводительность составляет менее 5 % от полной), предпочтительно выполнять по методике 1 [1], пренебрегая образованием конденсата и его влиянием на теплопередачу.
Б. Вторая серия испытаний - при образовании конденсата на части поверхности. В таблице 4 представлены результаты этой серии испытаний. Скрытая холодопроизводительность составила для теплообменников с трубками 12,0 мм от 8 % до 12 % от полной холодопроизводительности (для опыта 1 – 36 %), для теплообменников с трубками 9,52 мм - от 6 % до 16 % от полной (кроме опыта 7:
2,4 %). Для каждого опыта выполнены расчеты по методикам 1 [1] и 2 [2]. Для опы-
тов, в которых расчетом по методике 1 определен режим охлаждения с образованием конденсата на всей поверхности ребер, выполнен еще один поверочный расчет - по методике 3 [3]. Согласно методике 3 воздухоохладитель рассчитывают в условно сухом режиме охлаждения, эквивалентном по холодопроизводительности фактическому режиму охлаждения с образованием конденсата. Метод предложен
О. Я. Кокориным 3 , широко используется при проектировании кондиционеров и незаменим, если коэффициент теплопередачи представлен в виде зависимости от массовых расходов воздуха и хладоносителя.
Испытания при образовании конденсата на части поверхности
№ № теплообменника vв ,
опыта
(и режима)
м/с
vw , Qполн , м/с кВт
Qскр, кВт
Gв, кг/(с м2)
1
1
6,78 1,42 5,89 2,13
11,6
2
5
3,83 1,06 10,14 0,97
6,7
3
6
3,85 1,05 7,53 0,60
6,5
4
7
3,78 0,71 11,48 1,40
6,7
5
8
3,85 0,71 8,90 0,92
6,5
6
10
1,01 1,37 3,41 0,20
2,2
7 10-1 1,69 1,37 4,53 0,11 3,7
8
11
2,77 1,38 6,42 0,41
5,7
9
12
3,83 1,09 10,03 1,12
8,3
10
14
3,87 1,09 11,94 1,83
8,4
Таблица 4
Вынос влаги Да
Да
Да
Да
Да
Нет
Нет
Да
Да
Да
6
№ № теплообменника vв , vw , Qполн , Qскр,
опыта
(и режима)
м/с м/с кВт кВт
11 15 3,87 1,09 10,02 1,61
Gв, кг/(с м2) 8,0
Вынос влаги
Да
12
16
3,87 0,82 13,01 1,69
8,6
Да
13
17
3,77 0,82 11,61 1,80
8,1
Да
Gв – массовая скорость воздуха в живом сечении; остальные условные обозначения см. таблицу 1.
В расчете по методике 3 определена холодопроизводительность, при которой используется вся площадь теплообмена в условно сухом режиме охлаждения. Начальные параметры воздуха для условно сухого режима охлаждения вычислены
согласно работе 3 . Средняя температура поверхности ребер, конечная температура и влагосо-
держание воздуха рассчитаны по-прежнему по методике 1 1 . Использование положений методики 1 в данных расчетах позволяет выделить в чистом виде возможную погрешность методики 3 при переходе от фактического режима охлаждения к условно сухому с помощью линейной аппроксимации кривой насыщения
воздуха =100 %. Рассчитанные по методикам 1, 2 и 3 значения полной, явной и скрытой холо-
допроизводительности показаны на рисунке 2. Кроме того, рисунок 2 иллюстрирует соотношение расчетных величин полной, явной и скрытой холодопроизводительности с их фактическими значениями при образовании конденсата на части поверхности.
При массовой скорости воздуха в живом сечении теплообменника более
(5 - 6) кг/(с м2) происходит срыв и унос влаги с поверхности пластин 3, с. 102 . Капли конденсата имеют температуру ниже, чем подхвативший их поток воздуха, и следует ожидать дополнительного охлаждения воздуха от капель конденсата. В расчетах по методикам 1, 2, 3 это явление не учитывается, и потому оно могло сказаться на погрешности расчетов (кроме опытов 6, 7).
7
14,0
12,0
10,0
Q, кВт
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 № опыта
Рис. 2. Холодопроизводительность при образовании конденсата на части по-
верхности.
Q - холодопроизводительность, кВт:
- явная;
- скрытая
в № опыта первый столбец относится к экспериментальным данным,
второй – к данным расчета по методике 1, третий – по методике 2, четвертый – по методике 3.
В данной серии испытаний среднее квадратичное отклонение полной холо-
допроизводительности при расчете по методике 1 1 составило 8 % и 1,2 % для
теплообменников с трубками 12,0 мм и 9,52 мм соответственно; по методике 2 2
получены более точные данные: 7 % и 0,9 %. Методика 3 3 для теплообменников с трубками 9,52 мм дала тот же результат, что и методика 1 - 1,2 %. Линейная
аппроксимация кривой насыщения воздуха = 100 % не сказалась на погрешности расчетов по методике 3.
Расчетные данные для опыта 1 (таблица 4 и рис. 2) выбиваются из общего ряда. Вычисленная полная холодопроизводительность ниже экспериментальной на 21 %, скрытая - в 2,9 – 3,3 раза при начальной относительной влажности воздуха 74 %. Очевидно, требуется уточнение методики расчета теплообменников с трубками 12,0 мм для случаев большой массовой скорости воздуха в живом сечении при влажности выше 40 %.
При массовой скорости воздуха до 6,7 кг/(с м2) для теплообменников с трубками 12,0 мм имеет преимущество расчет по методике 2, но он дает завышение требуемой площади теплообмена приблизительно на 8 %. Погрешность расчета в основном связана с неточностью вычисления скрытой холодопроизводительности (рис. 2, опыты 2 - 5).
Что касается теплообменников с трубками 9,52 мм, то в случае 4 рядов трубок и менее имеет незначительное преимущество расчет по методикам 1 или 3
8
вплоть до массовой скорости воздуха в живом сечении 8,3 кг/(с м2) (рис. 2, опыты 6 - 9). Для 6 и 8 – рядных теплообменников очевидно преимущество расчета по методике 2 (рис. 2, опыты 10 - 13).
В.Третья серия испытаний - при образовании конденсата на всей поверхности. Результаты третьей серии приведены в таблице 5 и на рисунке 3. Скрытая холодопроизводительность в испытаниях составила 40 % – 62 % от полной для теплообменников с трубками 12,0 мм и 50 % – 60 % для теплообменников с трубками 9,52 мм. Максимальная относительная влажность воздуха на выходе составила 98 %.
На рисунке 3 показана также холодопроизводительность, рассчитанная для
испытаний третьей серии по методикам 1 1 , 3 3 и 198. В последнюю методику включен расчет части теплообменника, контактирующей с воздухом с установившейся относительной влажностью 98 %.
При расчете по методике 198 площадь теплообменника делят на две зоны по ходу воздуха: для первой зоны выполняют расчет по методике 1, причем холодопроизводительность выбирается так, чтобы относительная влажность воздуха на выходе из зоны была 98 %; во второй зоне уклон процесса охлаждения выбирается из условия равенства конечной относительной влажности воздуха также 98 %. Методика 198 использовалась, если при расчете по методике 1 относительная влажность воздуха на выходе получалась выше 98 %.
Расчет по методике 2 2 на рис 3 не представлен, т.к. в опытах третьей серии у воздухоохладителей не было сухой площади теплообмена: на входе воздуха в теплообменник температура поверхности ребер была ниже температуры точки росы воздуха.
Испытания при образовании конденсата на всей поверхности
№ № теплообменника vв ,
опыта
(и режима)
м/с
vw , Qполн , м/с кВт
Qскр, кВт
Gв, кг/(с м2)
1
1
1,00 1,41 3,01 1,44
1,8
2
1-1
2,78 1,42 4,33 1,73
4,8
3
3
2,79 1,42 11,86 6,37
4,8
4
6
2,77 2,03 15,13 9,33
4,6
5
7
2,80 1,37 17,02 9,41
5,0
6
8
2,77 1,41 14,82 8,44
4,7
7
12
4,78 1,37 13,77 6,39
10,3
8
13
4,78 1,36 12,13 5,73
10,0
9
14
2,79 1,37 17,43 10,17
6,0
10
16
3,02 0,82 17,71 10,09
6,6
11
17
2,76 1,37 17,86 10,39
5,9
Таблица 5
Вынос влаги Нет
Возможен Возможен
Нет Да
Возможен Да Да Да Да Да
9
№ № теплообменника vв ,
опыта
(и режима)
м/с
vw , Qполн , м/с кВт
Qскр, кВт
Gв, кг/(с м2)
Вынос влаги
Gв – массовая скорость воздуха в живом сечении; остальные условные обозначения см.
таблицу 1.
Q, кВт
20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0
8,0 6,0 4,0 2,0 0,0
12
34
56
7 8 9 10 11
№ опыта
Рис. 3. Холодопроизводительность при образовании конденсата на всей по-
верхности.
Q - холодопроизводительность, кВт:
- явная;
- скрытая;
в № опыта первый столбец относится к экспериментальным данным,
второй – к данным расчета по методике 1, третий – по методике 198 , четвертый – по методике 3.
Среднее квадратичное отклонение полной холодопроизводительности для теплообменников с трубками 12,0 мм и 9,52 мм составило для расчетов по методике 1 - 4 % и 0,8 % соответственно; по методике 198 - 3 % и 0,6 %; по методике 3 - 5 % и 2 %.
Выбор наиболее адекватной методики расчета зависит от расчетной относительной влажности воздуха на выходе из теплообменника. Если она ниже 98 %, то
при разности влагосодержания воздуха на входе и выходе из теплообменника d менее (2,3 – 2,6) г/(кг сухого воздуха) методики 1 и 3 обеспечивают практически
одинаковую точность (рис. 3, опыты 2, 7 и 8). При d (2,3 – 2,6) г/(кг с.в.) имеет
преимущество методика 1 (рис. 3, опыт 4 с d = 5,4 г/(кг с.в.)). Увеличение по-
грешности методики 3 с ростом разности влагосодержания воздуха d - следствие использования в ней линейной аппроксимации кривой насыщения воздуха
=100 %: погрешность аппроксимации растет при увеличении разности парциальных давлений насыщенного водяного пара.
Если расчетная относительная влажность воздуха на выходе из теплообменника, вычисленная по методике 1 или 3, оказалась выше 98 % - то более близкие к реальности результаты дает методика 198 (рис. 3, опыты 1, 3, 5, 6, 9 - 11). Зона, где
10
воздух имеет влажность 98 %, может быть значительной: в расчетах она занимала до 46 % наружной площади теплообмена.
При образовании конденсата на всей поверхности примененные методики расчета довольно точно определяют конечное влагосодержание воздуха: наибольшая погрешность расчета скрытой холодопроизводительности составила 35 % (рис. 3, опыт 2).
Согласно расчетам, наибольшее завышение требуемой площади теплообмена при расчете воздухоохладителя с образованием конденсата на всей поверхности составило для теплообменников с трубками 12,0 мм 12 % (методика 1) и 8 % (методика 198); для теплообменников с трубками 9,52 мм – 3 % (методика 1) и 1,5 % (методика 198).
Следует отметить, что теплообменники с трубками 12,0 мм испытаны в условиях стекания конденсата по поверхности ребер, поскольку вынос его с воздушным потоком или отсутствовал или только начинался (таблица 5). Поэтому погрешность расчетов теплообменников с трубками 12,0 мм в третьей серии испытаний может быть отчасти объяснена тем, что в методиках 1 и 198 не учтено турбулизирующее влияние капель и струй конденсата на воздушный поток, из-за чего фактический коэффициент теплоотдачи от воздуха мог возрасти на 5 % – 10 % 1, с. 50 .
Теплообменники с трубками 9,52 мм испытаны в условиях выноса конденсата с потоком воздуха (таблица 5). Сопоставление результатов опытов и расчетов (рис. 3, опыты 7 - 11) приводит к заключению, что в этих теплообменниках не возникают условия для существенного теплообмена между каплями конденсата и несущим их воздушным потоком.
Оценка проверенных методик расчета воздухоохладителей. В воздухоохладителях практически всегда существует, целиком или частично, переходная зона, в которой конденсат образуется только на наиболее холодной части поверхности ребер. В начале переходной зоны - это воротники ребер, а в конце – вся их поверхность. Методики 1 1 , 2 2 и 3 3 не учитывают переходную зону, и потому следует ожидать, что точность расчета будет выше в тех случаях, когда влияние переходной зоны минимально. В нашем случае в опытах первой и третьей серий переходная зона развита слабее, чем во второй серии испытаний.
Расчеты по методике 1, выполненные для всех трех серий испытаний, показывают: среднее квадратичное отклонение полной холодопроизводительности для теплообменников с трубками 12,0 мм в первой и третьей сериях испытаний в 2 – 4 раза меньше, чем во второй серии. Для теплообменников с трубками 9,52 мм среднее квадратичное отклонение полной холодопроизводительности в третьей серии опытов почти в 2 раза меньше, чем во второй.
Отсутствие учета переходной зоны ведет к увеличению погрешности расчетов, прежде всего, воздухоохладителей с наиболее развитой поверхностью ребер, работающих в условиях образования конденсата на части поверхности. Так у теплообменников с трубками 12,0 мм условная высота ребер hр составляет 25,0 мм и
11
для них по наиболее адекватной методике 2 2 получено во второй серии испытаний среднее квадратичное отклонение полной холодопроизводительности 7 % против 0,9 % для теплообменников с трубками 9,52 мм (hр = 10,8 мм). В первой и третьей сериях испытаний средние квадратичные отклонения полной холодопроизводительности для теплообменников с трубками 12,0 мм и 9,52 мм различаются менее резко: в первой серии получено 2 % и 1,5 % по методике 1 1 , а в третьей серии по методике 198 - 3 % и 0,6 %.
Данную закономерность можно проследить и в случае, когда развитие поверхности достигается уменьшением шага ребер. Погрешность расчета полной холодопоизводительности теплообменников с трубками 9,52 мм при шаге ребер 2,2 мм выше, чем при шаге 3,6 мм (рис. 2, расчет по методике 1, опыты 10 и 11, 12 и 13). В то же время в опытах первой и третьей серий различие погрешностей расчета для теплообменников с разными шагами ребер менее заметно (рис. 1, расчет по методике 1, опыты 7 и 8; рис. 3, расчет по методике 1, опыты 7 и 8, 10 и 11). Возрастание погрешности расчета полной холодопроизводительности в условиях образования конденсата на части поверхности вызвано неудовлетворительным расчетом скрытой холодопроизводительности:
- во второй серии опытов скрытая холодопроизводительность для теплообменников с трубками 12,0 мм занижена расчетом по наиболее адекватной методике 2 2 в 1,6 – 2,7 раза (рис. 2, опыты 1, 2, 4, 5), а для опыта 3 с фактической скрытой холодопроизводительностью 8 % и вовсе не определена (см. рис. 2, опыт 3). Для теплообменников с трубками 9,52 мм расчет по методике 2 дает значение скрытой холодопроизводительности от близкого к фактическому (рис. 2, опыты 8, 10, 11, 13) до завышенного в 3,2 раза (рис. 2, опыт 7);
- расчеты по методике 1 1 дают более серьезные отклонения скрытой холодопроизводительности от экспериментальных значений. Для теплообменников с трубками 12,0 мм (hр = 25,0 мм) методика 1 не позволяет обнаружить скрытую холодопроизводительность, даже в тех случаях, когда она фактически составляет 8 % – 12 % от полной (рис. 2, опыты 2 - 5). Для теплообменников с трубками 9,52 мм (hр = 10,8 мм) методика 1 дает значение скрытой холодопроизводительности от вдвое большей (рис. 2, опыт 7) до в 6,6 раза меньшей (рис. 2, опыт 12), чем фактическая.
Это значит, что использование средней температуры поверхности ребер для расчета конечного влагосодержания воздуха не является достаточно обоснованным, если в теплообменнике имеется переходная зона с увеличивающейся по ходу воздуха влажной поверхностью.
Заключение. Выполненные серии испытаний выявили, что достоверность расчетов воздухоохладителей по известным методикам снижается, если конденсат образуется только на части поверхности теплообмена и если теплообменник имеет развитую наружную поверхность. В результате проведенных испытаний получены исходные данные для разработки алгоритма расчета трубчато-пластинчатых воздухоохладителей с переходной зоной, в начале которой конденсат образуется только на воротниках ребер, а в конце – на всей их поверхности.
12
Литература.
1. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин / под ред. А.В. Быкова. М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1984. 248 с. 2. AHRI Standard 410-2001, Forced-Circulation Air-Cooling and Air-Heating Coils, 2001,
Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute, 2111 Wilson Blvd, Arlington, VA 22201, U.S.A. 3. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. Основы расчета и проектирования. М.: Машиностроение, 1978. 264 с. 4. Емельянов А.Л., Кожевникова Е.В. Исследование коэффициентов теплоотдачи в воздушных трубчато-пластинчатых калориферах // . 2010. № . С. - . 5. Кожевникова Е.В., Лопаткина Т.А. Калориметрический комплекс для исследования теплоотдачи в теплообменниках и испытания кондиционеров Электронный ресурс : Электронный научный журнал «Холодильная техника и кондиционирование»/ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий.-Электрон.журнал.-Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2010.- № 1.- март. 2010.- Режим доступа к журн.: http://www.openmechanics.com/journals свободный (дата обращения: 14.10.2010). 6. Теплообменные аппараты холодильных установок / под общ. ред. Г.Н. Даниловой. Л.: Машиностроение, 1986. 303 с.
13
Experimental research of heat transfer in fin-and-coil air coolers
Kozhevnikova E.V., Lopatkina Т.А.
Open joint-stock company «IEMZ «Kupol», Izhevsk
E-mail: cheine@yandex.ru, trusovsa@gmail.com
The fin-and-coil air coolers are investigated in following conditions: at weak formation of a condensate, condensate formation on a part of a surface and on all surface. The error of three known methods of calculation of air coolers in the investigated conditions of formation of a condensate is defined. It is found out that a calculation error is maximum for heat exchangers with the most developed external surface, working in the conditions of condensate formation on a part of a surface. The error reason - unsatisfactory calculation of a humidity ratio of air on an exit from the heat exchanger. Experimental data for working out of a method of calculation of air coolers taking into account a transitive zone, in which plates are covered by a condensate only partially.
Key words: fin-and-coil heat exchanger, total cooling capacity, latent cooling capacity, humidity ratio, calculation error.
14
Рецензия на рукопись в ЭНЖ СПбГУНиПТ:
УДК_621.565.9.045___№специальностиВАК РФ_01.04.14-теплофизика и теоретическая теплотехника________________________________________ Название статьи «Экспериментальное исследование эффективности методов расчета трубчато-пластинчатых воздухоохладителей при различных режимах образования конденсата»____________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________ Автор(ы):КожевниковаЕ.В.ЛопаткинаТ.А.________________________________________________
__________________________ Рецензент (ФИО, уч. звание, уч. степень, э-майл)_Буравой Семен Ефимович, профессор, доктор технических наук, E-mail: buravoy@mail.ru_______________________________________ Рецензент заполняет в таблице оценки в столбце 3 в строках 1-4 одной цифрой оценки в каждой строке и при необходимости комментирует оценки в столбце 4 Примечания.
№№ Наименование оценки Оценка. 0,1,2,3,4,5
Примечания
пп (5 – высшая оценка)
1 Степень соответствия 5
содержания рукописи
тематике ЭНЖ
2 Актуальность
4
3 Научный уровень
4
4 Практическая ценность 5
Текст рецензии: В статье приведены результаты экспериментального исследования
холодопроизводительности и коэффициентов теплоотдачи трубчато-
пластинчатых теплообменников на стороне воздуха при различных условиях об-
разования конденсата на его пластинах. Исследования проведены для большой
группы теплообменников двух типов с трубками диаметром 9,52 мм и 12,0 мм,
изготовленных по современной технологии и широко используемых в качестве
калориферов и воздухоохладителей в холодильной технике и системах кондицио-
нирования. Результаты экспериментов обработаны по трем известным методикам
расчета воздухоохладителей в рассмотренных условиях образования конденсата,
выявлена причина расхождения расчетных и опытных данных.
Полагаю, что статья содержит новые данные, представленные в наглядной,
оригинальной форме. Материал статьи представляет большой интерес для проек-
тировщиков соответствующей аппаратуры в холодильной технике.
Считаю, что статья может быть принята к публикации в электронном журна-
ле.
Рецензент:
Буравой С.Е.
15