CC BY
103
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: [email protected], [email protected]
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 вла-госодержания 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 холодо-производительность, 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 ореб-ренной поверхностью и что может вызвать ее снижение. Исследования проводились на калориметрическом комплексе ОАО «ИЭМЗ «Купол» (г. Ижевск), описанном 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 размерами оребренной части 300 мм (высота) х 600 мм (ширина).
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 теплообменники обозначены в работе [4] при испытаниях в режиме нагрева.
Конструкция теплообменников Таблица 1
№ теплообменника Шаг пластин, мм Колич. рядов трубок Колич. трубок по высоте Колич. змеевиков х колич. ходов в змеевике Диаметр трубки, мм
1 (5) 2,2 2 6 3 х 4
2 (6) 4,0
3 (8) 2,2 4 6 3 х 8
4 (9) 4,0 12,0
5 2,2 6 6 (2 х 8) + (2 х 10)
6 4,0
7 2,2 8 6 6 х 8
8 4,0
9 (13) 1,6
10 (14) 2,2 2 12 6 х 4
11 (15) 3,6
12 (17) 2,2 4 12 6 х 8
13 (18) 3,6 9,52
14 2,2 6 12 6 х 12
15 3,6
16 2,2 8 12 8 х 12
17 3,6
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 хо-лодопроизводительность 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 ранее 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
объектах, расположенных в районах с умеренным климатом, когда основным источником влаги являются люди. Задавали температуру воздуха на входе в теплообменник 20, 25, 27, 35 °С при относительной влажности от 30 % до 70 %, температуру 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 теплообменник температуру воздуха 20, 23, 26, 27, 30 °С при относительной влажности 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. Холодопроизводи-тельность 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_Таблица 2
№ теплообменника (и режима) (Хпр в , Вт/(м2 • °С)
№ опыта Ув , м/с м/с Ополи , кВт Ос^ кВт опыт расчет по методике 1 [1] расчет по методике 2 [2]
1 1 1,0 0 1,4 1 2,93 0,14 33 ± 4 (13 %) 38,6 40,5
2 1-1 2,7 9 1,4 2 4,75 0,17 51 ± 5 (10 %) 52,9 -
3 2 2,7 8 1,4 2 4,10 0,11 43 ± 5 (12 %) 46,5 -
4 3 2,7 7 1,4 2 9,71 0,00 44,1 ± 0,9 (2,1 %) 48,9 -
5 3-1 3,8 7 1,4 2 8,03 0,18 56 ± 4 (6 %) 58,3 60,5
6 4 3,8 4 1,4 2 5,99 0,25 56 ± 5 (10 %) 51,5 52,4
7 9 2,7 8 1,3 7 6,77 0,10 71,4 ± 2,1 (3,0 %) 75,8 78,2
№ опыта № теплообменника (и режима) Vв , м/с vw , м/с Qполн , кВт кВт апр в , Вт/(м2 • °С)
опыт расчет по методике 1 [1] расчет по методике 2 [2]
8 10 2,7 8 1,3 7 5,92 0,07 75,8 ± 1,2 (1,5 %) 75,5 78,3
9 10-1 4,7 9 1,3 7 7,54 0,28 100,9 ± 0,9 (0,9 %) 96,9 97,0
ув - скорость воздуха во фронтальном сечении; - скорость воды; СЬолн - холодопроизводи-тельность полная; Qскр - холодопроизводительность скрытая; апр 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 ср=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 методике 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 между 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, полученные 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 опытным означает, что формулы для коэффициента теплоотдачи от воздуха работы [4] для калориферов можно распространить на режимы охлаждения, а использован-
ное значение коэффициента контакта между воротниками пластин и трубками Ск = 0,98 согласуется с данными опытов.
На рисунке 1 представлена фактическая холодопроизводительность и рассчитанная 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 холодо-производительности.
Вычисленные по методике 2 [2] приведенные коэффициенты теплоотдачи от воздуха и полная холодопроизводительность (таблицы 2, 3 и рисунок 1) хуже согласуются 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] Расчет 2, по методике [2]
9,52 мм 12 мм 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
12,0 -,
10,0
m
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.
Р - холодопроизводительность, кВт: I I - явная; I I - скрытая;
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 опытов, 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 Таблица 4
№ опыта № теплообменника (и режима) "Ув , м/с м/с Ополи , кВт Осв^ кВт Ов, кг/(с • 2\ м ) Вынос влаги
1 1 6,78 1,42 5,89 2,13 11,6 Да
2 5 3,83 1,06 10,14 0,97 6,7 Да
3 6 3,85 1,05 7,53 0,60 6,5 Да
4 7 3,78 0,71 11,48 1,40 6,7 Да
5 8 3,85 0,71 8,90 0,92 6,5 Да
6 10 1,01 1,37 3,41 0,20 2,2 Нет
7 10-1 1,69 1,37 4,53 0,11 3,7 Нет
8 11 2,77 1,38 6,42 0,41 5,7 Да
9 12 3,83 1,09 10,03 1,12 8,3 Да
10 14 3,87 1,09 11,94 1,83 8,4 Да
№ опыта № теплообменника (и режима) Ув , м/с Vw , м/с Ополи , кВт Осв^ кВт Ов, кг/(с • 2\ м ) Вынос влаги
11 15 3,87 1,09 10,02 1,61 8,0 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
Ов - 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 ф=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 холодопроизводи-тельности с их фактическими значениями при образовании конденсата на части поверхности.
При массовой скорости воздуха в живом сечении теплообменника более
л
(5 - 6) кг/(с-м ) 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).
14,0 -|
12,0
10,0
н 8,0
т
6,0 "=,----
4,0
к
2,0 -
0,0
ИГ
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: I I - явная; I I - 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 ср = 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 холодопроизводи-тельности (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
л
вплоть до массовой скорости воздуха в живом сечении 8,3 кг/(с-м ) (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 Ье- 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 холодо-производительность 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 1 98 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_Таблица 5
№ опыта № теплообменника (и режима) Ув , м/с м/с Ополи , кВт Осв^ кВт Ов, кг/(с • 2\ м ) Вынос влаги
1 1 1,00 1,41 3,01 1,44 1,8 Нет
2 1-1 2,78 1,42 4,33 1,73 4,8 Возможен
3 3 2,79 1,42 11,86 6,37 4,8 Возможен
4 6 2,77 2,03 15,13 9,33 4,6 Нет
5 7 2,80 1,37 17,02 9,41 5,0 Да
6 8 2,77 1,41 14,82 8,44 4,7 Возможен
7 12 4,78 1,37 13,77 6,39 10,3 Да
8 13 4,78 1,36 12,13 5,73 10,0 Да
9 14 2,79 1,37 17,43 10,17 6,0 Да
10 16 3,02 0,82 17,71 10,09 6,6 Да
11 17 2,76 1,37 17,86 10,39 5,9 Да
№ № теплообменника Ув , Qполн , Ов, кг/(с • Вынос вла-
опыта (и режима) м/с м/с кВт кВт 2\ м ) ги
Ов - массовая скорость воздуха в живом сечении; остальные условные обозначения см.
таблицу 1.
20,0 -
18,0-------------------------------------------------------—----щ-т-
1 ЩИ111
----- - -------- " -
0,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
6,0 4,0
2,0 -I 0,0
10 11
№ опыта
Рис. 3. Холодопроизводительность при образовании конденсата на всей поверхности.
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 Дс1 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 Дс1 > (2,3 - 2,6) г/(кг с.в.) имеет преимущество методика 1 (рис. 3, опыт 4 с Аё = 5,4 г/(кг с.в.)). Увеличение погрешности методики 3 с ростом разности влагосодержания воздуха Дс1 - следствие использования в ней линейной аппроксимации кривой насыщения воздуха Ф=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
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 1 2 % (методика 1) и 8 % (методика 198); для теплообменников с трубками 9,52 мм - 3 % (методика 1) и 1,5 % (методика 1 98).
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 тур-булизирующее 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 составляет 25,0 мм и
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 (Ир = 10,8 мм). В первой и третьей сериях испытаний средние квадратичные отклонения полной холодопро-изводительности 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 1 98 - 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 холодо-производительностью 8 % и вовсе не определена (см. рис. 2, опыт 3). Для теплообменников с трубками 9,52 мм расчет по методике 2 дает значение скрытой холодо-производительности 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 (Ир = 25,0 мм) методика 1 не позволяет обнаружить скрытую холодопро-изводительность, даже в тех случаях, когда она фактически составляет 8 % - 12 % от полной (рис. 2, опыты 2 - 5). Для теплообменников с трубками 9,52 мм (Ир = 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.
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 кондициониро-вание»/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.open-mechanics.com/journals свободный (дата обращения: 14.10.2010).
6. Теплообменные аппараты холодильных установок / под общ. ред. Г.Н. Даниловой. Л.: Машиностроение, 1986. 303 с.
Experimental research of heat transfer in fin-and-coil air coolers
Kozhevnikova E.V., Lopatkina T.A.
Open joint-stock company «IEMZ «Kupol», Izhevsk E-mail: [email protected],
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 offormation 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.
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 труб-чато-пластинчатых воздухоохладителей при различных режимах образования конденсата»
Ав-
тор(ы):КожевниковаЕ.В.ЛопаткинаТ.А.
Рецензент (ФИО, уч. звание, уч. степень, э-майл)_Буравой Семен Ефимович, профессор, доктор
технических наук, E-mail: [email protected]_
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 содержания рукописи тематике ЭНЖ 5
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 образования 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 кондиционирования. 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 проектировщиков соответствующей аппаратуры в холодильной технике.
Считаю, что статья может быть принята к публикации в электронном журнале.
Рецензент: Буравой С.Е.
