CC BY
102
УДК621.565.94
Аэродинамическое сопротивление воздушных трубчато-пластинчатых теплообменников
Канд. техн. наук А. Л. ЕМЕЛЬЯНОВ, Е. В. КОЖЕВНИКОВА
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
Tests of fin-and-coil heat exchangers of firm «Vozduhotehnika» were conducted in the calorimetric complex ETC plant «IEMZ "Kupol"». The experimental resistance of air were received for these heat exchangers. These resistances were higher than calculated on known relationships. New relationships for resistance of air were received for the tested fin-and-coil heat exchangers.
Key words: fin-and-coil heat exchanger, calculation a resistance of air.
Ключевые слова: трубчато-пластинчатый теплообменник, расчет аэродинамического сопротивления.
В холодильной технике, в системах кондиционирования, в разнообразной теплообменной аппаратуре широко применяются трубчато-пластинчатые теплообменники с интенсифицированной оребренной поверхностью [1]. При этом для выбора оптимальной конфигурации теплообменника необходимо найти наилучшее сочетание коэффициента теплоотдачи и аэродинамического сопротивления. В то же время методы расчета, а также компьютерные программы подбора теплообменников для конкретных изделий разработаны еще недостаточно [2]. Используемые при этом данные по расчету коэффициентов теплоотдачи со стороны воздуха и аэродинамического сопротивления часто не соответствуют современным конструкциям и технологиям изготовления теплообменников [3, 4], что приводит к существенным допускам и погрешностям при проектировании изделий.
В статье [5) в виде критериальных зависимостей были рассмотрены и обобщены результаты экспериментальных исследований коэффициентов теплоотдачи со стороны воздуха для теплообменников, изготовленных на оборудовании ОАО «Воздухотехника». Исследования проводились на калориметрическом комплексе, описанном в работе |6|. Конструкция, геометрические характеристики исследованных теплообменников, расходные параметры сред, а также геометрия ребер теплообменников с трубками диаметром 9,52 и 12 мм приведены в статье [5]. Всего было проведено более 30 опытов для 18 конструкций теплообменников в широком диапазоне изменения их теплопроизводительности, расхода и температуры воздуха и воды.
В данной работе, в развитие статьи [5], обобщаются результаты исследования аэродинамических сопротивлений для тех же конструкций теплообменников.
Диапазон моделируемых тепловых параметров при испытаниях теплообменников представлен в табл. 1, а результаты экспериментов — в табл. 2.
Из табл. 2 видно, что экспериментальные значения ДРВ превышают значения, рассчитанные по формуле Гоголина [3], для теплообменников с трубками 0 9,52 мм на 26—57 %, с трубками 0 12 мм — на 20—74 %. Таким образом, наличие гофр приводит к значительному повышению аэродинамического сопротивления. Форма гофр также влияет на величину аэродинамического сопротивления. В работе [4] приведены зависимости аэродинамического сопротивления для теплообменников с трубками 0 12 мм и ребрами с высотой гофр 2,5 мм. Остальные параметры ребер соответствуют параметрам, приведенным в статье [5]. Значения аэродинамического сопротивления для теплообменников с трубками 0 12 мм, рассчитанные по формуле из статьи [4], меньше экспериментальных значений на 6—51 %, кроме опытов 13—15 (где больше экспериментальных значений на 14—16 %).
Экспериментальные данные были обобщены в виде критериальных зависимостей
\
ДР
А
в.расч
(и-6р)в
\
1
А^Фр
Lwj
КІ
(1)
где ДРв.расч — расчетные значения аэродинамического сопротивления;
<5Р — толщина ребра;
Ьв — массовый расход воздуха;
Кфр — число трубок в ряду;
- — число ребер, определяемое округлением вверх и]
значения отношения 1/и;
Кпрод — число рядов трубок;
А, Б, В, Г — коэффициенты, зависящие от вида ребер, наличия гофр, их высоты, расположения трубок в пакете оребрения.
Таблица 1
Диапазон моделируемых тепловых параметров
Наименование параметра Диапазон значений
для теплообменников с трубками 0 9,52 мм для теплообменников с трубками 0 12 мм
Температура воздуха на входе £В1С, °С 5-27 5-20
Относительная влажность воздуха на входе >рв\, % 49-84 50-84
Таблица 2
Результаты экспериментов
Номер опыта Обозначение теплообменника* Скорость воздуха во фронтальном сечении Ув. фр, м/с Аэродинамическое сопротивление АРВ, Па
Опыт Расчет по [3] Расчет по [4] Расчет по (3)
1 12.1 600-300-1-1,6-2 1,55 13,6 4,76 8,38 14,7
2 1,01 7,72 2,00 3,81 7,46
3 1,54 13,5 4,70 8,29 14,6
4 12.1 600-300-1-2,2-2 1,54 9,71 3,92 6,84 10,8
5 2,78 24,3 10,5 16,8 23,4
6 12.1 600-300-1-4,0-2 1,55 7,66 2,95 4,76 6,42
7 2,78 19,1 8,25 12,1 14,4
8 12.1 600-300-2-1,6-4 2,31 41,9 19,0 31,4 42,3
9 12.1 600-300-2-2,2-4 2,32 27,5 15,8 25,9 31,2
10 12.1 600-300-2-4,0-4 2,32 19,8 12,1 18,2 18,8
11 12.1 600-300-4-1,6-8 2,32 70,5 37,2 61,5 69,4
12 2,78 92,2 50,7 81,5 88,5
13 12.1 600-300-4-2,2-8 3,09 71,1 52,2 81,4 76,9
14 12.1 600-300-4-4,0-8 3,10 47,1 37,9 54,8 44,6
15 1,71 16,8 12,1 19,4 18,2
16 9.1 600-300-1-1,6-2 1,55 14,7 6,31 — 14,3
17 2,79 35,7 17,5 — 37,9
18 9.1 600-300-1-2,2-2 2,32 22,3 11,2 — 23,3
19 2,78 29,7 14,5 — 29,9
20 9.1 600-300-1-3,6-2 1,55 9,52 4,21 — 8,40
21 2,78 24,8 11,7 — 22,3
22 9.1 600-300-2-1,6-4 2,32 45,2 24,5 — 45,8
23 9.1 600-300-2-2,2-4 2,31 37,5 20,9 — 37,0
24 1,54 18,4 9,09 — 16,7
25 1,55 17,8 9,23 — 17,0
26 9.1 600-300-2-3,6-4 1,39 28,6 16,8 — 27,5
27 9.1 600-300-4-1,6-8 2,31 78,3 49,1 — 77,5
28 2,78 106 66,3 — 103
29 9.1 600-300-4-2,2-8 3,10 100 72,7 — 106
30 4,79 211 148 — 210
31 9.1 600-300-4-3,6-8 3,09 74,1 55,1 — 74,8
32 2,78 59,7 42,0 — 57,7
* Расшифровку обозначения теплообменника см. в статье [5].
При решении совокупности систем нелинейных уравнений вида
Д Рп =
(м[г] - <5Р)
V'
^фр
иг
АГПрод [г]
/
АР =
І-ЛІ в. расч —
(2)
были получены обобщенные значения коэффициентов А, Б, В, Г и следующие формулы для расчета аэродинамического сопротивления теплообменников:
\ 1.72
62,36
(и—<5Р)2’29
/
Афр
и
■к:
0,76
— для трубки диаметром 9,52 мм;
\ 1,41
2,09
(и-<5Р)2’2
1
Афр
и
■К
0,74
ПРОД5
для трубки диаметром 12 мм.
Среднее квадратичное отклонение результатов расчета от экспериментальных значений для теплообменников с трубками 0 9,52 мм составило 0,5 Па (1,3 %), для теплообменников с трубками 0 12 мм — 9,6 Па (2,7 %) — см. табл. 2.
Полученные зависимости позволяют с большей точностью рассчитать аэродинамическое сопротивление теплообменника, и, как следствие, по существующей зависимости давление—расход вентилятора адекватно определить объемный расход воздуха, проходящего через теплообменник, а значит и требуемую площадь теплообмена, его габариты, массу и теплопроизводительность теплообменника. Полученные зависимости могут быть использованы при расчете конденсаторов и воздухоохладителей холодильных машин, а также при разработке сервисных программ. Особенности этих расчетов при различных режимах образования конденсата рассмотрены в работе 17].
Список литературы
1. Емельянов А. Л., Кожевникова Е. В., Лопатки-на Т. А. Трубчато-пластинчатые теплообменники // Вестник МАХ. 2011. №2.
2. Емельянов A. Л., Кожевникова Е. В., Лопаткина Т. А. Обзор методов оптимизации трубчато-пластинчатых теплообменников (обзор состояния и проблемы) // Холодильная техника. 2010. № 5.
3. Теплообменные аппараты холодильных установок / Г. Н. Данилова, С. Н. Богданов, О. П. Иванов и др. — JL: Машиностроение, 1986.
4. Бялый Б. И. Тепломассообменное оборудование воздухообрабатывающих установок ООО «ВЕЗА». — М.: ООО «Инфорт», 2005.
5. Емельянов А. Л., Кожевникова Е. В. Испытания воздушных трубчато-пластинчатых теплообменников//Холодильная техника. 2011. № 7.
6. Кожевникова Е. В., Лопаткина Т. А. Калориметрический комплекс для исследования теплоотдачи в теплообменниках и испытания кондиционеров // ЭНЖ «Холодильная техника и кондиционирование». 2010. № 2. URL. http:// refrigeration.open-mechanics.com/articles/173.pdf
7. Кожевникова Е. В., Лопаткина Т. А. Экспериментальное исследование эффективности методов расчета трубчато-пластинчатых воздухоохладителей при различных режимах образования конденсата // ЭНЖ «Холодильная техника и кондиционирование». 201 1.№ 1. URL. http:// refrigeration.open-mechanics.com/articles/173.pdf
