CC BY
17
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 53.087.3
Сулин А.Б., Тихонов А.А.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В КАНАЛАХ ТЕПЛОУТИЛИЗАТОРА
Sulin A.B., Tikhonov A.A.
PILOT STUDY OF THE THERMOLYSIS AND VISUALIZATION OF PHASE TRANSITIONS IN HEATUTILIZER CHANNELS
В статье выбран объект испытаний, фрагмент теплообменной поверхности пластины из ячеистого поликарбоната и представлена схема узла охлаждения экспериментального стенда. Приведена методология проведения эксперимента и даны результаты испытаний. Сделаны выводы о развитии процесса тепломассообмена в канале охлаждаемого теплообменника.
Ключевые слова: Утилизация теплоты, теплообменная поверхность, методика эксперимента, экспериментальные данные.
In article the object of tests, a fragment of a heatexchange surface of a plate is chosen from cellular polycarbonate and the scheme of knot of cooling of the experimental stand is submitted. The methodology of carrying out experiment and results of tests is given. Conclusions are drawn on development ofprocess of a heatmass exchange in the channel of the cooled heat exchanger.
Key words: Warmth utilization, heatexchange surface, experiment technique, experimentaldata.
Утилизация теплоты вентиляционных выбросов является одним из эффективных методов энергосбережения, особенно в районах с холодным климатом. Описание конструкций и возможностей оборудования для утилизации теплоты в системах вентиляции и кондиционирования приводятся, например, в [1]. Процессы тепло-массопереноса в каналах теплообменников при конденсации и инееобразовании являются наиболее сложными для анализа, что определяет необходимость в их экспериментальной отработке.
Методы испытаний. Объектом данного исследования являлся фрагмент теплообменной поверхности пластины из ячеистого поликарбоната (рис. 1).
60
...... 0я
S □□□□□□□ - ы
7 6
Рисунок 1. Общий вид теплообменной поверхности
Определение эффективного значения коэффициента теплоотдачи от потока влажного воздуха к охлаждаемой поверхности пластины предусмотрено в динамическом
7
режиме при снижении температуры поверхности. Визуализация процессов массообмена при конденсации и инееобразовании обеспечивалась фотосъемкой через верхнюю прозрачную поверхность поликарбоната. Пример представлен на рис. 5.
Охлаждение теплообменника осуществлялось с помощью медной пластины, охлаждаемой в свою очередь термоэлектрическими модулями. На рис. 2 приведена схема узла охлаждения экспериментального стенда.
Рисунок 2. Схема узла охлаждения
Здесь 1 - теплообменник из поликарбоната, 2 - медная пластина, 3 -термоэлектрические модули, 4 - водяной теплообменник, 5 и 6 - водяные трубопроводы.
Методикой эксперимента предусмотрено определение температуры и относительной влажности воздуха на входе и выходе из каналов темплообменника с последующим вычислением соответствующих значений энтальпий. Расход воздуха регулируется напряжением на электровентиляторе и вычисляется по результатам измерения скорости в трубе. Разность энтальпий на входе и выходе теплообменника при известном расходе и теплоемкости воздуха позволяет вычислить отводимую в теплообменнике тепловую мощность и, соответственно, - коэффициент эффективной теплоотдачи при известной площади теплообмена и среднем температурном напоре.
Функция средней температуры охлаждающей поверхности от времени.
20
60
Время,мин
Функция скорости движения воздушного потока в живом сечении канала.
2 ■
о
ш
£ ш л н
о о а о
10
20
30
Время,мин
40
50
60
Функция среднеэффективного коэффициента теплоотдачи от времени.
100
'5 9
л ем £ ё к I |£
0) Я1 -о ■& ц
О О II о о Ч * О
я ^
¡^ с
О а>
80
60
40
20
10 20 30 40
Время,мин
50
60
8
6
4
2
0
0
0
0
Рисунок 3. Результаты одного из экспериментов
На рис. 3 приведены результаты измерений и вычисления значений эффективного коэффициента теплоотдачи для режима течения влажного воздуха в канале со скоростью порядка 6 м/с (напряжение на вентиляторе 4В).
На рис. 4 приведены сводные результаты аппроксимации экспериментальных данных для эффективного коэффициента теплоотдачи при различных скоростях течения воздуха в канале.
Рисунок 4. Зависимости коэффициента теплоотдачи от времени
а) б)
Рисунок 5. Пример визуализации процессов массообмена в канале.а - развитие капельной конденсации, б - начало инееобразования
Выводы. Анализ результатов экспериментальных исследований производился с учетом полученной визуальной информации о развитии процессов массообмена в канале охлаждаемого теплообменника. Ниже приведены основные выводы по исследованию.
1. Исследования проведены в диапазоне температур охлаждения поверхности теплообмена от +15 до -23 иС.
2. Скорость течения влажного воздуха в живом сечении каналов теплообменного аппарата составляла порядка 5-6 м/с при напряжении на вентиляторе 4В; порядка 13-8 м/с при напряжении питания на вентиляторе 6В и порядка 19-14 м/с при напряжении на вентиляторе 8 В.
3. Изменения значений эффективного коэффициента теплоотдачи при всех трёх режимах течения воздуха в каналах имеют сходный качественный характер. Это указывает на рост коэффициента теплоотдачи при переходе от сухого режима к капельной конденсации влаги и снижение коэффициента теплоотдачи при переходе от капельной конденсации к интенсивному инееобразованию.
4. Величины коэффициента теплоотдачи при сухом режиме теплообмена лежат в пределах 15-30 Вт/(м2К).
5. Рост коэффициента теплоотдачи при переходе к капельной конденсации влаги лежит в пределах 50-250% в зависимости от режима течения.
6. Снижение коэффициента теплоотдачи при переходе к режиму интенсивного инееобразования характеризуется величиной, сопоставимой с его значением при сухом теплообмене.
7. Своего максимального значения интенсивность теплоотдачи достигает в начальной стадии кристаллизации конденсата на стенках канала. На следующем этапе интенсивного инееобразования происходит рост термического сопротивления слоя инея, снижается скорость воздуха в канале, что приводит к уменьшению интенсивности теплоотдачи.
Таким образом, с учётом того, что наилучших характеристик теплообменный аппарат достигает в режиме начала инееобразования, следует рекомендовать этот режим как основной для пластинчатых утилизаторов теплоты. Переход к режиму интенсивного инееобразования резко снижает интенсивность теплопередачи, и его следует избегать при выборе алгоритма работы установки.
Библиографический список:
1. Выбор оборудования для утилизации тепла и холода в системах кондиционирования воздуха / О.П. Иванов // Холодильная техника - 1982 - №6 - С.12-15.
