CC BY
48
^^МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 62-133.2.1
ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТНЫХ И ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ РОТОРНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Р.Т. Хакимов
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, г. Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21
Дан обзор и исследование макетных образцов роторных теплообменников для системы кондиционирования транспортных средств. Рассмотрены материалы по разработке конструкции и изготовлению макетных образцов роторных алюминиевых радиаторов, а также поисковые работы по рациональным методам заделки охлаждающих элементов роторных радиаторов в трубные доски. Представлены зарубежные аналоги роторно-жидкостных радиаторов для анализа и поиска оптимального технического решения в создании опытно-конструкторского образца. Выполнен расчет параметров ротора экспериментальной модели роторного теплообменника для ТУКВ.
Ключевые слова: Роторный радиатор, теплообменник, система кондиционирования, энергоэффективность.
RESEARCH BREADBOARD AND PROTOTYPE ROTARY HEAT EXCHANGERS FOR VEHICLE AIR CONDITIONING SYSTEMS
R.T. Hakimov
St. -Petersburg state university of economics (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, street Sadovaya, 21
A review and research prototypes of rotary heat exchangers for air-conditioning systems of vehicles. Materials are considered to develop const-struction and manufacturing of prototypes of rotary a radiators, as well as search engines work by ratsionalnym methods of sealing the cooling elements for rotary-Ator in tube sheets. Presented foreign counterparts rotary fluid cooler to analyze and find the optimal technical solutions in the creation of experimental design sample. The calculation of the parameters of the experimental model of the rotor rotary heat exchanger for TUCV.
Keywords: Rotary cooler, heat exchanger, air conditioning system, energy efficiency.
К настоящему времени в западных странах запатентовано значительное количество различных роторных теплообменников, представляющих собой новый тип теплообменника, сулящего значительные преимущества, по сравнению с обычными теплообменниками, в случае применения их на различных транспортных средствах используемые в специализированных отраслях народного хозяйства РФ, а также в стационарных энергоустановках различных типов и конструкций.
Основная цель работы рассмотреть конструкции роторных теплообменников, приведенных в английском патенте [1].
Задачами исследования являются изучение особенностей конструкции зарубежных аналогов роторно-жидкостных радиаторов и их проводы, материалы и рабочие параметры.
На рисунке 1 показан роторный теплообменник, в котором хладагентом является эвтектика натрия и калия, заполняющая замкнутый объем, включающий трубки роторного теплообменника 17 и 17', имеющие внешнее радиальное оребрение, коллекторы 18 и 18', а также каналы 15 и 16.
Хакимов Рамиль Тагирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Автосервис», СПбГЭУ, тел. +79043356327, e-mail: haki7@mail.rn
Исследование макетных и опытных образцов роторных теплообменников..
ком металле в области коллектора ротора 47 возникнут вихревые токи, которые будут тормозить движение жидкого металла в окружном направлении. В области кольцевого коллектора 48 отсутствуют электромагниты. Поэтому, торможения окружной скорости здесь не будет, а будет иметь место циркуляция потока в направлении стрелки.
Рисунок 1 - Блок газовой турбины с роторным теплообменником, предназначенным для подогрева сжатого компрессором воздуха
Ротор теплообменника вращается благодаря воздействию на матрицу 12 потока отработавших газов, выходящего из лопаток турбины 9 и далее через кольцо неподвижных направляющих лопаток 19. Омывая матрицу 12, поток отработавших газов нагревает хладагент, заполняющий трубки 17. При вращении ротора теплообменника, под действием центробежных сил, происходит циркуляция хладагента внутри замкнутого объема, в результате чего осуществляется подогрев сжатого воздуха, выходящего из центробежного компрессора и предназначенного для организации процесса сгорания в камере сгорания газового двигателя, [4].
На рисунке 2 показан блок газовой турбины, в котором роторный теплообменник кроме того используется для создания крутящего момента на выходном валу 29.
На рисунке 3 показан блок газовой турбины с роторным теплообменником, принцип действия которого аналогичен теплообменнику, представленному на рисунке 1. В данном случае воздух, предназначенный для организации процесса сгорания, нагревается в той части роторного теплообменника, которая расположена перед осевым компрессором.
На рисунке 4 показан роторный теплообменник, вращение ротора которого осуществляется благодаря воздействию жидкого металла на лопатки 49, расположенные радиально. Теплообменная текучая среда обладает электропроводностью. Поэтому, в результате воз действия кольцевых электромагнитов 45 через немагнитную стенку 46 во вращающемся жид-
Рисунок 2 - Блок газовой турбины с роторным теплообменником, используемом для привода выходного вала
Рисунок 3 - Блок газовой турбины, в котором один узел роторного теплообменника расположен перед компрессором, а второй узел теплообменника - за турбиной
Рисунок 4 - Роторный теплообменник с жидким теплоносителем, проводящим электрический ток
На рисунке 5 показан роторный конденсатор, приводимый в движение паром, Трубки ротора 50, имеющие внешнее кольцевое оребрение 51, располагаются в плоскостях вращения и сообщаются с камерой коллектора 52, а противоположные их концы заглушены. Из полого корпуса статора 54 пар поступает на направляющее устройство в форме ориентированных выходных сопел 55, далее струи пара подаются на кольцо лопаток 56, представляющих собой импульсные поверхности ротора, который функционирует как паровая турбина. После этого пар распределяется по каналам 50, из которых в обратном направлении протекает конденсат в камеру 52, где собирается на её периферии.
Рисунок 5 - Роторный теплообменник, используемый в качестве конденсатора пара
На рисунке 6 представлен роторный теплообменник, предназначенный для охлажде-
ния жидкостей. Жидкая теплообменная среда, которая поступает под давлением из теплового двигателя через аксиальную трубу статора 60, распределяется в кольцевой камере 61. Далее жидкость поступает через направляющее устройство в кольцо лопаток 62 и через сопловое кольцо 63 попадает в статор. Энергия давления, которая преобразуется в скорость посредством соплового кольца 63, вызывает вращение ротора теплообменника благодаря воздействию на импульсные поверхности в форме лопаток 64, которые проходят радиально. Затем жидкость будет проходить через каналы теплообменника 66 в направлении стрелок 65' и 65" и будет протекать через кольцевой канал 67 в направлении действия центростремительных сил. Наиболее часто встречаются подобные конструкции на рынке при продаже модулей систем кондиционирования, [5].
В патентном описании США [2] приводится конструкции компактных роторных теплообменников, не требующих использования внешнего насоса для обеспечения циркуляции теплоносителя.
Рисунок 6 - Роторный теплообменник, приводимый в движение жидкостью
На рисунке 7 представлен роторный теплообменник, включающий в себя узел ротора 12, имеющего канал 14 для входа жидкости и ряд выходных отверстий 16, соответственно, для подачи жидкости - теплоносителя в ротор и для выхода из него, то есть для отвода жидкости из внешней установки в теплообменник и для подачи жидкости в нее. Данный теплообменник может быть использован в качестве автомобильного радиатора, роторный теплообменник установлен на неподвижной опоре 18 при помощи подшипника 19. Втулка 20 жестко соединена с ротором и включает неподвижный трубчатый канал 22, который сообщается с центральным отверстием 14, предназначенным для входа жидкости в роторный радиатор. Кольцевой канал 24 соединен с выходным каналом 16
Исследование макетных и опытных образцов роторных теплообменников .
Рисунок 7 - Роторный теплообменник: а) - вид спереди; б) - вид сбоку
Ротор теплообменника 12 включает в себя коллекторную пластину 26, на которую в форме кольца неподвижно закреплены при помощи, например, сварки, пайки мягким или твердым припоями или другими методами, охлаждающие лопатки 30. Участок другой пластины 28 также предназначен для крепления лопаток. Указанная пластина имеет центральное отверстие 62, которое служит для подачи окружающего воздуха в ротор. В случае, если лопатки относительно короткие и ротор работает при малой частоте вращения, то торцы лопаток могут крепиться консольно только к одной коллекторной пластине.
Как видно из рисунка (4б) пластина 26' с каналами, имеющая центральную камеру циркуляции, содержит центральный вход жидкости 14, через который жидкость поступает в распределительные каналы 32, по которым она проходит к периферии узла коллекторной пластины, распределительные каналы 32 имеют изогнутую форму, причем линия изгиба выполнена по направлению вращения ротора, показанному стрелкой 33. Каналы 32 выполнены в форме дуги кругового сегмента, что обеспечивает удобство механической обработки их. Распределительные каналы у центрального входа жидкости 14 имеют вид изогнутых по окружности спиц колеса. Противоположные концы распределительных каналов заканчиваются расширяющимися плоскостями 34, имеющими трапецеидальную форму, огра-
ниченную двумя концентрическими криволинейными кромками 36, центры которых совпадают с центрами канальных пластин, а противоположные им стороны 38 имеют форму дуги. Коллекторные каналы 40, образованные в коллекторной пластине 26", расположены с интервалами между смежными парами распределительных каналов 32 и имеют криволинейную форму, аналогичную распределительным каналам 32. Внутренние концы коллекторных каналов 40 заканчиваются в соответственных отверстиях внутренних каналов на правой стороне коллекторной пластины 26', как показано на рисунке 4. Эти отверстия распределяются по окружности по внутренней кольцевой зоне коллекторной пластины 26'. Каждое отверстие заканчивается выходными отверстиями 16 для жидкости, через которые она поступает из ротора теплообменника 12 в выходной канал 24 во втулке 20 установки.
Охлаждающие лопатки 30 являются полыми. Внутри лопаток имеются перегородки 50, которые образуют каналы 52 для циркуляции жидкости в противоположных направлениях. Преимуществом такой конструкции лопатки является увеличение площади поверхности охлаждения за счет установки дополнительных поверхностей (перегородки 50), которые также увеличивают прочность лопатки, что позволяет создать относительно высокие давления жидкости, циркулирующей через лопатки. Для улучшения характеристик теплопередачи ло-
патки снабжены оребрением 54, которое выполняется за одно целое с лопаткой, вследствие чего исключаются термические сопротивления. Оребрение способствует также турбулизации потока воздуха, а конус 66 служит для улучшения потока воздуха через ротор. При работе такого роторного радиатора будет возникать насосный эффект, который позволит осуществить циркуляцию жидкости в роторном радиаторе без использования внешнего насоса,
В работе [3] приводится описание различных типов роторных радиаторов. Так на рисунке 5 представлена принципиальная схема роторного радиатора с периодически изменяющимся потоком, в котором воздушный поток изменяется циклически и с высокой скоростью. Данный теплообменник кроме функции теплообмена дополнительно выполняет функции водяного насоса и функцию вентилятора.
10 11
г А
А
7 5
4 1
2
я. в л и л
V- 3
ш
м (I д и
А - А
Рисунок 5 - Принципиальная схема роторного радиатора с периодически изменяющимся потоком: 1 - сечение А-А; 2 - выходное отверстие; 3 -кожух; 4 - оребрение; 5 - лопасть; 6 - входное отверстие для воздушного потока; 7 - блок двигателя;
8 - водяная трубка, совмещенная с лопастью; 9 -оребрение, совмещенное с разветвленным каналом;
10 - вентилятор; 11 - генератор
Также имеются модификации роторных радиаторов с периодически изменяющимся воздушным потоком, и с центробежным потоком фирмы «Донбар» (США), который при одном роторе выполняет функции вентилятора, теплообменника и водяного насоса на автотранспортных средствах, которые подвергались динамометрическому тестированию, [6].
Роторные радиаторы могут использоваться также и в системе кондиционирования для улучшения климат контроля в салоне автомобиля, существуют разные схемы соединения и управления системой кондиционированием, которые хорошо представлены в работах [7]. Наиболее целесообразным является также ис-
пользовать РР в системе охлаждения для обеспечения оптимального теплового баланса и улучшения в целом энергоэффективности газового двигателя.
Рассмотрим в данном случае алгоритм работы РР в системе кондиционирования. Перед началом разработки роторных кондиционеров (РК) был выполнен конструктивный расчет моделей РР для автотракторной техники. При этом исходили из того, что на экономичность и качество работы РР существенное влияние оказывают параметры ротора.
Ротор характеризуется диаметром наружных кромок лопаток D2, отношением диаметра внутренних кромок лопаток к наружному Б2, диаметром лопатки DЛ; углом охвата х, углами установки лопаток в на диаметре D1 и в2 на диаметре D2; густотой решетки т и шириной ротора В, а также параметрами оребрения лопастей.
Параметры ротора связаны между собой уравнениями, [8].
--; (1)
(2)
--(3)
где: ])0 - диаметр окружности центров лопаток, мм; / - длина дуги окружности лопатки, мм.
Изучение влияния диаметра и угла охвата лопаток показало, что для каждого ротора есть такая форма лопаток (Бл : %) при установке которой величины /31, р2, Д/7. могут принять оптимальное значение или близкое к оптимальному значение.
Установлено, что лучшие результаты по экономичности и качеству работы роторного теплообменника получаются при установке лопатки с углом Р] =90-110°. Угол при этом колеблется в пределах р2=30 - 35°и определяется параметрами лопатки и углом рь
Отношение диаметров D1/D2 исходя из условия получения наибольшей относительной площади выбирается из предела D\/D2 = 0,496 - 0,526.
Одним из важнейших параметров, характеризующих работу ротора теплообменника, является число лопаток. Однако для характера взаимодействия лопаток ротора с потоком воздуха, проходящим через ротор, существенным является не их число, а вид межлопастного канала, поэтому при рассмотрении этого вопроса лучше пользоваться понятием «густота решетки». Исследования, проведенные авторами работы, определили, что для роторных теплообменников оптимальная величина топт выбирается из предела гош=1,62-3,9.
Результаты температурно-динамических испытаний автотракторной кабины в лаборатории ..
Выбор величины 02 обуславливается условиями работы теплообменника, ограничениями габаритов и согласно рекомендации изложенных в работе [9]. Проектируемые модели имеют теплоотдающую поверхность равную поверхности стационарного теплообменника. При этом ширина ротора при постоянной теп-лоотдающей поверхности определяется из формулы.
--(4)
где: , отсюда
--(5)
Используя изложенные рекомендации рассчитаем несколько вариантов моделей роторных теплообменников и выберем оптимальный вариант. Результаты расчетов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Расчет параметров ротора экспериментальной модели роторного теплообменника для ТУКВ
№ Заданные параметры Вычисленные параметры
В2, м о2, м град в2, град. ь, м 2, число ло-пас тей м2 ¥ Ол, мм Оо, мм вь, град. Т в, м
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1 0,15 0,075 75 30 45 21 3,0 4,0 68,75 96,74 84°27 1,867 0,4
2 0,15 0,075 75 35 45 21 3,0 4,0 68,75 101,3 89°53 1,867 0,4
3 0,15 0,075 80 30 45 21 3,0 4,0 64,49 99,52 90°43 1,848 0,4
4 0,15 0,075 80 35 45 21 3,0 4,0 64,49 103,9 96°06 1,848 0,4
Литература
1. Дзюба Е.Ю., Хакимов Р.Т. Анализ средств оценки конструкции и работ по алюминиевым радиаторам, проводимых в лаборатории «ОНИЛТА». Известия Международной академии аграрного образования. 2015. Т.1. № 25. С. 99-101.
2. Лейденфрост В. Вращающиеся теплообменники и оптимизация конструкции и процессов теплового насоса. Холодильная техника кондиционирования, 1970, №22
3. Патент Великобритании № 1.332.684
4. Татаров Л.Г., Еникеев В.Г., Татарова Е.Л., Хаки-мов Р.Т. Разработка устройства для обеспыливания воздуха помещений и создания безопасных условий труда. Технико-технологические проблемы сервиса. 2013. № 3 (25). С. 61-63.
5. Фучкин С.В., Алексеевский Д.А., Соколов М.Г., Хакимов Р.Т. Экономические, экологические и прочностные характеристики ДВС при работе на природном газе. В сборнике: Экологическая безопасность автотранспортного комплекса: передовой опыт России и стран Европейского Союза Труды III Международной научно-практической конференции. 2005. С. 127-131.
6. Хакимов Р.Т. Стендовые гидродинамические исследования моделей роторных алюминиевых ра-
диаторов. Известия Международной академии аграрного образования. 2016. № 26. С. 24-27.
7. Хакимов Р.Т. Улучшение основных показателей газовой модификации дизеля путем совершенствования рабочего процесса. автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. Санкт-Петербург, 2006. С.16
8. Хакимов Р.Т. Экспериментальные исследования процесса тепловыделения рабочего цикла газового двигателя с применением пьезоэлектрической форсунки. В сборнике: Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. Редколлегия: Н.Б. Ала-ти, А.И. Анисимов, М.А. Арефьев, С.М. Бычкова, Ф.Ф. Ганусевич, Г.А. Ефимова, В.Н. Карпов, А.П. Картошкин, М.В. Москалев, М.А. Новиков, Г.С. Осипова, Н.В. Пристач, Д.А. Шишов; главный редактор: В.А. Ефимов, заместитель главного редактора: В.А. Смелик. 2015. С. 605-610.
9. Хакимов Р.Т. Экологическое состояние транспорта в России. В сборнике: Транспорт России проблемы и перспективы - 2010 Всероссийская научно-практическая конференция: Труды конференции. 2010. С. 221-222.
