Моделирование воздушного конденсатора гелиоэнергетического термотрансформатора циклического действия Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

М. Ф. Руденко, Д. И. Пушкинский, А. Е. Антипов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДУШНОГО КОНДЕНСАТОРА ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРА ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

В гелиоэнергетических термотрансформаторах сорбционного типа циклического действия [1-3] в период зарядки под воздействием солнечной энергии нагреваются реакторы генератора и в них происходят десорб-ционные процессы - выделение газообразного аммиака из комплексного соединения аммиакатов солей. Газообразный холодильный агент направляется в конденсатор, где охлаждается и сжижается, отдавая теплоту окружающей среде.

Уравнение теплового баланса для процессов десорбции и конденсации и в период зарядки термотрансформатора:

где бген - теплота от солнечной радиации, падающая на поверхность генератора, Вт;

бсн.т - теплота снятия температурного перегрева, Вт:

т—т 2

гтт - гелиовоспринимающая площадь генератора, м ;

Сам - теплоемкость аммиака, Дж/(кгоС);

йТ^) - изменение температуры паров аммиака, поступающих до начала их конденсации, оС;

гам - скрытая теплота парообразования аммиака, Дж/кг;

Адаам(т) - масса аммиака, поступающая в конденсатор, кг.

В термотрансформаторах применяются как воздушные, так и водяные конденсаторы. Расчетная модель воздушного конденсатора змеевиковой конструкции представлена на рис. 1.

бген бсн.т + бк

или

1 (т) • ^ген _ Сам • Щт)

А, А

бсн.т _ М • Ср ■(Гвх - /нас ) ;

бк - теплота сжижения рабочего вещества в конденсаторе, Вт; 1 (т) - удельный поток солнечной энергии, Дж/м2;

Ос

а4ых &]

Ок

Рис. 1. Модель конденсатора

В осноБе расчетной модели конденсатора лежит принцип баланса теплоты:

0 БХ 0 бых 0 сн.т + 0 к ,

где 0БХ - теплота, входящая б конденсатор из генератора, Вт;

Обых - теплота, выходящая из конденсатора, Вт.

°вх ^пп Опп ;

Ок = к-Р-0т ,

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-°С), [4];

іпп -энтальпия перегретого пара на входе б конденсатор, Дж/кг;

Опп - расход пара холодильного агента, кг/с.

к =_________

пр 1-р

8 -2-F 1 ’

общ + тр общ + -1-

а • F X • (F + F ) а

^вн 1 вн /ътр V-* общ 1 1 вн/ ^пр

где авн - коэффициент теплоотдачи со стороны холодильного агента, Вт [4];

апр - приведенный коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, Вт/(м2-°С).

с'

“БИ =~Г

аБн

О,

■ \ а. ■ -

0,8 / ч 0,43

П ж ' І X

аж

2

1 +

' О '

О

V см У БХ V

Г ж ___ 1

Рп ,

+ 1+

ґ Рж _ ^

V Рп у

Проанализируем различные условия работы конденсатора.

При вынужденном движении воздуха, когда ветер сильный и когда 4-О

Яе =

= (1 000 _ 200 000),

1

X

і 0,25- ХБ а 1 =---------------—

нар

4-Об п - а - цб

л. л0

- Е

еф •

Когда ветер умеренный и когда

4-О

Яе = - см

= (5 _ 1 000),

анар2 2 - анар1 .

При свободном движении воздуха, б безветренную погоду

0,5 -

8-^Р-(ґв _ґст)

( Л0,25

где 0т - среднелогарифмический температурный напор:

(ґ _ґ )_(ґ _ґ )

0\ к БХ / \ к ВЫХ !

т =

1п

(ґк _ ҐБХ ) (ґк _ ҐБЬІХ )

Были рассмотрены и проанализированы следующие виды конструкции оребренной поверхности конденсатора (рис. 2).

0,25

0,8

в

V

а

V /аст У

0,25

0,25

V

V

V ав У

Б

V /аст У

а

б

Рис. 2. Виды оребрения: а - прямоугольное или квадратное ребро; б - круглое ребро; в - прямое ребро

Для оребренного конденсатора уравнение теплового потока к наружной теплообменной поверхности примет вид

бор = анар- Рр Ар -Е ,

где Е - степень эффективности ребра.

Для различных видов оребрения Е рассчитывается так [4]: для прямого ребра (рис. 2, в):

ґк

2 - а

к-.1 шр

Г-5

1 ґ

для круглого ребра (рис. 2, б):

ґк

Е2 =■

2 - а , ч

-(— _ Г )-

Л - О

(

1 + 0,35-1п

Г

V 0 УУ

2 - а

нар

Г-5

-(— _ Г0 )-

1 + 0,35-1п

{ — \\

Г

V 0 УУ

для прямоугольного или квадратного ребра (рис. 2, а):

ґк

Е3 =-

2 - а

нар

Г-5

• г .

_1

2 анар

нар

Г-5

• г •

1,28- — -л — _ 0,2 _

_1

(

1 + 0,35-1п

1,28- — -л— _ 0,2 Г V —

(

1 + 0,35 1п

1,28-— - ]— _ 0,2

где 5 - толщина ребра; г0 -радиус трубы;

— - радиус ребра;

2 - — - малая сторона ребра;

2 - — - большая сторона ребра.

Для расчета теплоотдачи к полной поверхности оребренной трубки использовался приведенный коэффициент теплоотдачи:

Р

1 + (Е _ 1)- —

общ

Расчетная площадь поверхности оребренного конденсатора рассчитывалась по формуле:

X

X

Р = Р + Р2,

где Р1 - площадь поверхности форконденсатора, м2:

Р °сн.т .

&вн -(ґ _ ґ)

пр V БХ к-'

Р2 - площадь поверхности, следующей за форконденсатором, м2

0БХ 0БЫХ 0сн.т

£нар - 0 пр ор

На основе анализа модели разработана расчетная программа, позволяющая определить геометрические характеристики конденсатора при различных условиях и комбинациях воздействия окружающей среды.

В программе МаШСа»! был проведен расчет конструктивных параметров по теплофизическим данным, взятым из [5]. За основу были взяты экспериментальные данные работ [3, 4]. Расчетные данные сведены в таблицу.

Г еометрические характеристики элемента оребренных поверхностей

Виды оребрения Расчетная площадь, м2 Г еометрические размеры, м X м Коэффициент компактности Р 2 3 —, м /м V Коэффициент металло- о емкости , V кг/м3

до ореб-рения после оребре- ния

Прямое ребро 10,76 2 X 4,5 2 X 2,25 64,6 786,2

Прямоугольное ребро 2 X 0,9 53,1 819,3

Круглое ребро 2 X 1,05 40,3 651,4

На основании полученных расчетных результатов можно сделать следующие выводы.

При прочих равных теплофизических и геометрических параметрах

а) самая большая площадь после оребрения получается при использовании прямоугольного ребра;

б) самый металлоемкий конденсатор получается при использовании прямоугольного ребра;

в) наиболее компактным конденсатор получается при использовании прямого ребра;

г) наиболее полно площадь конденсатора используется при применении круглого ребра.

На основании разработанной модели и расчетной программы можно определять оптимальные и усредненные размеры поверхности воздушного конденсатора. Лучшей оребренной поверхностью будет поверхность с круглым ребром, т. к. она позволяет при одних и тех же затратах металла

использовать большую площадь. Модель позволяет рассчитать влияние ветра на особенности конструкции, ориентацию поверхности конденсатора относительно частей света, влияние атмосферных осадков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коноплева Ю. В., Руденко М. Ф., Пушкинский Д. И. Гелиоустановки для получения тепла и холода // Инновации в науке и образовании - 2003: Материалы междунар. конф. - Калининград: КГТУ, 2003. - С.159.

2. Мирзаев Ш. М., Узаков О. Х. Испытания адсорбционного гелиохолодильника бытового назначения // Вестн. междунар. академии. 2- 001. № 1. - С. 38-40.

3. Руденко М. Ф., Коноплева Ю. В., Ильин А. К. Исследование сухой абсорбционной гелиохолодильной установки // Теплоэнергетика. - 2003. - № 10. - С. 68-71.

4. Исаченко З. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. - М.: Энергоиз-дат, 1981. - 417 с.

5. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справ. / Под ред. С. Н. Богданова. - 4-е изд., перераб. и доп. СПб.: - СпбГАХПТ, 1999. - 320 с.