CC BY
40
УДК 692.7.048.7
ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ ЗАЩИТА ТЕПЛООБМЕННИКА-КОНДЕНСАТОРА АВИАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
А. А. Нежинский, А. В. Чичиндаев
Новосибирский государственный технический университет Российская Федерация, 630073, г. Новосибирск, просп. Карла Маркса, 20
E-mail: [email protected]
Рассматриваются известные способы борьбы с обмерзанием теплообменника-конденсатора авиационной СКВ. Приведены результаты численного исследования, направленного на получение заданного распределения температур теплообменной поверхности, препятствующего обмерзанию теплообменника-конденсатора.
Ключевые слова: теплообменник-конденсатор, обмерзание, теплопередающая поверхность, противооблединительные системы.
ANTI-ICING PROTECTION OF THE HEAT EXCHANGER-CONDENSER OF THE AIRCRAFT AIR CONDITIONING SYSTEM
A. A. Nezhinsky, A. V. Chichindaev
Novosibirsk State Technical University 20, K. Marksa Av., Novosibirsk, 630073, Russian Federation Е-mail: [email protected]
The paper deals with well-known ways of dealing with those freeze-up-exchanger-condenser ACS. The results of a numerical study aimed at obtaining the specified temperature distribution of the heat exchange surface, obst-sponding frosting the heat exchanger-condenser.
Keywords: exchanger-condenser, freezing, heat transfer surface-icing system.
Использование в системе кондиционирования воздуха самолета Ту-204 (Boeing, Airbus, Superjet 100, МС-21 и др.) теплообменника-конденсатора для охлаждения сжатого воздуха за счет холодного воздуха с отрицательной температурой, выходящего из турбины приводит к ряду эксплуатационных проблем. Главным образом к обмерзанию части теплообменной поверхности, которое является причиной перекрытия живого сечения каналов, роста сопротивления и падения расхода воздуха в системе. Целью настоящей работы является анализ известных способов борьбы с обмерзанием теплообменника-конденсатора, описание особенностей противообледени-тельной защиты и предложение вариантов решения данной проблемы [1-3].
Эксплуатационные особенности работы конденсатора
Обмерзание конденсатора. Основная эксплуатационная проблема конденсатора состоит в том, что охлаждающий теплоноситель должен иметь на рабочем режиме отрицательную температуру. В этом случае картина тепломассообмена резко усложняется: во-первых, в воздухе за турбиной наряду с переохлажденным аэрозолем появляются взвешенные частицы снега и льда; во-вторых, начинают происходить нестационарные процессы обледенения-плавления льда на входных кромках теплообменной секции; в-третьих, в горячем тракте возникают условия для замерзания сконденсировавшейся влаги. Таким образом, при проектировании конденсатора необходимо предусмотреть противообледенительные меры, препятствующие обледенению в горячем тракте и намерзанию снега на передние кромки теплообменной секции в холодном тракте.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
Противообледенительные системы конденсатора
Конденсатор Андерсона (патент США № 1246963). Получил распространение на самолетах фирм Боинг, Аэробас. Суть этого и следующих за ним вариантов состоит в конструктивном изменении теплообменника. В частности, в варианте Андерсона предлагается обогревать непосредственно входные кромки пластин по холодному тракту. При поддержании температуры на них выше нуля градусов поверхность работает как бы в режиме «теплового ножа»: выпадающая на нее снежная масса сразу же подплавляется и уносится в каналы холодного тракта. Тем самым предотвращаются отложение снега на входном фронте и все негативные последствия. Обогревать входные кромки предлагается по принципу воздушно-тепловой противообледенительной системы (ПОС). Более совершенный вариант подразумевает создание специального обводного канала для холодного воздуха.
Особенности оптимизации конструкции конденсатора
Для задачи оптимизации конструкции теплообменников в настоящей работе используется обобщенный критерий, описывающий отношение термических сопротивлений холодного и горячего тракта, который включает в себя: соотношения исходных значения режимов течения теплоносителей; коэффициенты оребрения теплообменной поверхности; факторы, описывающие соотношение режимных параметров теплоносителей и площадей оребрений. Управляя отношением термических сопротивлений можно получить необходимую температуру теплообменной поверхности, препятствующую обмерзанию [4-7]. В работе представлены результаты численного исследования влияния различной комбинации изменения режимных и геометрических факторов на уменьшение площади обмерзания поверхности теплообменника-конденсатора, включая использование переменного отношения термических сопротивлений. Исследованы следующие варианты конструкции теплообменника-конденсатора: одноходовые с общими для поверхности режимными, геометрическими факторами; многоходовые; одноходовые с переменными для поверхности геометрическими, включая использование режимных факторов.
Влияние на теплопередачу компоновки теплообменника
Одноходовые теплообменники. В первой серии экспериментов изменение отношения термических сопротивлений задается с помощью компоновки теплообменной секции. Основная идея состоит в изменении соотношения живых сечений при фиксированных оребрениях и одинаковом объеме теплообменника. Было рассмотрено 40 типоразмеров при неизменном объеме теплообменника, площади теплообмена и режиме работы (Тг вх = 30 °С, Тх вх = -50 °С). В случае увеличения проходного сечения холодного воздуха температура поверхности достигает своего максимального значения +7 °С, что приводит 90 % поверхности пластины к температуре выше 0 °С.
Многоходовые теплообменники. Во второй серии экспериментов отношение термических сопротивлений задается с помощью изменения числа ходов по горячему тракту по трем вариантам: двух-, трех- и четырехходовой теплообменники. Увеличение числа ходов приводит к благоприятному перераспределению температуры пластины. В частности, наблюдается рост температуры в наиболее холодной части пластины, в то время как среднее ее значение изменяется незначительно.
Переменное отношение термических сопротивлений. В третьей сери расчетов выполняется модификация разработанной ранее двухмерной модели расчета теплопередачи в перекрестно-точном компактном пластинчато-ребристом теплообменнике. В частности в алгоритм разработанного прикладной пакета программ добавляется разрезание исходной сетки на четыре равных сектора I ... IV по длине горячего и холодного тракта. В итоге теплопередающая поверхность разбивается на 16 элементарных «теплообменников», в каждом из которых задаются свои геометрические параметры оребрений.
При изменении оребрения по обоим трактам происходит сложение двух эффектов: «разрезание» распределения температуры на четыре близких по температуре участка, «сужение» перепада температур теплообменной поверхности. В итоге происходит суммарное увеличение температуры теплообменной поверхности и резкое сокращение перепада температуры. Анализируя поля температур теплообменной поверхности, можно сделать вывод, что это совместное изменение отношения термических сопротивлений является самым оптимальным приемом, так 100 % пластины имеет температуру выше 0 оС и процент обмерзания поверхности достигает 0 %.
Заключение
В работе представлены известные способы борьбы с обмерзанием, описание особенностей предложенной эксплуатационной оптимизации теплообменника-конденсатора, а также результаты численного исследования и анализа получения теплообменника-конденсатора с заданным распределением температур теплообменной поверхности, препятствующим обмерзанию тепло-обменной поверхности. Проведенное исследование тепловой защиты холодного тракта теплообменника-конденсатора позволило:
1) установить причины обмерзания конструкции КПРТ;
2) разработать основные принципы противообледенительной оптимизации конденсатора;
3) обосновать и предложить основные технические приемы изменения конструкции КПРТ, позволяющие исключить отрицательные температуры теплообменной поверхности;
4) исследовать эффективность предложенных вариантов оптимизации конденсатора;
5) решить актуальную проблему создания незамерзающей конструкции КПРТ, позволяющую повысить надежность и ресурс теплообменника-конденсатора авиационной системы кондиционирования воздуха.
Результаты работы представляют практический интерес при проектировании теплообмен-ного оборудования, работающего на влажном воздухе при отрицательных температурах.
Библиографические ссылки
1. Воронин Г. И. Конструирование машин и агрегатов систем кондиционирования. М. : Машиностроение, 1978. 554 с.
2. Кейс В. М., Лондон А. Л. Компактные теплообменники. М. : Энергия, 1967. 223 с.
3. Справочник по теплообменникам. В 2 т. / пер. с англ. М. : Энергоатомиздат, 1987.
4. Чичиндаев А. В. Исследование влияния переменного отношения термических сопротивлений на поля температур в теплообменнике-конденсаторе СКВ // Энергетика и теплотехника: сб. науч. тр. / под ред. акад. РАН В. Е. Накорякова. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2015. Вып. 19. С. 181-187.
5. Чичиндаев А. В. Оптимизация компактных пластинчато-ребристых теплообменников. Ч. 1. Теоретические основы : учеб. пособие для студ. вузов. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. 400 с. Сер. Учебники НГТУ.
6. Чичиндаев А. В. Оптимизация компактных пластинчато-ребристых теплообменников. Ч. 2. Примеры расчета и справочные материалы : учеб. пособие для студ. вузов. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. 208 с. Сер. Учебники НГТУ.
7. Чичиндаев А. В. Тепломассообмен влажного воздуха в компактных пластинчато-ребристых теплообменниках : монография. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012. 298 с. Сер. Монографии НГТУ.
© Нежинский А. А., Чичиндаев А. В., 2017
