CC BY
9
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
УДК 621.565.93/.95
В.Л. Юша, V.L. Yusha, e-mail: yusha@omgtu.ru Н.Ю. Филькин, N.Y. Filkin, e-mail:finick@inbox.ru А.А. Шипунова, A.A. Shipunova, e-mail: shipunovaa@mail.ru Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
КОРОТКИХ ДИФФУЗОРОВ В КОМПАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ
THE THEORETICAL ANALYSIS OF EFFICIENCY OF USE OF SHORT DIFFUSERS IN COMPACT HEAT EXCHANGERS
Доклад посвящен оценке повышения эффективности воздушных теплообменников, с помощью улучшения распределения охлаждающего воздуха. Разработана методика проведения инженерного анализа тепло-обменного оборудования на базе ANSYS CFX. Выполнен расчет трубчатого теплообменника с несколькими вариантами диффузоров, проведен анализ результатов. Выявлено улучшение в работе теплообменника при использовании направляющих в конструкции диффузора.
The report is devoted to an assessment of increase of efficiency of air heat exchangers by means of improvement of distribution of cooling air. The technique of carrying out the engineering analysis of the heatexchange equipment on the basis of ANSYS CFX is developed. Calculation of the tubular heat exchanger with several options of dif-fusers is executed, the analysis of results is carried out. Improvement in operation of the heat exchanger when using directing to diffuser designs is revealed.
Ключевые слова: эффективность, короткий диффузор, анализ, теплообменник
Keywords: efficiency, short diffuser, analysis, heat exchanger
Компактные теплообменники находят широкое применение в силовых и технологических агрегатах и установках различного назначения: охладители надувочного воздуха, водяные и масляные радиаторы транспортных силовых установок; воздушные конденсаторы и воздухоохладители холодильных машин и систем кондиционирования; межступенчатые и концевые газоохладители мобильных компрессорных установок; маслоохладители масло-заполненных компрессорных установок и т.п. Во всех случаях к таким теплообменникам наряду с необходимостью обеспечения высокой эффективности охлаждения теплообменной поверхности атмосферным воздухом предъявляются высокие требования по массогабарит-ным параметрам и связанным с ними компоновочным возможностям.
В качестве примера рассмотрим один из наиболее простых типов таких теплообменников - трубчатые. Анализ существующих конструкций показал [1,2], что в них, как правило, используется (а часто и вовсе отсутствует) очень короткий диффузор с отверстием для подвода охлаждающего воздуха с помощью вентилятора (рисунок 1). При этом соотношение площади отверстия для подвода воздуха к площади поверхности теплообменной секции, перпендикулярной набегающему потоку, составляет 0,5-0,7, соответственно не обеспечивается равномерное омывание теплообменной поверхности потоком охлаждающего воздуха [3] и, как следствие, снижается эффективность теплообменника в целом. Известно, что увеличение относительной длины диффузора улучшает равномерность поля скоростей по поперечному сечению трубной решётки теплообменника [1], однако такие диффузоры в рассматриваемых случаях чаще всего неприменимы по критериям габаритных размеров.
162
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Рис. 1. Конденсаторы воздушного охлаждения: а, в - с плоской перегородкой; б - с коротким диффузором
В общем случае существуют различные устройства и рекомендации для улучшения характеристик диффузора за счёт применения специальных элементов в его проточной части с целью получения равномерного потока на выходе из диффузора. К таковым можно отнести применение продольных ребер [4] или канавок [5], которые отодвигают границу отрыва потока, но ограничивают область применения диффузорами с углом раскрытия не более 20°. В диффузорах с углами раскрытия больше 40-50° можно добиться повышения эффективности путем частичного заполнения канала установкой различного рода обтекателей [6]. Недостатком данного метода является образование затененных зон в выходном сечении диффузора и высокое гидравлическое сопротивление обтекателя. Из рекомендаций, приведенных в [7], наиболее целесообразным является применение специальных направляющих в конструкции диффузора, позволяющих равномерно распределить поток за ним. Подобное решение предлагается и другими авторами [8, 9, 10, 11]. При этом каких либо результатов исследования предлагаемых конструкций и рекомендаций по их конструированию в указанных информационных источниках не приводится. В связи с этим исследование теплообменников с короткими диффузорами по состоянию на текущий момент является актуальным. Таким образом, основной целью данного исследования является оценка влияния конфигурации проточной части короткого диффузора на эффективность работы теплообменного аппарата.
При этом необходимо решить следующие задачи:
1) Разработать методику инженерного анализа теплообменного оборудования с коротким диффузором на базе АКБУБ;
2) Провести параметрический анализ теплообменного оборудования с коротким диффузором и оценить влияние конфигурации короткого диффузора и режима работы теплообменника на эффективность работы последнего.
Для решения поставленных задач была разработана модель трубчатого теплообменника с тремя вариантами конфигурации:
- без диффузора (плоская перегородка; вариант №1);
163
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
- с коротким диффузором и плоскими, равномерно расположенными направляющими (вариант № 2);
- с коротким диффузором и плоскими, неравномерно расположенными направляющими (вариант № 3).
в
Теплообменный аппарат представляет собой коробчатую конструкцию, внутри которой расположен медный девятиходовый однорядный змеевик. Отношение площади отверстия в диффузоре к площади поверхности теплообменной секции составляет 0,57. Длина короткого диффузора составляет 0,2 от высоты теплообменника.
Тепловой и гидравлический расчет теплообменника осуществляется на базе пакета АКБУБ СБХ, использующего метод конечных элементов. При этом расчет проходил в несколько этапов:
1. Подготовка расчетной модели. В этот этап входит:
а) создание геометрической модели теплообменника, а также моделей воздушного и водяного потоков, описывающих расчетную область (рис. 2 а);
б) генерация сеточной модели на основе созданной геометрии (рис. 2 б);
в) задание граничных и начальных условий - препроцессинг (рис. 2 в).
2. Решение задачи в решателе.
3. Просмотр результатов расчета - постпроцессинг (рис. 2 г).
164
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Расчеты выполнялись на ЭВМ с четырехядерным процессором с тактовой частотой 3,2 ГГц и оперативной памятью 12 Гб. При минимальном размере ячеек сеточной модели 0,5 мм; среднее время проведения расчета одного режима составило 30-40 мин.
При расчете принималось, что вентилятор обдувает теплообменную секцию, при этом влияние вентилятора на поток не учитывалось. Внутри змеевика двигалась вода с начальной температурой 60°С и давлением 120000 Па; массовый расход воды - 0,014 кг/с. Обдув тепло-обменной секции осуществлялся воздухом с температурой 10°С и объемным расходом от 3 до 15 м /мин при атмосферном давлении. Расчет выполнялся с учетом теплообмена между
водой и змеевиком, а также между змеевиком и воздухом. Дополнительно был рассчитан вариант №3*, представляющий вариант № 3, но с двумя дополнительными змеевиками, работающими параллельно. Массовый расход воды при этом увеличился в три раза. Результаты расчета представлены на рис. 3 и 4.
Рис. 3. Поле скоростей и температур в продольном сечении змеевика для варианта №1 (а) и №3 (б) при расходе воздуха 15 м3/мин
а
б
165
"О
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
со
га ^
с
ш
I-
а
700 5
600
500 4
400
300
3
\2
200 100
П т-
1 1 1-
0 6 Ц во здух. Э а, м3> 'мин 1 2 1
Рис. 4. Зависимость потерь давления (вверху) и количества отбираемого тепла (внизу) от расхода воздуха для различных вариантов теплообменников: 1 - без диффузора (№ 1); 2 - с равномерно расположенными направляющими (№ 2); 3 - с неравномерно расположенными направляющими (№ 3); 4 - с неравномерно расположенными направляющими и тремя змеевиками (№ 3*).
166
Динамика систем, механизмов и машин, № 2, 2014
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
1. Применение короткого диффузора (плоской перегородки) объясняется требованиями сохранения компактности теплообменного аппарата и агрегата (установки) в целом, однако имеет один существенный недостаток: короткий диффузор (плоская перегородка) не обеспечивает подачу охлаждающего воздуха к значительной части теплообменной поверхности (от 30 до 80%), вследствие чего снижается эффективность теплообменника.
2. Применение дополнительных направляющих элементов в проточной части диффузора обеспечивает увеличение отводимого количества тепла в 1,5 - 2 раза по сравнению с базовой конструкцией короткого диффузора и в 1,5 раза по сравнению с удлинённым диффузором без направляющих элементов.
Библиографический список
1. Зеликовский, И. Х. Малые холодильные машины и установки : справочник / И. Х. Зеликовский, Л. Г. Каплан. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1989. - 672 с.
2. Якобсон, В. Б. Малые холодильные машины и установки / В. Б. Якобсон. - М.: Пищевая промышленность, 1977. - 368 с.
3. Влияние неравномерности поля скоростей воздуха по фронту конденсатора на работу холодильного агрегата / С. Р. Гопин [и др.] // Холодильная техника. - 1979. - № 4. -С. 25-29.
4. Пат. 2469214 Российская Федерация, МКП Б 04 Б 29/44, Б 04 Б 29/54, Б 03 В 11/00. Диффузор / А. Е. Зарянкин, С. В. Арианов; заявитель ООО «ТурбоЗАР». - № 2010128979/06 ; заявл. 14.07.10 ; опубл. 20.01.12, Бюл. № 34. - 8 с.
5. Зарянкин, А.Е. Некоторые пути повышения аэродинамической нагрузки на диффу-зорные элементы турбомашин / А. Е. Зарянкин, В. Г. Грибин, А. Н. Парамонов // Известия АН СССР. - 1989. - Вып. 2. - С. 40-44.
6. Пат. 2032812 Российская Федерация, МКП6 Б 01 Б 25/30, Б 15 Б 1/08. Широкоугольный диффузор / А. Е. Зарянкин [и др.]; заявитель Московский энергетический институт. - № 5030043/06 ; заявл. 27.02.92 ; опубл. 10.04.95, Бюл. № 24.
7. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М. О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.
8. Пат. 2384760 Российская Федерация, МКП Б 15 Б 1/00. Диффузор / И. Ф. Пивин; заявитель И. Ф. Пивин. - № 2008149803/06 ; заявл. 18.12.08 ; опубл. 20.03.10, Бюл. № 8. - 5 с.
9. А. с. 664101 СССР, МКИ2 О 01 Р 5/00, О 01 Б 1/00. Устройство для спрямления профиля скоростей потока жидкости / М. Л. Фрисман [и др.]. - № 2521250/18-10 ; заявл. 05.09.77 ; опубл. 25.09.79, Бюл. № 19.
10. Пат. 2079843 Российская Федерация, МКП6 О 01 Р 5/00. Устройство для спрямления профиля скорости потока жидкости / Г. А. Бочков, В. Г. Глазов; заявитель Опытное конструкторское бюро «Гидропресс». - № 94033557/28 ; заявл. 13.09.94 ; опубл. 20.05.97, Бюл. № 17.
11. Пат. 129175 Российская Федерация, МКП Б 15 Б 1/00. Диффузор / В. Л. Юша, Н. Ю. Филькин, Н. А. Райковский; заявитель Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации. -№ 2012136170/06 ; заявл. 21.08.12 ; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17. - 5 с.
