автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Тепломассоперенос в пластинчато-ребристых теплообменникх компрессорных установок при отрицательных температурах охлаждающего воздуха

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ' ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЖИЗЙШГ АЛЕКСАНДР^ НИКОЛАЕВИЧ

ТЕШ1С!1АССОПЕШЮС В ПЛАСПШЯАТО - РЕБРИСТЫХ' ТЕПЛООБМЕННИКАХ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК ПРИ ОТРИЦ&ТЕЛЬШХ ЛИТЕРАТУРАХ ОХЛАДДАЩЗГО 'ВОЗДУХА '

Специальность 05.14.С6 - теоретически основы теплотехника

Автореферат диссертации на соисканкэ ученой, степени • . кандидата технических наук

С.-Петербург - 199!

Работа выполнена в Инженерном Центре то энергосбережению при Фг зико-техническом институте иы. А.Ф.Иоффе АН СССР г.С.-Петербурга.

Научный руководитель -ддтор. технических наук. Э.Л.Кшания

Официальные оппонент: ,

• доктор технических наук, профессор .. " Иванов о.П., кандидат технических наук . Кректунов О.П.

Ведущая организация - ВНИИхо'лодааш, г,Москва.

Защита состоится * часов на заседа

нии специализированного Совета К063.33.23 по "Теоретическим основг теплотехники" в Ленинградском- государственном техническом университет по адресу: 195251, г.С.-Петербург^-ул.Политехническая, дон 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛГТУ!

' ' ■' ' " • У7

• Автореферат разослан "ЯЯ " ИоХс /л-Х 1931 г.

Ученый секретарь специл-\изиро6а>йюго Совета, Ооншор кигхнмчес«ш:хнаук, профессор

А.С.Ласки

Актуальность работы. Компрессоры яеляются одше« из наиболее распространенных Еидоа энергетического оборудования.Они широко применяют- с оя в металлургии, химии и других отраслях промышленности для приведения в действие различного пневматического оборудования, гчзоразделиния, производства умеренного и глубокого холода, интенсификации процессов горения. В настоящее время на привод компрессоров расходуется около 14% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Значительную часть компрессорного парка, приблизительно 90^, составляют компрессора общего назначения, используемые для производства сжатого воздуха с конечным давлением 9-13 атмосфер.

Системы охлаждения компрессорных установок . (КУ) в значительной •степени основаны на использовании водооборотных циклов. Однако, з силу имеющегося в настоящее время дефицита водных ресурсов, в рамках программ по экологии и энергосбережению,в частности,в ргмкзх' Государствен- . ной •научно-технической программы "Ресурсосберегающие и экологически чистые процессы металлургии й-химии",' проводятся работы по переводу ' компрессоров на воздушное охлаждение.

Одним из главных преимуществ воздушного охлаждения по сравнению с водяным является более низкая среднегодовая температура охлавдамцей среды, т.к. температура атмосферного воздуха имеет отрицательные заа-чения в Течение длетельных промежутков времени'на значительной части территории страны. Однаког именно зимоь при отрвдательннх температурах охлаждающего- воздуха, наряду с 'конденсацией возмгчны также процессы' образования льда с пленкой конденсата и инэя..Загромокдение льдом каналов газоохладителя приводит к росту, гидравлического- сопротивления и '. недоохлачщения компримгоуемого гаг>а до температуры охлаждающего Еозду-ха, к увеличению затрат.на сжатие газа.

Цель и основные задачи работы. Основной целью диссертационной работы является исследование тепломассообмена и сопротивления в пластин- . _. чато-робристых теплообменниках (ПРТ) npiT отрицательных . температурах охлаждающего воздуха и повышение на бтой основе эффективности систем воздушного охлнвдения КУ. 'Для -достижения этой цели необходимо решить сла""пощи8 задачи: .'.,..'

- получить экспериментальные данные;о процессах тетломассообмоня (зонах фазовых переходов) в пластинчато'- ребристых воздухоохладителях -компрессоров при отрицательных температурах и о влиянии замерзаний из', эффективность работы ПРТ; • ; ■ - '. • ■

- разработать модель двухкомпопеятного дзпхрпснэ-кольцевого потока при замерзании планки кондекс&та на стенке канала;

-•создать методику'растете ПИ1 При замерзании конденсата с учетом фазовых переходов и продольной теплопроводности стенок;

. - провести экспериментальное, исследование замерзания ПРГ, позво-лякщзз подтвердить- адекватность' модели;

разработать регламент работы' системы воздушного охлаждения КУ при отрицательных'температурах охлаададаго воздуха. .

Научная новизна'работы состоит в следующем:'' . - получены экспериментальные данные, раскрывающие картину образования льда в ПРГ КУ: и показывающие влияние замерзания на эффективность работы системы охлаждения;. •

• - выполнено обобщение математической модели дисперсно-кольцевого течения двухкомпонентной смеси' -при замерзании пленки конденсата на стенке канала;

- разработана методика расчета ПГТ в трехмерной постановке при замерзании-конденсата с учетом фазовых переходов и продольной теплопроводности стенок; , :

выявлен термодинамический предел охлаждения влажного сжатого воздуха, который.равен 0°р при следующих условиях: реи-м работы -стационарный, температура точки росы, охлаждаемого воздуха Тр > 0°С;

' - разработан метод определения параметров атмосферного воздуха, при которых возможно замерзание ПРГ КУ, с 'использованием 1-й диаграммы влажного воздуха. ' '

Реализация работы в промышленности. Результаты работы полонены в основу проектирования компрессорных установок- номбшслзтуры Краснодарского компрессорного завода..Проведена опытно-промышленная эксплуатация компрессорной установки-2ВМ1,6-12/9 производства Краснодарского'кош1: рессорного завода с системой воздушного охлаждения из пластинчато: ребристых теплообменников.На заводе "Радист" Ленинградского ШЮ "Северная заря" спроектирована и находится в эксплуатации система воздугано-го.охлаядения компрессорной'станции. Сштно-промшшешая 'гксплуатаца /подтвердила осношше выводы диссертации. ' .

Автор зшдидаат: . '■•_•'-.

• - вкспериментальные дданые,' раскрывающие картину образования лъд: в ПРГ КУ общего назначения и показывайте влияние .замерзания на эффективность работы системы охлаадзния; ;;'•'

- модель дасгорсно-кольцевого течения двухкомпонентной смеси пр: замерзании плэшш конденсата на стенке 'канала;

- методику расчета ПРГ в трехмерной постановке 'при за»эрзани конденсата с учетом фазовых переходов и продольной теплопроводност 4

стопок;

- положение о наличии термодинамического предела охлаждения злаж- „ ного сжатого воздуха равного О'с при следующих условиях: режим работы

- стационарный, температура точки росы охлаадаемого воздуха Тр > 0°С;

- методику определения параметров атмосферного воздуха, при которых возможно замерзание ПРТ КУ, с использованием X—cL диаграммы влажного воздуха; .,'•'• ... ' ■.

- реглаггент работа ПРТ КУ прй отрицательных температурах охлаждающего воздуха.

Апробация работы. Результата исследований по теме диссертации докладывались на VII Всесоюзной конференции по компрессорострЬешю (Казань, 1985), па IV Всесоюзной ■ научно-технической конференции по криогенной технике (Москва, 1987), на 30-й Юбилейной научнс-технической . конференции, посвящ§нной 70-лэтию Дальневосточного политехнического ин- . статута (Владивосток, 1988); на VIII Всесоюзной конференции по комп-' рессоростроениэ (Су?.и, 1989).' • •

Публикации. Материалы диссертации'опубликованы в чэтырЗх работах, и авторском' свидетельстве.

Структура и объем диссертации. .Диссертация состоит из введения, еэсти глав, заключения, списка, литературы .из 1J7 наименований* прило-сениЗ; ссдергот 110-страниц маяиногшспого текста, 60 иллюстрация, 6 таблиц. ■ . ; . ■'.

В первой главе" - на оснований имзщихс'я литературных источников,' материалов обследования аппаратов воздушного-охлаздения'(ABO) и результатов оштяо-прсжллепной эксплуатации систем! воздушного охлагздэния ■. компрессорной установки при отрицательных • температурах охлаждащего Еоздуха рассмотрено состояние -вопроса по исследованию' тепло: зссопорэ-носа и сопротивления в ПРТ КУ сбэдго назначения при отрицательных температурах охлзгхдакцэго воздуха.

Несмотря на то, что воздушое охлаэдонио КУ па основе ПРТ является одним из существенных резервов повышения, .эффг'л-ивкости комзрессо-ров, до сих пор практически отсутствуют сведэйня о процессах тепломассообмена в каналах ПРТ при отрицательная тб!?шратурах и их влиянии на работу теплообмошпс. еппаратоаГ . . •

1..:эгг;;1зсл да пине, в осноепси, относятся к psÖÖTo ABO на бозэ рас-' •прострспоппой трубчато ~.робр::стой позорзпостд, достаточна' гараж гй-: пользуемой в гч-ической и кофгоягагеоскоЗ прс^ялозлостл, ¿cGü-vj п трпнспортпроксо природного; газа. Этя сгэдвнлл .гкпязцваэт, .что. при о'т-г.дзт:иш1х те: г-гратур.?х охлзздзгсуго гоз.цу-з в тоапоосЪзиягкох ш.3л:>-

•- 0

дается замерзание конденсата, которое приводит к загромождению проходного селения' аппарата,, к росту, сопротивления и скикеКию коэффициента тепловой эффективности теплообменника, 'а также к разруыению тсплооб-менных труб. Поэтому при эксплуатации ABO в условиях холодного климата возникают, специфические проблеш, связанные с необходимостью защиты аппаратов от замерзания. •

При работе."ПРТ;в области'отрицательных температур в тенлсобменном аппарате возможна процессы конденсации, образования льда и инея, процесса теплопроводности'по стенкам ПРГ. Существующие моде пи охватывают отдельные зоны тепломаосс.обмена и сопротивления и не рассматривают взаимодействие зон между собой. Кроме того, модели двухфазного дисперсно-кольцевого течения разработаны для положительных, температур поверхности канала и не учитывают возможность образования слоя льда.

Таким образом, использование воздушного охлаждения КУ на базе ПРТ при отрицательных температурах охлаждающего воздуха приводит к постановке комплекса задач по тепломассообмену и сопротивлению в каналах )1РТ КУ, а тага® по разработке регламента работы системы охлаждения в зависимости от параметров атмосферного воздуха и режимов функционирования КУ.

Во второй главе на основании результатов проведенных экспериментальных исследований были получены данные об образовании зон тепломассообмена при замерзании конденсата в канале, о влиянии замерзания на эффективность работы ПРТ и'его прочность.

При проведении экспериментального исследования била поставлена ц-эль получить экспериментальные данные о зонах тепломассообмона в каналах, о влиянии замерзания конденсата на эффективность работы HFT и иго прочность, а такзке получить данные для разработки регламента работы системы охлаждения при отрицательных температурах. Для достижения этих целей бн.пи созданы три стенда, на которых решались следующие' задачи: определялись зоны тепломассообмена при замерзании и исследовался характер их взаимодействия с течением времени; определялось распределение льда по периметру канала круглого и некруглого поперечного сечений; исследовалось изменение сопротивления .и аффектиьности ПРТ в зависимости от'времени, а такке от характеристик нагнетателя; определялось "pytfíi удаления льда и инея из каналов ПИ1 (оттаивание); исследовалось •¿лпнчие температуры'точки росы классного воздуха на сопротивлеше ПРГ.

Определение зон тенлскисеообмена и рягнр»дол>4ния твердой фаны но п*р;:>.ятру проводилось на разрезной сребренной мококиталляческой трубе. Лн'зл'з ;трведен'.ч.чх наблкден-й доказывает, что при охлаждении сжатого

газа с парами воды по ходу-движения' охлаждаемой смеси возникает несколько зон, различающихся между собой характером тепломассообмена, .взаимодействием между собой и между компонентами потока. Возможное сочетание этих зон в самом общем случае следующее: 1-зона "сухого" теплообмена (без фазовых переходов); 2-зона конденсации; 3-зона льда с пленкой конденсата ;'4-зона' Инея (рис.1). При стабильности зоны "сухого" теплообмена и конденсации,- зоны льда с пленкой конденсата я инея Еза-гмодействую-т мэгду собой, а именно: зона--льда - увеличивается, а зона лнвя - уменьшается. Это происходит следующим образом. Плешка конденсата под действием касательных напряжений двигется по' льду и попадает в эбласть контакта, зон льда и инея. Здесь жидкость 'впитывается- пористой структурой шея и замерзает, .превращая йней в лед.Процесс образования льда с пленкой конденсата' в канале прекращается в случав локального равенства тепловых потоков, подводимого ко льду со стороны газа и отводимого ото льда к стенка • канала. Itosko выделить два стационарных злучая: зона "сухого" теплообмена - зона "сухого" Инея; зона "сухого" ■ теплообмена - зона конденсации - зона льда с пленкой конденсата. Наи~ Золзе общим и наиболэо сложным является второй вариант.На основе анализа стационарных случаев можно сделать еыеод, что существует .термодинамический предел охлаздення влагяого скагого воздуха.В первом-стационарном сгучаа термодинамичс ский продол равен тзшэрзтуре точке роен воздуха,- а во втором - 0°С. . '

Исслодсвазпэ распределения льда По периметру каналов и наблюдение• за процессом замерзания ПРТ проводилось на пластинчато-ребристом теп-яообменнике компрессора ВУ-2,5/13. Замерзание- происходило следующим збразом. Вначале слой'льда на срезе канала появлялся в самых первых саналах по ходу охлаждающего-воздуха. Постепенно облзсть згчерзающих саналов увеличивалась в .направлении движения ■ охландажщего воздуха, а зеченив каналов все больше и больно.загромождалось льдом. Сопротивление; ПРТ росло. Из каналов теплообменника стекала пленка еидкости, летали капли. Замерзание канала происходило в слэдуг^.ей цослэдоватбльно-зти. Вначале лед появлялся- в углах канала. Затем этот слой льда посте-I9HEO увеличивался, все больке загромождал сечение канала, а его форма трпбятаалась к овальной, круглой. Появление льда в углах каналов .объ-теплзтея тремя Ьбстоятельствомл. Это, во-первых, более низкая тешэра-' гура стенки в . основании, ребра, во-вторых, более "низкие, коэффициенты геплоотдачя .п, в третьих, более толстая пленка.кидкости, которая-стя-тиваэтея в углы канала под действием. сил товэрхностиого натякештя. Ботов толстая пленка гидтестч-это болея r-^rettoa тврэтзекоо сопротквл-э-

. /■' - V: ; - : ... 7

кие и, как следствие, более низкая температура стенки.

Исследование влияния замерзания на эффективность работы ПРТ проводилось на базе концевого газоохладителя от системы воздушного охлаждения компрессора 2ВМ1,6-1 2/9.. Результаты проведенных исследований, показали, .что- сопротивление ПРТ возрастает. в .2-4 раза, а .коэффициент эффективности уменьшается- приблизительно на 10%. Процесс выхода ш стационарный режим .длится несколько часов, а-время удаления льда ие ПРТ -составляет несколько • минут. -Было обнаружено, 'что конденсаци? (инееобрззование) в: области отрицательных .температур точки росы не влияет на сопротивление. ПРТл.к- иней, видимо, срывается с теплсобменно4 поверхности и выносится -из аппарата. : '

■ Для обнаружения ■ замерзания в реальных условиях эксплуатации, г также для исследования влияния замерзания на эффективность работы ПР1 был создан стёнд на базе поршневого компрессора общего назначенш 2ВМ1,6-12/9 производства Краснодарского компрессорного завода. Системг воздушного охлаждения КУ, разработанная ЛенНИИхиммашем и изготовленна* опытным заводом ВНШкомпрессормаша, состоит из двух газоохладателе1 (промежуточного и концевого),'установленных под компрессором. Газоохладители выполнены из пластинчато-ребристых элементов. В результат) проведения экспериментального исследования были сделаны выводы, что ] реальных условиях эксплуатации наблюдается замерзание ПРТ и выход н; стационарный' режим (рис ,2), промежуточный ПРТ-в исследуемом ■ диапазон« параметров воздуха, пэ замёрзает. Кроме того, было показано, что пр замерзании-ПРТ не разрушается, а время оттаивания составляет «10 мин.

В третьей главэ, основываясь на модели В.И.Нигаатулина двухфззно го двухкрмяодантного дисперсно-кольцевого точения, обобщенной для слу чая замерзания конденсата на стенке канала, была разработана упрощен ная модрчь течения влажного газа и проводоно численное исследовани точения в канала ПРТ.

Основные допущения модели: точонко потока стационарно и не зави сит от пульсаций, • обусловленных неустойчивостью двухфазного потока двухфазный поток симметричен относительно оси канала; газоЕая фаза капли квдкости являются взаимопроникающими средами; поперечное сочени стенки канала изотермично; изменение сечения канала происходит плави и не влияет на структуру потока, температура мекфазной поверхности ра здо.по лЗд - плСяка 'конденсата для данных условий равна 0°С; теплопро ¿«одчостью твердого слоя в ссеьом на1гр£'в.ле;гли мо:кно пренебречь.

Система даФ1«ренциальных уравнений описывает наиболее общий слу чаЯ точения двухфазного даухко.мпоаентного потока при замерзании жид

о

юти на стенке. Для условия функционирования системы охлаждения'комп-юсоров общего назначения можно упростить эту систему уравнений, -сде-)в оценку влияния пленки и-капель жидкости на тепломассообмен и соп->тивление.

Анализ проводился-в диапазоне чисел Рейнольдса газа Rer = 2•10э -У, при разности влаг'осодержаний горячего потока Adr= 2,4>10"9кг/кг и жазал, что относительная толщина пленки имеет максимальное значение '. ,5%, а относительное загромождение 'канала не превышает 5% при. Rer= ЮО. Термическое сопротивление, пленки жидкости не превышает величи-i 5,8% при ReP=lC. Течение пленки вплоть до Rer= 8*10* носит гладкий эрактер и только при'ReP> 8*103 переходит-к'волновому режиму движе-1Я. Отсюда следует, что в диапазоне режимов работы ПРТ шероховатость юнки жидкости можно не учитывать. Оценка влияния капель жидкости на гпломассообмен и сопротивление проводилась при условии, что вся кид-эя-плЗнка сорвана со стенок канала и превратилась в капли. Она пока-' ала, что поверхность капель'не превышает 155 от поверхности канала, а-гаяние капель на сопротивление не превышает 0,2% от величины сопроти-пения трения о стенки канала.

Дополнительно следует учесть следующие соображения. Влагосодержа-ie охлаждаемого сжатого воздуха в зимних условиях при температуре гмосферного воздуха ниже с'С не превосходит 4>tO~3KT/Kr. Поэтому мож-о с высокой степенью -точности положитj,что иг= m0= const. Кроме того, зобходимо учесть, ".что скорость тсжатоГо воздуха в ПРТ находятся в ди?-эзоне 10 + 20 м/с , и поэтому влиянием кинетической' энергии' потока э температуру и давление также можно пренебречь.- Наконец, низкие зна-эния концентраций (влагссодержаний) пара дьют возможность не вводить уравнения составляющую стефанового.'потока.. С учетом приня-чх допуще-яй система уравнений преобразуется к более простому виду.

Уравнения сохранения массы

dnin/dа = J , ша = const ,

це J - интенсивность потока конденсации.

'Конденсация начинается на'стенке канала при условии

" Ри ст(Т„) < Рпг ■ -'апи , й0'т(Тст) < d, .

Уравнение'' сохранения энергии '

qr + •',!■" = qCT ,

G'i\. г . DT \

Тд - температура поверхности льда.

■ Уравнение сохранения' импульса

®:' V 1 -

~ ~ . .г ~ХГ '

. ■ Для расчетов систем охлаждения ' компрессоров удобно записать пн-тенсизности потоков массы, а такжэ изменение массы пара через величин; влагосодернания- воздуха.' Учитнват, что .

.. ; Ж9тирг • •

•получим следующую систему уравнений тепло- и массоотдачи . сЦйг) • '• ' • (Ыг

Еще больше упрощается система уравнений при выполнении следущи: дополнительных допущений: соблюдается -полная аналогия тепломассообмена, т.е. число Льюиса 1е = 1; плотность газа'незначительно меняется п< длине канала рг=сопз1;; температура стенки равна 0°С в сечении, .где начинается замерзание. .

При выполнении этих, допущений система дифференциальных уравнений упрощается и может быть приведена к следующему виду

е = 1 -

;•• dcd) (i-H'ina)-STOPl

_ з

где

1-H« Infi". d(NTÜPl) In(1-R-lnd)+R] -d"

d(P) _ mir.-Re^'-^Г | d- 1 -1 d(iür ) ■ , L Г1 2-Re-J '

T-Г"»н —25C-» "iur4= ---» " r--j. а. = -тр.

1г,- - . - ..' • "г .. ■ P'U" .. *

• 0.8,. a. - 0.32, . Ir= C?rTr+ r'dp, 1л=сугя+г(Тл)йа, ; летг= NTÜ/ итиР1 •■■ ' : . \

-. Nu = «.CKl-Re^-Pr0'43, ,

.-032 э а

0,0056-+ 0,5-Re ~ при 3-10 <Re <3-10 .

Численное исследование замерзания'канала круглого поперечного сочетая в зависимости от расхода горячего потока и диаметра показал; (рис.3)-', что для каналов с небольиими диаметрами («4 мм), характерным! для ПР1 коэффициентами ореоренкя и числами Re^, уменьшение расхода через канал приводит к резкому росту сопротивления. Это.значит, что пр; 10 . • '

ларзллэльном включении таких каналов (слой каналов.ПЕГ) зе^эрсакйо Судет происходить до тех пор, пока температура стенки канала в выходном сечении нэ станет больше или равзой 0°С.. .

На основ?ши наблюдэий замерзания канала ПРТ была построена; модель замерзания квадратного канала для того, чтобы оценить влияние формы канала на характер его замерзания. Модель строится в ярэдпоягэ-нии, что'весь лед собирается в углах канала с радиусом гл. При этом, как предполагалось вше, температура поверхности льда Тд и температура поперечного сечения канала Т „равны 0°С.. Результаты расчетов показывают,. что форма сечения каналов малого диаметра не влияет на характер замерзания (рост сопротивления).

В четвертой главе рассмотрена трехмерная модель ПРТ при замерзании конденсата в канале.с учётом продольной теплопроводности стенки^

Оснозкыв допущения модели: режим работы - стационарный; температуры распределены равномерно во входных сечениях теплообменника; схема движения потоков по разные стороны станки - перекрестный ток; весь поток моено условно разделить на-достаточно большое число.отдельных трубок токэ» котсрыэ при прохождении через теплообменник не пересекаются и. не ттеремепиваются; геометрия поверхности-теплообмена остается одинаковой и постоянной для зеэго теплообменника; часть теплообменника, которая имеет текпэратуру стенки в выходном сечении шгаэ'а'с, считается полностью замэрзвой; теплообмен кэдду-саим теплообменником и'.округл-'-^ел средой пренебрежимо мал. .

С учете;,1 сделанных' допущений основные; дифференциальные уравнения задача .запилу тся в следугдетд-виде.- ...

Уравнение сохранения энергии дта горячего потока •

T„J +. ^Т. [¿гд- d„_k) .<рг .

' • ' р "Ог'Э<аг.ьУ_ • . Qr 0Ir.fc B;,vrB ..

где Tr k - температура горячего потока К-ги слоя,Т„ k — .температура етзшеи (проставочных листез) К-гэ слоя, а,. пр - приведенный кезффнцн-ент теплоотдачи-горячего.потока, dr k - влагссодёряаниб горячего пото-лса К-го слоя, dOT k - вдагосодэразнив в пограничном- слод при, температуре стенки К-го слоя, Вк - длила К-го слоя горячем потока--свободного для прохода, Пг - количеств слоев горячего потока. .

Приведенные коэ^фщиецти тепло- и мзссоотдачи определяются по

«Г

, ор

следующим выражениям

а,= а^1-'(1- Егр). ^ _ . ^

где Егр - эффективность ребра на стороне горячего потока. • Уравнение сохранения энергии для холодного потока

' / ' т ' Их

где 0,5[Тег_(к.4+ .0,^= а, -(1 -Е»р],1^= £

Тст> (к1 (, Т^- температура стенки (К-1) и К-го проставочных

листов, Ьк - длина К-го слоя холодного потока, Кх - количество холод. ных слоев.' .■

Уравнение сохранения энергии для проставочного листа ^

3*Т в'-Т

2Ля'б*~а? + + - ах'2««^- т».ср) +

; ■ • +.2хх[ ^ Т'-0Р":Гх-9Р1 = 0, ^/2.ах/(Яр.бр) ,

р Х1 £Л(тх1хр) тшх1хр) \ . - . р

. где Тхср=" 0,5^+1^ ,Тлер= Хл - коэффициент тепло-

проводности листа, - температура листа в точке с координатами (х, у), (1Д - влагосодеркание при температуре' Тл, Др - удельная площадь сечени5» ребер- на сторонё холодного потока, С. - коэффициент влаговыпа-дения. ■■•• .'

При отсутствий теплообмена со стороны горячего потока, как эт-о происходит в зоне лед - шей , а также в зоне брусков, третий член уравнения выпадает и уравнение; приобретает более простой вид.

Граничные условия для теплообменника в целом записаны в следующем виде (для каждого слоя) ' . ,

Т'(0,у) = ТГ1 , Тх(а:,0) = ТХ1, |<уо,у) = '

атсх . ■' ' агст 5Тог I етс1

.... -3^(0,7) = -^(Ь.у) - -д^-(^О)' = -^(Х.В) = о, где Ь,В - размеры ПРТ.' .'.'■' '

■ . Проведенная оценка членов уравнения сохранения энергии, отвечающих за- теплопроводность в двух взаимно перпендикулярных' к правлениях Ох и Оу, показала, что для ПРТ, применяемых в 'системах охлаждения КУ, теплопроводностью в направлении-Ох можно пренебречь. Бд§ больше у"- ■ 12 •■ - ' .

щается система уравне.шй в случае симметричного оребрения горячего слоя, т.е. когда на один горячий слой приходится два холодных слоя.

■ Численное исследование замерзания ПРТ показало, что:- расчет с достаточной степенью точности можно проводить по 2-х мерной модели; сопротивление возрастает в несколько раз (2-4 раза), в то врем; как тепловая эффективность за счет теплопроводности уменьшается приблизительно на 10%; необходимо учитывать теплопроводность материала теплообменника, которая значительно влияет на его замерзание; уменьшением расхода охлаждающего воздуха в зависимости от его температуры можно предотвратить замерзание ПРТ, причем сопротивление не-увеличивается, а тепловая эффективность снижается на 5-62 при снижении мгдности вентилятора на 20% (рис.4).

В пятой главе дается описание экспериментального исследования тепломассообмена и сопротивления- в ПРТ при замерзании конденсата, проведенного с целью проверки адекватности разработанной трехмерной модели ПРТ, а также правомерности сделанных допущений об изотермичности сечения канала и полном замерзании части проходного сечения теплообменника температура поверхности тоторой ниже 0°С.

На стендэ \"Аэродинамическая -труба" замкнутого типа исследовался одноходовой перекрестноточный алюминиевый ПРТ типа газ - .газ производства опытного завод БНШКомпрессормаш г.Сумы.. Теплообменник состоял из Ю слобв по холодной стороне и 9 слоёв по горячей, что позволило проверить в эксперименте наиболее сложгуга трехмерную модель-ПРТ." В ходе эксперимента решалась задача исследования.влияния начальных-параметров охлаждаемого и охлаждающего воздуха на сопротивление и тепловой поток, отводимый в .еллообменном аппарате. Проведенное исследование показало, что относительное отклонение экспериментальных данных от их расчетных значений для сопротивления ПРТ,..теплового потока и влагосодержания на выходе из теплообменника не. превышали соответственно 20, 15 и 10Ж,- что указывает на удовлетворительное.совпадение.

В шестой главе на основе использования 1-е! диаграммы влалюго воздуха и характеристик компрессорной установки разработг*т .регламент работы ПРТ при отрицательных температурах атмосферного воздуха.

На рис.5 изображена 1-й диа^ раммн, на которой нанесены литы, характеризующие состояния влажного воздуха при разных температурах, вла-госодержаниях и давлениях, а такие,- учитывающие.параке^ш -теплообмен-них аппаратов и ступеней компрессора. Эти кривые ограничивает некоторые зоны сочетаний параме ров воздуха, при которых возмоннн те -,«:« гаше фазовые переходы в теплообменных аппаратах.

Линии 0-0,1-1,2-2 - это линии состояний (Т,й) насыщенного воздух? (относительная .влажность <р « 1 )соо~Бетственко при атмосферном давленш' Рв, при давлении после первой ступени компрессора и при давлении Р^ посла второй ступени компрессора. '' *

Линии ЛК1 и ЛК2 это лишш начала конденсации при давлениях Р4 и Р2 соответственно' и параметрах атмосферного воздуха.Т.е., если.точка, определяющая состояние атмосферного воздуха лежит ниже этой линии (включая и саму линию), то в теплообменнике возможна конденсация.

•Линии сЗ^и с!1- это линии влагосодеркания насыщенного воздуха при давлении Р4и Рг соответственно и температуре 0*С. ' .

Линии КД и КД.-. линии Еачала замерзания при давлении Р4и Рг соответственно. Т.е., если точка,определяющая состояние, воздуха легят . на этой линии или шжэ. то в теплообменнике возможно образование льда. Линия Чл - линия,- ограничивающая область наружного .климата. Линия ЛК строится сведущим. образом. Для каждого значения влагосодеркания определяется температура, .точки росы Тг (температура начала конденсации) при соответствующем .давлении Р в теплообменнике. Затем, при условии, что конденсация начинается в выходном сечении теплообменника (для перекрестноточного теплообменника - в выходном сечении первого канала по ходу' охлаждающего воздуха), определяется температура холодного воздуха "при которой для заданных характеристик воздухоохладителя начинается конденсация." . '

Линия влагссодоржания (^{¿у делит зону, заключенную между кривыми 0-0 н ЛК1 (0-0 и"ЛК2), на две-части. Правее этой лишш в- теплообменнике возможна конденсация-в виде .пленки жидкости, а левее проис-. ходит образование инея (Тг<0'о). ••

Линия КД (КД). определяет состояния гоздуха, при которых начинается образование льда в теплообменника. Это происходит при температуре поверхности в выходном сечении теплообменника равной 0°С. Некоторое понижение температуры при движений от (• )К4 к С»)34 связано с увеличением тепла .«конденсации при роста влйгосодержания.

Линии -КД' и К2ТЕ - это линии', построенные , без учета-конденсации. Таким образом,- можно выделить зону К£31К> (КДК4) состояний воздуха, при которых, в. воздухоохладителе возможно образование льда.

На основе проведенного .исслэдовзнея' предложен следящий регламент работы ПРТ.в области отрицательных температур атмосферного воздуха;. .

.1.' До' тоюератур* ТГ1 (изотерма, проходящая через охлан-

. дшадого воздуха ПРТ работает без замерзания.-

2. При достижешш.-темгарэтура и до ■ температуры Т14 расуг-14 '. • '' '

ается система уравнений в слуае симметричного оребрения горячего лоя, т.е. когда на один горячий слой приходится два холодных слоя.

Численное исследование замерзания ПРТ показгло, что: расчет с остаточной степенью точности можно проведать по 2-х мерной модели; опротивленме возрастает в несколько раз (2-4 разе), в то время как епловая эффективность за счет теплопроводности уменьшается приблизи-ельао на ЮЬ; необходимо учитывать теплопроводность материала тепло-бменника, которая значительно влияет на его замерзание; уменьшением асхода охлаждающего воздуха в зависимости от его температуры можно редотвратить замерзание ПРТ, причем сопротивление не увеличивается, о епловая эффективность снижается на 5-6% при снижении м'цности вентя-ятора на 20% (рис.4).

В пятой 'главе дается описание экспериментального исследования те-ломассооб;,зна и сопротивления в ПРТ при замерзании конденсата, прсве-еиного с целью проверки адекватности разработанной трехмерной модели РГ, а также правомерности сделанных допущений об изотермичность сече-ия каьала и полном земерзании части проходного сечения теплообменника емпература поверхности которой ниже 0°С.

На стенде "Аэродинамическая труба" замкнутого типа исследовался дноходовой перекрестногочный алюминиевый ПРТ типа газ -.газ производ-тва опытного завод ЕКИИкомпрессормащ г.Сумы.. Теплообменник состоял /з О слобв по холодной стороне и 9 слоЗв по горячей, что позволило про-ержгь в эксперименте наиболее сложную трехмерную модель ПГТ. В ходе ксперимента решалась задача исследования влияния начальных-параметров х.паждаемого и охлаждающего воздуха на сопротивление и тепловой поток, тводжый в -еплообменнсм'аппарате. Проведенное исследование показало, то относительное отклонешю экспериментальных данных от их расчетных начений для сопротивления ПРТ,.. теплового штока и влагосодержания на «ходе из теплообменника не превышали соответственно 20, 15 и 105,- чте называет на удовлетворительное.совпадение.

В шестой главе на основе использования 1-й диаграммы влажного ро-■духа ц характеристик компрессорной установки разработав регламент ра-01ы ПРТ при отрицательных температурах атмосферного воздуха.

На рис.5 изображена 1-й диаграмма, на которой нанесены липки, г.а-'актеризующие состояний влажного воздуха при разных температурах, вла-•о содержаниях и давлэшшх, а такт®, учатнваадио. параметра теплообмен-ых аппаратов и ступеней компрессора. Эти кривые огра;тчиЕО:ог чекото->не зоны сочетаний параметров воздуха, при которых вг.гмохнк те пли :нне фазовые перехода в теплообменных аппаратах.

соавторстве).

2. Работа аппаратов воздушного охлаждения компрессорных установок при отрицательных температурах охлаждающего воздуха. .Тезисы докладов VII Всесоюзной научно-технической конференции по компрессоростроению.' Москва, 1985, с.41(в соавторстве). .

3. Анализ работы пластинчато-ребристых теплообменников в системах воздушного охлаждения компрессорных установок при отрицательных температурах охлаждающего воздуха. Исследовательские работы в области холодильных 'и компрессорных , машин. Тематич. ,сб. трудов ВНЩхолодмаша.М., 1986, с.99 - 105 (в соавторстве): ■ ■'--..

4. A.c. N1-236300 (СССР). Способ теплообмена между двумя средами и многоходовый теплообменник. Опубл. в Б.И.,I986,ß 21 (в соавторстве).

5. Эффективность воздушного охлаждения компрессорных установок при отрицательных температурах охлаждающего воздуха. Тезисы докладов VIII Всесоюзной научно-технической • конференции _ по компреосоростроению. Сумы, 1989, с.184 (в соавторстве),

:'.''.■ Список обозначений: *

а' - коэффициент теплоотдачи; aD- коэффициент массоотдачи; Ср- удельная теплоемкость- при постоянном .давлении;' D - диаметр; d - влагосодержа-ниэ; .диаметр; в - толщина листа, ребра; АР - потеря давления; Р - площадь теплопередакщей- поверхности; <р - коэффициент, орэбрепия, относительная влажность; G,m - массовая производительность (расход); 1,1 -длина;*. - .коэффициент теплопроводности;' NTU число единиц переноса; Ни - число.Нуссельта; Р —давление;Рг.- чи'сло.Прандтля; П - периметр; .q - плотность теплового потока;р - плотность; г - удельная' теплота парообразования; Не - число РеИпольдса;Т - температура; и — скорость; -Р - водяной эквивалент; x,y,z -координаты;- коэффициент гидравлического-сопротивления, коэффициент влаговып'адения; I - энтальпия.

■. ' " . ч Индексы:

г - горячий поток; л - лад, лист; п - -'пар; р - ребро .точка росы;' с -сухой;ст - стенкагт. -.труба; х - холодный поток; 0 - начальное.значение; -1 -вход; 2 --выход; '-,*■,- значения величин в сисэдпих слоях (листах/-.' -..'.- -.''-" •-.'■.'.-

пленка кочЗенсоша

лед .

иней

Г,

Рис.1. Зоны тепломассобмена

1 - зона "сухого" теплообмена; 2 - зона конденсации; 3 - зона льда с пленкой жидкости; 4 - зона инея.

&Р=дР/ДР0!£ 1

дР

О 1 2 3 4 5 5 т.час

Рис.2. Влияние замерзания на робота} ПРТ КУ'2ВМ1.6-12/9. Рг =0.7КГ!а,б( =0.11кг/с.

-11 .-12

1

-Ч

1

1 ■ ' -ч]

и

0. 1КеГ

Рис.1 Влияние изменения ^ расхода на сппротисЪсниа '

канала. (1-От=20?1Н,р=25; ■ ■ 2—0 т=20м.м, >7?== 11; 3—О т—3.6 км, ' 9=2). . •

М

£,G =G /G

X * ' xo

Рис.4. Изменение paexoöa ох/ожЗащего ВозЗухо Зля предотвращения' замерзания ПРТ.

• . Vv,d2 . ..' d

. : : Рис.5. Опребеление зон тепломассобмена Ô ПРТ КУ.

iï -