автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Система кондиционирования воздуха с кольцевым двухфазным термосифоном

сл

р \ о ^ •

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ХОЛОДИЛЬНОЙ ПРОШШЕННОСГИ

На правах рукописи Уда 536.24

ЛИ СУ ИР .

СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНА ВОЗДУХА С КОЛЬЦЕВЫМ ДВУХФАЗНЫМ ТЕРМОСИФОНОМ

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности

Ниучний руководитель -

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ИВАНОВ 0.11.

доктор технических наук, профессор ЙИСЕДЕВ Н.Г.,

кандидат технических наук, доцент ШИРЯЕВ iJ.ll.

Ведущая организация - Лютитут повышения квалификации

руководящих работников и специалистов судостроительной промышленности

Защита диссертации состоится "____1УУЗ г.

в _/У___часов на зьоедании специализированного совета

К 063.02.01 в Санкт-Петербургском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте холодильной промышленности.

Огзыв в двух экземплярах, заверенный початью учреждения, просим направлять по адресу; 191002, Самкт-Потербург, ул.Ломоносова, д.^, Учений Совет СПбТИХП.

С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке института.

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук АКУЛОВ Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТи

Задача исследования и освоония мирового океана решается сравнительно новой и своеобразной техникой, предназначенной для обеспэчения жизни и деятельности людей под водой.

сЖеплуатация глубоководных аппаратов (ГВА) в условиях высоких давлений окружающей среды повидает требования к надежности систем жизнеобеспечения и кондиционирования воздуха (С1Ш), а такле к системам отвода теплоты за борт.

В настоящее время получают, распространение системы отвода теплоты за борт с использованием замкнутого контура двухфазного термосифона (ДГС), рассчитанного на давление окружающей среды.

Для ГВА с ограниченной мощностью энергетической установки применение безнасосных схем является наиболее актуальным. Однако использование ДГС для отвода теплоты от СКВ ГВА в настоящее время сдерживается отсутствием методики их расчета, позволяющей осуществить обоснованный выбор геометрических характеристик их элементов.

Цель работы.

Анализ литературных данных по вопросам СКВ на ГВА, Разработка методики расчета ДГС. Поиск путей повышения надежности и эффективности системы отоода теплоты за борт.

У 2 Ш!§3_Е£в !32Ц 5 •

Разработана методика расчета ДГС, используемого для отвода теплоты за борт ГВА. Показана возможность реализации схег/ы ДГС для передачи теплоты с малым температурным напором С до 20. К).

Разработана схема и методика расчета ДГС для отвода теплоты СКВ на поверхность борта ГВА. Показана возможность и эффективность конструирования воздухоохладителя ДГС из алюминиевых плоскоивальных труб с наружным пластинчато-ребристым оребрением.

Выполнено экспериментальное исследование ДГС с воздухоохладителями из шюскоовальных труб.

Практическая ценность.

Разработана методика инженерного расчета ДГС, позволяющая определять геометрические характеристики теплообменников. Показано, что исследованная в работе схема ДГС с корпусным конденсатором имеет некоторые преимущества и может быть реализована с использованием высокоэффективных теплообмешшх элементов.

Автор защищает:

- методику и результаты расчета ДГС о воздухоохладителем и забортным конденсатором, используемого для СКВ ГБА;

- методику и результаты расчета ДГС с воздухоохладителем из алюминиевых плоскоовальных труб и корпусным конденсатором;

- результаты экспериментального исследования ДГС с воздухоохладителем из алюминиевых плоскоовальных труб.

Ащюбау ия_работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры машин, аппаратов и систем кондиционирования СНбТИХП в 1992 и 1993 гг., а также на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников Санкт-Петербургского технологического института холодильной промышленности (С.-Петербург, 1992 г.).

0г2укту2а_и_о&ьем_работы.

Диссертация состоит из введения, 3 глав и выводов.

Изложена на 94 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 5 таблиц. Список литературы включает 55 наименований. ■

содержание работы

Аналитический анализ литературных данных, посвящгжшх вопросам поддержания микроклимата а ГВА, полазал возможность использования для СКВ в качестве теплоотводящвго контура кольцевого ДГС.

В обзоре способов и аппаратов СКВ приведен подробный анализ существующих рекомендаций по выбору и поддержанию парамэтров воздушной среди.

Учитывая ограниченность пространства и малоподвижность отдай на ГВА, определены границы по подвижности воздуха, оказывающие влияние на iüc самочувствие и работоспособность. Значительная знерго- и материалоемкость СКВ в условиях ГВА требует детального анализа путей взаимного их усовершенствования. Наиболее общий подход к проектирование оптимальных СКВ изложен в работах А.Я.Креслкня и А.А.Ршкевича.

Анализ оптимальных режимов СКВ показывает, что основный процессом обработки воздуха в условиях ГВА' в летний период будет охлаждение с осушой рециркуляционного воздуха. В зимний период - нагрев воздуха.

Основным видом теплообменного оборудования п условиях крана и дифферента возможно применение только поверхностных воздухоохладителей.

Известно большое количество конструктивных решений воздухоохладителей, отличающихся видом трубок с хладоносите-лем, их диаметром и толщиной стенок. Дая воздухоохладителя, работающего в схеме ДГС с забортным конденсатором, необходимо использовать толстостенные трубы ( SU— Ь мм) из низкотеплопроводных титановых сплавов, поскольку введение иных высокотеплопроводных металлов может вызвать активную электрохимическую коррозия мост соединений.

Учитывая выводи, изложенные в I главе, а iarase опыт и результаты исследования Иванова О.П., Савченкова Г.А., Безродного М.К., Киселева И.Г. и др., автором разработана методика расчета ДГС для отвода теплоты СКВ за борт ГВА.

Основные зависимости при расчете ДГС

Теплообмен со стороны воздуха:

- шахматный пучок круглых оребреиных труб

AVC fW- РгГи/cU)' ;

m • 0.45*0,006 (Z/di); p-0M+010» (Rei/-iooo)П*0,кЪ

С = «| (Ret j /, /cb) " по Авшшм Гоголина A.A. Fl/n® —- • IT." коэффициент влаговыпадения;

- теплообменник из алюминиевых плоскоовальных труб

SW0.U6* 0.496 £ Рг^66

- критерий Огантона. Теплообмен при кипении хладагента:

■5Ö.5 (Г' 1(р) "Богданов °-н'

Теплообмен со стороны охлаждающей воды:

- охлаждение при свободном движении среды

' iVu=C R<x4WM°'lS

Ra'GVPr" критерий Релея;

при Ю3 4 Ro> < Ю9 ; Ц - 0,25;

Ra> 6-I010 , И - 0,33;

- вынужденное движение воды

М|ж-С;Яеж -Pri-(Pr-c/Prcг)"*

С, m, rt -4 (Rem)

Теплообмен при конденсации хладагента Oda « t \| Ч. р И) \ С ^fc.J- Нуссельт В.

В качестве критерия оптимизации принято значение минимума суммарной теплообменной поверхности, которое зависит от температуры насыщения в контуре ДГС.

Методика расчета реализована на ЭВМ. Выполненные расчеты показали, что в целом возможна передача теплоты СКВ с помощью ДГС при температурном напоре 20 К (рис. I).

Расчет конденсатора ДГС осуществлялся из условия теплоотдачи при естественной конвекции забортной вода вдоль поверхности теплообменных труб. На рис. I видно, что снижение" температурного напора приводит к росту поверхности конденсатора. Кроме этого отмечено, что при движении ГВА расчетная нагрузка может быть передана ДГС при температурном напоре 13 К.

В связи с небольшими тепловыми нагрузками ( 0 ^ 5000 Вт), передаваемыми ДГС, обнаружено, что оптимизация транспортных трубопроводов по располагаемому гидростатическому напору между конденсатором и испарителем не существенна (минимальные диаметры трубопроводов составляют 4...7 мм).

В главе 3 диссертации представлены подробные данные по анализу, экспериментальному и математическому исследованию ДГС, передающего теплоту СКВ на поверхность борта ГВА.

Показано, что при малых тепловых нагрузках для обеспечения теплового режима в помещениях ГВА может быть использована теплопередача непосредственно через корпус.

Известные в настоящее время условия теплопередачи при вынужденной конвекции воздуха вблизи корпуса ГВА обеспечивает требуемые параметры только лишь в случае небольшой толщины корпуса и относительно высокой теплопроводности материала.

Термодинамический анализ эффективности процессов, обеспечивающих передачу теплоты в корпусных теплообменниках, позволяет сделать вывод о возможности повышения их эффективности за счет увеличения коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к внутренней поверхности корпуса и отказа от использования в качестве теплоносителя однофазной среды (воздух, вода).

Задача обеспечения эффективной теплоотдачи в корпусном теплообменнике при постоянной температуре Теплоносителя может быть решена путем использования процесса конденсации на внутренней поверхности корпуса. Таким образом, мы приходим к такой системе охлаждения, в которой отвод теплоты к эаборт-

ной воде через прочный корпус осуществляется в процессе ' конденсации паров теплоносителя в корпусном конденсаторе.

Отсутствие контакта конденсатора с забортной водой решает вопрос коррозии материала и требований к его прочности. В связи с этим материальное оформление теплообменных аппаратов (воздухоохладителя) возможно на основе легких алюминиевых сплавов с применением высокоэффективных тепло-обменных поверхностей (рис. 2).

Преимущества теплообменников, изготовленных из плоскоовальных алюминиевых труб, с.пластинчато-ребристой насадкой перед объемными теплообменниками из пакетов круглых оребрен-ных труб из медных сплавов показаны на рис. 3.

Кроме этого следует отметить, что рассматриваемые теплообменники в среднем на 27 % легче и на 35 % компактнее обычных теплообменников из круглых орвбренных труб.

Учитывая результаты, полученные при анализе существующих теплообменных поверхностей, разработана схема Д1С с воздухоохладителем из плоскоовальных труб. Кипение теплоносителя осуществляется внутри вертикальных каналов воздухоохладителя с общими жидкостным и паровым коллекторами.

С целью определения производительности ДГС с воздухоохладителем из плоскоовальных труб в зависимости от разности температур Еоздуха и насыщения теплоносителя были выполнены экспериментальные исследования.

Дополнительный интерес представляло определение минимально необходимых температурных напоров, обеспечивающих закипание теплоносителя внутри каналов воздухоохладителя.

Экспериментальный стенд представляет собой аэродинамическую трубу замкнутого типа, в которую помещался экспериментальный воздухоохладитель ДГС. Перед фронтом воздухоохладителя имелась возможность создавать различные скорость и температуру воздуха.

Конденсатор ДГС был выполнен в виде кожухотрубного аппарата с конденсацией теплоносителя на наружной поверхности горизонтальных труб. Дня охлаждения поверхности труб конденсатора использовалась вода, проходящая тепловую подготовку в специальных термостатах.

Воздухоохладитель и конденсатор ДГС соединены между

собой трубопроводами, В качестве теплоносителя использовался хладон 113.

В результате исследований ДГС получены данные, часть которых показана на рис. 4.

Начало кипения хладона ИЗ отмечалось при температурных напорах 3,5...5,5 К (опиты 10, 13). Поело начала кипения допускалось снижение температурного напора до '¿...3 К (опиты 16, 16, 17). Повышение температурного напора приводило к росту производительности ДГС с темпом примерно 300 Вт/К при расходе воздуха 0,534 ы^/с и примерно 600 Вт/К при расходе воздуха 0,91 м^/с.

Результаты зкепоркмешталыюго исследования позволили разработать методику инженерного расчета ДГС с воздухоохладителем из алюминиевых плоскоовальных труб и с корпусным конденсатором. В качестве критерия оптимизации при расчете теплообменкых поверхностей использован также минимум сум -мерной поверхности.

Дополнительно при разработке методики было использовано условие, которое предопределяло габаритный размер свободной поверхности борта ГВА. Цикл начислений организован для различных значений свободной площади корпуса ГВА от 1 до 6 м2. Расчеты выполнялись для корпуса толщиной 0,1 м,

X = 9,Ь Вт/(м-К), в диапазоне тепловых нагрузок 1...5 кВт, при разности температур 10, 15 и 20 К. Расход воздуха через воздухоохладитель был ограничен величиной 3 кг/с. В соответствии с заданным алгоритмом получены значения поверхностей теплообменников ДГС. На рис. 5 и б представлены значения фронтального сечения воздухоохладителя ДГС в зависимости от скорости воздуха в живом сечении при разлитых площадях поверхности корпуса ГВА, занимаемых корпусным конденсатором.

Можно отметить, что дня производительности I кВт увеличение поверхности корпуса конденсатора свыше 3 м не приводит к существенному уменьшению габаритов воздухоохладителя. При этом увеличение скорости воздуха более,5... 6 м/с нецелесообразно.

Аналогичные выводы можно сделать и по другим тепловым нагрузкам, передаваемым контуром ДГС от окружающего ь.^духа

к забортной воде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Для снижения энергозатрат на СКВ ГВА и повышения его надежности в качестве промежуточного контура отвода теплоты за борт целесообразно применять кольцевые двухфазные термосифоны.

2. Выбранная конструкция ДГС с забортным конденсатором позволяет организовать отвод теплоты до 5 кВт во время стоянки ГВА при температуре забортной воды 278 К. Во время движения ГВА условия теплопередачи выполняются при температуре воды 266 К.

3. Применительно к СКВ ГВА с малой тепловой нагрузкой (5...10 кВт) целесообразно использовать способ отвода теплоты через стенку, корпуса ГВА. Отсутствие контакта с забортной водой позволяет проектировать ДГС, используя высокоэффективные теплообменные поверхности из алюминиевых плоскоовальных труб с наружным пластинчато-ребристым оребрением.

4. Реальный тепловой поток от конденсатора ДГС через корпус ГВА будет на 10...40 % больше рассчитанного по одномерной модели теплопередачи.

Приношу искреннюю признательность к.т.н., ст.н.с. Емельянову А.Л. за консультирование моей работы.

I *«Л »»ЯП

Рио, I. Арагмент расчета ДГС:

(.) I - плотность теплового потока в воздухоохладителе; (.) 2 - плотность теплового потока в конденсаторе:

при » 5 °С и естественной конвекции вод«; при 'Ь ^ « 13 и поперечном омывании пучка труб; (.) 3 - плотность теплового потока в конденсаторе при - 10 °С и естественной конвекции воды

w

В мм н мм — П Кол-во канадоЕ н мм h. мы S км А мм Внутренняя поверг -ность I п.и. Наружная поверхность I п.м, и Проходное сечение каналов 10», м2 Теоретичес кая масса I П.м, КГ

44 8 4,1 4,5 о, иг 0,094 0,99 0,32

ÓÓ 5,0 13 3,8 3,9 1,0 1.2 0,174 0,138 1,47 0i 49

86 13 5,5 5,85 0,218 0,182 2,125 0,63

Рис. 2. Характеристгеси пяосяоовальных труб (ТУ I-ÉÚS-056-6S)

Рнс. 3. Сравнительный характеристики теплообменников:

1 - круглые орабремшо труби $6 16x1,5 мм, изготовленные

из меди;

2 - алюминиевые плоскоовалышв трубы шириной ЬО мм;

3 - алюминиевые плоскоовалыша трубы шириной НО мм

II. Ьт

ш то «оо

«13

ста

■»

0 I I 1 4 5 6 дТ,ц

Зависиость производительности ДГС от среднего чвшшратурюго напора п окспврпаантаяьноя воадухоохлвдктвло: 3/

расход воздуха 0,531 м/с; расход воздухе 0,91 и3/с

РКО. 4.

в -А -

Риз. b. Результата рвочегв ДГС о чорпусаиа кондвлсвтороа (теипяретурннй нйлор "воздух - пода" 10 К)

Рис. 6. Результаты расчета ДГС с корпусным конденсатором (температурный напор. "воздух - вода" 20 К)

г/ ^ Л'сУа! }

Подписано к печати 26.ОД.93. Формат 60x84 1/16. Бум.газетная. Печать офсетная. Леч.д. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 337.

Малоё предприятие "ТеплоКон" Санкт-Петербургского ордена Трудового Красного Знамени технологического института холодильной промышленности. 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова,9