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

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ' ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЖШЙИН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ПЛАСТИНЧАТО - РЕБРИСТЫХ' ТЕПЛООБМЕННИКАХ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ -ТЕМПЕРАТУРАХ ОХШЩАЩЕГО 'ВОЗДУХА '

Специальность 05.14.05 - теоретическгэ основы

• На правах рукописи.

теплотехники •

Автореферат диссертации на соискание ученой, степени • . кандидата технических язук

С.-Петербург -- 1991

Работа выполнена в Инженерном Центре; по энергосбережению при <й зико-технкческом институте им. А.Ф.Иоффе ДН СССР. г.С.-Петербурга.

У , • ' ■

. Научный руководитель -доктор технических наук. Э.Л.Ктанин

Официальные оппоненты:

•доктор технических наук, профессор кандидат технических наук .

Ведущая организация - ВШИхо'лодааш, г.Москва.

^—^

Защита состоится.. <•2.4 " СШС,я о[иХ 1991 г. в (6_ часов на заседг нии специализированного Совета К063.38,23 по "Теоретическим основ; теплотехники" в Ленинградском государственном техническом университе' по адресу: 195251, г.С.-Петербург;-ул.Политехническая, дом 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛГТУ!

Автореферат разослан п2.2. « //оЛу^сЛ 1991 г.

' Иванов-0.П., Кректунов О.П.

Ученый секретарь специсцизиробанного Совета, доктор технических наук, профессор • .

А.С.Ласн

Актуальность работы. Компрессоры' являются одним из наиболее распространенных видов энергетического оборудования.Оли широко применяют- с ся в металлургии, химии и других отраслях промышленности для приведения в действие различного пневматического оборудования, газоразделе-дая, 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 кокпрр "¡с-орн 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 частно,сти.в ргмкэх' Государственной ' 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 охлаждающей среды, т.к. температура атмосферного воздуха имеет отрицательные значения в Течение длительных промежутков времени'на значительной части территории страны. Однако, яменно зимоц при отрицательных температурах охлаждащего- воздуха, наряду с 'конденсацией возмг-чны также процессы' образования льда с пленкой конденсата и инэя..Загромождение льдом каналов газоохладителя приводит к росту, гидравлического- сопротивления к недоохлаздения компримируемого га?а до температуры охлаждающего воздуха, к увеличению затрат.на сжатие газа.

Цель и основные задачи работы. Основной целью диссертационной работы является исследование тепломассообмена и сопротивления в пластин- . чато-робрисгых теплообменниках - (ПРТ) при отрицательных температурах охлазэдащего воздуха и повышение на Этой основе ^."эктивноста • систем воздушного охлаждения КУ. 'Для достижения этой цели необходимо решить сла""гющие задачи: . ■. ...

- получить эксперюлентальные данные о процессах тепломассообмена (зонах фазовых переходов) в пластинчато' - ребристых роздухоохладателях. ■ компрессоров при отрицательгнх температурах и о влиянии замерзаний на'., эффективность работы ПРТ; ( .-'.'•' ■ ■'-:'■ . л

- разработать модель двухкошонентного даедачснэ-кольцевого- пот'о-г ' ка при замерзании пленки конденсатас rem® канала; ; '.• * ; ,

;■■' : • . • ' - - "" ' . •/ .

-'создать методику'расчета ПРТ йри замерзании конденсата с учетом .фазовшс переходов и продольной теплопроводности стенок;

. -t провести экспериментальное. исследование замерзания ПРТ, позво-' ляадве подтвердить адекватность' модели;

. •- разработать регламент работы- системы воздушного охлаздения КУ при отрицательных температурах охлаздавдего воздуха.

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

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

- разработана методика расчета Ш'Т в трехмерной постановке при замерзании- конденсата с учетом фазовых переходов и продольной теплопроводности стенок; -

.- выявлен термодинамический предел охлаждения влажного сжатого воздуха, который.равен 0"Q при следующих условиях: режим работы -стационарный, температура точки росы, охлаздаемого воздуха Тр г= О'С;

' - разработан метод Определения параметров атмосферного воздуха, при которых возможно замерзание ПИ1 КУ, с 'использованием I-d диаграмма вла:шо.го воздуха. \ •

Реализация работы в промышленности. Результаты работы положены е основу проектирования компрессорных установок- номенклатуры Краснодарского компрессорного завода..Проведена опытно-промышленная эксплуатация ' компрессорной установки•2ВШ,6-12/S производства Краснодарского кош-рессорного завода с системой воздушного охлаждения из пластилчато-■ ребристых теплообменников.На заБоде "Радист" Ленинградского НПО "Северная заря" спроектирована и находится в эксплуатации система воздушного охлаждения компрессорной станции. Опытно-промышленная 'эксплуатации . ;подтвердила основные выводы диссертации. ' .

Автор защкцаат:

■ - акскерименгальныо данные,' раскрывагацие, картину образования льд; в ПРТ КУ Общего назначения й показывающие влияние замерзания на эффективность работы системы охлаждения;

' - модель дисперсно-кольцевого течения двухкомпонентной смеси пр: замерзании шгенкп конденсата на стенке'канала;

- методику расчета ПРТ в трехмерной постановке 'при замюрзани конденсата с учетом фазовых переходов и продольной теплопроводност 4

стенок;

- положение о наличии термодинамического предела охлаждения влаж^ ного сжатого воздуха равного 0°С при следующих условиях: режим работы - стационарный, температура точки роен охлаждаемого воздуха Тр > 0°С;

- методику определения параметров атмосферного воздуха, при которых возможно замерзание ПРТ КУ, с использовайием I-d' диаграммы влажного воздуха; .

- регламент работы ПРТ КУ прй отрицательных температурах охлавда-щего воздуха.

Апробация работы. Результаты исследований по теыэ диссертация докладывались на VII Всесоюзной конференции по компрессоростроению .(Казань, 1985), на 17 Всесоюзной научно-технической конференции по крио-гонной технике (Москва, 1387), на 30-Й Юбилейной научно-технической конференции,посвящённой 70-летию Дальневосточного политехнического института (Владивосток, 1988); на VIII Всесоюзной конференции по компрессоростроению (Сумы, 1989). -

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в четырех работах и авторском' свидетельстве.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка, литературы из 1J7 наименований* приложений; ейдеркит 110-страниц машинописного текста, 60 иллюстраций, 6 таблиц. . ;

В первой глава". • на оснований имэпцихс'я литературных • источников, ' материалов обследования аппаратов воздушого-охлаждения (АВО) и результатов опытно-промыиленной эксплуатации, снстеш воздушного охлаждения компрессорной установки• при отрицательных те?шоратурах охлаждающего воздуха рассмотрэпо состояние -вопроса по исследований " тепло: зссопор-э-носа и сопротивления в. ПРГ КУ общего назначения при отрицательных температурах охлаждающего воздуха.

Несмотря на то, что воздушное охлаждение КУ на основе ПРТ является одним из существенных резервов повышения. эффе :тиееости компрессоров, до сих пор практически отсутствуют свэдейня о процессах тепломассообмене в каналах ПРТ при отрицательных тбгдтаратура'х и is влиянии на работу теплообкенннх еотэрптой!.- '. . •

И'Л05ГЕ550ся дзааго, з основной, относятся к работо АВО на бззд рас-' пространенной трубчато .ребристой говэрхЕсста, Достаточно кпроко ис-. пользуекой в хклнескоа и нефтехимической прогаплеваости, добичо о транспортировке природного; газа. Эта свэдоаия .показала»?, .что. прч 6т-рццатольЕых текдарзтурах охлаздаязвго аоздухз в тегоюойгешшкох н&Ллзо- •

дается замерзание конденсата, которое приводит к загромождению проход-•ного сечения' аппарата,, к росту, сопротивления и сшжеЬшо коэффициента тепловой эффективности теплообменника, -а такке к разрушению теплооб-менных труб. Поэтому, при эксплуатации ABO в условиях холодного климата возникают. специфические проблемы, связанные -с необходимостью защиты аппаратов от замерзания. -

При работе. ПРТ ;в области отрицательных температур в тенлообменном аппарате возможны процессы конденсации, образования льда и инея, процессы теплопроводности по стенкам ПРТ. Существующие модели охватывают отдельные зоны .тепломаессобмена и сопротивления и не рассматривают взаимодействие зон мезду 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 IIPT КУ, а также по разработке регламента работы системы охлаждения в зависимости от параметров атмосферного воздуха и режимов функционирования КУ. .

Ео 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' ого прочность.

При проведении экспериментального исследования была поставлена цель получить' экспериментальные данные о зонах тепломассообмена в каймах, о влиянии замерзания конденсата на эффективность работы ПРТ и иго прочность, а также получить данные для разработки регламента работы системы охлаждения при отрицательных температурах. Для достижения этих целей были 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 поперечною сечения; исследовалось изменение сопротивления" и эффективности ПРТ в зависимости от'времени, а такие от характеристик нагнетателя; определялось удаления льда и инея из каналов ПРТ (оттаивание); исследовалось л.7.::пц:е температуры''точки росы влажного воздуха на сопротивление ПРГ.

Определение зон тепломассообмена и ряспраделопил твердой фазы по ¡:*р;:?.втру лроьодихось на разрезной оребр>г.шой ыонсмиталличоской трубе. л1ИЛ13 прозеденньх набл»д*ний доказывает, что при охлакдекии сжатого

газа с парами вода по ходу- ДЕИзекая' охлавдаемой смеси возникает несколько зон, различающихся между собой характером тепломассообмена, .взаимодействием меэду собой и между компонентами потока. Возможное сочетание этих зон в самом общем случае следующее: 1-зона "сухого" теплообмена (без фззлзкх переходов); 2-зона конденсации; 3-зона льда с пле-зкой конденсата;4-зона' инея (рис.1). При стабильности зоны "сухого" теплообмена и конденсации, зоны льда с пленкой конденсата и шея взаимодействуют мэвду собой, а именно: зона -льда - увеличивается, а зона ,шея - уменьпается. Это происходит слэдунцим образом. Еленка конденсата под действием касательных напряжений движется ш льду и попадает в эбласть контакта зон льда и инея. Здесь жидкость впитывается- пористой структурой шея и замерзает, .превращая иней в лед.Процесс образования льда с пленкой конденсата в канале прекращается в случае локального равенства тепловых потоков, подводимого ко льду со стороны газа и отводимого ото льда к стенке-канала. Можно выделить два стационарных случая: зона "сухого" теплообмена - зона "сухого" иная; зона -"сухого" ■ теплообмена - зона конденсации - зона льда с пленкой конденсата. Наи-Золее общим и наиболее сложным является второй вариант-На оснс'зе анализа стационарных случаев могно сделать вывод, что существует .термодинамический предел охлаждения влахного сзатого воздуха.В первом-стационарном случае термодинамнчсскнй предел равен температуре точке роен воздуха, а во втором - О'С.

Исследование распределения льда По периметру каналов' и наблюдение • за процессом замерзания ПРТ проводилось на пластинчато-сребристом'теплообменнике компрессора ВУ--2,5/13. Замерзание происходило следующим эОрззом. Вначале слой'льда на срезе канала появлялся в самых первых каналах по ходу охлаадапцего-воздуха. Постепенно область замерзающих каналов увеличивалась в.направлении дзижэния- охлаждающего воздуха, а сечение каналов все больке и больпе загромождалось льдом. Сопротивление ПРТ росло. Из каналов теплообменника стекала пленка ¡жидкости, летели капли. Замерзание канала происходило в следуг^ей последовательности. Вначале лед появлялся-с углах канала. Затем этот слой льда посте*-тешо увеличивался, все больпе загромождал сечение канала, а его форма зрибдихалась к овальной, круглой. Появление льда в углах каналов .объясняется тремя ЬбстоятельстзЕмп. Это, во-первых, более низкая температура стенки в . основании, ребра, во-вторых, более ".низкие коэффициенты, теплоотдачи -л, в третьих, более толстая планка.кпдкостн, которая•отливается в углы канала под действием сил поверхностного натяжения. Бо-"эе толстая пленка кидкости-это более п'*"око5 термическое сопротивлэ-

' - . - . - .. 7

вне и, как следствие, более низкая температура стенки.

Исследование влияния замерзания на эффективность работы ОРТ проводилось на базе концевого газоохладителя от системы воздушного охлаждения компрессора 2Ш1,6-12/9.. Результаты проведенных исследований, показали, .что-сопротивление ПРТ возрастает в 2-4 раза, а .коэффициент эффективности уменьшается приблизительно на 10S. Процесс выхода не стационарные реши длится несколько часов,, а-время удаления льда из ПРТ 'составляет несколько . минут. Было обнаружено, "что конденсация (инееобразовакие) в'области отрицательных температур точки росы не влияет на сопротивление ПРТ.и.к. иней, видимо, срывается с теплообменноЕ поверхности и выносится-из аппарата. :

Для обнаружения-замерзания в реальных условиях эксплуатации, z также для исследования влияния замерзания на эффективность работы ПИ был создан стенд на базе поршневого компрессора общего назначенцу 2ВШ,6-12/9 производства Краснодарского компрессорного завода. Системе воздушного охлавдения КУ, разработанная ЛенШИхИмыашем и изготовленная опытным заводом ВНИИкомпрвссррмаша, состоит из двух газоохладителе? (промежуточного и концевого),'установленных под компрессором. Газоохладители выполнены из пластинчато-ребристых элементов. В результате проведения экспериментального исследования были сделаны вывода, что t реальных условиях эксплуатации наблвдается замерзание ПРТ и выход ш стационарный рэким(рис.2), промежуточный ПРТв исследуемом диапазоне параметров воздуха н& замерзает. Кроме того, было показано, что npi замерзании ПРТ не разрушается, а время оттаивания составляет «10 мин.

В третьей главе, основываясь на модели В.И.НИгматулиыа двухфазного двухкомпоненткого дисперсно-кольцевого течения, обобщенной для случая замерзания конденсата на стаже канала, была разработана упрощенная мод^чь течения влажного газа и проведено численное исследована течения в канала ПРТ.

Основные допущения модели: теченко потока стационарно и не зависит от пульсаций, ■ обусловленных неустойчивостью двухфазного потока; двухфазный поток симметричен относительно оси капала; газовая фаза i капли кидкости являются взаимопроникающими средами; поперечное сочешн стенки канала изотермично; изменение сечения канала происходит плава и не влияет на структуру потока, температура нежфазыой поверхности раздела л5д - плбнка"конденсата для данных условий равна 0*С; теплопроводностью твердого слоя в осевом направлении мо:хно пренебречь.

Система дайервнциальннх. уравнений описывает наиболее общий случай точения двухфазного . д?ухкс:.пю:ю н тного потока при замерзании жид-В •

сости на стенке. Для условна функционирования системы охлаждения'компрессоров общего назначения можно упростить эту систему уравнений,-сделав оценку влияния пленки и•капель жидкости на тепломассообмен и сопротивление.

Анализ проводился-в диапазоне чисел Рейнольдса газа Rer = 2-103 -10е, при разности влаг'осодержаний горячего штока Adr= 2,4ИСГ3кг/кг и токазал, что относительная толщина пленки имеет максимальное значение »2,5%, а относительное загрсмоаденш'канала не превышает 5% при Rer= ?000. Термическое сопротивление пленки жидкости не превышает величи-ш 5.8Ж при Rer=1Cf. Течение пленки вплоть до Нег= 8*Ю-5.носит гладкий характер и только при'Еег> 8-1 tf переходит-к волновому режиму движения. Отсюда следует, что в диапазона режимов работы ПРТ шероховатость гпенки жидкости можно па учитывать. Оценка влияния капель жидкости на тепломассообмен и сопротивление проводилась при условии, что вся жид-кая'плбнка сорвана со стеаох канала и превратилась в капли. Она показала, что поверхность капель"не превышает 1* от поверхности канала, а-влияние капель на сопротивление не превышает 0,2% от величины сопротивления трения о стенки канала.

Дополнительно следует учесть следующие соображения. Влагосодержа-вие охлаждаемого сжатого воздуха в зимних условиях при температуре атмосферного воздуха ниже <_'С не превосходит 4- ТО"9кг/кг. Поэтому мож-ао с высокой степзньп. точности положкч^.что шг= mc= const. Кроме того, зеобходимо учесть, ".что скорость сжатого воздуха в ПРТ находятся в диапазоне 10 + 20 м/с , и поэтому влиянием кинетической' энергии" потока на температуру и давление также »ложно пренебречь.- Наконец, низкие значения концентраций (влагосодертаний) пара дыот возможность не вводить в уравнения состаЕЛякзцуы стефанового.'потока., С учетом приня—ix допущений система уравнений преобразуется к более простому виду. Уравнения сохранения массы

dm^/dz =-J , п^ = const ,

где J - интенсивность потока конденсации. • .-

"Конденсация начинается на стенке канала при условии'

Ри.ст(Т«> < Рпг -. -'¡Ш ^'тСТст) < dr •

Уравнение1 сохранения энергии _

г 1 °т , ,

где -4r=Inc0pr-g^-s qCT= ^-T-J/j^tn-^- + ^^j, . '

в

■ Тд - температура поверхности льда. • Уравнение сохранения' ищульса

<ЗР „ ' ' Рг'^г ! • . '

~Ш - ~ ' •

.' Для расчетов систем охлаждения ' коглрессоров удобно записать интенсивности потоков массы, а такхе изменение массы пара через величину

влагосодернания воздуха.' Учитнват, что . .. • • ■ '

получим следующую систему уравнений тепло- и ыассоотдачи

'й«1г) '' ' ¿'г -а, 02 = а,(¿г7 йл)-Пл . '-т0Срг-д^- = ссГ^- Тл )-Пд .

Еде больше упрощается система уравнений при выполнении следующих дополнительных-допущений: соблюдается полная аналогия тепломассообмена, т.е. число Льюиса 1д = 1; плотность газа незначительно меняется по длине канала р^сопз-!;; температура станки равна 0°С б сечении, .где начинается замерзание. ■

При выполнении этих, допущений система дифференциальных уравнений упрощается и монет быть -приведена к следующему еиду

s. = 1 -

d" d(d) •_■ (i-R'ina).HTUgl

__ f

1-R-lna. cl(NTUr ) tn(1--R-ïrzd)+R] -d"

d(P) = NIUri .Reri -Prr

d(HTUr4) S-Nuri

■kJ-'

где

Ir.~ Ip Ох'От'ф аг.'рг. - АР - '

■ ■ • " î^T.-' "V- V1.' • K' -

' 0.8,. и. = C.32, . Ir=. CprTr+ г-d,, 1л=СуГд+г(1\,)(1д, .КЩ.» NTU/ HTUrt> •- : .

. • Uu = 0,02) •Re0'e-Pr0'*3, . '•

-032 3 . <$

l'j= 0,0056 -s- 0,5-Re -- при ЗИ0 <Re <3-10 .

Численное исследование замерзания'канала круглого поперечного сечения в зависимости от расхода горячего потока и диаметра показало (рис.3), что для каналов с небольпими диаметрами («4 мм), характерными для ПРГ коэффициентами ореорония и числами Re^, уменьшение расхода через канал приводит к резкому росту сопротивления. Это значит, что при 10 ' •

тараллзльком включение таких каналов (слой каналов.ПР?) заьэрзгште Судет происходить до тех пор, пока температура стенки канала в выходном сечении не станет больпо или равной 0°С.. ' -—

Ка основании наблюдений замерзания канала П?Г была построена'модель замерзания квадратного канала для того, чтобы оценить влияние формы канала на характер его замерзания. Модель строится в дредполопэ-шш, что весь лед собирается в углах какалг. с радиусом гя. При этом, как предполагалось выяю, температура'поверхности льда и температура поперечного сечения канала Т „равны О'С. Результаты расчетов показывают,. что форма сечения каналов малого диаметра нё влияет на характер замерзания (рост сопротивления).

В четвертой главе рассмотрена трехмерная модель ПРТ при замерзании конденсата в канале с учётом продольной теплопроводности стапки;

Основные допущения модуля: режим работы - стационарный; температура распределен:! разномерно во входнзх сечениях теплообменника; схема двахенпя потоков по разные стороны стенки - перекрестный ток; зесь поток можно услоено разделить на 'достаточно большое число.отдельных труден току, котсрыэ при прохождении через теплообменник не пересекаются и н-з перемешиваются; геометрия -поверхности -тешгеойкзна остается одинаковой п постоянной для всего теплообменника; часть теплообменника, которая шлее т температуру стенки з выходном сечении низэ'б-'С, считается полностью замерзшей; теплообмен между- самхл теплообменником и.окружающей средой пренебрежимо мал. .

С учетом сделанных допущений основныз. дййзер'енцнальныё уравнения ■ задачи .затшутся в следухгем-виде.-

Уравнение сохранения енергпи дп.я горячего потока •

аг.пр,(ггTcJ + <W"(V" «Ч*]'^.- .

• _ ' Ют. у- • r Sr-g<dr,k) _ ■,. g- <К.ь ^ в _ •• ■

Б3 дх B¿' дх Б2 дх ' 3 " f . '

где Тг k - те-яторатура горячего потока К-го слоя,Тот k - температура етзшст (лростгшочных листов) X-I з слоя, аг пр - приведенный коэффициент теплоотдачи горячего.потока, dr k - влагосодёркание горячего потока К-го слоя, d,.T k - влагосодержание в пограничном- слое при. тзмпера-Typé ст9:жц К-го слоя, Вк - длила К-го слоя горячего потока- свободного для прохода, II, - количеств слоев горячего потока. . -'

Лризедршше коэффициенты тепло- и массоотдачи определяются по

<1

следуицим выражениям .

Гч I? 1 ^ 1 аг.пр

От.«р = «гИ" ürpj' ф^" . Оь.цр= 075С7"-

где Егр- эффективность ребра на стороне горячего потока.

. Уравнение сохранения анергии для холодного потока

' г w« ' от«

где Т^ С,5[!ГСТ^+ ,в,<1ф= ^^-(l-E^J ,1^,=

T„ (k.t|) температура стенки (K-1) и К-го проставочных

листов, L - длина К-го слоя холодного потока, i.x - количество холод. ных слоев.'

Уравне яие сохранения энергии для проставочного листа

+ + Чч^'« (V тл) - а,-2фхл[тл- Тх ср) +

"[ 8Щшхг1р) ттх1х,) J . р р

. где Тхср=' O.sjr^T,}.Тд^ - коэффициент тепло-

проводности листч.'Т, - температура листа в точке с координатами (г, • у), da - влагосодеркание при температуре ДР - удельная площадь сечени^ ребер на стороне голодного потока, £ - коэффициент влаговыпа-дения. -'-.'

При отсутствии теплообмена со стороны горячего потока, как это происходит в зоне лед - иней , а таете в зоне брусков, третий член уравнения выпадает и. уравнение: приобретает более простой вид.

Граничные условия для'теплообменника в целом записаны в следующем виде (для кавдого слоя) •;

Т^(0,у) = Тг> , Тх(х,0) = :<UO,i/) = d^',

-. ■ ' егст*. ' атег атот атсг

-7^(0,у) = -д^-а.у) = -щ- СГ.О) = -ду-(Х.В) = О,

где L.B - разыоры ПРТ. .

Проведенная сценка членов уравнения сохранения анергии, отвечающих за теплопроводность в двух взаимно •перпендикулярных' к правлениях Ох и Oy, показала, что для ПРТ, применяемых в системах охлаздения КУ, теплопроводностью в направлении-Ох можно лрёнебречь. больше у-' ■ 12 ■

щэется система уравне лий 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 5-6Ж при снижении модности вентилятора на 20% (рис.4).

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

На стенде "Аэродинамическая труба" замкнутого типа исследовался одноходовой перекрестноточный алюминиевый ПРТ типа газ -.газ производства опытного завод БНИИкомпрессормат г.Сумы.. Теплообменник состоял из 10 сло5ь по холодной стороне и 9 слобв по горячей, что позволило проверить в эксперименте наиболее сложную трехмерную модель' ПРТ. В ходе эксперимента решалась задача исследования.влияния начальных параметров охлаждаемого и охлаждающего воздуха на сопротивление и тепловой поток, отводимый в .еплообменном аппарате. Проведенное исследование показало, что относительное отклонение экспериментальных данных от их расчетных-значений для сопротивления ПРТ,..теплового потока и влагосодеркапия на выходе из теплообменника не. превышали соответственно 20, 15 и 10$,• что указывает на удовлетворительное.совпадение.

В шестой главе на основе использования 1-<1 диаграммы влажного воздуха и характеристик компрессорной установки разработггт регламент работы ПРТ при отрицательных температурах атмосферного воздуха.

На рис.5 изображена 1-й диаграмма, на которой нанесены линии, характеризующие состояния влажного воздуха при разных температурах, влз-госодержаняях и давлениях, а также,- учитывающие, парапеты -теплообмен-них аппаратов и ступеней компрессора. Эти кривые ограничивают некоторые зоны сочетаний параме роз воздуха, при которых возможны те ,::.л иные фазовые переходы в теплообмекных аппаратах.

Линии 0-0,1-1.2-2 - это линии состояний (Т,Л) насыщенного воздухг. (относительная влажность <р « 1)соответственно при атмосферном давленш: Рв, при давлении Р4. после первой ступени компрессора и при давлении Р после второй ступени компрессора.

Линии ЛК1 и Щ2 - это линии язчала конденсации при двелэниях Р1 и Р2 соответственно' и параметрах атмосферного воздуха.Т.е., если.точка, определяющая состояние атмосферного воздуха лежит ниже зтой линии (включая и саму линию), то в теплообменнике возмокна конденсация.

'Ливии Ди йг- это линии влагосодержания насыщенного воздуха пр;: давлении Р4и Рг соответственно и температуре 0*С.

Линии КД и К23х -.линии начала замерзания при давлении Р^ц Р. соответственно. Т.е., если точка,определяющая сосгояниа, воздуха легит на отой линии или ниже,'то в теплообменнике возможно образование льда.

Линия Чл - линия,- ограничивающая область наружного климата.

Линия Ж строится следующим.образом. Для каждого значения влагосодержания определяется температура, точки росы хг (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' охлаждавшего воздуха), определяется температура холодного воздуха Т^,' при которой для заданна характеристик воздухоохладителя начинается конденсация.

Линия влагосодераания ^(с^) делит зону, заключенную между кривит 0-0 и ЛК1 (0-0 к'ЛК2-), на две•'части. Правее этой линии в- теплообменнике возможна конденсация-в виде пленки жидкости, а левее происходит образование инея (Тр<0"о). .

Линия К434 (К232). определяет состояния воздуха, при которых начинается образование льда в теплообменника. Это происходит при температуре поверхности в выходном сечении теплообменника равной 0°С. Некоторое понижение температуры при движении от (•Ж4 к (•)31. связано с уяв лкчением тепла ,'ксндексации при роста вл&госодер&ания. • -

Линии К^ и К^ - это линии, построенные.без учета конденсации.

Такш образом, моано выделить зону К131К> (К2З.Кч) состояний воздуха, при которых в. воздухоохладителе возювно образование льда.

На основа проведенного .исследования' предложен следуксщй регламент работы ПРТ в области отрицательных температур атмосферного воздуха; .

!.' До' температуры (изотерма, проходящая через (•;:(1) охлак-. дапдего воздуха ПРГ работает без замерзания.-

2. При достижении твмеарагура Тн и до' температуры Т11 рас-:,4 14 "...

пленка комЗенсоша

лед .

инеи

1,

Рис.1. Зоны тепломассобмена.

1 - зсна "сухого" теплообмена; 2 - зона конденсации; 3 - зона льба с пленкой жибкости; А - зона инея.

\Р=дР/ЛР0,£ т

1

ГТч ] И^Зюо

■ — I . ДЖДГ* II II } ШI Т ТИ! ^ 11ГИ-1 I

дР

0,9

0,3

К

г

ДР

О

'Г5

\

99

Тг,

12 ■10

-11 .-12

1

■ 7

2.

\ 1

0 1 2 3 4 5 б т.час

Рис.2. Влияние замерзания на . раЗоту ПРТ КУ '2ВМ1.6—12/9. Рг =0.7НПа,6, =0.11кг/с.

0.

Рис.З. Влияние изменения расхоби на сопротивление канала. (1-0Т=20мм,^=25; •2-01=20км,^=11; 3-0 т-3.6км, • 9=2)/. .

и

G -G /G

X X ' xo

0.9

0,8

T Д

-7. -8

-9 . • -10 . -11

-12

Рис.4. Изменение расхода охлажйащего ббзйуха Зля предотвращения' замерзания ПРТ.

« .

- ■ \Kt,d2~ у,- ■•.„.• • . d

Рис.5. Опрейеление зон шеплонасесБмена Ö ПРТ КУ.