разное

Оптимизация коэффициента теплопередачи

Если предположить, что величина температурного напора вт известна (оптимальная), то проанализируем влияние изменения величины коэффициента теплопередачи кр на показатели работы теплообменного аппарата

К -_____________ L___________________________ (9 4)

Рассмотрим основные тенлообменные аппараты, поскольку именно они в большей степени определяют экономичность и металлоемкость всей холодильной машины (теплового насоса).

Примем, что а} - коэффициент теплоотдачи от тепло - или хладоносителя к стенке теплообменной поверхности.

При движении потока по трубам и каналам без фазовых превращений веществ, коэффициент теплоотдачи является функцией а} - f(Re, Pr), где Re = f(w).

Критерий Re определяется скоростью потока, при этом теплофизические свойства вещества обычно принимают постоян­ными, т. е. не зависящими от скорости. Таким образом увеличить at можно путем увеличения скорости потока w. Следствием увеличением скорости становятся увеличенные гидравлические (аэродинамические)

W2

Потери Лр-^'р-------------- , и, следовательно, мощность насоса или

Вентилятора Nro=J{wA).

Увеличение скорости имеет также и положительные результаты, например, способствует:

• замедлению роста загрязнения на теплообменной поверхнос­ти и, тем самым, увеличению межремонтных сроков;

• улучшению условий проведения процесса теплопередачи, путем увеличения величины коэффициента теплопередачи, и, тем самым, снижению капитальных затрат холодильной машины.

Противоречивое влияние величины ОС} на характеристики отдельного теплообмениого аппарата и машины в целом создает условия, при которых существуют оптимальные скорости движения wopt тепло - и хладоносителей в аппарате (таблица 9.2).

Рассмотрим величину коэффициента теплоотдачи а2 от рабочего вещества к стенке теплообменной поверхности аппарата при конденсации или кипении.

При конденсации величину а2 определяют по формуле Нуссельта, которая в общем виде может быть записана как

А2=А(Тк-ТстУ25. (9.5)

Где А - комплекс, включающий теплофизические свойства вещества; Тст ~ расчетная температура стенки поверхности теплообмена.

Для увеличения значения а2 при сохранении TK-const необходимо понизить температуру стенки. Это можно осуществить

Таблица 9.2

Тип аппарата

W, м/с

Конденсатор водяной кожухотрубный:

• трубы стальные (черные)

0,7-1,5

• трубы из легированных сталей

1,5-2,5

• трубы из титановых сплавов

2,5-5,0

Конденсатор водяной пластинчатый

0,05-1,0

Конденсатор воздушный:

5-10

• для крупных и средних холодильных машин

• для малых машин

До 2,0

Испаритель рассольный кожухотрубный

0,5-1,0

Испаритель кожухотрубный

0,3-0,8

(кипение внутри труб)

Испаритель пластинчатый

0,05-1

Воздухоохладитель {испаритель):

3,0-6,0

• средне - и высокотемпературных машин

• низкотемпературных машин

До 4,0

Путем увеличения скорости движения теплоносителя через кон­денсатор, однако величина w уже считается выбранной ранее и не подлежит коррекции (таблица 4.2). Таким образом радикально повлиять на изменение величины сх2 невозможно. Из анализа ур.(9.5) видно, что величина а2 в большой мере зависит от теплофизических свойств конденсирующегося рабочего вещества.

Соотношение величин a, i и а2 в конденсаторах определяет выбор типа теплообменной поверхности:

• а] ~ а2 - характерно для аммиачных водяных конденсаторов. В качестве теплопередающей поверхности используют гладкие трубы;

• aj > а2 - характерно для водяных конденсаторов с рабочими веществами HFC - HCFC-типа. В качестве теплопередающей поверх­ности используют трубы с накатными ребрами, обращенными к потоку рабочего вещества;

• а} « СС2 - характерно для воздушных конденсаторов незави­симо от рабочего вещества. Используют интенсивно оребренную трубу со стороны воздуха.

При кипении рабочего вещества выражение для определения величины а2 в общем виде записывается как

Л

«2=5(ГСИ-Г0р, (9.6)

Где В - комплекс из теплофизических величин рабочего вещества; Тст - температура стенки теплообменной поверхности испарителя; п - показатель степени, зависящий от свойств рабочего вещества.

Для увеличения а2 при сохранении T0-const следует повысить Тст. Это осуществляется исключительно путем уменьшения скорости потока хладоносителя, что невозможно по тем же причинам, что и для процесса конденсации, поэтому а2 будет определяться теплофизи - ческими свойствами рабочего вещества.

Геометрию поверхности теплообмена испарителей подбирают аналогично конденсаторам:

• ОС] ~ а2 - гладкие трубы для аммиачного рассольного испари-

Геля;

• GCj > а2- испаритель с внутритрубным кипением для рабочих веществ HFC - и HCFC-типа (труба внутри оребрена);

• аі « 0С2 - воздухоохладители, батареи, оребренные со сторо­ны воздуха. Шаг межу ребрами для теплообменных аппаратов с оребренной теплообменной поверхностью принимают большими, чем в конденсаторе из-за осаждения инея.

Второе слагаемое в знаменателе ур.(9.4) представляет терми­ческое сопротивление теплопередаче через стенку с учетом отложений (загрязнений) с обоих сторон - USj/Xj. Загрязнения бывают:

• для конденсаторов - водяной камень, пыль, краска, масло, ржавчина;

• для испарителей - масло, иней, ржавчина.

Расчетную величину допустимой толщины слоя отложений Si и его свойства Л,- определяют на основании сопоставлений теорети­ческих расчетов коэффициента теплопередачи kF с действительными значениями, полученными в процессе испытаний теплообменного аппарата.

Насколько значительным оказывается влияние отложений - показывают эксперименты (рис. 9.13). Известно, что действительные значения коэффициентов теплопередачи к могут быть в 2-2,5 раза меньше теоретических, поэтому учет загрязнений является важным в расчетах теплообменных аппаратов.

Внутренние отложения возникают в любых теплообменных аппаратах в виде:

• твердых отложений - мелких механических частиц, неизбежно присутствующих на внутренних поверхностях трубопроводов (окали­на, шероховатость трубы и т. д.);

• жидких отложений - слоя масла, унесенного рабочим вещест­вом из компрессора.

Твердые осаждения не имеют источника пополнения после герметизации холодильной машины, поэтому характеристики твер­дого осаждения не изменяются со временем. С точки зрения теории капельной конденсации и кипения из пористого слоя (шероховатость теплопередающей поверхности) этот вид отложений оказывает положительное влияние на теплообмен за счет некоторого повышения величины а2 в ур.(9.4).

Анализ циркуляции масла с рабочим веществом (глава 6) на основании опыта эксплуатации позволяет сделать вывод о том, что расчет влияния твердых и жидких отложений должен быть выполнен совместно. Влияние масла необходимо рассматривать с точки зрения степени растворимости масла в рабочем веществе. Возможны три случая:

• для полностью растворимого масла слой жидкого отложения на теплообменной поверхности со стороны рабочего вещества можно считать постоянным. Масло распределяется в структуре внутренних отложений и величина а2 в ур.(9.4) может быть определена в виде уравнения Буссинекса как

A2=a2(0)[l + b{Tcm-Tcm<0)), (9.7)

Оптимизация коэффициента теплопередачи

Рис.9.13. Отложения на теплообменной поверхности (фото): а) иней на ребристой поверхности батареи с непосредственным кипением

Рабочего вещества (через 12-15 дней работы); б) водяной камень на внутренней теплообменной поверхности водяного конденсатора (через 2 года работы)

Где (0) - соответствует режиму без осаждения; b - коэффициент, полученный экспериментально;

• для умеренно растворимого масла слой твердого осаждения оказывается меньше слоя жидкого отложения, поэтому корректным будет использовать «эквивалентное» значение а2

8та ^^

8те, ft

Лтв Л

• для нерастворимого масла слой твердого осаждения оказы­вается значительно меньше слоя жидкого отложения. Масло, уноси­мое из компрессора, осаждается на всех тепло - массообменных по­верхностях. Известны случаи образования «масляных пробок» в испарителе, которые препятствуют прохождению рабочего вещества. В подобных случаях твердые и жидкие отложения следует учитывать как дополнительные слои, т. е.

Оптимизация коэффициента теплопередачи

Внешние отложения представляют собой иней на поверхности воздухоохладителей или водяной камень на поверхности проточных (водяных) конденсаторов (рис.9.13).

При использовании специфических конструкций концевых теплообменников для холодильного оборудования в пищевой про­мышленности отложениями также могут быть жиры (при охлаждении молока), твердые частицы основного технологического процесса (сахар, масло, красители при производстве мороженого). Подобные ситуации необходимо рассматривать аналогично представленным ранее и использовать одно из ур. (9.7)-(9.9).

Остановимся на наиболее распространенном случае - выпадении инея (для воздушного испарителя) и водяного камня (для вданого конденсатора).

Теория образования инея на поверхности воздушных приборов охлаждения формировалась длительное время многими специалиста­ми, причем работы шли независимо. В бывшем СССР эти работы начались на кафедре холодильных установок ОТИПХП (ныне -

ОГАХ) в 1950-ые годы под руководством С. Г.Чуклина и продол­жаются поныне под руководством И. Г.Чумака и в. П.Чепурненко. Аналогичные исследования в 1970-ые годы проводились Х. Аурахаром в Штутгартском Университете (Германия).

Процесс теплоотдачи от воздуха (влажного воздуха) ослож­нен масообменом[31]. Полный тепловой поток определяется как сумма

Q = Q сух ' £вл 1 Zuri-! (9.10)

Где Qcyx - «сухой» тепловой поток (только через конвекцию); Q<u - тепловой поток, обусловленный массопереносом влаги от влажного воздуха к охлаждающей поверхности; Qmjl - тепловой поток излучением.

На основании большого числа экспериментальных данных в ОГАХ получена зависимость Q=ЈQcyx, где коэффициент выпадения влаги. Для процесса образования инея % = 1,06 ... 1,26, что с различной точность эмпирически описывали многие авторы.

Для общей модели теплообмениого аппарата с учетом выпадения инея величина а2 записывается в виде

= 1 s------------- ■ (9.11)

^ иней

^инеи

Динамику образования инея традиционно изучают прямым визуальным наблюдением, что позволяет оценить по времени эффективность любого оребрения. Традиционно период испытаний разбит на 5 режимов: режим без инея; испытание элемента при минимальной толщине инея; испытание при нарастании инея; момент срастания инея в пространстве между ребрами; квазистационарное состояние при максимальной толщине инея. Исследование последнего режима необходимо для определения времени проведения оттайки. В общем случае различают следующие временные зоны формирования инея: «сыпучий» иней, легко уносимый потоком воздуха; плотный иней; капельной конденсации влаги из воздуха; сухой теплообмен.

Каждая зона характеризуется собственными значениями АиНей и Риней, с точностью і 20% можно использовать зависимости:

• при 200 кг/м3 < ршей < 300 кг/м3 Лте* = 1,2676-103 риней - 0,0887

• при 300 кг/м3 < ршей < 500 кг/м3

Линей = 2,6999-10"6 ршей - 1,1465-10'3 риней + 0,3605.

Следует помнить, что на плотность инея оказывает влияние влажность воздуха и скорость его движения, поэтому вышеприве­денные эмпирические зависимости могут не соблюдаться.

Для каждого элемента теплообменной поверхности (труба, ребро, контакт трубы с ребром) необходимо вести отсчет местного «возраста инея», который начинается с того момента, когда темпе­ратура поверхности опускается ниже 0°С. Предыстория развития слоя инея определяет его толщину, плотность, тепло - и паропроводность, структуру, микро - и макрорельеф, степень оребрения поверхности кристаллами льда.

Процесс осаждения водяного камня является длительным, кроме того, визуальное наблюдение за формированием слоя водяного камня на внутренней теплообменной поверхности осуществить очень сложно. В большинстве случаев для расчетов используют средне­статистические данные по отложению водяного камня. Работы, прово­димые на кафедре холодильных машин ОГАХ доказали несостоя­тельность такого подхода. Для анализа процесса выпадения водяного камня используется один из методов прикладной термодинамики - теория минимизации производства энтропии. В настоящее время эти исследования находятся в стадии развития.

разное

Качественная автономная канализация для загородного дома от грамотных специалистов фирмы «Дом Экологии»

Квалифицированные инженеры, работающие в компании «Дом Экологии», советуют владельцам частных домов либо коттеджей заказать услугу по установке автономной канализации, которая требует минимального обслуживания. Уже многие клиенты, посетившие раздел http://www.osk-ekoline.com.ua/avtonomnaja-kanalizacija-polijetilen.html, смогли …

Преимущества зеркальных шкафов в интерьере

Не секрет, что шкаф-купе — мебель довольно габаритная, так как его объемы должны предусматривать размещение множества вещей. Однако зачастую это отрицательно сказывается на визуальном восприятии небольшого помещения.

Дизайнерские радиаторы из чугуна от radimaxua.com

Интернет-магазин radimaxua.com предлагает широкий ассортимент дизайнерских радиаторов из чугуна, выпускаемых под брендом RETROstyle. Изготовлением декоративных радиаторов занимаются европейские заводы.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.