В диаграмме h - d строим процесс изменения состояния воздуха в воздухоохладителе в следующей последовательности 1п2 (см. Рис. 1).

Рис.2 Процесс изменения состояния воздуха в воздухоохладителе.

1 – состояние воздуха на входе в воздухоохладитель при t_К и _К;

3 – состояние насыщенного воздуха в пограничном слое у поверхности

инея воздухоохладителя при t_П и  = 1,0;

2 – состояние воздуха на выходе из воздухоохладителя t₂ = t_ВЫХ.В = t_К - t_В.

Для этого задаемся средней температурной поверхности воздухоохладителя (инея) t_П из условия, что t₀ t_П  t_К, используя приблизительное соотношение t_П = t_К – 0,1…0,8)θ.

Принимаем, в первом приближении, значение температуры поверхности инея

t_П = -18,7ºC.

По d- h- диаграмме, с помощью таблиц /1/ и расчетных зависимостей приведенных ниже, определяем параметры воздуха: (t, d, h)_i. и найденные значения в точках процесса изменения состояния воздуха в воздухоохладителе заносим в таблицу.

№ точки	t, ºC	d103, кг/кг	h, кДж/кг	, %
1	-15	0,925	-12,5	90
2	-17	0,825	-14,8	97
3(п)	-18,7	0,74	-16,8	100

Основываясь на принципе подобия треугольников (см. рис. 1) можно записать

(d₁ – d_П'')/(t₁-t_П) = (d₁ - d₂) / (t₁-t₂), отсюда неизвестное значение влагосодержания

d₂ = d₁ – [(t₁ - t₂) · (d₁ – d_П'') / (t₁ – t_П)] =

0,925·10^-3 – [(-15 +17) · ( 0,925 – 0,74) ·10^-3 / (-15 +18,7)] =0,825·10^-3 кг/кг.

Относительная влажность воздуха, на выходе из аппарата

₂ = d₂/d₂''= (0,825·10^-3 /0,853) ·10^-3 = 0,97.

где d_П'' и d₂''- соответственно, влагосодержание насыщенного воздуха при t_П и t_2.

Полученное значение относительной влажности воздуха ₂ =97% заносим в таблицу 1.

Энтальпию воздуха (кДж/кг), в точках процесса 1,2 и 3, при отрицательных значениях температуры поверхности аппарата (инея) находим по зависимостям

h₂ = 1,0078· t₂ + (2835 + 2,09 t₂ )d₂ =

1,0078· (-17) + [(2835 + 2,09· (-17)] ·0,82510^-3 = -14,8 кДж/кг.

h₃ = 1,0078· t₃ + (2835 + 2,09 t₃ )d₃ =

1,0078· (-18,7) + [(2835 + 2,09· (-18,7)] ·0,74·10^-3 = -16,8 кДж/кг

h₁ = 1,0078· t₁ + (2835 + 2,09 t₁)d₁ =

1,0078· (-15) + [(2835 + 2,09· (-15)] ·0,925·10^-3 = -12,5 кДж/кг

Переходим к расчету геометрических характеристик теплопередающего элемента.

Геометрические характеристики поверхности ребристого элемента свободного от инея.

Наружная поверхность ребра

F_Р = 0,5·· (D² – d_Н²)+ ·D·_ВР=

1,57· (0,076² – 0,028²) +3,14·0,076·0,0008 = 8,03·10^-3 м².

Наружная поверхность трубы между двумя смежными ребрами

F_Т = d_Н (u-_ОР) = 3,14·0,028 (0,012-0,0012) = 9,5·10^-4 м²

Внутренняя поверхность трубы ребристого элемента для всех типов поверхностей

F_В = d_В  u = 3,14·0,02·0,012= 7,5·10^-4 м².

Полная наружная поверхность ребристого элемента

F_Н = F_Р + F_Т= (80,3 + 9,5)·10^-4 = 8,98·10^-3 м².

Коэффициент β и степень φ оребрения теплообменной поверхности

β =F_Н /F_В = 8,9810^-3 /7,5·10^-4 = 12; φ = F_Н /(d_Н u) = 8,98·10^-3/(3,14·0,028·0,012) = 8,5.

Условная степень оребрения теплообменной поверхности

β_И = F_Н / F_Т = 8,98·10^-3 /9,5·10^-4 = 9,45.

Геометрические характеристики поверхности инея, осевшего на ребристом элементе при принятой толщине слоя _И = 0,003 м.

Наружная поверхность инея на ребре

F_РИ= 0,5[(D +2_И)² – (d_Н+ 2_И )²] +  (D+2_И)(_ВР+2_И)=

= 1,57[(0,076 +0,006)² – (0,028+0,006)²] + 3,14(0,076+0,006)(0,0008+0,006)= 1,05·10^-2 м²;

Наружная поверхность инея на трубе между двумя смежными ребрами

F_ТИ = (d_Н+2_И) · [u - (_ОР+2_.И)] =

3,14(0,028+0,006) · [0,012 - (0,0012+0,006)] = 5,1·10^-4 м²

Полная наружная поверхность инея на ребристом элементе,

F_НИ = F_РИ + F_ТИ= 0,0105 + 0,00051 = 1,1·10^-2 м².

Коэффициент β^И оребрения поверхности покрытой инеем

β^И = F_НИ / F_В = 1,1·10^-2 / 7,5·10^-4 = 14,7 м².

Минимальное “живое” сечение одного ребристого элемента покрытого слоем инея, принятой толщины

f_Ж = u (s₁ – d_Н – 2_И) – 2h (_СРР + 2_И) =

0,012(0,085 – 0,028 – 0,006) – 0,046(0,001 + 0,006) = 2,9·10^-4 м².

Задаемся скоростью воздуха в живом сечении воздухоохладителя _В= 4 м/с.

Определяем режим движения воздуха Re=(_В·d_Н)/ν_В =(4·0,028)/ 12,1·10^-6 = 9256.

Число Нуссельта для труб, изготовленных методом литья под давлением.

Nu = (1-n)Cz Cs^m φ ^-0,5 Reⁿ = (1-0,7) ·0,95·1 ·8,5^-0,5·9256 ^0,7 = 58,4

где Cs=(S₁- d_Н)/(S₂- d_Н) = (0,085 - 0,028)/( 0,085 -0,028)= 1 - коэффициент формы пучка; Cz =0,95 - коэффициент учитывающий количество рядов труб в пучке вдоль потока воздуха;

n= 0,61 φ ^0,08 = 0,61·8,5 ^0,08 = 0,7; m= S₂+ φ ^{- 0,48} = 0,085 +8,5 ^{- 0,48}= 0,03.

Конвективный коэффициент теплоотдачи на стороне воздуха

α_к= Nu_В /d_Н = 58,4·0,0247 / 0,028= 51,5 Вт/(м²К)

где d_Н - определяющий размер, м;

Коэффициент влаговыпадения

ξ = 1+ ( d_К''·_К – d_П'')·(r- h_П) / [с_В'(t _К – t_П)]=

1+ ( 1,028·10^-3·0,9 –0,74·10^-3)· (2835+39,1) / [1,009(-15+18,7)] =1,14;

где r = 2835 кДж/кг – удельная теплота фазового перехода при t_П  0°С;

d_П'' = 0,74·10^-3 кг/кг - влагосодержание воздуха в пограничном слое у поверхности инея при t_П = -18,7°С и  = 1,0; h_П = 2,09· t_И = 2,09·(-18,7) = -39,1 кДж/кг – энтальпия инея;

с_В' = 1,009+1,87·d_m = 1,0078 +1,87·0,875·10^-3 = 1,009 кДж/(кгК) – удельная теплоемкость влажного воздуха; d_m = 0,5(d_К+d₂) =0,5(0,925+0,825)10^-3 = 0,875·10^-3 кг/кг - влагосодержание воздуха при средней температуре.

Приведенный коэффициент теплоотдачи от воздуха к наружной поверхности теплопередающего элемента с учетом термического сопротивления слоя инея

α_ПР = [1/(α_К·ξ)+δ_И/λ_И]^{- 1} = [1/(51,5·1,14)+0,003/0,2]^-1= 31,2Вт/(м²К)

где λ_И= 0,2 Вт/(м·К)- коэффициент теплопроводности инея.