Исходные данные для теплового расчета воздухоохладителя

При конструктивном расчете поверхностного оребренного ВО должны быть заданы:

1. Тип ВО и способ охлаждения воздуха (кипящим хладагентом, водой или хладоносителем).

2. Конструкция ВО: вид трубного пучка, материал и диаметр труб, поперечный и продольный шаги труб в пучке, число рядов труб по ходу воздуха.

3. Характеристики оребрения: тип и форма ребер, материал, толщина _р и высота h_р, шаг ребер s_р.

4. Данные по воздуху: атмосферное давление р_в.в, параметры воздуха на входе в ВО (t₁, ₁ или t₁, h₁, или t₁, d₁) и на выходе из ВО (t₂, ₂ или t₂, h₂, или t₂, d₂), расход воздуха G_в. Если скорость воздуха w_в не задана, то ее задают в ходе расчетов (w_в = 35 м/с) с последующей проверкой балансов в конце расчетов.

5. Вид холодильного агента.

В случае использования в качестве хладоносителя воды или растворов CaCl₂ (или NaCl) должны быть заданы температура жидкости на входе и ее расход (или скорость).

Искомыми величинами являются: холодопроизводительность ВО – Q_о, температура кипения хладагента t_а и поверхность теплопередачи F_ор. Если в исходных данных для расчета ВО заданы параметры воздуха на входе (t₁, ₁) и его расход G_в, холодопроизводительность Q_о и количество отводимой от воздуха влаги М_w (кг/с), то искомыми величинами для расчета будут параметры воздуха на выходе (t₂, ₂, h₂, d₂), температура хладагента t_а и поверхность теплопередачи F_ор.

2. Пример расчета поверхностного воздухоохладителя Тепловой расчет воздухоохладителя (охлаждение воздуха с влаговыпадением)

Исходные данные

Воздухоохладитель системы кондиционирования воздуха (СКВ) с непосредственным кипением хладагента выполнен из медных труб диаметром 10×1 мм с наружным пластинчатым алюминиевым оребрением. Ребро гладкое, является сплошным для всего пучка труб и имеет толщину _р = 0,1 мм. Шаг ребер S_p = 2,5 мм. Расположение труб в пучке – шахматное с поперечным и продольным шагами труб S₁ = S₂ = 25 мм. Число рядов труб в пучке по ходу воздуха n = 4. Холодильный агент R22 кипит внутри труб четырех плоских змеевиков, соединенных параллельно.

Параметры воздуха:

– на входе в ВО – = 28 ºС, ₁ = 50 %;

– на выходе из ВО – = 18 ºС, ₂ = 70 %;

– расход воздуха V_в = 3000 м³/ч;

– давление воздуха р_в.в = 750 мм рт. ст. = 100 кПа.

Определить: холодопроизводительность воздухоохладителя Q₀, расход выпавшей влаги М_ж, поверхность теплопередачи воздухоохладителя F_ор и температуру кипения хладагента t_a. Рассчитать также промежуточные величины: коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха (_а) и хладагента (_в), коэффициент теплопередачи (K_ор).

Порядок расчета

I. Расчет геометрических характеристик оребренной поверхности теплообмена со стороны воздуха.

Задано:

– поперечный и продольный шаги шахматного пучка труб S₁ = S₂ = 25 мм;

– несущая медная труба диаметром d₀ = 10×1 мм;

– сплошные гладкие пластинчатые ребра из алюминия (_р = 218 Вт/(м∙К));

– толщина ребра _р = 0,1 мм;

– шаг ребер S_р = 2,5 мм;

– число рядов труб змеевиков в пучке по ходу движения воздуха n = 4. Рассчитываем эквивалентный диаметр канала d_экв для прохода воздуха:

d_экв ==мм. (1)

Характеристики пластинчатого ребра:

– геометрическая высота ребра h_p:

h_p = == 7,5 мм.

– длина сплошного пластинчатого ребра в пучке по ходу воздуха L_p:

L_p = n ∙ S₂ ∙ 0,866 = 4 ∙ 25 ∙ 0,866 = 86,6 мм;

– относительная длина ребра:

= = 20,9;

– коэффициент живого сечения Ж для прохода воздуха:

Ж = = = 0,576; (2)

– коэффициент оребрения :

 = ;

(3)

– степень оребрения :

 =;

(4)

II. Расчет параметров воздуха на входе и выходе ВО.

1. На входе в ВО.

Задано: = 28 ºС, ₁ = 50 % = 0,5, р_в.в = 100 кПа.

Рассчитываем:

– влагосодержание d₁:

d₁ = ,

где – парциальное давление водяного пара; – парциальное давление насыщенного водяного пара при (см. таблицу свойств влажного насыщенного воздуха [2] при р_в.в = 750 мм рт. ст. = 100 кПа),

d₁ = . (5)

– энтальпию влажного воздуха h₁:

; (6)

2. На выходе из ВО.

Задано: = 18 ºС, ₂ = 70 % = 0,7, р_в.в = 100 кПа.

Рассчитываем:

– влагосодержание d₂:

– энтальпию влажного воздуха h₂:

III. Расчет холодопроизводительности ВО и расхода выпавшей влаги:

– массовый расход воздуха:

G_в = ; (7)

– холодопроизводительность ВО:

. (8)

– расход выпавшей влаги:

М_ж = (9)

IV.  Расчет коэффициента влаговыпадения ζ и наклона («луча») линии процесса (1–2) ₀ в диаграмме (h–d):

– коэффициент влаговыпадения:

ζ = (10)

– наклон «луча» процесса 1–2–П:

₀ = (11)

V. Расчет параметров воздуха у наружной поверхности ВО в точке П (рисунок).

t, С

d, г/кг

h = 0 кДж/кг

Построение «луча» процесса в диаграмме h-d

V.1. С помощью диаграммы (h-d) для влажного воздуха при р_в.в = 100 кПа по данным для точки 1 ( и ₁) и точки 2 ( и ₂) строим линию (луч) процесса охлаждения воздуха в ВО. Продолжив линию 1–2 до пересечения с линией  = 1, получаем точку П, которая характеризует состояние влажного воздуха около оребренной поверхности ВО. Находим из диаграммы (h-d) в точке П первичные (приближенные) значения t_П, и :

t_П = 4 ºC, = 17 , = .

Заметим, что если луч процесса, проведенный через точки 1 и 2, не пересекает линию  = 100 %, то это означает, что такой процесс охлаждения воздуха с помощью поверхностного ВО осуществить нельзя и, следовательно, надо корректировать в данных для расчета параметры воздуха и ₂.

V.2. Уточнение параметров влажного воздуха около оребренной поверхности ВО в точке П расчетом с использованием табличных данных .

При расчете величины коэффициента влаговыпадения  использовалась формула:

.

Однако для расчета  могут быть использованы также параметры точек 1 и П:

. (12)

С другой стороны, имея табличные данные для влажного насыщенного воздуха , можно построить уравнение вида для диапазона температур вблизи приближенно найденной точки П. Такое уравнение для интервала температур от 0 до 10 С (с точностью 2 %) имеет вид:

. (13)

Для других интервалов температур уравнение вида h = f(t) для участков влажного насыщенного воздуха можно найти в прил. 3.

Решая совместно уравнения (12) и (13) относительно t_П, имеем:

; (14)

.

VI. Определение среднего температурного напора между воздухом и охлаждающей наружной оребренной поверхностью ВО:

. (15)

VII. Расчет коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха _в к наружной оребренной поверхности ВО.

Расчет коэффициента теплоотдачи _в в зависимости от значений и можно вести или по уравнению А.А. Гоголина [3], или по уравнению В.С. Ивановой [4] (прил. 1).

Воспользуемся уравнением В.С. Ивановой:

, (16)

где k = ;

; .

Уравнение (16) справедливо для условий:

= 1065; Re = 150015000.

Так как в условии задачи скорость воздуха в пучке труб ВО не задана, выберем величину w_в = 4,5 м/с, учитывая, что обычно она имеет значения 35 м/c.

Свойства воздуха v_в и _в найдем из табл. 81 (с. 236) справочника [2] для

;

; .

Величина k для будет равна:

k = 0,356 + 0,0098  20,9 = 0,561;

.

Величину _в рассчитываем из уравнения (16):

.

VIII. Расчет коэффициентов эффективности пластинчатого ребра Е_р и оребренной поверхности Е_н:

, (17)

где m – характеристика ребра,

. (18)

Здесь _в – конвективный коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, ;  – коэффициент влаговыпадения,  = 1,687; _р – теплопроводность материала ребра, ; _р – толщина ребра, _р = 0,1 мм.

;

, (19)

где – условная высота ребра для шахматного пучка труб;

;

.

Для коридорного пучка величина  рассчитывается по формуле:

;

;

.

Эффективность ребра

= .

Эффективность оребренной поверхности

, (20)

где с_конт – коэффициент, учитывающий тепловое сопротивление контакта алюминиевого ребра и медной трубы, с_конт = 0,75 [5, с. 69];  – степень оребрения,  = 15,5,

.

IX. Расчет поверхности теплопередачи ВО.

Уравнение теплоотдачи между воздухом и наружной оребренной поверхностью с учетом влаговыпадения:

; (21)

м².

Внутренняя поверхность труб ВО:

м².

Наружная оребренная поверхность одного змеевика ВО:

м²,

где n – число рядов труб по ходу воздуха (число змеевиков).

Внутренняя поверхность одного змеевика:

м².

Длина одного змеевика:

м.

Проходное сечение для воздуха:

f_в = L_зм  S₁  Ж, (22)

где S₁ – поперечный шаг труб пучка, S₁ = 0,025 м; Ж – коэффициент живого сечения для прохода воздуха, Ж = 0,576;

f_в = 10,8  0,025  0,576 = 0,156 м².

Одновременно величину f_в можно найти, зная расход воздуха G_в и скорость воздуха w_в:

м². (23)

Различие величин f_в, найденное по формулам (22) и (23), не превышает 15,7 %, что допустимо. Если различие в величине f_в, рассчитанное по формулам (22) и (23), более существенно (25 % и более), то в этом случае для сближения расчетных величин, найденных по формулам (22) и (23), необходимо изменять принятое значение скорости воздуха w_в или число рядов труб n по ходу воздуха.

X. Расчет коэффициента теплоотдачи _а со стороны хладагента R22, кипящего внутри змеевиков ВО.

Расчет _а при кипении хладона R22 можно вести по уравне-ниям С.Н. Богданова или Бо Пьере [6]. Воспользуемся уравнением Бо Пьере:

, (24)

где ; ; , здесь .

Примем .

Для значение (прил. 2).

Величина .

Величину находим из уравнения

. (25)

Значения выбираем из таблицы теплофизических свойств R22 [2]. При (табл. 50, с. 213).

Величину суммарного поперечного сечения труб для прохождения R22 находим, учитывая, что R22 движется одновременно в четырех змеевиках ВО:

;

.

Величина :

XI. Расчет температуры кипения для R22.

Уравнение теплопередачи между воздухом и R22:

. (26)

Коэффициент теплопередачи

; (27)

;

.

Среднелогарифмический температурный напор между воздухом и R22:

; (28)

– средняя температура воздуха в ВО:

;

– температура кипения R22:

.