Воздухоохладитель Советский патент 1992 года по МПК F25B39/02 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано для охъаждШия вгоздуха в системах кондицио- Мрованйя воздуха, охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов.

Известен воздухоохладитель, содержащий Tcoltyx, размещённые в немҐентйлятор и теплообменные секции, установленные с зазоров относительно кожуха и друг друга, 1л заслонки, прикрепленные к кожуху.

Недостатком известного устройства яв- ляется сложность конструкции заслонки и системы управления заслонками. Усложнение системы воздухоснабжения и действие заслонок ведет к росту аэродинамических сопротивлений воздушного тракта. Наличие кинематически изменяемых элементов воздушного тракта снижает надежность работы воздухоохладителя.

Наиболее близким к предлагаемому яв- ляется воздухоохладитель, содержащий вентиляторы и теплообменные секции с трубчато-пластинчатыми поверхностями и рассечением пластинчатого ребра по ходу воздуха на короткие участки с периодиче- ским нарушением нарастающего пограничного слоя.

Недостатком известного воздухоохладителя является низкая холодопроизводи- тельность за счет снижения теплового напора по мере продвижения охлаждаемого воздуха от первого ряда труб к последнему. При этом уменьшается коэффициент теплоотдачи воздухоохладителя со стороны воздуха в последних рядах труб. Кроме того, первые ряды труб по ходу воздуха забиваются инеем после 10-12 ч работы и требуется остановка системы и проведение процесса размораживания поверхности (от- тайка).

Цель изобретения - увеличение наружного коэффициента теплоотдачи при равномерном инеераспределении по теп- лообменным поверхностям без резкого увеличения сложности конструкции. При этом увеличивается холодопроизводительность воздухоохладителя и время работы аппарата до оттайки.

Поставленная цель достигается тем, что между пластинами оребрения продольно к ним во фронтальных плоскостях по отношению к потоку воздуха, продуваемого венти- лятором через воздухоохладитель, устанавливаются струнные элементы. Эле- укрепляются на кожухе воздухоохла- дителя своими концами. Число струнных элементов возрастает по ходу воздуха от ряда к ряду и достигает максимума на последних рядах сребренных труб. Струна может быть выполнена а виде проволоки.

которая соединена с источником механических колебаний, например электромеханическим вибратором. Проволока может быть выполнена электропроводной, концы ее изолированы от корпуса и к ним подключен источник тока. Струна может быть выполнена также в виде плоской ленты, один конец которой укрепляется на кожухе, а к другому присоединяется источник крутильных колебаний.

На фиг.1 изображена часть воздухоохладителя, расстановка и подключение эле- ментов-турбулизаторов к источнику тока; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.З - использование плоских турбулизаторов с источником крутильных колебаний; на фиг.4 - схема течения воздушного потока в месте постановки турбулизаторов.

Воздухоохладитель содержит кожух 1, вентилятор 2, конфузор 3, трубы 4 и гладкие плоские ребра 5. Трубы 4 и плоские ребра 5 образуют трубчато-ребристую поверхность. К кожуху 1 присоединены струнные турбулизаторы 6 с помощью устройств 7 крепления.

Воздухоохладитель работает следующим образом.

Холодильный агент движется по змеевикам, образуемым трубами 4, покрытыми плоскими ребрами 5. Вентилятор 2 создает поток воздуха, который обтекает трубчато- ребристые поверхности. Конфузрр 3 направляет воздух на поверхность из элементов 4 и 5. Струны 6 укреплены в кожухе 1 посредством устройств 7 крепления.

Элементы б приводят к образованию вихрей и разрушению ламинарного течения воздуха в аэродинамическом следе. Верхние ряды труб имеют большее число элементов 6, что ведет к увеличению турбулизации потока по ходу воздуха. Коэффициенты наружной теплоотдачи для трубчато-пластин- чатого оребрения при ламинарном и турбулентном характере потока воздуха пропорциональны шагу ребер Sp и определяются следующими зависимостями: ламинарное течение

0„ 5р-аб7 турбулентное течение

а Sp-° 2, где Sp - шаг оребрения.

Следовательно, турбулизация, возрастающая по ходу воздуха, приводит к повышению коэффициента теплоотдачи от рядов трубок вниз по потоку воздуха. Это повышение компенсирует снижение холодопроиз- водительности рядов, удаленных от первой фронтальной поверхности воздухоохладителя, возникающего за счет уменьшения теплового напора.

Снижение холодопроизводительности рядов по ходу воздуха вызывается падением температурного напора от ряда к ряду, обусловленным охлаждением воздушного потока в предыдущих рядах воздухоохладителя.

Холодопроизводительность трубки 4 z- го ряда равна

QOZ kzF2 ®t,

где кг - коэффициент теплопередачи z-ro ряда воздухоохладителя, отнесенный к внутренней поверхности, Вт/(м К);

FZ - площадь оребрения трубы z-ro ряда;

CL tzi - tZ2

In

tzi - to

- среднелогэрифмиtz2 - to

ческий температурный напор в z-м ряду;

tzi - температура на входе в z-й ряд, °С;

tz2 - температура на выходе из z-ro ряда, °С:

to - температура холодильного агента, °С.

Коэффициент теплопередачи пропорционален «пр - коэффициенту (приведенному) теплоотдачи, Вт/(м К), kz - f( Опр), где «пр в свою очередь, пропорционален аг коэффициенту теплоотдачи z-ro ряда, Вт/(м2 ЮОтсюда следует, что существует следующая цепочка равенств.

kz f (Опр); «np f(«z);

аг f(Nuz),

где Nuz - число Нуссельта для трубы 4 в Z-OM ряду.

Здесь

NuzAe

и Nuz CRezr

где Дв - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м К);

dH - наружный диаметр трубы, м;

С- постоянная;

п - показатель степени;

W Sn Rez -гг - число Рейнольдса;

VB

Sp - шаг ребер, м;

VB - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м/с.

Таким образом, существует зависимость kz f (Rez).

У сребренных труб с длинными трубами характер обтекания определяется течением по межреберным каналам. Показатель степени п при числе Rez в уравнении Nuz ° CRezn падает с уменьшением числа рядов в воздухоохладителе как для шахматных, так и для коридорных пучков сребренных

труб. Рост числа рядов в этом случае увеличивает число Нуссельта и, следовательно, коэффициент теплоотдачи для пучков с числом рядов z 4. Если Cz - отношение средней теплоотдачи сребренных пучков с любым количеством рядов к средней теплоотдаче многорядного пучка (z 4). то при z 4 величина Cz становится и остается равной Cz 1. Это означает, что локальное

число Nuz и коэффициент теплоотдачи az при z S 1 для рядов труб остаются постоянными от ряда к ряду.

В существующих воздухоохладителях компенсацию падения холодопроизводительности труб Q0z от ряда к ряду по ходу воздуха при уменьшении температурного напора производят за счет увеличения площади оребрения F0p. Это ведет к уменьшению шага ребер Sp. Однако рост числа

пластин оребрения ограничен предельным значением шага ребер Sp мин 68 мм.

Дальнейшее уменьшение шага ребер Sp увеличивает аэродинамическое сопротивление воздухоохладителя и, в условиях инееобразования, уменьшает время работы воздухоохладителя до полного перекрытия пространства между пластинами слоем нарастающего инея.

Это сокращает период работы устройства между оттай ками.

Поэтому при достижении Sp мин для данного воздухоохладителя устанавливается предел повышения холодопроизводительности рядов ребер.

Это приводит к неравномерной тепловой нагрузке труб в рядах по ходу воздуха. Например, при числе рядов труб более десяти тепловая нагрузка труб верхнего ряда падает почти на порядок по сравнению с

первым по ходу воздуха.

Использование турбулизаторов воздуха в виде разрезных и гофрированных ребер позволяет увеличить коэффициенты теплопередачи последних по ходу воздуха ребер

в соответствии с зависимостью kz f (R.ez). В этом случае за счеттурбулизации потока на ребре число Рейнольдса возрастает, увеличиваются число Нуссельта Nuz. коэффициенты GZ , #пр. kz и, наконец, возрастает Qoz.

Расчет показывает, что локальный коэффициент теплоотдачи в турбулентном слое на пластине вдвое превышает коэффициент теплоотдачи при ламинарном режиме.

Однако рассечение ребер приводит в

условиях инееобразования к быстрому образованию инея в зонах аэродинамической тени за выступами ребер, что сокращает период между оттайками воздухоохладителя. Предлагаемое устройство, имеющее гладкие ребра и отделенные от них турбулизато- ры, свободно or этого недостатка.

Частота установки турбулизаторов пт должна возрастать обратно-пропорционально относительной холодопроизводи- тельности ротн Qoz/Qoi очередного ряда по ходу воздуха, т.е.

пт 1/ротн.,

где QOI - теплоотдача трубы в первом ряду по ходу воздуха, Вт;

QO/ - теплоотдача в z-ом ряду. Вт.

Если 0, - суммарный температурный напор, приложенный к воздухоохладителям, то при линейном законе температурного напора 0oz, f (z) от ряда к ряду по ходу воздуха,

Найдем 0oz, 0z (ZB-Z)/ZB, где ZB - число рядов труб в воздухоохладителе, включая трубу первого ряда (z 0).

Холодопроизводительность трубки z-ro ряда

QZB -Z

ZB

При холодопроизводительности первого ряда

Qoz kzFz 0z kzFz

Qoi kiFi 0i kiFi

ZB

. «.

чотнрг Г™

относительная Холодопроизводительность

равна

QQZ kz Fz ZB - z Qoi ki Fi z| Частота постановки турбулизаторов

подчиняется закону

kiF2

Пт I/QOTH

zi

K2 Fz ( ZB - Z )

Частота постановки турбулизаторов возрастает с ростом номера ряда (z 0, 1, 2,.... ZB).

При равных коэффициентах теплопередачи первого и z-ro ряда ki « kz и равной степени оребрения Fi F2 частота постановки турбулизаторов возрастает линейно по ходу воздуха. Для нелинейного закона падения температурного напора в зависимости от функции ©oz f (z) изменяется и частота постановки турбулизаторов.

Струны 6, размещаемые симметрично относительно пластин (фиг.4), образуют насадки, которые ускоряют струи воздуха вблизи пластин, что сдувает пограничный слой с них и увеличивает процесс наружного теплообмена. Сужение потока в створе установки турбулизаторов приводит к локальному увеличению скорости воздуха. Это вызывает местный рост коэффициента теплоотдачи.

При числе Рейнольдса, лежащем в пределах 102 Re 2 -104, число Нуссельта равно

(-.)(

SB dH

hp 4Q.14

dH

0

5

0

5

0

5

гдеа , b S2/dH, Si - шаг труб по фронту, м;

$2 - шаг труб по потоку воздуха, м; hp - высота ребер, м; dn - наружный диаметр труб, м; Rez - число Рейнольдса; 0 Rrz - число Прандтля.

Локальное сужение потока ведет к местному возрастанию скорости и резкому уве- личению числа Рейнольдса, что по приведенной зависимости увеличивает чис- 5 ло Нуссельта и коэффициент наружной теплоотдачиi ,

„ Wuzje

/в - коэффициент теплопроводности

где

воздуха.

В устройстве по пункту 2 формулы элемент 6 приводится в колебательное движение, что еще более увеличивает теплообмен за счет увеличения процесса перемешивания струй воздуха.

Колебательные движения струны 6 приводят к механическому разрушению слоя инея в наиболее сжатых сечениях по ходу воздуха.

Эти участки являются как раз критическими по осаждению инея.

При недостаточной эффективности механического разрушения инея по п.2 следует использовать подогрев струны 6 за счет теплового действия тока по п.З формулы изобретения. Это приводит к таянию основания инея и уменьшению его сцепления с поверхностью.

Воздух, движущийся на этом участке с большими скоростями, сдувает слой инея.

В п.4 указано направление интенсификации процессов по п.2 за счет изменения формы струны, которая действует в этом случае подобно колеблющемуся профилю. В этом случае возникает периодическое воздействие струйного течения на поверхности ребер. Образующийся нестационарный пограничный слой способствует активации процесса теплообмена: рост локального 0 числа Рейнольдса Rez в этом случае ведет к увеличению числа Нуссельта Nuz.

Формула изобретения 1. Воздухоохладитель, содержащий кожух и размещенные в нем вентилятор и теплообменные секции с трубчато-пластин- чатыми поверхностями, отличающийся тем. что, с целью повышения холодопроизводительности и удлинения периода работы

устройства до размораживания при упрощении конструкции, во фронтальных плоскостях между пластинами ребер симметрично расположены турбулизаторы, выполненные в виде струн, частота постановки которых возрастает от первого к последнему ряду по ходу воздуха.

2. Воздухоохладитель по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что струна выполнена в виде

проволоки с подключенным к ней источником механических колебаний.3.Воздухоохладитель по п.2, отличающийся тем, что струна выполнена из

электропроводящего материала и подключена к источнику тока.

4.Воздухоохладитель по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что струна выполнена в виде плоской ленты, подключенной к источнику

крутильных колебаний.

А-А

Выход п-

хладагента

АР

1

Ж

u-ч Вход

хлад- аеенто

Фиг. 2

/

Фиг.З