Материал: Д6391 Азарсков ВМ Тепловой расчет воздухоохладителя длч систем кондиционировпания воздуха

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Кафедра теоретических основ

тепло- и хладотехники

Тепловой расчет воздухоохладителя для систем кондиционирования воздуха

Методические указания к практическим занятиям для студентов всех специальностей и направлений очной и заочной форм обучения

Санкт-Петербург 2011

УДК 621.1.016.621.56

Азарсков В.М., Куприянова А.В. Тепловой расчет воздухоох-ладителя для систем кондиционирования воздуха: Метод. указания к практическим занятиям для студентов всех спец. и направлений очной и заочной форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2011. – 26 с.

Приведен пример расчета воздухоохладителя для систем кондициони-рования воздуха. Даны уравнения для расчетов коэффициентов теплоотдачи со стороны воздуха, омывающего оребренный пучок труб, и со стороны кипя-щего холодильного агента внутри труб.

Рецензент

Канд. техн. наук, доц. В.В. Немировская

Рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом уни-верситета

 Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных и пищевых технологий, 2011

1. 1. Особенности теплового расчета поверхностных оребренных воздухоохладителей

Воздухоохладители (ВО) – теплообменные аппараты, предназначенные для охлаждения (или охлаждения с осушением) воздуха в системах комфортного или технологического кондиционирования; для целей хранения, охлаждения и замораживания продуктов; в низкотемпературных установках; в термобарокамерах и для других целей [1].

По способу охлаждения ВО делятся на поверхностные и контактные (мокрые). У поверхностных ВО воздух движется принудительно с помощью вентилятора, омывая наружную оребренную поверхность пучка труб. Коэффициент оребрения  = F_ор.нар/F_вн имеет значения  = 1025. Увеличение поверхности теплообмена со стороны воздуха, достигаемое оребрением пучка труб, создается в целях компенсации низких значений коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха _в по сравнению с величиной коэффициента теплоотдачи со стороны охлаждающей среды. При этом коэффициент теплопередачи K_ор для ВО и его холодопроизводительность существенно возрастают, так как величина термического сопротивления теплоотдачи со стороны воздуха R_воз = 1/(_в  F_ор) значительно снижается.

Ребра применяются спирально-навивные либо отдельные круглые или квадратные, либо сплошные пластинчатые, каждое из которых насаживается сразу на все трубки пучка.

Охлаждающая воздух среда движется внутри труб плоских вертикальных змеевиков, сформированных из прямых горизонтальных участков труб, которые соединены поворотами (калачами) на 180 . Охлаждающей средой может служить кипящий холодильный агент (хладоны или аммиак) либо хладоносители в виде воды (для t_воз > 0 C) или незамерзающего раствора (для t_воз < 0 C), которые предварительно охлаждают в испарителе холодильной машины.

В системах охлаждения малой и средней производительности часто используются ВО с непосредственным кипением хладона. Поверхность теплообмена ВО состоит из медных трубок с алюминиевым пластинчатым оребрением. Каждое ребро в виде сплошной пластины толщиной _р = 0,10,2 мм насаживается на все трубки пучка. Шаг ребер s_р выбирается для «сухого» охлаждения s_р  1,52,5 мм; для охлаждения с влаговыпадением s_р  2,54,5 мм, при инееобразовании s_р  515 мм. Сухое охлаждение воздуха в ВО происходит, если температура его наружной поверхности t_нар выше температуры точки росы t_росы для охлаждаемого воздуха. При происходит осушение воздуха с выпадением влаги (при t_воз  0 С) либо с образованием слоя инея (при t_воз  0 С). При тепловом расчете ВО надо учитывать следующие особенности.

1. При охлаждении воздуха, сопровождаемого влаговыпадением, тепловая нагрузка на ВО возрастает, что следует учитывать с помощью коэффициента влаговыпадения:

.

2. Так как при расчете ВО задаются данные не только по температуре, но и по влажности воздуха на входе и выходе из ВО ( или d), то необходимо сначала определить температуру наружной оребренной поверхности ВО, обеспечивающей требуемый режим обработки воздуха, а затем рассчитывать необходимую температуру кипения хладагента. Это можно выполнить либо с помощью диаграммы h-d влажного воздуха путем построения луча процесса, либо с помощью соответствующего расчета.

3. При расчете теплообмена от оребренных поверхностей с высокими тонкими ребрами необходимо знать, что температура ребра существенно отличается от температуры несущей трубы, что приводит к снижению теплового потока между ребрами и воздухом. Это учитывается с помощью коэффициентов эффективности ребра E_р = / и оребренной поверхности Е_н = с_конт Е_р + (1 – с_конт Е_р)/ .

4. Если рассматривается процесс охлаждения воздуха, сопровождаемый инееобразованием на наружной оребренной поверхности, то в тепловом расчете ВО необходимо учитывать дополнительное термическое сопротивление слоя инея R_ин = _ин/_ин. Толщина слоя инея _ин и его теплопроводность _ин значительно изменяются в ходе работы ВО, так как с течением времени плотность инея _ин возрастает от 80 до 400 кг/м³. На величину _ин влияют параметры воздуха на входе и выходе из ВО, скорость воздуха, время работы ВО, периодичность его оттаивания и другие факторы.

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

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 :