ТЕПЛООТДАЧА В ВОЗДУШНО-КАПЕЛЬНОМ ПОТОКЕ В СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИБОРОВ
ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И НАДЕЖНОСТЬ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ
УДК 536, 621.1
А. Л. ЕМЕЛЬЯНОВ
ТЕПЛООТДАЧА В ВОЗДУШНО-КАПЕЛЬНОМ ПОТОКЕ В СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИБОРОВ
Проанализирована эффективность охлаждения теплообменных поверхностей воздушно-капельным потоком. Рассмотрены пути реализации этого способа охлаждения в автономных холодильных системах теплообмена.
Ключевые слова: испарительное охлаждение, коэффициент теплоотдачи, воздушно-капельный поток.
Охлаждение приборов с высокими значениями тепловыделения возможно путем их ох-
лаждения смесью влажного воздуха и мелких капель воды. Использование такой смеси зна-
чительно эффективнее, чем сухого воздуха.
Во-первых, наружный воздух после увлажнения охлаждается до уровня психрометриче-
ской температуры (температуры „мокрого“ термометра), поэтому приобретает способность
снижать температуру объекта. Во-вторых, находящиеся в воздухе капли воды, сталкиваясь с
поверхностью нагретого объекта, образуют на поверхности тонкую пленку, нагреваются и,
интенсивно испаряясь, дополнительно, через прямой контакт, охлаждают его. Указанные
свойства перенасыщенного воздушного потока могут оказаться очень полезными, особенно в
современных теплообменных системах при их охлаждении наружным воздухом [1].
Из сказанного выше становится очевидно, что процесс теплоотдачи в перенасыщенной
воздушной среде должен существенно отличаться от теплоотдачи в сухом и даже влажном
насыщенном воздухе. Действительно, если процессы теплообмена в потоках сухого и влаж-
ного ненасыщенного воздуха практически не различаются, то в перенасыщенном потоке воз-
духа помимо конвективного теплообмена происходит испарение прилипающих к объекту ка-
пель. Для учета процесса испарения необходим сравнительный анализ закономерностей ох-
лаждения объекта сухим, увлажненным насыщенным и перенасыщенным воздухом.
Пусть нагретый объект имеет температуру tн, наружный сухой воздух — температуру tс, а насыщенный и перенасыщенный влажный воздух температуру tм, причем tн > tм > tс.
При охлаждении объекта потоком сухого воздуха с участка F поверхности объекта в
среду переносится тепловой поток
Qc = αт F (tн − tc ) ,
(1)
где αт — коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2⋅К).
При охлаждении объекта потоком увлажненного насыщенного воздуха в среду с участка
F его поверхности соответственно будет уноситься тепловой поток
Qм = αт F (tн − tм ) .
(2)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
66 А. Л. Емельянов
При охлаждении увлажненной перенасыщенной воздушно-капельной смесью помимо
конвективного потока Qм в среду начинает поступать тепловой поток Qи, уносимый потоком пара от испаряющихся капель,
Qи = qиαmn F (dн − dм ) .
(3)
где qи — удельная теплота испарения воды, Дж/кг; αm — коэффициент массоотдачи между мокрой поверхностью и средой, кг/(м2⋅с); n — коэффициент заполнения участка F объекта
испаряющимися каплями; dн и dм — коэффициент влагосодержания насыщенного воздуха при температуре tн и tм соответственно.
Тепловые потоки Qм и Qи направлены от объекта к среде. Следовательно, при теплообмене с воздушно-капельной смесью участок F поверхности охлаждается двумя тепловыми
потоками (Qм + Qи). При сравнении всех трех способов охлаждения учтем, что в пограничном слое
„объект— воздушная среда“ процессы теплопроводности и диффузии пара имеют общую молекулярную природу. В частности, согласно i-d-диаграмме влажного воздуха и теории пси-
хрометра, коэффициенты αт и αm связаны между собой соотношением
qиαm ≅ 2, 5 ⋅103 К . αт
(4)
С учетом соотношения (4) суммарный тепловой поток, уносимый с участка F поверхно-
сти объекта воздушно-капельным потоком, можно определить с помощью общего выражения
Qвк = αт F ⎣⎡(tн − tм ) + 2,5⋅103n (dн − dм )⎦⎤ .
(5)
Расчетные соотношения (1), (2), (5) нуждаются в дополнительном комментарии. Во-
первых, для всех трех вариантов обдува суммарный расход воздушного потока через тепло-
обменник принимался одним и тем же. Во-вторых, учитывалось, что присутствие в воздухе водяного пара практически не влияет на состояние пограничного слоя у пластин и ребер теп-
лообменника, поэтому в формулах присутствует общий коэффициент теплоотдачи αт. Следовательно, увлажнение воздушного потока практически не влияет на интенсивность теплооб-
мена. Эффективность обдува влажным насыщенным воздухом повышается только за счет
снижения температуры воздуха до психрометрических значений. Во многих случаях этого
уже вполне достаточно, чтобы, в частности, резко повысить холодильный коэффициент парокомпрессионной холодильной машины в автономных системах теплообмена и значительно
снизить ее энергопотребление.
Ситуация, однако, резко меняется, когда теплообменник охлаждается воздушно-капель-
ной смесью. Капли вступают в контактный теплообмен с горячими ребрами трубок и резко интенсифицируют диффузный поток водяного пара от ребер и трубок в воздушную струю.
Именно этот поток и приводит к резкому увеличению эффективного коэффициента теплоот-
дачи воздушно-капельной смеси. Следовательно, при обдуве воздушно-капельной смесью
эффективность теплообмена растет как за счет снижения температуры воздуха, так и за счет увеличения эффективного коэффициента теплоотдачи.
Воспользуемся тем, что расчетные формулы (1), (2) и (5) позволяют сравнивать относи-
тельную эффективность всех трех способов охлаждения нагретых тел без привлечения кон-
кретных значений коэффициента теплоотдачи αт. Так, коэффициент эффективности охлаждения предварительно увлажненным до насы-
щения потоком наружного воздуха относительно охлаждения сухим наружным воздухом можно оценить с помощью выражения
kм-с
=
Qм Qс
=
tн tн
− tм − tс
.
(6)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
Теплоотдача в воздушно-капельном потоке в системах охлаждения приборов
67
Коэффициент эффективности охлаждения воздушно-капельной смесью, по аналогии с
(6), можно оценивать с помощью выражения
kвк-с
=
Qвк Qс
= ⎣⎡(tн − tм ) +
2,5 ⋅103 n tн − tс
(dн − dм )⎦⎤
.
(7)
Выражения (6), (7) позволяют сравнить относительную эффективность всех трех рас-
смотренных способов охлаждения, в частности, их можно использовать при выборе способов
совершенствования конденсатора холодильных машин, в том числе для малогабаритных транспортных кондиционеров. В таких кондиционерах конденсатор обычно имеет темпера-
туру поверхности tн = 50—75 °С, а охлаждается наружным воздухом с температурой
tс = 30—40 °С при относительной влажности 30—60 %. Коэффициент влагосодержания воздуха в условиях насыщения при указанных температурах tн достигает значений dн ~ 0,1—0,2, dм ~ 0, 01—0,03.
В качестве примера примем, что температура поверхности конденсатора tн = 50 °С, тем-
пература среды tс = 35 °С, психрометрическая температура среды tм = 20 °С, а коэффициент заполнения пластин „пленкой“ воды n = 0,2. Коэффициент влагосодержания при насыщении
воздуха влагой для выбранных tн и tм оказывается соответственно равен dн = d(tн) ≅ 0,10 и
dс = d(tс) ≅ 0,04. Из выражения (6) получаем
kм-с
=
Qм Qс
=
tн tн
− tм − tс
=
50 50
− −
20 35
=
2
.
Из выражения (7) имеем
kвк-с
=
Qвк Qс
=
⎣⎡(tн
− tм
)+
2,5 ⋅103 n tн − tс
(dн
− dм
)⎤⎦
=
=
(50
−
20)
+
2, 5
⋅103 ⋅ 0, 2 ⋅(0,10
15
−
0, 04)
=
30 + 30 15
= 4.
Таким образом, из примера видно, что при охлаждении конденсатора холодильной машины применение воздушно-капельного потока позволяет повысить его эффективность в не-
сколько раз.
В заключение обратим внимание на ряд важных особенностей, с которыми следует счи-
таться при замене наружного воздушного потока увлажненным до насыщения потоком или
воздушно-капельной смесью. Так, при изоэнтальпийном увлажнении воздушного потока без остаточных капель важ-
но подавать в него определенное количество влаги, причем в виде очень мелких капель. По-
ступающая в поток влага должна, во-первых, успевать испаряться до попадания в теплооб-
менник, а во-вторых, ее количества должно хватать, чтобы до психрометрической температуры успевал охладиться весь поток, а не только испаряющиеся капли.
Чтобы выполнить второе условие, следует придерживаться теплового баланса между
смешивающимися потоками воздуха и воды
( )cpρG
(tс
−
tм
)
≅
qи
⎛ ⎜⎝
dM dτ
⎞ ⎟⎠
,
(8)
где ср, ρ, G — удельная изобарная теплоемкость, плотность и расход воздуха соответственно; dM/dτ — расход воды, поступающей в поток.
Для выполнения первого условия при использовании форсунок следует добиваться,
чтобы в поток попадали только очень мелкие капли, диаметр которых не превышает 0,01 мм.
Заметим, что с технической точки зрения изоэнтальпийное насыщение воздуха водяным
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
68 А. Л. Емельянов
паром реализуется наиболее просто путем пропускания воздуха через вспомогательный щелевой теплообменник, пластины которого выполнены из капиллярно-пористого материала. Испарение в среду с мокрой поверхности снижается по мере выравнивания влагосодержания в зоне пограничного слоя. Можно, конечно, использовать и барботирование воздуха через слой воды. Этот способ увлажнения также обладает свойством саморегулирования [2].
Для образования воздушно-капельного потока, однако, самыми привлекательными остаются форсунки. Они просты в эксплуатации, не создают запахов застойной, „гнилой“ воды, имеют малые габариты, экономичны и обеспечивают управляемое извне регулирование расхода воды. В частности, с их помощью можно управлять в широких пределах коэффициентом смачивания поверхности конденсатора.
Наконец, нельзя забывать, что в тех случаях, когда наружный воздух имеет очень высокую относительную влажность и теряет способность охлаждаться, воздушно-капельная смесь остается единственным средством сохранения эффективной, энергетически выгодной работы охлаждающей холодильной машины в автономном конденсаторе и всей системы охлаждения прибора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Архаров А. М., Архаров И. А., Афанасьев В. Н. и др. Теплотехника. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 712 с.
2. Мерчанский В. Д., Рогалев В. А., Шувалов Ю. В., Денисов В. Н. Ресурсосберегающие аппараты и системы. СПб: Межд. академия наук экологии, безопасности человека и природы, 1999. 371 с.
Анатолий Леонович Емельянов
Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-
верситет низкотемпературных и пищевых технологий, кафедра кондиционирования воздуха; E-mail: info@petroclima.ru
Рекомендована кафедрой кондиционирования воздуха
Поступила в редакцию 16.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
УДК 536, 621.1
А. Л. ЕМЕЛЬЯНОВ
ТЕПЛООТДАЧА В ВОЗДУШНО-КАПЕЛЬНОМ ПОТОКЕ В СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИБОРОВ
Проанализирована эффективность охлаждения теплообменных поверхностей воздушно-капельным потоком. Рассмотрены пути реализации этого способа охлаждения в автономных холодильных системах теплообмена.
Ключевые слова: испарительное охлаждение, коэффициент теплоотдачи, воздушно-капельный поток.
Охлаждение приборов с высокими значениями тепловыделения возможно путем их ох-
лаждения смесью влажного воздуха и мелких капель воды. Использование такой смеси зна-
чительно эффективнее, чем сухого воздуха.
Во-первых, наружный воздух после увлажнения охлаждается до уровня психрометриче-
ской температуры (температуры „мокрого“ термометра), поэтому приобретает способность
снижать температуру объекта. Во-вторых, находящиеся в воздухе капли воды, сталкиваясь с
поверхностью нагретого объекта, образуют на поверхности тонкую пленку, нагреваются и,
интенсивно испаряясь, дополнительно, через прямой контакт, охлаждают его. Указанные
свойства перенасыщенного воздушного потока могут оказаться очень полезными, особенно в
современных теплообменных системах при их охлаждении наружным воздухом [1].
Из сказанного выше становится очевидно, что процесс теплоотдачи в перенасыщенной
воздушной среде должен существенно отличаться от теплоотдачи в сухом и даже влажном
насыщенном воздухе. Действительно, если процессы теплообмена в потоках сухого и влаж-
ного ненасыщенного воздуха практически не различаются, то в перенасыщенном потоке воз-
духа помимо конвективного теплообмена происходит испарение прилипающих к объекту ка-
пель. Для учета процесса испарения необходим сравнительный анализ закономерностей ох-
лаждения объекта сухим, увлажненным насыщенным и перенасыщенным воздухом.
Пусть нагретый объект имеет температуру tн, наружный сухой воздух — температуру tс, а насыщенный и перенасыщенный влажный воздух температуру tм, причем tн > tм > tс.
При охлаждении объекта потоком сухого воздуха с участка F поверхности объекта в
среду переносится тепловой поток
Qc = αт F (tн − tc ) ,
(1)
где αт — коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2⋅К).
При охлаждении объекта потоком увлажненного насыщенного воздуха в среду с участка
F его поверхности соответственно будет уноситься тепловой поток
Qм = αт F (tн − tм ) .
(2)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
66 А. Л. Емельянов
При охлаждении увлажненной перенасыщенной воздушно-капельной смесью помимо
конвективного потока Qм в среду начинает поступать тепловой поток Qи, уносимый потоком пара от испаряющихся капель,
Qи = qиαmn F (dн − dм ) .
(3)
где qи — удельная теплота испарения воды, Дж/кг; αm — коэффициент массоотдачи между мокрой поверхностью и средой, кг/(м2⋅с); n — коэффициент заполнения участка F объекта
испаряющимися каплями; dн и dм — коэффициент влагосодержания насыщенного воздуха при температуре tн и tм соответственно.
Тепловые потоки Qм и Qи направлены от объекта к среде. Следовательно, при теплообмене с воздушно-капельной смесью участок F поверхности охлаждается двумя тепловыми
потоками (Qм + Qи). При сравнении всех трех способов охлаждения учтем, что в пограничном слое
„объект— воздушная среда“ процессы теплопроводности и диффузии пара имеют общую молекулярную природу. В частности, согласно i-d-диаграмме влажного воздуха и теории пси-
хрометра, коэффициенты αт и αm связаны между собой соотношением
qиαm ≅ 2, 5 ⋅103 К . αт
(4)
С учетом соотношения (4) суммарный тепловой поток, уносимый с участка F поверхно-
сти объекта воздушно-капельным потоком, можно определить с помощью общего выражения
Qвк = αт F ⎣⎡(tн − tм ) + 2,5⋅103n (dн − dм )⎦⎤ .
(5)
Расчетные соотношения (1), (2), (5) нуждаются в дополнительном комментарии. Во-
первых, для всех трех вариантов обдува суммарный расход воздушного потока через тепло-
обменник принимался одним и тем же. Во-вторых, учитывалось, что присутствие в воздухе водяного пара практически не влияет на состояние пограничного слоя у пластин и ребер теп-
лообменника, поэтому в формулах присутствует общий коэффициент теплоотдачи αт. Следовательно, увлажнение воздушного потока практически не влияет на интенсивность теплооб-
мена. Эффективность обдува влажным насыщенным воздухом повышается только за счет
снижения температуры воздуха до психрометрических значений. Во многих случаях этого
уже вполне достаточно, чтобы, в частности, резко повысить холодильный коэффициент парокомпрессионной холодильной машины в автономных системах теплообмена и значительно
снизить ее энергопотребление.
Ситуация, однако, резко меняется, когда теплообменник охлаждается воздушно-капель-
ной смесью. Капли вступают в контактный теплообмен с горячими ребрами трубок и резко интенсифицируют диффузный поток водяного пара от ребер и трубок в воздушную струю.
Именно этот поток и приводит к резкому увеличению эффективного коэффициента теплоот-
дачи воздушно-капельной смеси. Следовательно, при обдуве воздушно-капельной смесью
эффективность теплообмена растет как за счет снижения температуры воздуха, так и за счет увеличения эффективного коэффициента теплоотдачи.
Воспользуемся тем, что расчетные формулы (1), (2) и (5) позволяют сравнивать относи-
тельную эффективность всех трех способов охлаждения нагретых тел без привлечения кон-
кретных значений коэффициента теплоотдачи αт. Так, коэффициент эффективности охлаждения предварительно увлажненным до насы-
щения потоком наружного воздуха относительно охлаждения сухим наружным воздухом можно оценить с помощью выражения
kм-с
=
Qм Qс
=
tн tн
− tм − tс
.
(6)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
Теплоотдача в воздушно-капельном потоке в системах охлаждения приборов
67
Коэффициент эффективности охлаждения воздушно-капельной смесью, по аналогии с
(6), можно оценивать с помощью выражения
kвк-с
=
Qвк Qс
= ⎣⎡(tн − tм ) +
2,5 ⋅103 n tн − tс
(dн − dм )⎦⎤
.
(7)
Выражения (6), (7) позволяют сравнить относительную эффективность всех трех рас-
смотренных способов охлаждения, в частности, их можно использовать при выборе способов
совершенствования конденсатора холодильных машин, в том числе для малогабаритных транспортных кондиционеров. В таких кондиционерах конденсатор обычно имеет темпера-
туру поверхности tн = 50—75 °С, а охлаждается наружным воздухом с температурой
tс = 30—40 °С при относительной влажности 30—60 %. Коэффициент влагосодержания воздуха в условиях насыщения при указанных температурах tн достигает значений dн ~ 0,1—0,2, dм ~ 0, 01—0,03.
В качестве примера примем, что температура поверхности конденсатора tн = 50 °С, тем-
пература среды tс = 35 °С, психрометрическая температура среды tм = 20 °С, а коэффициент заполнения пластин „пленкой“ воды n = 0,2. Коэффициент влагосодержания при насыщении
воздуха влагой для выбранных tн и tм оказывается соответственно равен dн = d(tн) ≅ 0,10 и
dс = d(tс) ≅ 0,04. Из выражения (6) получаем
kм-с
=
Qм Qс
=
tн tн
− tм − tс
=
50 50
− −
20 35
=
2
.
Из выражения (7) имеем
kвк-с
=
Qвк Qс
=
⎣⎡(tн
− tм
)+
2,5 ⋅103 n tн − tс
(dн
− dм
)⎤⎦
=
=
(50
−
20)
+
2, 5
⋅103 ⋅ 0, 2 ⋅(0,10
15
−
0, 04)
=
30 + 30 15
= 4.
Таким образом, из примера видно, что при охлаждении конденсатора холодильной машины применение воздушно-капельного потока позволяет повысить его эффективность в не-
сколько раз.
В заключение обратим внимание на ряд важных особенностей, с которыми следует счи-
таться при замене наружного воздушного потока увлажненным до насыщения потоком или
воздушно-капельной смесью. Так, при изоэнтальпийном увлажнении воздушного потока без остаточных капель важ-
но подавать в него определенное количество влаги, причем в виде очень мелких капель. По-
ступающая в поток влага должна, во-первых, успевать испаряться до попадания в теплооб-
менник, а во-вторых, ее количества должно хватать, чтобы до психрометрической температуры успевал охладиться весь поток, а не только испаряющиеся капли.
Чтобы выполнить второе условие, следует придерживаться теплового баланса между
смешивающимися потоками воздуха и воды
( )cpρG
(tс
−
tм
)
≅
qи
⎛ ⎜⎝
dM dτ
⎞ ⎟⎠
,
(8)
где ср, ρ, G — удельная изобарная теплоемкость, плотность и расход воздуха соответственно; dM/dτ — расход воды, поступающей в поток.
Для выполнения первого условия при использовании форсунок следует добиваться,
чтобы в поток попадали только очень мелкие капли, диаметр которых не превышает 0,01 мм.
Заметим, что с технической точки зрения изоэнтальпийное насыщение воздуха водяным
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3
68 А. Л. Емельянов
паром реализуется наиболее просто путем пропускания воздуха через вспомогательный щелевой теплообменник, пластины которого выполнены из капиллярно-пористого материала. Испарение в среду с мокрой поверхности снижается по мере выравнивания влагосодержания в зоне пограничного слоя. Можно, конечно, использовать и барботирование воздуха через слой воды. Этот способ увлажнения также обладает свойством саморегулирования [2].
Для образования воздушно-капельного потока, однако, самыми привлекательными остаются форсунки. Они просты в эксплуатации, не создают запахов застойной, „гнилой“ воды, имеют малые габариты, экономичны и обеспечивают управляемое извне регулирование расхода воды. В частности, с их помощью можно управлять в широких пределах коэффициентом смачивания поверхности конденсатора.
Наконец, нельзя забывать, что в тех случаях, когда наружный воздух имеет очень высокую относительную влажность и теряет способность охлаждаться, воздушно-капельная смесь остается единственным средством сохранения эффективной, энергетически выгодной работы охлаждающей холодильной машины в автономном конденсаторе и всей системы охлаждения прибора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Архаров А. М., Архаров И. А., Афанасьев В. Н. и др. Теплотехника. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 712 с.
2. Мерчанский В. Д., Рогалев В. А., Шувалов Ю. В., Денисов В. Н. Ресурсосберегающие аппараты и системы. СПб: Межд. академия наук экологии, безопасности человека и природы, 1999. 371 с.
Анатолий Леонович Емельянов
Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный уни-
верситет низкотемпературных и пищевых технологий, кафедра кондиционирования воздуха; E-mail: info@petroclima.ru
Рекомендована кафедрой кондиционирования воздуха
Поступила в редакцию 16.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 3