Например, Бобцов

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





)





⎛ ⎜⎝

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