Experimental studies of heat exchange batteries with wavy and louvered fins

Abstract

The use of an improved fin profile in heat exchange batteries contributes to the creation of highly efficient heat exchangers widely used in air conditioning and refrigeration systems.

Full Text

Использование улучшенного профиля оребрения в теплообменных батареях способствует созданию высокоэффективных теплообменных аппаратов, широко применяемых в системах кондиционирования воздуха и холодильной технике.

Компания LU-VE Contardo, один из крупнейших европейских производителей теплообменников для холодильной техники, провела ряд серьезных исследовательских работ по “специальным” типам оребрения с целью получения наилучших характеристик теплообмена. Особое внимание было уделено оребрению типа жалюзи, используемому в производстве с начала 90-х годов. В этой статье приведены результаты, достигнутые в ходе многолетних экспериментальных исследований типов оребрения, применяемых в конденсаторах и охладителях жидкости, с уменьшенным шагом оребрения (около 2 мм).

Применение фасонного оребрения позволяет значительно увеличить эффективность теплообменного оборудования без заметного увеличения стоимости производства (основные затраты, которые приходятся на изготовление специальных штампов, при серийном производстве окупаются за короткое время). С другой стороны, увеличение эффективности теплообмена в этом случае достигается ценой увеличения потери напора, как это показано в работах [1-8]. При заданной геометрии теплообменника и существующей зависимости давление-расход вентилятора высокие потери напора приводят к уменьшению расхода воздуха и соответственно его скорости, а также рабочей разности температур. Чтобы найти оптимальную конфигурацию теплообменного аппарата, необходимо выбрать наилучшее сочетание коэффициента теплопередачи и потери напора. Такой подбор достаточно сложен как из-за многочисленности комбинаций различных типов батарей, так и из-за необходимости проведения большого числа экспериментов (вместо теоретических расчетов с использованием математического моделирования).

Pис. 1. Схема аэродинамической установки:1 — входной воздуховод; 2 — изолированные стенки; 3 - точки измерения температуры воздуха (20 точек); 4 — исследуемая батарея; 5, 6 — вход- выход горячей воды; 7 — расходомер воды; 8 — сопла для измерения расхода воздуха; 9 - подвижные заслонки; 10 — вентилятор

Настоящая работа посвящена решению данной задачи на основе накопленного экспериментального опыта. При этом критерием оценки конденсаторов с различными типами оребрения служит их реальная эффективность, в то время как обычно поведение оребрения в реальных рабочих условиях не принимают во внимание в полном объеме.

Экспериментальная установка.

Исследования проводили на специальной аэродинамической установке, схематично показанной на рис.1. Воздух подавали вентилятором с переменной час
тотой вращения. Вентилятор установлен в воздуховоде квадратного сечения (500x500 мм), в котором помещена исследуемая батарея. В батарею подавали воду с температурой примерно 60 °C. Конструкция батареи с двумя рядами труб и двумя параллельными подводами воды позволяет размещать ее в воздуховоде таким образом, чтобы получился теплообменный аппарат с перекрестным несмешанным потоком.

Температуру воздуха измеряли в 20 точках до и 20 точках после батареи по сечению воздуховода. Расход воздуха определяли с помощью калиброванных сопел, расход и температуру воды - соответственно магнитным расходомером и калиброванными термопарами.

В испытаниях количество переданной теплоты измеряли как со стороны воздуха, так и со стороны воды. Разность двух значений обычно была менее 1% (в противном случае опыт повторяли). Система автоматически регистрировала тепловой баланс процесса.

Замеряя производительность при разной скорости воздуха, рассчитывали коэффициент теплоотдачи со стороны оребрения, отнесенный к внутренней поверхности трубки, основываясь на средней логарифмической температуре (LMTD), измеренной и соответственно скорректированной для перекрестного потока, и на коэффициенте теплоотдачи со стороны воды, оцененном с поправками В. Гнелински [9].

Потери напора в батарее определяли с помощью датчиков статического давления. Датчики расположены по стенке канала по 8 шт. на входе и выходе батареи в воздуховоде.

Давление измеряли при повторном испытании холодным воздухом (при нулевом расходе воды), чтобы предотвратить эффект изменения плотности воздуха.

Особое внимание уделяли тщательности изготовления прототипа испытываемой батареи. Аккуратная штамповка листов оребрения и механическое расширение труб при изготовлении батареи очень важны для точной оценки
параметров теплообмена. Все исследуемые образцы были выполнены с использованием обычного штамповочного оборудования (преимущественно того, которое применяется в промышленном производстве и обеспечивает очень точные механические параметры), за исключением операции нанесения турбулизаторов. При изготовлении прототипов особенно необходим тщательный контроль выполнения как горловин, так и прорезей на самом оребрении.

Коэффициент теплоотдачи, определяемый в экспериментах, учитывал следующие факторы:

• теплоотдачу воздух - оребрение;
• эффективность оребрения;
• термическое сопротивление в соединении труба-оребрение;
• термическое сопротивление теплопроводности медной трубы.

Такой вариант применим при точном проектировании теплообменника и определении размеров в стандартных условиях. Чтобы расширить применимость результатов на все основные случаи использования теплообменника и чтобы представить их в безразмерной форме, необходимо рассмотреть влияние каждого из перечисленных факторов. Коэффициент теплоотдачи воздух-ореб- рение оценивается при следующих условиях:

• сопротивление медной трубы легко определяется;
• термическое сопротивление контакта ребро-труба не учитывается (при условии, что расширение труб выполнено очень качественно);
• эффективность ребра рассчитывается по формуле для гладкого ребра [10][*].

Коэффициент теплоотдачи воз- дух-ребро может быть выражен в таком случае в безразмерной форме

J =j(Re)

где J - число Кольбурна;

J = Nu * Pr ^-1/3*Re^-1

Nu - число Нуссельта;

Рг - число Прандтля;

Re - число Рейнольдса.

Число Рейнольдса определяется по гидравлическому диаметру элементарного сектора, заключенного между поверхностью трубы и двумя ребрами, и средней скорости потока вдоль этого элемента. Такое приближение гарантирует дискретную аппроксимацию и может использоваться для распространения экспериментальных результатов на другие геометрические варианты(например, иные шаг оребрения, толщина ребра, диаметр труб и т.д.) и (или) на другие рабочие условия (например, давления и температуры воздуха, термодинамические характеристики).

Коэффициент трения f рассчитывали, исходя из падения статического давления, учитывая с той же точностью число Рейнольдса и гидравлический диаметр; расстояние между рядами используется как характеризующая длина.

Исследуемые типы плоского оребрения.

Все приведенные ниже результаты относятся к батареям со следующими геометрическими параметрами: диаметр труб 9,52 мм, расстояние между трубами 25 мм, расстояние между рядами 21,65 мм, шаг оребрения 2 мм, толщина ребра 0,11 мм. Возможны небольшие изменения шага (±5%) или толщины ребра (±11%), которые не влияют на безразмерные величины.

Варианты исследованных профилей перечислены в таблице и показаны на рис. 2. Профили N и L используются в настоящее время в производстве. Оребрения типа С1 и С2 рассматривались как состоящие из традиционных волнистых N [1, 2]. Профили Хи И/могут представлять собой альтернативу жалюзийным конфигурациям L [3, 4]; вариант X имеет большую поверхность жалюзи. Профили И/вы- полнены с использованием турбулизаторов “winglet” в виде отогнутых треугольных прорезей [11]. Вариант W1 отличается от И/2 (см. рис. 2) тем, что не включает в себя участки жалюзи. Для конфигураций L высота жалюзи Н, сильно влияющая на теплоотдачу оребрения, варьировалась от 0,54 до 0,9 мм.

Исследуемые конфигурации поверхности оребрения.

Обозначение	Тип поверхности оребрения	Высота прорези или гофры И, мм
Р	Плоский	-
N	Волнистый	0,9
О	Перфорированный	0,8
С2		0,8
LIA	Жалюзийный	0,54
L1B		0,54
L2		0,6
L3A		0,75
L3B		0,75
L4		0,9
XI	Жалюзийный широкий	1,0
Х2	То же	0,75
ХЗ		0,65
W1	Winglet	1,6
W2	Winglet + жалюзи	1,6+0,7

Рис. 2. Конфигурация некоторых типов оребрения. R верхней части приведены поверхности типа жалюзийных L, X, W, в нижней части — перфорированные С/, С2, СЗ и N (см. таблицу)

После проведенных испытаний профили X заменили в производстве профили L.

В предыдущие годы были испытаны многочисленные типы батарей с жалюзи высотой 0,54 мм (ZJ) и 0,75 мм (L3): при кажущемся сходстве они давали значительно отличающиеся результаты. L1A и L1B - соответственно лучшая и худшая среди испытанных батарей с высотой жалюзи 0,54 мм, a L3A и L3B для батарей с высотой жалюзи 0,75 мм. Заметные отличия в характеристиках при очевидном сходстве геометрии профиля явились объектом скрупулезного изучения.

Решающим фактором, позволяющим сохранить высокий уровень качества, является механическая точность при штамповке изделия. При этом особенно важны:

* острота режущего лезвия для изготовления прорезей (жалюзи);

* правильность формы горловин: поток воздуха, контактирующий с трубой, может уменьшиться, если радиус закругления горловины будет больше необходимого;

* толщина горловины и ребра вокруг трубки: если они слишком тонкие, то в результате поломки может нарушиться контакт между трубкой и ребром, что является абсолютно неприемлемым.

[*] Эффективность жалюзийного оребрения не учитывается простыми теоретическими методами. Следовательно, разность между реальной эффективностью и расчетной для плоского ребра будет влиять на коэффициент теплоотдачи воздух- ребро.