Experimental studies of heat exchange batteries with wavy and louvered fins

详细

The results of the studies of the heat transfer coefficient and pressure loss for heat exchange batteries with different types of fins are presented in a dimensionless form in Fig. 2. 1 and 2.

全文:

Результаты исследований

Результаты проведенных исследований коэффициента теплоотдачи и потерь напора для теплообменных батарей с различными типами оребрения представлены в безразмерной форме на рис. 1 и 2.

Различные величины числа Рейнольдса (Re) соответствуют фронтальной скорости воздуха от 1 до 3 м/с.

Полученные результаты можно прокомментировать следующим образом:

* Гофрированные оребрения Л/, С/, С2 дают ограниченное увеличение как коэффициента трения/, так и безразмерного коэффициента теплоотдачи/. Традиционное волнистое оребрение (профиль N) среди них остается лучшим; низкий результат по С2, возможно, частично вызван плохим качеством изготовления профиля.

Рис. 1. Зависимость безразмерного коэффициента теплоотдачи j от числа Рейнольдса Re

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения f от числа Рейнольдса Re

Прорезное жалюзийное оребрение L дает значительное
увеличение коэффициента теплоотдачи, но еще большие потери напора, причем эффект этот зависит от высоты жалюзийных прорезей. В частности, прорези высотой от 0,9 (L4) до 0,75 мм (L3) не улучшают качества теплообмена, но увеличивают потери напора, тогда как изменение высоты прорези от 0,75 (L3) до 0,54 мм (L1) значительно влияет как на/; так и на j. Это означает, что для жалюзийного оребрения необходим очень точный контроль размеров прорези. Кроме того, разница между менее эффективным вариантом А и более эффективным В одного профиля для L1 и L3 довольно велика, особенно по потерям напора. Одной из причин этого может быть нераскрытие жалюзи. Эффект улучшения теплообмена при жалюзийном оребрении (по сравнению с волнистым) тем больше, чем меньше значение Re.

* Жалюзийные оребрения с более широкими прорезями X увеличивают по сравнению с волнистым оребрением эффективность теплообмена почти в 2 раза. Потери напора при этом лишь немного превышают потери при использовании оребрения L с той же высотой жалюзи. Исключением стал профиль XI (возможно, имелись нераскрытые жалюзи).

* Оребрение типа winglet VW неожиданно дает довольно незначительное увеличение f и /, несмотря на большую высоту прорези (1,6 мм при шаге оребрения 2мм). Если добавить одну секцию жалюзи W2, то f nj возрастают, но потери напора становятся больше, чем у типа L при равенстве j. Таким образом, следует подчеркнуть, что для оребрений типа winglet требуется очень тщательно оптимизировать высоту прорези, угол атаки, протяженность, что оказалось невозможным из-за сложности изготовления. Следовательно, полученные результаты пока недостаточны для определения потенциала оребрения типа winglet.

При сравнении полученных результатов становится очевидным, что лучший тип оребрения тот, у которого коэффициент трения более низкий при равенстве коэффициента теплоотдачи j (или / более высокий при равенстве/). С этой точки зрения типы оребрения М LIB, L3B, Х2 и ХЗ более предпочтительны. Однако это не дает однозначного критерия для выявления превосходства какого-либо одного типа оребрения (например, что лучше X или XX). Поэтому необходимо определить, что важнее высокий j при высоком/или низкий/ при худшей теплоотдаче.

Выбор наилучшего варианта оребрения

Сравним четыре типа оребрения X, LIB, L3B,X3, которые имеют примерно равные отношения j/f. При Re= 600 они соответствуют величинам 0,0873, 0,0880, 0,0829 и 0,0821, но сами значения/и j очень различны.

Возможный критерий сравнения характеристик реальных теплообменников это соотношение объемного коэффициента GV и идеальной мощности вентиляции РР при различной фронтальной скорости воздуха v (м/с). Значения GV [Вт/(м³ • К)] и РР (Вт/м³) определяются как

GV=U_tA./V; (1)

PP = vA_fAp/V, (2)

где: U_fобщий коэффициент теплоотдачи, приведенный к внутренней поверхности, Вт/(м-К);

А. площадь внутренней поверхности трубы, м²;

V объем оребренной батареи, м³;

А площадь фронтальной поверхности со стороны воздуха, м²;

Ар потери статического напора, Па.

GV представляет собой тепловую энергию, передаваемую единицей объема теплообменника при изменении температуры на 1 С, а РР тепловую энергию, передаваемую единицей объема теплообменника при работе одного идеального вентилятора (с некоторыми изменениями это воспроизведение подхода Shah*).

Чтобы создать более реальные условия работы оборудования, при оценке Ц был учтен коэффициент теплоотдачи трубы: 5000 Вт/(м² • К) среднее значение для труб с внутренней насечкой, применяемых в конденсаторах, работающих на различных фреонах. Наконец, коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха включает также эффективность оребрения (изменение которого от одного ребра к другому не учитывалось в результатах, показанных на рис.1 и 2).

Рис. 3 демонстрирует зависимость GV от РР для четырех различных типов оребрения при разной скорости воздуха. При равной производительности вентиляторов GV больше для профилей с высокой эффективностью теплоотдачи, даже если для компенсации более высокого значения / нужна более низкая скорость воздуха. Это легко объяснить, если вспомнить, что РР зависит от скорости воздуха, увеличивающейся до показателя 2,5-2,75, в то время как для коэффициента теплоотдачи показатель скорости равен 0,3-0,4. Следовательно, незначительное уменьшение скорости воздуха компенсирует большую разницу значений /. Поэтому профили даже с небольшим отношением j/f но с увеличенным значением j (например, L4) согласно критерию GV-РР эффективнее, чем волнистый профиль. Следовательно, в соответствии с рис.З достаточно слегка увеличить фронтальную поверхность, чтобы получить большую эффективность более высоких профилей без изменения мощности вентиляторов.

К результатам, вытекающим из применения критерия GVРР, следует тем не менее относиться критически. Теоретически использование оребрения с наилучшим коэффициентом теплопередачи должно бы повысить эффективность батареи при равенстве объема и стоимости. Однако на практике увеличение коэффициента трения уменьшает расход воздуха при подаче его от реального вентилятора, обладающего своей специфической характеристикой расход-напор, которая не гарантирует постоянную мощность вентиляции при всех возможных условиях работы. Уменьшение расхода воздуха дает два негативных эффекта:

• при меньшей скорости воздуха снижается коэффициент теплоотдачи;
• температура воздуха повышается при прохождении через конденсатор, что снижает LMTD (среднюю логарифмическую температуру) при равной начальной разности температур.

Второй эффект не принимается во внимание при использовании критерия GV-PP, описывающего теплообмен, отнесенный к единице разности температур между потоками (например, к единице LMTD).

Таким образом, уменьшение расхода воздуха не влияет на критерий GV-PP, но, однако, дает отрицательный эффект при практическом применении*. Поэтому нельзя правильно оценить качество различных типов оребрения, используя только основные приближения, что будет показано ниже.

Оребрение воздушных конденсаторов

Применение различных типов оребрения заметно сказывается на характеристиках воздушных конденсаторов: для промышленного применения наилучшим вариантом является тот, который дешевле в расчете на единицу мощности теплообмена (при фиксированном ATI). Подобная оценка непроста и неоднозначна ввиду того, что полная гамма продукции, предлагаемая производителями воздушных теплообменников, собирается из отдельных модулей. Модули включают вентиляторные блоки с различными частотами вращения и (или) различными диаметрами вентиляторов, которые определяют уровень шума и расход, а также теплообменные батареи с различными фронтальными поверхностями и количеством рядов. Следовательно, проектировщик должен рассмотреть все возможные сочетания, которые встречаются в конструктивной гамме, чтобы провести правильное сравнение эффективности полученных конфигураций.

Были проведены испытания многочисленных комбинаций различных фронтальных поверхностей и числа рядов в сочетании с вентиляторами диаметром 800 мм с 6или 12-полюсными двигателями. Во всех случаях эффективность теплообмена была отнесена к двухрядной батарее с фронтальной поверхностью 2 м², волнистым оребрением типа N и 6-полюсным двигателем. Испытания проводили на R22 при температуре конденсации 40 °C, перегреве 25 °C, без переохлаждения, при температуре воздуха на входе 25 °C. Использовали трубы с микронасечкой и оптимизированным для каждого случая числом параллельных входов.

Из результатов испытаний можно сделать следующие выводы.

* Для двухрядной батареи наилучшие результаты достигаются при применении оребрения с наибольшим коэффициентом теплоотдачи и вентиляторов прежде всего с 6-полюсными двигателями для любой фронтальной поверхности. Профиль АЗ, очевидно, является лучптим вариантом в соответствии с рассмотренным выше критерием GV-PP.

* При использовании трсхрядной батареи и вентилятора с 6полюсным двигателем происходит то же самое (но в процентном отношении темп улучшения характеристик уменьшается с переходом от профиля /V к АЗ), в то время как вес типы дают почти одинаковые результаты при применении 12-полюсного двигателя. Более высокие потери напора для жалюзийных типов заставляют уменьшать расход воздуха и LMTD на величину более значительную, чем для двухрядной батареи.

* Для четырехрядной батареи все типы жалюзийного оребрения дают одинаковые результаты с 6-полюсными двигателями, тогда как волнистое оребрение работает лучше с 12-полюсными двигателями вентилятора.

Сравнивая батареи с тремя и четырьмя рядами, можно заметить, что в случае 12-полюсных двигателей производительность четырехрядных теплообменников не увеличивается для типа W и уменьшается для типов ХЗ и L3B. В этом случае применение четырехрядной батареи неправильно из-за смешения понятий “поверхность” и “производительность”.

Для 6-полюсных двигателей улучшение характеристик также незначительно для АЗ, но ощутимо для W (расход воздуха остается высоким при ограниченных потерях напора в профиле N).

* Во всех случаях оребрение АЗ дает лучшие результаты, за исключением случаев, не представляющих практического интереса (4 ряда, 12 полюсов).

Таким образом, возможное увеличение эффективности при использовании специального оребрения не зависит (или зависит очень слабо) от площади фронтальной поверхности батареи, а в большей степени зависит от числа рядов батареи и расхода воздуха.

Рис. 3. Зависимость объемного коэффициента GV от идеальной мощности вентиляции РР

Приведенные выше результаты не дают однозначного определения оптимальности модуля конденсатора. Необходима стоимостная оценка: может ли увеличение эффективности при использовании батареи с большей фронтальной поверхностью и большим числом рядов компенсировать большую стоимость батареи (что, в свою очередь, является только частью общей стоимости конденсатора с принудительной конвекцией). Очевидно, эта задача не столько научная, сколько производственная и не может быть решена в рамках данной исследовательской работы. Тем не менее можно предугадать, что при существующей структуре стоимости трехрядная батарея имеет наилучшее соотношение стоимость/производительность по сравнению с двухили четырехрядными.

При сравнении характеристик на рис.З подтверждается приоритет варианта АЗ, но при значениях, намного ниже приведенных на рис.З. Например, при использовании 12-полюсного двигателя все типы оребрения дают примерно одинаковые значения, в то время как рис.З показывает приоритет жалюзийных типов оребрения при любой скорости воздуха.

Заключение

Проведенные исследования большого числа профилей оребрения с целью определения их эффективности с точки зрения теплопередачи и потерь напора показали, что для жалюзийных типов оребрения высота прорези очень сильно влияет на эффективность теплообмена. При этом качество штамповки является определяющим для получения оптимальных результатов.

Сравнение конфигураций с одинаковым соотношением ///, но с разными по величине j nf с применением основного критерия не дает однозначных результатов, поскольку в этом случае не учитываются реальные взаимосвязи между эффективностью теплообмена и характеристиками конкретного вентилятора.

При изучении реальных конструкций установлено, что улучшенные типы оребрения особенно выгодны при больших расходах воздуха (вентиляторы с высокой скоростью вращения) и (или) для батарей с уменьшенной глубиной. Преимущество же увеличенного числа рядов батареи по сравнению с традиционным остается спорным.

Авторы выражают благодарность президенту LU-VE Contardo г-ну Иджинъо Либерала за его энтузиазм в развитии данных исследований и за разрешение опубликовать их результаты, г-ну Карло Перфетти за его ценную помощь, а также сотрудникам лаборатории г-дам Монтичелли, Бианки и Доретпги за тщательность в проведении испытаний и точность расчетов.

* Продолжение. Начало см. "Холодильная техника" № 3/2004 г.

* Shah Fl.К., Compact heat exchangers. In: Handbook of heat transfer applications. 2nd ad. New York:McGraw-Hill, 1985.

★Для воздушных конденсаторов с вентиляторами повышенной мощности (это относится также и к испарителям) наиболее значимый параметр количество переданной теплоты на единицу ДТ1 (т.е. разности между температурой конденсации и температурой окружающей среды), а не на единицу LMTD.