Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
А.В. ЧИЧИНДАЕВ
ТЕПЛОМАССООБМЕН
ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
В КОМПАКТНЫХ
ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ
ТЕПЛООБМЕННИКАХ
HОВОСИБИРСК
2009
Стр.1
УДК 621.1.016
Ч-726
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. В.И. Терехов,
д-р техн. наук, доц. Ю.В. Дьяченко
Чичиндаев А.В.
Ч-726 Тепломассообмен влажного воздуха в компактных пластинчаторебристых
теплообменниках : монография / А.В. Чичиндаев. –
Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 298 с. (Серия «Монографии
НГТУ»)
ISBN 978-5-7782-1274-9
Рассматриваются вопросы расчета, проектирования и оптимизации
компактных теплообменников для современной авиационной, корабельной
и автомобильной техники. Дается общее представление об
устройстве, принципе действия, особенностях работы пластинчаторебристых
теплообменников. Приводится классификация имеющихся в
промышленности оребренных поверхностей и даются представления о
расчете, проектировании и оптимизации конструкции наиболее распространенных
вариантов компактных теплообменников. В монографии
содержатся оригинальные авторские результаты, полученные при выполнении
научно-исследовательской работы по заказам авиационных
фирм.
Книга предназначена для специалистов в области разработки авиационных
и наземных систем кондиционирования воздуха, систем охлаждения
двигателей, холодильной техники, она также будет полезна
аспирантам, магистрантам и студентам при изучении разделов проектирования
современного теплообменного оборудования.
УДК 621.1.016
ISBN 978-5-7782-1274-9
© Чичиндаев А.В., 2009
© Hовосибиpский госудаpственный
технический унивеpситет, 2009
Стр.2
Ministry of Education and Science of the Russian Federation
NOVOSIBIRSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY
A.V. CHICHINDAEV
HEAT-MASS EXCHANGE
OF HUMID AIR IN COMPACT
PLATE-FIN HEAT EXCHANGERS
NOVOSIBIRSK
2009
Стр.3
UDC 621.1.016
С-726
Reviewers:
Prof. V.I. Terekhov, D.Sc. (Eng.),
Assoc. Prof. Yu.V. D’yachenko, D.Sc. (Eng.),
Chichindaev A.V.
С-726 Heat-mass exchange of humid air in compact plate-fin heat exchangers
: monograph / A.V. Chichindaev. – Novosibirsk : NSTU
publisher, 2009. – 298 pp. (the NSTU Monographs series)
ISBN 978-5-7782-1274-9
Design, development and optimization of compact heat exchangers for
up-to-date aeronautical, naval and automotive engineering are discussed in
the book. General concepts of the structure, principle of operation and peculiarities
of functioning of plate-fin heat exchangers are described. A classification
of commercially available finned surfaces is given and a general idea
of the design, development and optimization of the structure of most common
compact heat exchangers is presented. The monograph contains original
results obtained by the author when doing research under order of aircraft
companies.
The book is intended for specialists in developing aircraft and ground air
cooling systems, engine cooling systems and refrigerating machines. It will
also be of use for undergraduate, graduate and postgraduate students who
study the design and operation of modern heat exchangers.
UDC 621.1.016
ISBN 978-5-7782-1274-9
© Chichindaev A.V., 2009
© Novosibirsk State
Technical University, 2009
Стр.4
Предисловие
7
ПРЕДИСЛОВИЕ
Тепломассообмен влажного воздуха в теплообменных аппаратах
имеет чрезвычайно важное значение для авиационных систем кондиционирования
воздуха, систем приточной вентиляции при эксплуатации
на территориях с низкими температурами, систем кондиционирования
помещений в условиях повышенной влажности (бассейнов),
систем охлаждения автомобильных двигателей, корабельной техники,
компрессоров, тепловых электрических станций и других приложений,
где в качестве охлаждающего теплоносителя используется влажный
воздух.
Первая работа по компактным пластинчато-ребристым теплообменникам
(КПРТ) В.М. Кейса, А.Л. Лондона «Компактные теплообменники»
(М.: Энергия, 1967) больше не переиздавалась. В 1978 году
опубликован учебник Г.И. Воронина «Конструирование машин и агрегатов
систем кондиционирования», в котором имеется краткая
информация о компактных теплообменниках. В последующем типы
оребрений рассматривались в работах известных специалистов
Г.И. Воронина, Г.А. Дрейцера, Е.В. Дубровского, Э.К. Калинина,
С.А. Ярхо. Однако эти работы посвящены вопросам повышения эффективности
компактных теплообменников исключительно на примере
сухого воздуха. В них отсутствуют результаты исследований и рекомендации
по учету влияния тепломассообмена влажного воздуха на
эффективность работы компактных теплообменников. Еще менее изучена
проблема работы теплообменных аппаратов при наличии отрицательных
температур в охлаждающем теплоносителе.
В настоящей монографии представлены результаты экспериментальных
и теоретических исследований влияния фазовых превращений
влажного воздуха на процесс теплопередачи в компактных пластинча
Стр.5
8
Предисловие
то-ребристых теплообменниках, а также описаны методы защиты теплопередающей
поверхности от обмерзания и термических напряжений
на эксплуатационных режимных параметрах.
В области прикладного исследования проведен комплекс работ,
направленный на изучение эксплуатационных особенностей работы и
создание методов оптимизации параметров компактных теплообменников,
в частности:
– разработаны методы и способы защиты теплообменника-конденсатора
от обмерзания теплопередающей поверхности;
– разработаны методы и способы защиты первичного теплообменника
от термических напряжений в теплопередающей поверхности;
– исследована интенсификация процессов тепломассообмена в
компактном теплообменнике за счет фазовых превращений при воздушно-испарительном
охлаждении.
Результаты исследований нашли применение в решении актуальных
задач в интересах авиационной промышленности при разработке
перспективной техники на таких предприятиях, как «Наука» (г. Москва),
ОКБ им. А.Н. Туполева (г. Москва), ОКБ им. Ильюшина (г. Москва),
Государственный сибирский НИИ авиации им. С.А Чаплыгина,
НАПО им. В.П. Чкалова (г. Новосибирск). Материалы, положенные в
основу монографии, использованы для создания учебных курсов «Теплообменные
устройства», «Компьютерное моделирование физических
процессов» по специальности 160201 – Системы жизнеобеспечения
оборудования летательных аппаратов и написания трех учебников [42,
151, 152], выпущенных в серии «Учебники НГТУ», имеющих гриф
УМО Министерства образования и науки Российской Федерации.
Поэтому книга может быть полезна для учебного процесса в вузах
авиационной направленности, а также для специалистов в области разработки
и конструирования авиационных и наземных систем кондиционирования
воздуха, систем охлаждения двигателей, холодильной
техники, занимающихся проектированием современного теплообменного
оборудования.
В монографии представлены оригинальные результаты, полученные
при выполнении научно-исследовательской работы по заказам ряда
авиационных фирм, а также материалы докторской диссертации. В
книге рассмотрены назначение, особенности работы, расчета, проектирования
и оптимизации компактных теплообменников для современ
Стр.6
Предисловие
9
ной авиационной, корабельной и автомобильной техники. Представленный
в монографии материал будет способствовать развитию и внедрению
в отечественное производство новых технических решений и
технологий, направленных на повышение ресурса и эксплуатационной
надежности теплообменного оборудования.
Первая глава посвящена обзору современного состояния вопроса
по экспериментальному и теоретическому изучению, расчету, проектированию
и оптимизации компактных пластинчато-ребристых теплообменников
с двухфазными теплоносителями. Вторая глава содержит
результаты экспериментального исследования теплоотдачи к
трехфазному потоку водного аэрозоля в широком диапазоне изменения
параметров влажного воздуха и тепловых потоков. В третьей
главе представлена дифференциальная методика расчета теплопередачи
в КПРТ для случая теплообменника-конденсатора, учитывающая
процессы тепломассообмена влажного воздуха и явление начального
участка в обоих трактах теплообменника. Четвертая глава
содержит описание методов тепловой защиты теплопередающей поверхности
и методики для оценки их эффективности. В пятой главе
описываются особенности тепломассообменных процессов в теплообменнике-конденсаторе
и предложенный эффективный способ защиты
теплопередающей поверхности от обмерзания. В шестой главе
приведены особенности теплонапряженного состояния первичного
теплообменника и результаты исследования эффективности предложенных
способов защиты теплопередающей поверхности от термических
напряжений. В седьмой главе рассмотрены результаты исследования
эффективности воздушно-испарительного охлаждения на примере
воздухо-жидкостного КПРТ.
Автор глубоко признателен профессору Г.А. Дрейцеру за поддержку
данной работы и ценные советы, высказанные в 2003 году при разработке
учебного пособия для студентов вузов по данной теме. Автор выражает
признательность академику РАН Э.П. Волчкову, доктору технических
наук В.И. Терехову, заведующему кафедрой технической
теплофизики НГТУ доктору технических наук Ю.В. Дьяченко за помощь
при постановке задачи, полезные замечания, сделанные при рецензировании
рукописи, а также сотрудникам кафедры технической теплофизики
и филиала кафедры при Институте теплофизики СО РАН за
оказанную помощь при обсуждении и анализе полученных результатов.
Автор признателен магистрантам и аспирантам кафедры ТТФ, оказав
Стр.7
10
Предисловие
шим помощь в технической работе над материалами книги, в особенности
И.В. Фомичевой, Е.В. Шкваркиной.
Материалы книги подготовлены при поддержке ФЦП Министерства
образования и науки Российской Федерации по направлению «Фундаментальные
исследования в области технических наук» (гранты
№ Т00-1.2-260 и № Т02-01.2-3663), ФЦП «Государственная поддержка
интеграции высшего образования и фундаментальной науки»
(«Интеграция», проекты № А0050 и № Б0097) и Российского
фонда фундаментальных исследований (гранты № 05-08-33588,
№ 09-08-00321).
Стр.8
ОГЛАВЛЕНИЕ
295
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ..................................................................................................
Условные обозначения .................................................................................
Введение ........................................................................................................
Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОМПАКТНЫХ
ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
............................................................................................
1.1. Назначение и устройство теплообменных аппаратов .............
1.2. Методы проектирования и оптимизации КПРТ ......................
1.3. Особенности конструкции, эксплуатации и расчета оребренных
поверхностей .......................................................................
1.4. Классификация оребрений КПРТ по способу турбулизации
потока и форме поперечного сечения ......................................
1.5. Тепломассообмен в двухфазных дисперсных потоках ...........
1.6. Проблема эксплуатационной оптимизации параметров КПРТ
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ
К ТРЕХФАЗНОМУ ПОТОКУ ВОДНОГО АЭРОЗОЛЯ ......
2.1. Описание экспериментальной установки .................................
2.2. Осредненная теплоотдача к потоку водного аэрозоля ............
2.3. Локальная теплоотдача к потоку водного аэрозоля ................
Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В КОМПАКТНОМ
ТЕПЛООБМЕННИКЕ ...............................................
3.1. Математическая модель процесса теплопередачи в компактном
теплообменнике ..................................................................
3.2. Особенности тепломассообмена в холодном тракте и гидродинамики
водного аэрозоля .......................................................
3.3. Расчет тепломассообмена в двух- и трехфазных потоках водного
аэрозоля ..............................................................................
3.4. Расчет тепломассообмена в пограничном слое ........................
3.5. Проверка достоверности математической модели ..................
7
11
13
19
19
28
35
42
53
63
73
74
81
87
99
99
106
116
121
127
Стр.293
296
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Глава 4. ЗАЩИТА ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОМПАКТНОГО
ТЕПЛООБМЕННИКА ............................................
4.1. Задачи защиты теплопередающей поверхности .......................
4.2. Оценка технологической эффективности теплообменника ....
4.3. Оценка тепловой эффективности теплообменника .................
4.4. Оценка эксплуатационной эффективности теплообменника
Глава 5. ТЕПЛОМАССООБМЕН ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА В ТЕПЛООБМЕННИКЕ-КОНДЕНСАТОРЕ
И ЗАЩИТА ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ
ПОВЕРХНОСТИ ОТ ОБМЕРЗАНИЯ ......................
5.1. Конденсация влаги в линиях высокого и низкого давления
СКВ ..............................................................................................
5.2. Процессы тепломассообмена в теплообменнике-конденсаторе
..............................................................................................
5.3. Назначение и особенности теплообменника-конденсатора ....
5.4. Теплопередача в теплообменнике-конденсаторе при работе
на влажном воздухе ....................................................................
5.5. Защита теплопередающей поверхности от обмерзания ..........
Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ПЕРВИЧНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ
И ЗАЩИТА ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
ОТ ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ ................
6.1. Особенности работы первичного теплообменника .................
6.2. Особенности работы конструкционных материалов ...............
6.3. Тепловая защита первичного теплообменника ........................
6.4. Исследования эксплуатационной эффективности ПТО ..........
6.5. Влияние конструкции теплообменника на процесс теплопередачи
...........................................................................................
Глава 7. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В КОМПАКТНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ
ПРИ ВОЗДУШНО-ИСПАРИТЕЛЬНОМ ОХЛАЖДЕНИИ ........
7.1. Особенности воздушно-испарительного теплообменника ....
7.2. Конструктивное исполнение ВИТ .............................................
7.3. Особенности конструкции и расчета форсуночных ВИТ .......
7.4. Исследование работы воздухо-жидкостного теплообменника
7.5. Исследование эффективности воздушно-испарительного охлаждения
......................................................................................
Заключение ....................................................................................................
Литература .....................................................................................................
139
139
145
153
160
169
169
177
185
189
210
219
219
223
230
236
242
249
249
252
258
264
268
275
278
Стр.294
ОГЛАВЛЕНИЕ
297
CONTENTS
Foreword ..........................................................................................................
Notation ...........................................................................................................
Introduction ......................................................................................................
Chapter 1. Classification, Design and Optimization of Compact Plate-Fin
Heat Exchangers (CPFHE) ............................................................
1.1. The design and function of heat exchange apparatuses .............
1.2. CPFHE design and optimization methods .................................
1.3. Peculiarities of the design, operation and calculation of finned
surfaces ......................................................................................
1.4. A classification of CPFHE finnings based on the flow turbulization
method and sectional shape ............................................
1.5. Heat-mass exchange in two-phase dispersed flows ...................
1.6. Operational optimization of CPFHE parameters .......................
Chapter 2. Experimental Research on Heat Transfer to a Three-Phase Flow
of a Water Aerosol ........................................................................
2.1. Description of an experimental installation ...............................
2.2. Averaged heat transfer to a water aerosol flow ..........................
2.3. Local heat transfer to a water aerosol flow ................................
Chapter 3. Simulation of a Heat Transfer Process in a Compact Heat Exchanger
..........................................................................................
3.1. A mathematical model of the heat transfer process in a compact
heat exchanger ...................................................................
3.2. Peculiarities of heat-mass exchange in a cold channel and of
hydrodynamics of a water aerosol .............................................
3.3. Calculation of heat-mass exchange in two- and three-phase
flows of a water aerosol .............................................................
3.4. Calculation of heat-mass exchange in a boundary layer ............
3.5. Validation of the mathematical model .......................................
7
11
13
19
19
28
35
42
53
63
73
74
81
87
99
99
106
116
121
127
Стр.295
298
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Chapter 4. Protection of Heat Transfer Surfacesof a Compact Heat Exchanger....................................................................................................
4.1.
Protection of a heat transfer surface...........................................
4.2. Estimation of technological effectiveness of a heat exchanger
4.3. Estimation of thermal effectiveness of a heat exchanger ...........
4.4. Estimation of operational effectiveness of a heat exchanger .....
Chapter 5. Heat-Mass Exchange of Humid Air in a Heat ExchangerCondenser
and Frosting Protection of Heat Transfer Surfaces .....
5.1. Moisture condensation in lines of high and low pressure in systems
of air conditioning .............................................................
5.2. Heat-mass exchange processes in a heat exchanger-condenser
5.3. Peculiarities of a heat exchanger-condenser ..............................
5.4. Heat transfer in a heat exchanger-condenser operating in humid
air .......................................................................................
5.5. Frosting protection of heat transfer surfaces ..............................
Chapter 6. Study of Heat Transfer in a Primary Heat Exchanger and Protection
of Heat Transfer Surfaces against Thermal Stresses ..............
6.1. Peculiarities of primary heat exchanger operation ....................
6.2. Peculiarities of structural material behavior ..............................
6.3. Thermal protection of a primary heat exchanger .......................
139
139
145
153
160
169
169
177
185
189
219
219
223
230
6.4. Study of operational effectiveness of a primary heat exchanger 236
6.5. Influence of a heat exchanger design on the heat transfer
process .......................................................................................
242
Chapter 7. Heat Transfer in A Compact Heat Exchanger with AirEvaporation
Cooling .....................................................................
7.1. Peculiarities of an air-evaporation heat exchanger (AEHE) ......
7.2. The AEHE design ......................................................................
7.3. Design peculiarities of a spray-type AEHE ...............................
7.4. Operation of an air-liquid heat exchanger .................................
7.5. Study of air-evaporation cooling effectiveness ..........................
Conclusion .......................................................................................................
References ........................................................................................................
249
249
252
258
264
268
275
278
Стр.296