Способ определения коэффициента теплоотдачи и экспериментальная установка для его осуществления

 

Назначение: экспериментальная техника , теплообмен в рекуперативном теплообменнике со сложной пластинчаторебристой поверхностью при идентичных поверхностях теплообмена по нагреваемой и охлаждаемой сторонам. Сущность изобретения: испытуемый теплообменник устанавливают в контур экспериментальной установки между технологическим теплообменником и нагревателем. Теплоноситель - воздух прокачивают через контур нагнетателем , нагрев ведут с помощью нагревательного элемента. Измеряя расход теплоносителя расходомером и параметры теплоносителя на входе и выходе теплообменника датчика давления и температуры, определяют коэффициент теплоотдачи через коэффициент теплопередачи с учетом поправки на изменение свойств теплоносителя, при этом, регулируя мощность в нагревательном элементе и величину подачи воздуха нагнетателем, поддерживают разницу средних температур по горячей и холодной сторонам .теплообменника в пределах 20-40°. 2с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕспуБлик (я)5 G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4814878/23 (22) 16.04,90 (46) 30.11,92. Бюл. N. 44 (71) Институт ядерной энергетики АН БССР (72) С,B. Черноусов, Б.В. Ложкин, Ю.Д. Ильюхин, А.В. Наганов и Ю.И. Зиноков (56) Резников Г.B. Расчет и конструирование систем охлаждения элементов ЭВМ. М.:

Радио и связь, 1988, с. 76-78, табл. 1.8, с, 91 — 104, рис. 2.9.

Кейс В.М, и Лондон А.Л. Компактные теплообменники. М.: Энергия, 1967.

Воронин Г.И. и Дубровский Е.В. Эффективные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973, с. 39 — 45, с. 31 — 38.

Авторское свидетельство СССР

N414510,,кл. G 01 М 9/00, 1972. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТАТЕПЛООТДАЧИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯЯ (57) Назначение: экспериментальная техника, теплообмен в рекуперативном тепИзобретение относится к экспериментальной технике изучения теплообмена и касается усовершенствования средств определения тепловых характеристик теплообменных аппаратов, преимущественно пластинчато-ребристых рекуперативного типа.

При создании энергетических установок и энергосберегающих технологий с газовыми теплоносителями получили широкое распространение эффективные теплообменные аппараты с развитыми пластинчато-ребристыми поверхностями. Ы 1778657 А1 лообменнике со сложной пластинчато- ребристой поверхностью при идентичных поверхностях теплообмена по нагреваемой и охлаждаемой сторонам. Сущность изобретения: испытуемый теплообменник устанавливают в контур экспериментальной установки между технологическим теплообменником и нагревателем. Теплоноситель— воздух прокачивают через контур нагнетателем, нагрев ведут с помощью нагревательного элемента. Измеряя расход теплоносителя расходомером и параметры теплоносителя на входе и выходе теплообменника датчика давления и температуры, определяют коэффициент теплоотдачи через коэффициент теплопередачи с учетом поправки на изменение свойств теплоносителя, при этом, регулируя мощность в нагревательном элементе и величину подачи воздуха нагнетателем, поддерживают разницу средних температур по горячей и холодной сторонам.теплообменника в пределах 20 — 40 . 2 с. и 1 з.и. ф-л ы, 1 ил., 1 табл.

Сложность тепловых процессов, протекающих в них, не позволяет рассчитывать характеристики в таких условиях по теоретическим моделям. Данная задача решается только расчетно-экспериментальным способом.

Известны различные способы определения коэффициента теплоотдачи для оребренной теплообменной поверхности, подробно рассмотрены проблемы охлаждения элементов ЭВМ, основным типом теплообменных поверхностей которых являются пластинчатые и пластинчато-ре1778657 бристые. При этом важнейшую долю в тепловом сопротивлении определяют коэффициент теплоотдачи от поверхности теплообмена к хладоносителю (или обратно).

Величина коэффициента теплоотдачи зависит от многих факторов, колеблется в широких пределах и требует экспериментального определения для конкретного конструктивного исполнения поверхности теплообмена. Коэффициент теплоотдачи при этом определяют расчетно-экспериментальным путем. Однако известный из этого источника способ определения коэффициента теплоотдачи дает значительную погрешность 10 — 12, требует большого объема экспериментальных работ.

Известны также работы, посвященные изучению теплообмена в пластинчато-ребристых рекуперативных теплообменниках, в которых приведены специфические для таких теплообменных поверхностей способы определения коэффициента теплоотдачи и соответствующие экспериментальные установки, Известен метод исследования при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром. Однако он требует создания сложной системы пароснабжения, установки с точным контролем давления и паросодержания реющей среды. Погрешность этого метода до 5,.

Известен метод теплообменника и экспериментальная установка для его осуществления, где приведена методика расчетно-экспериментального определения коэффициента теплоотдачи. Известный из этого источника способ определения обеспечивает методическую погреш ность порядка 2, из-за допущения погрешности при определении коэффициента теплоотдачи для воды. Зтот метод основан на задании достаточно малым термического сопротивления со стороны воды по отношению к той же величине со стороны воздуха, Вследствие этого коэффициент теплоотдачи воздуха стремится к коэффициенту теплоотдачи.

Для получения больших коэффициентов теплоотдачи воды требуются значительные расходы воды (до 2 xr/с). Как следствие, экспериментальная установка выполняется двухконтурной со своей системой измерения. Все это обуславливает значительные материальные и энергетические затраты на исследования. Кроме того, недостатком этого метода является то, что он требует прецизионного измерения малых перепадов температур воды (0,4 — 2,5 С) и среднеинтегральных значений двумерного поля температур в сечении потока воздуха до и после теплообменного аппарата, 5

Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому является тепловая аэродинамическая труба для испытания газожидкостного теплообменника, принятия за прототип, Способ определения коэффициента теплоотдачи на этом объекте подробно описан в упомянутой книге Г,И, Воронина, Е.В. Дубровского, с, 31-38 и заключается в нагреве теплоносителя, прокачке его через исследуемую сторону теплообменника и охлаждении его с другой стороны водой с большим расходом, в измерении расхода, температур теплоносителя и воды на входе и выходе по каждой стороне с последующим расчетом коэффициента теплоотдачи по исследуемой поверхности.

Принятая за прототип экспериментальная установка содержит два контура с различными теплоносителями, оборудованных нагревателем, теплообменниками, циркулятором, расходомерной емкостью, измерителями давления, температуры и расхода, а также трубопроводами и арматурой.

Принятый за прототип объект обеспечивает проведение исследований с последующим определением коэффициента теплоотдачи для исследуемой теплообменной поверхности, Однако, приведенный в качестве прототипа объект. имеет существенный недостаток, заключающийся в больших затратах на исследовательские работы, вызванных необходимостью создания дополнительного контура циркуляции жидкого теплоносителя, изготовлением точных средств измерения малых перепадов температур жидкости и среднеинтегральных значений двухмерного поля температур в сечении потока воздуха, а также недостаточно высокой точностью определения коэффициента теплоотдачи (методическая погрешность около 2 ).

Целью изобретения является в случае выполнения теплообменных поверхностей исследуемого теплообменника идентичными является повышение точности способа путем определения коэффициента теплоотдачи с методической погрешностью не более 1 при снижении затрат на исследовательские работы.

Для достижения поставленной цели при осуществлении споссба определения коэффициента теплоотдачи, заключающегося в нагреве теплоносителя и прокачке его через исследуемый рекуперативный теплообменник, в измерении температуры теплоносителя на входе и выходе каждой стороны теплообменника с последующим установлением коэффициента тепл оотдачи пс результатам измерений, теплсноси1770657 тель пропускают последовательно через холодную и горячую стороны теплообменника, а его нагрев осуществляют после выхода из холодной стороны последнего, поддерживая разницу средних температур по горячей и холодной сторонам теплообменника в пределах от 20 до 40 градусов.

Для осуществления такого способа в экспериментальной установке, содержащей контур с теплоносителем, оборудованный нагревателем, теплообменниками, нагнетателями, расходной емкостью, измерителями давления, температуры и расхода, а также трубопроводами и арматурой, выход теплоносителя из исследуемого теплообменника по холодной стороне подключен к выходу того же теплообменника по горячей стороне через нагреватель, кроме того, с целью повышения температуры теплоносителя на входе холодной стороны теплообменника, устанавливается технологический теплообменник, вход горячей стороны которого подключен к выходу из исследуемого теплообменника по горячей стороне, а холодные стороны их соединены последовательно.

Отличительной особенностью предлагаемого способа определения коэффициента теплоотдачи является то, что теплоноситель пропускается при одном и том же расходе последовательно через холодную и горячую стороны теплообменника, в котором каждая сторона выполнена из теплообменных поверхностей с идентичным профилем каналов, и одинаковым проходным сечением, при этом нагрев теплоносителя до заданной температуры ведут после выхода из холодной и перед входом его в горячую сторону теплообменника таким образом, что разница средних температур по горячей и холодной сторонам составляет от 20 до 40 град. При этом обобщение коэффициента теплоотдачи ведут так же, как и в других известных способах в виде критериальной зависимости Nu =

Nu(Re) по экспериментально получе,.ным данным, Однако, в отличие от известных способ, идентичность профилей каналов и равенство проходных сечений по каждой стороне исследуемого теплообменника. одинаковый расход теплоносителя, причем одного и того же, пропускаемого последовательно через холодную и горячую стороны позволяет принять Re = idem с учетом того, что при ограниченном нагреве теплофиэические свойства почти не изменяются, Пренебрегая малым зна ением термического сопротивления теплопередающей поверхности, допуская равенство коэффициентов термической эффективности теплообмен25

35

45

50 экспериментальных данных, от 0,7. Из фор5

20 ных поверхностей по каждой =тороне, с учетом равенства значений термического сопротивления теплоносителя по холодной и горячей сторонам, получаем достаточно простое выражение (см. пример) для расчета коэффициента теплоотдачи, Ограничение по подогреву теплоносителя при осуществлении заявляемого способа, а именно; нагрев с разницей средних температур по горячей и холодной сторонам теплообменника от 20 до 40 град, являющееся также одной из отличительных особенностей, позволяет не только упростить расчет, но и является основным условием достижения более высокой чем в прототипе точности определения а.

Погрешность расчета коэффициента теплоотдачи в общем виде рассчитывается следующим образом:

Из формулы видно, что погрешность определения а зависит от погрешности измерения разницы средних температур теплоносителей холодной и горячей сторон, учитываемой во втором слагаемом

ЬЛТlЛТ, а также и погрешности расчета коэффициента ф, отражающего изменение теплофизических свойств теплоносителей от температуры на разных сторонах теплообменника. Он рассчитывается так:

Погрешность его определения: и >) — 1 (ЬA„ h4 прус, В формуле n — показатель степени при числе Рейнольдса (при обработке результатов n = 0,7) Л п — отличие показателя степени, получаемого при обобщении мулы видно, что с увеличением разницы температур теплоносителей по обе стороны теплообменника методическая погрешность Лиф возрастает. С уменьшением ее возрастает суммарная погрешность определения коэффициента теплоотдачи иэ-эа роста ЬЛТlЬТ. Расчетным путем установлено, что в диапазоне ЛТ 20 — 40 методическая погрешность Ьфlф не превышает

1% при достаточно низкой погрешности on1778657 ределения а (не более 37), что также подтверждено экспериментально (см. таблицу).

Из таблицы. видно, что при Л Т<20 К возрастает погрешность определения температурного напора и суммарная погрешность расчета коэффициента, а при

Л Т>40 К увеличивается методическая погрешность. Принятие таким значения ЛT позволяет снять требование о прецизионности измерений температур теплоносите ля, характерное для прототипа. В данном случае достаточно иметь погрешность датчика температур порядка О,ЗО, Заявляемый способ разработан и наиболее эффективно применим для рекуперативных теплообменников типа газ-газ, при этом можно существенно снизить затраты на нагрев рабочего тела, исключается необходимость создания второго контура со своей системой измерений, что снижает расходы на экспериментальную установку, Эффект регенерации тепла в экспериментальной установке реализуется за счет того, что выход рабочего тела из испытуемого теплообменника по холодной стороне подключен к входу в тот же теплообменник по горячей стороне. Этот эффект может быть усилен, и соответственно уменьшены энергозатраты на эксперименты, если необходим подогрев рабочего тела на входе холодной стороны исследуемого теплообменника, при установке s контур перед объектом исследования по,его холодной стороне дополнительного технологического теплообменника, горячая сторона которого подключена к выходу из испытуемого теплообменника по горячей стороне, Таким образом, отличительные особенности заявляемого способа и экспериментальной установки для определения коэффициента теплоотдачи позволяют при уменьшенных затратах на исследования получить более точные (с методической погрешностью не более 1 4) значения величины теплоотдачи.

На чертеже представлена схема экспериментальной установки, воплощающая заявляемый способ определения коэффициента теплоотдачи.

Установка содержит контур с рабочим телом, разомкнутый контур, когда в качестве рабочего тела используют воздух. В состав установки входят воздухозаборник 1, нагнетатель 2, расходная емкость 3, измерители расхода 4, давления 5, температуры (датчики) 6-9, испытуемый теплообменник

10, нагреватель 11 с нагревательным элементом 12, технологический теплообменни к

13, трубопроводы и арматура 14 — 17 для переключения потоков. При этом нагреватель

11 установлен в контуре таким образом, что на вход к нему подключен выход рабочего тела из испытуемого теплообменника 10 по холодной стороне, а выход из нагревателя

11 подключен к входу по горячей стороне в испытуемый теплообменник 10.

Технологический теплообменник 13 установлен на байпасе перед испытуемым теплообменником 10 и с помощью клапанов

16 и 17 он может быть подключен к контуру или отключен от него, Горячая сторона теплообменника 13 подключена к выходу по горячей стороне из испытуемого теплообменника 10, а с помощью клапанов 14 и 15 воздух может быть сброшен в атмосферу напрямую (через клапан 14) или пройдя через горячую сторону теплообменника 13.

Заявляемый способ определения коэффициента теплоотдачи осуществляют следующим образом.

Для испытаний изготавливают теплообменник 10 с одинаковым профилем каналов и с одинаковой площадью живого сечения по каждой стороне; горячей и холодной.

Для этого исследуемый теплообменник изготавливают по перекрестнопоточной схеме, в котором каждая сторона набрана из одинакового количества слоев, имеющих одинаковые геометрические параметры.

Теплообменник 10 устанавливают в контур экспериментального стенда, как показано на схеме (см. черте>к),включают нагнетатель 2 и нагреватель 12, Рабочим телом стенда, приведенного на фиг. 1, является воздух, который забирают через воздухозаборник 1, нагнетателем 2 прокачивают через расходную емкость 3, которая служит для стабилизации подачи, измеряемой расходомером 4, и для демпфирования колебаний давления Р, измеряемой датчиком 5, в контур установки.

В зависимости от уровня рабочей температуры теплоносителя на входе холодной стороны объекта 10, открывают один из клапанов 16 или 17. Когда подогрев теплоносителя не требуется клапан 16 и воздух через клапан 7 подают по холодной стороне теплообменника 10 B нагреватель 11, в котором с помощью нагревательного элемента 12 воздух доводят до рабочей температуры 13, измеряемой датчиком 8. Затем нагретый воздух пропускают по горячей стороне теплообменника 10 и сбрасывают в атмосферу через клапан 14. Температуру на выходе из теплообменника 10 по горячей стороне Т4 измеряют датчиком 9, По холодной стороне температуру на входе Т1 и на выходе Тг

1778857

1О измеряют соответственно датчиками 6 и 7, давление воздуха P — датчиком 5.

Когда рабочая температура на входе холодной стороны объекта увеличена, чтобы избежать установки на входе нагреватель- 5

Ного элемента и соответственно снизить энергозатраты, клапан 17 закрывают, открывают клапан 16 и воздух на холодную сторону испытываемого теплообменника 10 поокачивают через технологический тепло- 10 обменник 13. При этом по горячей стороне теплообменника 13 пропускают воздух с выхода из теплообменника 10 по горячей стороне, для чего клапан 14 закрывают и открывают клапан 15. 15

При такой схеме включения теплообменников 13, 10 и нагревателя 11 тепло, затрачиваемое на нагрев рабочего тела, максимально регенерируется, что снижает знергозатраты, кроме того, разница сред- 20 ней температуры по горячей и по холодной сторонам теплообмен ника 10 легко удерживается в заданных пределах (20, 40 ) при увеличенных вплоть до 800-1000 С рабочих температур теплоносителя. 25

При проведении испытаний регулируют мощность, срабатываемую нагревательным элементом 12, а также подачу воздуха G нагнетателем 2 таким образом, чтобы разница средней температуры по горячей и по 30 холодной сторонам теплообменника 10 составила величину от 20 до 40 .

Среднеарифметрический температурный напор в теплообменнике 10 при этом равен 35

Л Т = 1/2 ((Тз - Т2) + (T4 - Т1)) я т °

Поправочный коэффициент îä1. учитывает перекрестный ток рабочего тела. Учи- 40 тывая, что расходы через горячую и холодную стороны теплообменника 10 одинаковые и теплоемкости примерно равны (малая разница средних температур по горячей и холодной сторонам), то из теплового 45 баланса

Q = G Срт(ТЗ T4) = GxCpx(T2 Т1) следует, что разница температур 50

Тз-T2 = T4-Т1, Коэффициент теплопередачи в общем виде записывается следующим образом

1(1 +д 2

I,i Fx ox Рх + Рг

+ 1 ) 1 аг г г ог

Термическим сопротивлением стенки теплопередающей поверхности можно пренебречь, т.к. величина д/Я = 5 10 на три порядка меньше 1/а =2,5 10 . Учитывая, что площади живого сечения каждой стороны и профили их каналов равны и идентичньь то и площади поверхностей теплообмена равны (Fx = Ег). Следовательно, а

В.уравнении у0х = 0г - коэффициенты термической эффективности теплообменных поверхностей по холодной и горячей сторонам равны (отличие в третьем знаке после запятой), тогда х -1 к=а.у,.(1 + — )

Представив соотношение ах/аг в следующем виде а„4 d, NU, А, (6, d<, S)" аг Я» d» КЦг Ж IG» dr px Sx)

С учетом принятых допущений, получим

Здесь n — показатель степени в зависимости, обобщающей значения коэффициента теплоотдачи в виде степенной функции от числа Рейнольдса. Учитывая, литературные данные, в которых исследовались аналогичные теплообменные поверхности, и принимается в первом приближении равным 0,7.

Отличие нового значения показателя степени от 0,7 определяют методическую погрешность заявляемого способа.

Известно, что показатель степени п в зависимости от режимных параметров может изменяться в пределах от 0,33 до 0,85.

Следовательно, максимальное отличие искомого показателя степени от 0,7 не превышает 0,37. Приняв температурный напор

h. Т равны 300, с учетом изменения теплофизических свойств и их погрешностей по каждой стороне методическая погрешность (см. формулу для Ьф/ф) будет равна 0,98%, при этом погрешность определения коэффициента теплоотдачи составляет 2,9%.

Окончательно расчетная зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи, с учетом преобразования, выглядит следующим образом

1778657

Номе ежима

116

232

076

108

218

0,12

0,16

0,05

0,1

0,2

2,0

0,98

5,0

0,93

2,2

0,95

1,7

1,0

1,4

1,5

2,9

3,0

2,9

5,0

6,0 а, = — (1 + Д ® j .

Таким образом, в сравнении с прототипом, значительно снижаются требования к точности измерительных приборов, упрощается экспериментальная установка, уменьшается установленная мощность нагревателей установки, что снижает затраты на исследовательские работы. В то же время повышается представительность экспериментов за счет уменьшения до 1% методической погрешности.

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициента теплоотдачи путем нагрева теплоносителя и прокачки его через исследуемый рекуперативный теплообменник, измерения температуры теплоносителя на входе и выходе каждой стороны теплообменника и последующего установления коэффициента теплоотдачи по результатам измерений, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и снижении энергозатрат при выполнении теплообменных поверхностей исследуемого теплообменника идентичными, теплоноситель пропускают последовательно через холодную и горячую стороны теплообменника, а его наНаименование параметра

Расход воздуха, кг/с

Температурный напор, град

Погрешность определения температурного напора, %

Методическая погрешность, Ьфlф

Погрешность определенйя коэффициента теплоотдачи грев осуществляют после выхода из холодной стороны последнего, поддерживая разницу средних температур по горячей и холодной сторонам теплообменника в пре5 делах 20 — 40 .

2. Экспериментальная установка для определения коэффициента теплоотдачи, содержащая контур с теплоносителем, снабженный нагревателем, теплообменни10 ками, нагнетателем, расходной емкостью, измерителями давления, температуры и расхода, а также трубопроводами и арматурой, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности и снижения

15 энергозатрат при выполнении теплообменных поверхностей исследуемого теплообменника идентичными, выход теплоносителя из исследуемого теплообмен ника по холодной стороне подключен к входу того же теплооб20 менника по горячей стороне через нагреватель.

3,Установка по п.2, отл и ч а ю ща яс я тем, что на входе холодной стороны исследуемого теплообменника дополни25 тельно установлен технологический теплообменник, вход горячей стороны которого подключен к выходу из горячей стороны исследуемого теплообменника, а холодные стороны обоих теплообменников соедине30 ны последовательно.

1778657

Составитель А. Наганов

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор А. Мотыль

Редактор

Заказ 4189 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул.Гагарина, 1п1