Способ определения коэффициента теплоотдачи и экспериментальная установка для его осуществления

31, ф 1 В т; фф:М СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕспуБлик 5)5 6 01 М 25 Б ТЕН К АВТОРСК ИДЕТЕЛ ЬСТ Изобре тальной те касается у ределения обменных пластинча ергетических уста щих технологий с гателями получили нение эффективные аты с развитыми плаи поверхностями,но ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Институт ядерной энергетики АН БССР (72) С,В. Черноусов, Б.В. Ложкин, Ю.Д. Ильюхин, А,В. Наганов и Ю.И. Зиноков (56) Резников Г,В. 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 М 414510, кл, 6 01 М 9/00, 1972.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТАТЕПЛООТДАЧИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Назначение: экспериментальная техника, теплообмен в рекуперативном тептение относится к эксперименхнике изучения теплообмена и совершенствования средств оптепловых характеристик тепло- аппаратов, преимущественно то-ребристых рекуперативного При создании эн вок и энергосберегаю зовыми теплоноси широкое распростра теплообменные аппар стинчато-ребристыми 9),Лиц 1 778657 А 1 лообменнике со сложнои 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 изменание свойств теплоносителя, при этом, регулируя мощность в нагревательном элементе и величину подачи воздуха нагнетателем, поддерживают разницу средних температур по горячей и холодной сторонам.теплообен ника в пределах 20 - 40 О. 2 с, и 1 з.и. ф-л ы,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-ре 1778657бристые, 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 кг/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 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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, циркуля- тором, 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 теплоотдачи по результатам измерений, теплсноси 1770657тель 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 Мо = Йц(йе) 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 Ке =реп 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 теплообмен йа с 25 30 фФ) х 1 М пЬяхЪ,1 Сх Ф+ - +(ПРгСг и Рг )21 о,5 Ях В формуле и - показатель степени причисле Рейнольдса (при обработке результатов п= 0,7) Ь п - отличие показателя степени, получаемого при обобщении 50 экспериментальных данных, от 0,7. Из формулы видно, что с увеличением разницы температур теплоносителей по обе стороны теплообменника методическая погрешность Ь файф возрастает. С уменьшением ее возрастает суммарная погрешность определения коэффициента теплоотдачи иэ-эа роста ЬЬ ГЬТ. Расчетным путем установлено, что в диапазоне ЬТ 20 - 40 методическая погрешность Ьфlф не превышает 1% при достаточно низкой погрешности оп 5 10 15 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 толью 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 ЬЬТГЬТ, а также и погрешности расчета коэффициента ф, отражающего изменение теплофизических свойств теплоносителей от температуры на разных сторонах теплообменника. Он рассчитывается так; огрешность его определения:ределения а (не более 30/,), что также подтверждено экспериментально (см. таблицу).Из таблицы. видно, что при Л Тс 20 К возрастает погрешность определения температурного напора и суммарная погрешность расчета коэффициента, а при Л Тт 40 К увеличивается методическая погрешность. Принятие таким значения ЛТ позволяет снять требование о прецизионности измерений температур теплоносителя, 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 в 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 теплообменник 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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. чертек),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 в 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 Т 4 измеряют датчиком 9, По холодной стороне температуру на входе Т 1 и на выходе Тгизмеряют соответственно датчиками 6 и 7,давление воздуха Р - датчиком 5.Когда рабочая температура на входе холодной стороны обьекта увеличена, чтобыизбежать установки на входе нагревательНого элемента и соответственно снизитьэнергозатраты, клапан 17 закрывают, открывают клапан 16 и воздух на холоднуюсторону испытываемого теплообменника 10поокачивают через технологический теплообменник 13. При этом по горячей сторонетеплообменника 13 пропускают воздух с выхода из теплообменника 10 по горячей стороне, для чего клапан 14 закрывают иоткрывают клапан 15, 15При такой схеме включения теплообменников 13, 10 и нагревателя 11 тепло,затрачиваемое на нагрев рабочего тела,максимально регенерируется, что снижаетзнергозатраты, кроме того, разница средней температуры по горячей и по холоднойсторонам теплообмен ника 10 легко удерживается в заданных пределах (20, 40 ) приувеличенных вплоть до 800-1000 С рабочихтемператур теплоносителя. 25При проведении испытаний регулируютмощность, срабатываемую нагревательнымэлементом 12, а также подачу воздуха 6нагнетателем 2 таким образом, чтобы разница средней температуры по горячей и по 30холодной сторонам теплообменника 10 составила величину от 20 до 40 О,Среднеарифметрический температурный напор в теплообменнике 10 при этомравен 35Д Т = 1/2 ЕТЗ - Т 2) + (Т 4 - Т 1) етПоправочный коэффициент ят учитывает перекрестный ток рабочего тела. Учи 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 балансаО = ОГ Срт(ТЗ Т 4) = ОхСрх(Т 2 Т 1)следует, что разница температур 50Тз - Т 2 = Т 4 - Т 1Коэффициент теплопередачи в общемвиде записывается следующим ббразом1 1 +д 2х РхохЕх+Ег1 )-1аг г/ог Термическим сопротивлением стенки теплопередающей поверхности можно пренебречь, т.к. величина д/Я = 510на три порядка меньше 1/ах =2,5 10, Учитывая, что площади живого сечения каждой стороны и профили их каналов равны и идентичны. то и площади поверхностей теплообмена равны (Ех = Ег). Следовательно,аВ.уравнении уох =рг- коэффициенты термической эффективности теплообменных поверхностей по холодной и горячей сторонам равны (отличие в третьем знаке после запятой), тогдаПредставив соотношение ах/аг в следующем видеах 4 б, КЦ, А,О.Арг Яг"аг Я б КОг Ж бг бг х ЯхС учетом принятых допущений, получимЗдесь и - 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 и 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 Д Т равны 30 О, с учетом изменения тепло- физических свойств и их погрешностей по каждой стороне методическая погрешность см. формулу для Дф/ф) будет равна 0,98 оь, при этом погрешность определения коэффициента теплоотдачи составляет 2,9 О.Окончательно расчетная зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи, с учетом преобразования, выглядит следующим образом0,0520 0,1ЗО 0,2 40 2,00,98 5,0093 2,20,95 1,7 1,0 1,4 1,5 2,9 3,0 2,9 5,0 6,0 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 щ и й с я 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/сТемпературный 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 пре делах 20 - 40.2. Экспериментальная установка дляопределения коэффициента теплоотдачи, содержащая контур с теплоносителем, снабженный нагревателем, теплообменни ками, нагнетателем, расходной емкостью,измерителями давления, температуры и расхода, а также трубопроводами и арматурой, о т л и ч а ю щ а я с я 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 теплооб менника по горячей стороне через нагреватель.З,Установка по п.2, отл и ч а ю ща яс я тем, что на входе холодной стороны исследуемого теплообменника дополни тельно установлен технологический теплообменник, вход горячей стороны которого подключен к выходу из горячей стороны исследуемого теплообменника, а холодные стороны обоих теплообменников соедине ны последовательно.1778657 оставитель А. Нагановехред М,Моргентал Корректор А. Мотыль актор роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 4189 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5