Сопротивление контакта трубка-воротник-ребра в современных трубчато-пластинчатых теплообменниках

Термическое сопротивление контакта трубка — воротник ребра в современных трубчато-пластинчатых теплообменниках необходимо для оценки значений коэффициентов сопротивления контакта Ск при определении коэффициентов теплоотдачи к воздуху в калориферах [1,2]. Внутреннюю и наружную поверхности теплообменников обычно снабжают элементами, снижающими термическое сопротивление на стороне обеих обменивающихся теплом сред. На внутренней поверхности труб выполняют рифление различной геометрии, вставляют в трубы витые ленты или профили, а поверхность ребер выполняют волнистой, гофрированной, с просечками. Как следствие, вклад термического сопротивления контакта трубка-воротник ребра Rc в общее термическое сопротивление должен возрастать на фоне снижения термических сопротивлений на стороне воздуха и второй среды. Поэтому величину сопротивления контакта трубка-воротник ребра необходимо знать и учитывать в расчетах современных теплообменников.


В отечественной литературе представлены сведения о коэффициенте сопротивления контакта Ск в зависимости от степени оребрения наружной поверхности теплообменника. Наибольшее значение Ск = 0,7—0,86 соответствует степени оребрения φк = 10 2, с. 72 . С 90-х гг. прошлого века в России начали изготавливать трубчато-пластинчатые теплообменники на более высоком качественном уровне 3 . Используются медные трубки с калиброванным внутренним диаметром и суженным допуском на толщину стенки, применяются современные ламельные штампы и ламельные прессы для изготовления ребер. Точность изготовления трубок и ребер такова, что натяг в соединении каждого воротника ребра с поверхностью всех трубок стабилен и составляет от 10 до 120 мкм. К таким теплообменникам приводимые в [2 данные о сопротивлении контакта не применимы. Поиск и анализ данных зарубежных исследователей по этому вопросу привел к следующим результатам.


При этом определялись абсолютные значения термической проводимости контакта hc = 1/Rc для теплообменников с медными трубками и алюминиевыми ребрами, либо относительные значения сопро-тивления контакта в общем термическом сопротивлении теплообменника, либо косвенные зависимости для вычисления термической проводимости контакта.


Значения термической проводимости контакта hc зависят от условий проведения экспериментов и отличаются у разных авторов примерно в 5,4 раза за некоторыми исключениями. Авторы указывают на существенную зависимость проводимости контакта от геометрических факторов: величины натяга, отклонения формы контактирующих поверхностей от цилиндричности, шага и толщины ребер, диаметра трубок, наличия воротников у ребер. С 2003 г. появились исследования, в которых выявлена зависимость контактной проводимости от типа ребер (плоские, с жалюзи, с широкими жалюзи) и типа трубок (с гладкой или рифленой внутренней поверхностью). Имеет значение состояние контакта и поверхностей: сухой контакт в вакууме, в воздухе, контакт, заполненный влагой, инеем, состояния поверхности (чистые, окисленные или с покрытиями). Поскольку величина натяга в условиях теплопередачи зависит от температурных деформаций, а те в свою очередь — от распределения температур в цилиндрических оболочках и по высоте ребер, в некоторых работах указывают на зависимость проводимости контакта от материала трубы и ребра, режима работы (нагрев или охлаждение воздуха), величины тепловой нагрузки. Исследования позволили установить аналитические соотношения для термической проводимости контакта от влияющих факторов. Первоначально в формулах учитывали зависимость только от геометрических факторов. Позже появились попытки учесть контактное давление, микротвердость и шероховатость поверхностей, наличие жалюзи и покрытия на ребрах. Большинство формул для расчета проводимости цилиндрических контактов оребренных трубок — эмпирические, применимы только к определенным сочетаниям материалов с определенными геометрическими параметрами 4 . В работе 4, с. 27-28,40 представлены некоторые формулы, полученные в 1960-1989 г., расчеты по этим формулам сравниваются с данными опытов.


В большинстве исследований изготавливался образец, состоящий из одного ребра и нескольких трубок. Он помещался в камеру с теплоизолированными стенками. Как правило, в камере поддерживали вакуум. Таким образом теплообмен ребра со стенками посредством излучения и конвекции сводился к пренебрежимо малому значению. К одним трубкам подводили горячую воду, к другим — холодную. Тепловая мощность, переданная от горячей воды к холодной вдоль ребра теплопроводностью, вычислялась по измеренным расходам и перепадам температур воды. Значение тепловой мощности использовалось для расчета термической проводимости контакта. Распределение горячих и холодных зон в ребре образца, на наш взгляд, совершенно не соответствует таковому в реальном теплообменнике, к тому же продуваемом воздухом. Ребро образца и ребро реального теплообменника испытывают раз¬личные температурные деформации, по-разному влияют на натяг и давление в месте контакта трубок с воротниками ребра. В результате определенные экспериментально значения термической проводимости контакта должны отличаться от существующих в теплообменниках.


Только в 1994 г. в работе 5, с. 13 был сделан вывод, что изучение контактного сопротивления пластин без учета теплопередачи конвекцией с поверхностей пластины неприемлемо для трубчато-пластинчатых теплообменников. Активизировался поиск других способов определения термической проводимости контакта трубка — воротник ребра. Новые методы предложены в работах 6-9 .


В работе 8 использовали экспериментально-численный метод для определения контактного сопро-тивления. Опыты проводили в условиях вакуума на теплообменниках, в которых количество трубок с холодной и горячей водой было одинаковым.


В работе 10 и некоторых других, теплообменники находились в условиях вынужденной конвекции, что обеспечивало реальное распределение температур в ребрах. К сожалению сведения о фактической величине теплового сопротивления контакта трубка-воротник ребра не выложены в Интернете. Однако можно оценить тепловое сопротивление контакта в реальных условиях по данным о его доле в общем сопротивлении. Данные взяты из исследований теплообменников, изготовленных по современным технологиям. Авторы работы 10 утверждают, что контактное сопротивление механически закрепленных пластин составляет 12,5 % от сопротивления конвективному теплопереносу на стороне воздуха. Вработе 8 авторы оценивают долю контактного сопротивления в общем сопротивлении в 10-20 % (вакуум) с перспективой возможного уменьшения в условиях вынужденной конвекции.


При исследовании коэффициентов теплоотдачи в воздушных трубчато-пластинчатых калориферах 1 было принято на основании указанных данных, что доля сопротивления сухого контакта составляет 10 % от сопротивления конвективному теплопереносу на стороне воздуха. Это значение соответствует коэффициенту сопротивления контакта Ск = 0,9. Для влажного контакта принято значение Ск = 0,98 согласно 2, с. 72 . Правомочность использования значения Ск = 0,9 для сухого контакта и Ск = 0,98 для влажного контакта подтверждена тем, что в режимах сухого охлаждения средние квадратичные отклонения коэффициентов теплоотдачи воздуха, вычисленных по 1 , от экспериментальных не превысили 3-4 %.


Список литературы


1. Емельянов А. Л., Кожевникова Е. В. Исследование коэффициентов теплоотдачи в воздушных трубчато-пластинчатых калориферах //Холодильная техника. 2011. № 7. С. 40-43.


2. Теплообменные аппараты холодильных установок / Под общ. ред. Г. Н. Даниловой. Л.: Машино-строение, 1986. 303 с.


3. Емельянов А. Л., Кожевникова Е. В., Лопаткина Т. А. Трубчато-пластинчатые теплообменники // Вестник международной академии холода. 2010. № 4.


4. Ayers G. H. Cylindrical Thermal Contact Conductance. Thesis / Arizona State University, 2003.186 с. URL: http://repository.tamu.edu/bitstream/handle/1969.1/88/etd-tamu-2003B-2003070514-AYER-1.pdfsequence=1 (дата обращения 12.06.2011).


5. McGill R. O., Clausing A. M. Influence of Macroscopic Heat Flow Constrictions on the Performance of Fin/Tube Heat Exchangers / Air Conditioning and Refrigeration Center University of Illinois, 1994. 83 с. URL: http://www.ideals.illinois.edu/bitstream/handle/2142/10767/TR064.pdf?sequence=2 (дата обращения 12.06.2011).


6. Huang M. M. Contact Resistance of Round Tube and Plate Heat Exchangers Using Finite Element Analysis, M. Phil. Thesis / Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, University Brighton, United Kingdom, 1994.


7. Huang C.-H., Hsu G.-C., Jang J.-Y. A nonlinear inverse problem for the prediction of local thermal contact conductance in plate finned-tube haet exchangers // Heat and Mass Transfer, 37 (2001). Pp. 351-359.


8. Kim C. N, Jeong J., Youn B., Kil S. H. An Experimental-Numerical Evaluation of Thermal Contact Conductance in Fin-Tube Heat Exchangers // JSME International Journal, Series B. Vol. 46. No. 2, 2003.


9. Tang D., Li D, Peng Y., Du Z. Study on evaluation method of tube-fin thermal contact conductance // Journal Mechanical Engineering Science, 2010.


10. Critoph R. E, Holland M. K., Turner L. Contact Resistance in Air-Cooled Plate Fin-Tube Air-conditioning Condensers // International Journal of Refrigeration, Vol. 19. 1996. № 6. Pp. 400-406.

Теги: теплообменные аппараты 31 Января 2014
Комментарии 0

Комментариев пока нет