Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСІТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ

ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА

УДК 621.565.945:629.12

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ТЕПЛОВОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ПОВІТРООХОЛОДЖУВАЧІВ СУДНОВИХ СИСТЕМ РЕФРИЖЕРАЦІЇ

Спеціальність 05.08.05 - Суднові енергетичні установки

ЛИТОШ ОЛЕНА ВАДИМІВНА

Миколаїв - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв.

Наукові керівники:

Захаров Юрій Васильович, Заслужений діяч науки УРСР, доктор технічних наук, професор, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри кондиціонування та рефрижерації;

Радченко Микола Іванович, доктор технічних наук, професор, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, професор кафедри кондиціонування та рефрижерації, м. Миколаїв.

Офіційні опоненти:

Федоровський Костянтин Юрієвич, доктор технічних наук, професор, Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедри енергоустановок морських суден та споруд;

Димо Борис Васильович, кандидат технічних наук, професор, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри технічної теплофізики та суднових паровиробних установок, м. Миколаїв.

Захист відбудеться "23" жовтня 2007 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.02 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9.

Автореферат розісланий 15 вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Б.Г. Тимошевський.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Специфікою експлуатації рефрижераторних суден є транспортування швидкопсувних вантажів, збереження яких пов'язане зі значними енергетичними витратами. На суднах такого типу витрати палива на функціонування систем рефрижерації (СР) порівнянні з його споживанням судновою енергетичною установкою (СЕУ) на забезпечення ходу судна. На рибопереробних суднах, які за вантажомісткістю складають третину рефрижераторного флоту України, СР споживають енергію, що відводиться валогенераторами від головних двигунів (ГД) і становить близько половини потужності ГД. У цьому випадку споживання палива ГД і відповідно СЕУ прямо залежить від функціонування систем рефрижерації.

Ефективність роботи СР визначається енергетичними втратами через зовнішню незворотність, обумовленими кінцевими різницями температур в охолоджуючих пристроях - хладонових повітроохолоджувачах (ПО), котрі, в свою чергу, залежать від ефективності робочих процесів у системах і, насамперед, теплопереносу між охолоджуваним повітрям та киплячим хладоном. Інтенсифікація цих процесів і, як наслідок, зменшення різниці температур, з одного боку, забезпечують підвищення температури кипіння в рефрижераторному циклі та, відповідно, скорочення витрат електроенергії, що споживають компресори (при заданій температурі повітря), а з іншого, - зниження температури повітря (при незмінній температурі кипіння), що дозволяє скоротити енергетичні витрати на його циркуляцію, тобто на привід повітряних вентиляторів. В обох випадках зменшення витрат електроенергії сприяє раціональному споживанню паливно-енергетичних ресурсів судном у цілому і СЕУ зокрема. суднова рефрижерація теплообмін

До суднових ПО висуваються підвищені вимоги з компактності. Задача створення компактних ПО в загальному випадку вирішується шляхом застосування оребрення з малим кроком. Суднові СР, зокрема, провізійних камер, обладнують ПО з трубно-пластинчастою поверхнею (ТПП) і примусовою циркуляцією повітря. Дослідженню теплообміну на ребристій поверхні та оптимізації таких ПО присвячена низка робіт, і, насамперед, А.А. Гоголіна, С. В. Рижкова, Б.В. Димо, Т.С. Гачилова, В.С. Іванової та інших. Але більшість результатів отримана для поверхонь із кроком ребер не більше 2,5...3 мм. В той же час специфіка експлуатації суднових СР пов'язана з низькотемпературними режимами охолодження, при яких через висадження інею з охолоджуваного повітря, зменшення прохідного перерізу міжреберних каналів, відповідно підвищення аеродинамічного опору та енергетичних витрат на циркуляцію повітря, необхідно збільшувати крок оребрення. Роботи ж із дослідження впливу кроку ребер на теплові характеристики ПО в характерному для суднових СР діапазоні його значень (3,5...6 мм і більше) практично відсутні. Тому для суднових ПО задача вибору раціонального кроку, що забезпечує їх високу теплову ефективність, а отже і мінімальні енергетичні втрати стоїть досить гостро.

Не менш важливою є і спряжена задача - дослідження внутрішнього теплообміну при кипінні хладону в характерному для суднових СР діапазоні температур від мінус 40 до 0 єС. При теплових розрахунках ПО зазвичай користуються даними з коефіцієнтів тепловіддачі до хладону R22, отриманими при відносно високих температурах кипіння, що відповідають режимам експлуатації систем кондиціонування повітря (СКП): від мінус 10 до плюс 20 єС (С. М. Богданов, Б. Пієрре, Левін і Йонг). Процес же кипіння R22 в горизонтальних трубках низькотемпературних повітроохолоджувачів (НПО) відбувається при режимах течії, відмінних від кипіння в ПО СКП. Не досліджено також вплив присутності в холодоагенті мастила на коефіцієнт тепловіддачі.

Сукупність зазначених задач обумовила необхідність вирішення науково-прикладної задачі - одержання експериментальних даних і узагальнюючих їх залежностей для обчислення зовнішнього та внутрішнього теплообміну в ПО при характерних для суднових СР низькотемпературних режимах, удосконалення на їхній основі методів розрахунку теплових характеристик ПО, що дозволяє проектувати більш досконалі ПО, які забезпечують скорочення енергетичних втрат у СР і, в кінцевому підсумку, підвищення ефективності комплексного використання паливно-енергетичних ресурсів на рефрижераторних суднах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наведені в дисертації матеріали використані в науково-дослідний роботі, виконаной у рамках державних науково-технічних програм і напрямків розвитку науки і техніки: Національної науково-технічної програми "Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі", тема "Розробка теоретичних основ концепції суднової тригенерації", НДР № ДР 0106U000828.

В роботі здобувач приймала участь як виконавець.

Об'єктом дослідження є хладонові повітроохолоджувачі суднових систем рефрижерації.

Предмет дослідження - робочі процеси в хладонових повітроохолоджувачах при підвищених кроках ребер і знижених температурах кипіння, характерних для рефрижераторних суден, які визначають енергетичні втрати в системах рефрижерації.

Метою наукового дослідження є підвищення теплової ефективності повітроохолоджувачів суднових СР шляхом інтенсифікації теплообміну, що забезпечує скорочення енергетичних втрат у системах і раціональне використання паливно-енергетичних ресурсів на рефрижераторних суднах.

Основні завдання наукового дослідження:

- одержання експериментальних даних із теплообміну у трубно-пластинчастих ПО при підвищених кроках ребер і знижених температурах кипіння хладону R22, характерних для суднових СР;

- узагальнення дослідних даних із теплообміну у вигляді напівемпіричних залежностей, уточнення на їхній основі методики теплового розрахунку суднових низькотемпературних ПО;

- встановлення закономірностей впливу кроку оребрення на теплові характеристики суднових низькотемпературних ПО;

- реалізація закономірностей, що узагальнюють результати експериментальних досліджень, при проектуванні та в раціональних конструктивних рішеннях удосконалених ПО суднових СР.

Методи дослідження. Задача підвищення теплової ефективності ПО вирішувалась у спряженій постановці - з урахуванням внутрішнього та зовнішнього теплообміну. Експериментальні дослідження теплообміну ТПП низькотемпературних ПО проведено на моделях ПО з використанням теорії подібності. Застосовано комбінований метод випробувань ПО на базі калориметричного методу та методу роздільних навантажень, що забезпечило високу точність експерименту. Фізична модель процесу теплопередачі в ПО із внутрішньотрубним кипінням холодоагенту базувалася на фундаментальних законах переносу тепла, імпульсу і збереження енергії. При аналітичному дослідженні розподілу температури в стінці труби, що обігрівається електричним струмом, задача теплопровідності вирішувалася із застосуванням методів диференційного обчислення.

Наукові результати, які автор захищає, та їхня новизна:

1. Виявлено закономірності впливу кроку ребер на теплообмін у трубно-пластинчастих ПО суднових СР і вперше досліднім шляхом установлена наявність максимума коефіцієнта тепловіддачі в інтервалі кроку ребер 4…6 мм (відповідно в діапазоні відносної висоти міжреберного каналу від 2,0 до 1,3).

2. Реалізація виявлених закономірностей шляхом раціонального проектування хладонових НПО з кроком ребер від 4 до 6 мм забезпечує зростання інтенсивності теплопередачі на 20...30 %, відповідне зменшення енергетичних втрат, обумовлених кінцевою різницею температур у ПО, та скорочення споживання палива СР на 8…10 % та по судну в цілому на 1…3 %.

3. Вперше отримано експериментальні дані з коефіцієнтів тепловіддачі при внутрішньотрубному кипінні R22 при низьких температурах (від - 37 до - 18 °С), що відповідає. режимам роботи суднових СР, та запропонована напівемпірична залежність, яка узагальнює дослідні дані та враховує вплив мастила на тепловіддачу при кипінні.

4. Запропоновано аналітичні рівняння для розподілу температури в стінці труби та температурного напору між стінкою і холодоагентом з урахуванням залежності коефіцієнтів теплопровідності та питомого електричного опору матеріалу труби від температури, що дозволяють більш точно узагальнювати дослідні дані з тепловіддачі при кипінні холодоагенту в трубах, які обігріваються електричним струмом.

5. Запропоновано розрахункові залежності для визначення коефіцієнта тепловіддачі від повітря до ТПП при кроці ребер від 3 до 6 мм, характерному для ПО суднових СР.

6. Запропоновані рівняння для обчислення зовнішнього (від повітря до ребристої поверхні) та внутрішнього (при низькотемпературному кипінні холодоагенту) теплообміну використані в уточненій методиці теплового розрахунку ПО, що враховує особливості експлуатації суднових СР (підвищений крок оребрення та знижені температури кипіння).

Достовірність результатів дослідження забезпечена коректною постановкою науково-прикладної задачі дослідження; застосуванням сучасних методів випробувань (комбінованого методу на базі калориметричного методу та методу роздільних навантажень) і необхідною точністю експерименту, дублюванням вимірів основних параметрів; коректним застосуванням фундаментальних фізичних законів і методів диференційного обчислення при розв'язанні рівнянь теплопровідності; задовільним узгодженням розрахункових і дослідних даних.

Наукове значення мають наступні результати дослідження:

- експериментальні дані з теплообміну трубно-пластинчастих поверхонь ПО при різному кроці ребер, а також із тепловіддачі при внутрішньотрубному кипінні R22 і низьких температурах;

- узагальнене рівняння для визначення коефіцієнта тепловіддачі від повітря до ТПП при кроці ребер від 3 до 6 мм, характерному для ПО суднових СР;

- закономірності впливу кроку оребрення на інтенсивність тепловіддачі ТПП суднових низькотемпературних ПО;

- аналітичні рівняння для розрахунку розподілу температури у стінці труби, яка обігрівається електричним струмом, що проходить нею, з урахуванням залежності фізичних властивостей матеріалу труби від температури.

Практичну цінність становлять:

- методика розрахунку теплових характеристик хладонових ПО суднових систем рефрижерації;

- розрахункові залежності для врахування впливу мастила на інтенсивність тепловіддачі при кипінні R22 у трубах ПО;

- рекомендації з проектування вдосконалених суднових низькотемпературних ПО.

Використання результатів роботи. Основні результати роботи використані організаціями, що проектують і виготовляють суднові ПО: ЦНДіПІ "Тайфун", м. Миколаїв, при проектуванні ПО для провізійних камер і

трюмних ПО (методика та програма теплового розрахунку ПО); АТВТ "Завод "Екватор", м. Миколаїв, випускаються ПО з раціональним кроком оребрення, що розраховується за розробленою автором методикою.

Конкретна особиста участь автора в одержанні наведених у дисертації наукових результатів полягає в узагальненні експериментальних даних із тепловіддачі ТПП суднових ПО у вигляді розрахункових залежностей; уточненні методики теплового розрахунку ПО; одержанні аналітичного виразу для розрахунку розподілу температур у стінці труби, яка обігрівається електричним струмом, що проходить нею, з урахуванням залежності фізичних властивостей матеріалу труби від температури; виявленні закономірності впливу кроку оребрення на теплові характеристики ПО; одержанні розрахункової залежності для врахування впливу мастила на інтенсивність тепловіддачі при кипінні R22 у трубах ПО; розробці рекомендацій з проектування вдосконалених суднових низькотемпературних ПО.

Апробація роботи. Основні результати роботи апробовані на міжнародній науково-технічній конференції "Безпека мореплавання та її забезпечення при проектуванні та будівництві суден" (Миколаїв, 2001 р.); 3^й міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми енергозбереження й екології в суднобудуванні" (Миколаїв, 2002 р.); міжнародних науково-технічних конференціях "Сучасні проблеми холодильної техніки і технології" (Одеса, 2001, 2002, 2003 і 2005 рр.); міжнародній конференції "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво" (Миколаїв, 2002 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковані 14 друкованих наукових праць, у тому числі 8 статей у наукових спеціалізованих виданнях (без співавторів 1), 6 тез доповідей.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів і висновків. У додатках наведені протоколи випробувань, документи, що підтверджують впровадження основних результатів дослідження.

Обсяг дисертації становить 171 сторінка машинописного тексту і 39 сторінок додатків, 44 рисунки і 12 таблиць. Бібліографія містить 127 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Виконаний у розділі 1 аналіз статей витрати паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР) на суднах рефрижераторного флоту показав, що в залежності від призначення судна на виробництво холоду витрачається 20...30 % палива, яке споживається в цілому по судну. Наведені дані свідчать про наявність значних резервів раціонального використання ПЕР, реалізація яких пов'язана з підвищенням ефективності виробництва холоду.

На деяких основних типах суден, зокрема, рибообробних суднах, які за вантажомісткістю складають третину всього рибопромислового флоту, робота СР здійснюється за рахунок енергії, що відводиться валогенераторами від головних двигунів (ГД) і складає 30…70 % потужності ГД, яка витрачається на забезпечення ходу. При цьому ефективність витрати палива ГД СЕУ прямо залежить від роботи СР. Ілюстрацією до сказаного є схема енергопостачання СР на рибопереробних суднах типу "Антарктида" (з валогенераторами), наведена на рис. 1. Таким чином, з урахуванням зв'язку з ГД СЕУ по джерелу споживаної енергії, а також значних обсягів палива, що споживається, СР правомірно віднести до основних енергетичних систем рибопромислових суден, робота яких значною мірою визначає, наскільки раціонально витрачається паливо на судні в СЕУ, оскільки не можна вважати ефективною роботу СЕУ, якщо вироблена в ній енергія використовується нераціонально.

Рис. 1. Схема енергопостачання систем рефрижерації на рибообробних суднах типу "Антрактида"

Аналіз умов експлуатації та практики проектування суднових трюмних ПО і ПО провізійних камер, результатів теоретичних і експериментальних досліджень теплообміну в них показав, що для ТПП суднових ПО вибір раціонального кроку недостатньо обґрунтований, оскільки відсутні дані з його впливу на теплові характеристики ПО. Окрім того, відсутні експериментальні дані з коефіцієнтів тепловіддачі, які могли б служити критерієм обґрунтованого вибору залежностей для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при температурі кипіння до - 40 єС.

Обґрунтування напрямку і методів дослідження, а також гіпотези вирішення задачі підвищення ефективності суднових НПО наведено в розділі 2. Відповідно до цієї гіпотези енергетично ефективна і надійна робота НПО можлива шляхом раціональної організації процесів внутрішнього та зовнішнього теплообміну, що забезпечує максимальну інтенсивність теплопередачі, а також конструктивного їхнього удосконалювання: оптимізацією кроку ребер з урахуванням реальних умов експлуатації, зокрема, впливу наявності мастила в холодоагенті на тепловіддачу при кипінні. В результаті був обґрунтований напрям та методи, об'єкт і предмет, сформульовані мета та завдання дослідження.

У розділі 3 наведені результати експериментального дослідження теплообміну на зовнішніх поверхнях ПО. Як об'єкт використані суднові ПО з уніфікованої ТПП(трубка мідна 10х 1 мм, крок трубок по висоті 25 мм, по глибині - 21,6 мм, оребрення виконано з мідних пластин товщиною 0,2 мм, насаджен на десять і шість трубок). Було випробувано вісім ПО з різним кроком ребер: 1,4; 1,8; 2,2; 2,8; 3,0; 4,3; 5,3 і 6,2 мм (рис. 2). Для виміру середньої температури поверхні в кожному ПО було встановлено по дев'ять хромель-копелевих термопар (ТХК).

Випробування проводили на спеціальному стенді ВАТ ЦНДіПІ "Тайфун" для досліджень теплообмінних поверхонь. Стенд дозволяє визначати основні теплові характеристики ПО методом роздільних навантажень, що забезпечує високу точність, проводити доведення теплообмінної поверхні з метою досягнення оптимальних геометричних і режимних параметрів. Похибка визначення теплових характеристик не перевищує ±3…5 %.

Дослідження показали, що коефіцієнт тепловіддачі б_п залежить від масової швидкості повітря с_вw_в у живому перерізу ПО (рис. 3). Так, при збільшенні с_вw_в від 2 до 12 кг/(с·м ²) величина б_п зростає більш ніж у 3 рази. Окрім того, на б_п істотний вплив здійснює крок ребер S_р. Встановлено, що з підвищенням S_р від 1,4 до 3 мм значення б_п помітно зростають (в 1,1...1,4 рази). Подальше ж збільшення S_р від 4,3 до 6,2 мм супроводжуєть-ся уповільненням зростання б_п і навіть його зниженням: при кроці ребер 6,2 мм величина б_п має менші значення, ніж при S_р = 5,3 мм, а при с_вw_в більш 9 кг/(с?м ²) - навіть нижче, ніж при S_р = 4,3 мм (див. рис. 3), що свідчить про існування певного раціонального значення S_р, якому відповідає максимальна величина _п.

Підтвердженням існування максимумів коефіцієнта тепловіддачі б_п від повітря до зовнішньої ребристої поверхні ПО є його залежності від кроку ребер S_р і відносної висоти міжреберного каналу h_p/(S_{p -} д_p), наведені на рис. 4 для різних швидкостей w_в набігаючого повітряного потоку. Як видно з рис. 4, а, зі збільшенням S_р від 1,4 до 4,3 мм коефіцієнт тепловіддачі б_п зростає з 18 до 32 Вт/(м ²·К) при швидкості набігаючого потоку повітря w_в = 1 м/с і з 80 до 140 Вт/(м ²·К) - при w_в = 6 м/с, тобто майже в 1,8 рази. Темпи росту б_п тим вищі, чим більше w_в. В інтервалі S_р від 4,3 до 6,3 мм величина б_п змінюється незначно, досягаючи свого максимуму при S_р = 5...5,3 мм. Це спостерігається у всьому діапазоні зміни швидкості w_в. Екстремальний характер зміни б_п ще більш чітко виражений у випадку наведення залежності б_п від відносної висоти міжреберного каналу h_р/(S_р - д_p). З рис. 4,б видно, що коефіцієнт тепловіддачі б_п досягає свого максимуму приблизно в діапазоні значень h_р/(S_р- д_p) = 1,3...2,2, причому це спостерігається у всьому інтервалі зміни швидкостей (від 1 до 6 м/с).

Рис. 4, а. Залежність коефіцієнта тепловіддачі б_п від кроку ребер S_р (а) і відносної висоти міжреберного каналу h_p/(S_p-д_p) (б) при швидкості набігаючого повітряного потоку w_в: 1 - w_в = 1,0 м/с; 2-1,5 м/с; 3-2,0 м/с; 4-2,5 м/с; 5-3,0 м/с; 6-3,5 м/с; 7-4,0 м/с; 8-5,0 м/с; 9-6,0 м/с

Такий характер зміни б_п можна пояснити в такий спосіб. При малому кроці ребер S_р швидкість повітря по висоті ребра нерівномірна: в основі ребра вона нижче, ніж у вершини. У міру збільшення S_р від 1,4 до 4,3 мм швидкість повітря по висоті ребер вирівнюється, "омивання" ребер повітряним потоком поліпшується й, як наслідок, росте б_п. При наступному збільшенні S_р (від 4,3 до 5,5 мм) наступає стабілізація течії повітря в міжтрубно-реберному просторі. При цьому збурююча дія трубки на повітряний потік практично не проявляється. Подальше збільшення кроку ребер (більше 6 мм) призводить до зростання впливу турбулізуючого ефекту трубок (погіршенню "омивання" ребер) і, як наслідок, деякому зниженню б_п.

Дослідження теплообміну при кипінні R22 у суднових НПО виконано у розділі 4. За дослідний теплообмінник використовували горизонтальну трубу, по якій пропускали струм. Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі до киплячого R22 необхідно знати розподіл температури в стінці труби. Відомі дослідження виходили з припущень, що фізичні властивості матеріалу труби (коефіцієнти теплопровідності та питомого електричного опору) не залежать від температури. Це призводить до значної похибки при обробці дослідних даних. Для вилучення цієї складової похибки виконане аналітичне дослідження, метою якого було встановлення закону розподілу температури в стінці труби, по якій пропущений струм, з урахуванням зміни коефіцієнтів теплопровідності та питомого електричного опору матеріалу труби залежно від температури стінки.

Розподіл температури в циліндричній стінці (за відсутності температурного градієнта уздовж труби) описується рівнянням:

. (1)

Для випадку q_v/л = const і граничних умов r = r₂, t = t₂, (dt/dr)_{r = r}= 0 рішення рівняння (1) має вигляд:

, (2)

де t₁, t₂ - температури внутрішньої та зовнішньої стінки труби відповідно, °С; r₂, r₁- зовнішній і внутрішній радіуси труби, м; q_v - щільність об'ємного тепловиділення (потужність внутрішнього джерела теплоти), Вт/м ³; л -теплопровідність стінки труби, Вт/(м·К).

Розглянемо найбільш загальний випадок, коли коефіцієнти теплопровідності л і питомого електричного опору с змінюються зі зміною температури стінки. Для більшості металів

, .

Тут л ₀ - значення коефіцієнта теплопровідності при t₀= 0 C, Вт/(м·К);

D - температурний коефіцієнт теплопровідності, К^-1; с ₀ - питомий електрич-ний опір матеріалу провідника при t₀= 0C, Ом·м; C - температурний коефіцієнт електричного опору, К^-1.

Тоді рівняння для q_v/л запишеться у вигляді:

, (3)

.

Подамо рівняння (3) у вигляді ряду Тейлора і, обмежуючись двома першими членами, одержимо:

. (4)

Підставимо рівняння (4) у рівняння (1) і, застосовуючи підстановку:

,

одержимо:

, (5)

Рішення рівняння (5) може бути подано у вигляді

, (6)

де с ₁ і с ₂ - постійні інтегрування; (mr), (mr) - функції Бесселя нульового порядку першого і другого роду відповідно.

Після визначення постійних с ₁ і с ₂ за умови, що вся теплота передається через внутрішню поверхню труби, підстановки їх у рівняння (6), виконання зворотньої підстановки, нескладних перетворень і вважаючи, що в цьому рівнянні r = r₁ і t = t₁, визначимо температурний напір у стінці труби:

, (7)

.

Розрахунки показують, що без урахування залежності л і с від температури похибка при визначенні температурного напору в стінці труби становить майже 50 %.

Подальші аналітичні дослідження дозволили одержати вираз для середнього температурного напору між стінкою та холодоагентом по довжині труби:

, (8)

b=2r₁б /(r₂² - r₁²); d= q_v /л (при с = const і л = const);

t₁ і t_а - температура внутрішньої стінки труби та холодоагенту, C; б - коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до холодоагенту, Вт/(м ²·К).

Формула (8) отримана при наступних припущеннях: тепло передається тільки через внутрішню поверхню труби холодоагентом, що рухається; на зовнішній поверхні та торцях труби теплообмін відсутній; коефіцієнт тепловіддачі від труби до холодоагенту постійний по всій її внутрішній поверхні; коефіцієнт теплопровідності матеріалу труби досить великий, а товщина стінки мала в порівнянні з довжиною; це дає підставу вважати, що температура стінки труби міняється лише по її довжині.

Залежність для визначення коефіцієнта тепловіддачі при кипінні R22 усередині труби одержимо, вирішуючи спільно рівняння (7) і (8) з огляду на те, що:

q_v=2q_F r₁ / (r₂² - r₁²):

Отриману залежність (9) застосовували для обчислення експериментального коефіцієнта тепловіддачі при кипінні холодоагенту в трубках суднового НПО.

З метою одержання дослідних даних із тепловіддачі та уточнення розрахункових залежностей були проведені експериментальні дослідження тепловіддачі до холодоагенту R22, що кипить у горизонтальній трубі, включеній у схему холодильної машини, при температурах - 18 і - 37 єС, що відповідають умовам експлуатації суднових систем рефрижерації.

На рис. 5 наведена принципова схема експериментальної установки. Дослідний випарник являв собою горизонтальну мідну трубу діаметром 16х 1 мм і довжиною 1м, яка була вторинною короткозамкненою обмоткою трансформатора. Електричний струм, що проходив по трубі, нагрівав її, і тепло, яке виділялося, передавалося холодоагенту усередині труби. Первинна обмотка трансформатора через ватметр, амперметр і вольтметр підключалася до регулятора напруги. Зміною величини підведеної напруги регулювали потужність і, отже, кількість тепла, яке передавалось внутрішньою поверхнею труби випарника холодоагенту. Ватметром вимірювали всю активну потужність, що споживається трансформатором, включаючи потужність магнітних і електричних втрат.

Для врахування цих втрат була визначена залежність споживаної трансформатором потужності від напруги в режимах холостого ходу і короткого замикання.

Температуру киплячого холодоагенту визначали за показниками зразкових манометрів з ціною розподілу 0,01 кг/см² і 0,025 кг/см² (відповідно для температури кипіння мінус 37 і мінус 18 єС) із дублюванням лабораторними термометрами. Середню температуру зовнішньої поверхні труби випарника визначали методом опору, для чого на трубу був намотаний мідний термометр опору. Величину питомого теплового потоку попередньо розраховували, виставляли і контролювали по ваттметру під час експерименту. Зміну витрати холодоагенту при постійній температурі кипінні здійснювали зміною частоти обертання вала компресора. Концентрація мастила була в межах від 4 до 6 % за об'ємом (3...4 % за масою). Паровміст R22 на вході у випарник при t₀ = - 18 єС був близьким 0,16, а при t₀ = - 37 єС - приблизно 0,21. Максимальний паровміст на виході з дослідного випарника становив 0,65...0,7. Похибка при визначенні середнього коефіцієнта тепловіддачі не перевищувала 5…10 %.

На рис. 6, а наведені результати досліджень у вигляді залежності коефіцієнта тепловіддачі б_а від густині теплового потоку q_Fa. З аналізу

залежності видно, що зі збільшенням масових швидкостей с_аw_а від 42 до 153 кг/(с·м²) при температурі кипіння - 18 єС показник степені при q_Fa зменшується від 0,35 до 0,18. Степінь впливу густини теплового потоку на тепловіддачу пов'язана зі зміною механізму теплообміну, викликаною, у свою чергу, перебудовою структури парорідинної суміші (розшарований, хвильовий і напівкільцевий режими).

Одержані автором експериментальні дані (див. рис. 6, б) задовільно узгоджуються (розбіжність не більше 20 %) з результатами С. М. Богданова і Бо- Пієрре для хвильової та розшарованої течій.

З огляду на ту обставину, що експерименти з тепловіддачі при кипінні проводили для реальних умов експлуатації ПО (при наявності в R22 мастила в кількості від 3 до 4 % за масою), нами за даними інших авторів (К.А. Наумов та ін.) побудований графік залежності відношення коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні за наявності в холодоагенті мастила та чистого холодоагенту (б_{а+масло}/ б_а) від теплового навантаження q_Fа і концентрації мастила о_м (рис. 7). В експериментах теплове навантаження q_Fа змінювалося від 1 до 10 кВт/м ², концентрація мастила в кожній серії експериментів становила 2; 3,5 і 7 % за масою.

З рисунка видно, що при низьких теплових навантаженнях (до 1 кВт) через наявність у холодоагенті мастила коефіцієнт тепловіддачі трохи знижується (відношення б_{а+масло} / б_а менше 1). В міру збільшення навантаження поверхня трубки, що змочується рідиною, зростає і відповідно росте коефіцієнт тепловіддачі, досягаючи максимуму при навантаженні q_Fа = 5 кВт (зростає на 25...40 %).

При подальшому збільшенні навантаження (до 10 кВт) коефіцієнт тепловіддачі трохи знижується, але однаково залишається вище (на 10...20 %), ніж для чистого холодоагенту.

Отримані експериментальним шляхом криві були апроксимовані рівнянням у вигляді багаточлена другого ступеня:

К_м=б_{а+масло}/б_а=(- 0,2о_м-14)·10^-3q_Fа ²+(1,1о_м+178)·10^-3q_Fа+(0,03о_м+0,72), (10),

де К_{м -} коефіцієнт, що враховує вплив мастила.

На рис. 7 апроксимуючі криві нанесені у вигляді трьох пунктирних ліній для концентрацій мастила 2; 3,5 і 7 %. Похибка апроксимації становить від 3 до 10 %, причому більше значення похибки (10 %) відповідає q_Fа = 10·кВт/м².

Для обґрунтованого вибору рівняння, що описує тепловіддачу в зоні пузиркового кипіння, значення середніх коефіцієнтів тепловіддачі, отримані експериментальним шляхом, порівнювалися з розрахованими за рівнянням Г.М. Данилової, оскільки останнє було отримане для умов, близьких до умов проведення наших дослідів. Розбіжність експериментальних і розрахункових значень коефіцієнта тепловіддачі не перевищувала ±20 % (докладніше про вибір рівняння, що описує тепловіддачу при кипінні, див. розділ 5).

Розробка методики теплового розрахунку хладонових ПО суднових СР виконана в розділі 5. Тепловіддачу при обтіканні зовнішньої поверхні оребрених труб при суцільному пластинчастому оребренні описано критеріальним рівнянням у вигляді:

Nu_в = С Re_в^mPr_вⁿ, (11)

де С - константа; m, n - показники степені;

Nu_в=a_пd_э/л_в - критерій Нуссельта;

Re_в=w_вd_э/n_в=w_всd_э/m_в - критерій Рейнольдса;

Pr_в=m_вC_p/л_в - критерій Прандтля;

a_п - коефіцієнт тепловіддачі, віднесений до повної зовнішньої поверхні ПО, Вт/(м²·К); л_в- коефіцієнт теплопровідності повітря, Вт/(м²·К); w_в і (w_в--с_в) - швидкість і масова швидкість повітря в живому перетині ПО (між ребрами та трубками), м/с і кг/(м²·с); n_в і m_в - коефіцієнти кінематичної та динамічної в'язкості повітря, м²/с і Пас; d_э - еквівалентний діаметр живого перетину, м.

На рис. 8 для випробуваних ТО наведена залежність Nu_в від Rе_в при різних d_э (S_р). Були узагальнені результати досліджень для поверхонь із кроком ребер 3, 4,3, 5,3 і 6,2 мм (d_э відповідно становили 4,72·10^-3, 6,44·10^-3, 7,61·10^-3, 8,57·10^-3 м), характерним для суднових систем рефрижерації. В результаті отримані наступні величини показників степені для Re, Pr і c: m = 0,65; n = 0,4; c = 0,155.

Для підрахунку коефіцієнта тепловіддачі критеріальне рівняння (11) необхідно перевести в розмірну форму. Підставляючи замість критеріїв подоби відповідні фізичні величини та вирази для c, m і n, одержимо в остаточному вигляді:

. (12)

На рис. 9,а наведене зіставлення коефіцієнтів тепловіддачі, розрахованих за рівнянням (12) б_п.р і експериментальних. Видно, що розбіжність не перевищує ±10 %.

Розрахунок тепловіддачі при внутрішньо-трубному кипінні проводять у такий спосіб. Обчислюють коефіцієнт тепловіддачі б_а для чистого холодоагенту за формулою Г.М. Данілової з урахуванням конвективної складової:

б_а = б_б.о.(1 + 1,7N), (13)

де б_б.о - коефіцієнт тепловіддачі при кипінні у великому об'ємі,

б_б.о.= 7,5 q_Fа ^0,7(0,14 + 2,2 р ₀/р_кр); р_кр - критичний тиск, Па;

N = Bo/K_р - комплекс, що враховує конвективную складову;

Bo=w--сr/q_Fа;

K_р= р ₀b/у;

r - теплота фазового переходу, Дж/кг; р₀ - тиск кипіння, Па; у - поверхневий натяг, Н/м; g - прискорення сили ваги, м/с; - щільність рідкого та пароподібного холодоагентів, кг/м³;

.

Задаючись величиною q_Fа і о_м, за допомогою рівняння (10) обчислюють значення відношення:

б_{а+масло}/б_а=К_м

і знаходять коефіцієнт тепловіддачі з урахуванням впливу мастила:

б_{а+масло =}·К_м б_б.о.(1 + 1,7N). (14)

На рис. 9, б наведені результати зіставлення експериментальних значень коефіцієнтів тепловіддачі б_оп і розрахованих б_р за наведеною вище методикою. Як видно із графіка, розбіжність експериментальних і розрахункових значень коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні не перевищує ±20 %, що є цілком задовільним.

Методика теплового розрахунку низькотемпературних ПО базується на наступних основних положеннях і припущеннях:

1. Задача стаціонарна: (t/ф) = 0, (q/ф) = 0.

2. Температура кипіння холодоагенту t₀ по довжині труби залишається постійної: t_0(L) = const.

3. Перегрів пари холодоагенту Дt_п у ПО відносно рідини приймається рівним нулю, тобто Дt_п = 0.

Розглядалися граничні умови третього роду, тобто при відомих холодопродуктивності Q₀, температурах повітря t_{в 1}, кипіння t₀, законах теплопередачі (залежностях для розрахунку лінійних щільностей теплових потоків, температурних напорів на теплопровідних шарах, коефіцієнтів тепловіддачі на стороні холодоагенту б_а та повітря б_п) визначалася поверхня теплообміну F_п (при повному розрахунку) або значення температури повітря на виході (при перевірочному розрахунку).

Вхідні параметри: Q₀, t_{в 1,} ц_{в 1,} t_0, t_к, d_1, d_2, S_1, S_2, S_p, д_p, д_и, n₁, в.

Вихідні параметри: F_п, L_TP, n₂.

Крайові умови: (t/ф) = 0; t_{0 (x=0)} = t₀, t_{0 (x= L)} = t₀

Схема теплообміну в ПО наведена на рис. 10. Для спрощення розрахунку прийнято прямоточний рух теплообмінюючих середовищ (повітря та холодоагенту). Прийнято наступний порядок розрахунку ПО. ПО за тепловідводом розділяють (див. рис. 10), наприклад, на 5 рівних ділянок ?x (чим ділянок більше, тим точніше розрахунок) кожна з тепловідводом

Дx = Q/5. Розрахунок виконують при відносних значеннях тепловідводу: x₀ = 0 (вхід повітря); x₁= 0,2; x₂=0,4; x₃=0,6; x₄= 0,8; x₅= 1 (вихід повітря). На межі кожної ділянки x₀, x₁, x₂, x₃, x₄ і x₅ (див. рис. 10), складають вирази для лінійних щільностей теплових потоків окремо для кожного теплопровідного шару через його провідність і температурний напір:

q_в = (б_п /C_в)F_п.эф(I - I_s), I_s = At_s² +Bt_s +C,

и_и, и_т, q_а = К_мб_арd₁и_а, t_s - t₀ = и_и + и_т + и_а,

де (крім уже відомих позначень) q_в, q_и, q_т, q_а - відповідно лінійні щільності теплових потоків (потоків, віднесених до одиниці довжини труби) від повітря до ефективної зовнішньої поверхні F_п.эф через шар інею, стінку трубки, від внутрішньої стінки трубки до холодоагенту, Вт/м; t_s - температура змоченої поверхні ПО, °С; І_s- ентальпія насиченого повітря, що відповідає t_s, кДж/кг; A, B, C - коефіцієнти інтерполяційного багаточлена другого ступеня І_s = f(t_s); и_и, и_т, и_а -температурні напори між теплопровідними шарами, °С.

Прирівнюючи лінійні щільності теплових потоків окремих теплопровідних шарів q_в = q_и = q_т = q_а= q і додавши до них рівняння балансу температурних напорів t_s - t₀ = и_и + и_т + и_а, одержують систему рівнянь для визначення лінійної щільності теплового потоку при відомих ентальпії охолоджуваного повітря і температури кипіння на розглянутій межі ділянок.

Рівняння для лінійних щільностей теплових потоків з боку повітря і з боку хладону є нелінійними. З боку повітря - оскільки теплопередача, що супроводжується висадженням вологи, визначається різницею ентальпій повітря в потоці та у пристінному (змоченому) шарі. З боку холодоагенту - тому, що коефіцієнт тепловіддачі не постійна величина, а залежить від температурного напору між стінкою трубки та киплячим хладоном. Тому застосовують метод послідовних наближень.

Площу зовнішньої поверхні F_пL, віднесену до 1 м довжини трубки ПО, еквівалентний діаметр міжреберної щілини d_э, коефіцієнт живого перерізу К_ф, масову швидкість повітря в щілині --с_вw_в, коефіцієнт ефективності ребра Е_р і ефективну площу зовнішньої поверхні F_п.эф визначають за відомими формулами. Для заданої холодопродуктивності Q₀ розраховують витрату холодоагенту G_а і його масову швидкість --с_аw_а.

Коефіцієнти тепловіддачі з боку повітря визначають за отриманою автором формулою (12). Коефіцієнт тепловіддачі з боку холодоагенту з урахуванням мастила обчислюють за формулою Г.М. Данилової (13) і отриманими автором співвідношеннями (10), (14).

Оскільки в наведені вище залежності входить величина лінійної щільності теплового потоку q, яка заздалегідь невідома, то процедура розрахунку включає ітераційні цикли по q. Одночасно для кожної ділянки тепловідведення обчислюють температури поверхні, зниження температури повітря та зміну його вологовмісту. Потім методом чисельного інтегрування визначають загальну довжину теплообмінних труб ПО.

Питання економії паливно-енергетичних і матеріальних ресурсів, пов'язаних із споживанням холоду, та впровадження результатів досліджень у судновій і стаціонарній енергетиці, розглянуті в розділі 6. Для ПО СКП застосовують уніфіковану ТПП із кроком оребрення S_P = 2,2 мм. У системах рефрижерації нами рекомендується застосовувати таку ж поверхню із збільшеним кроком ребер (S_P = 4...6 мм). Покажимо, що збільшення кроку ребер від 2,2 до 4...6 мм дозволяє зменшити енергетичні втрати в суднових СР, обумовлені кінцевою різницею температур у ПО, та скоротити споживання палива.

Запишемо вираз для теплового навантаження на ПО у вигляді

Q₀ = k_н F_н и, (15)

де и - середня логарифмічна різниця температур між повітрям і киплячим холодоагентом; для ПО СР становить 8...10 єС.

Збільшення коефіцієнта тепловіддачі на 30...40 % від повітря до зовнішньої поверхні ПО дозволяє, як показують розрахунки, на 25...35 % збільшити коефіцієнт теплопередачі k_н і, згідно з виразом (15), при незмінних Q₀ і F_н на 25...35 % зменшити и. Температурний напір при цьому в середньому складе 5,5...7,0 єС.

Розрахунки показали, що для НПО (при незмінних t_к, t_{в 1}, t_{в 2}, G_в) зменшення температурного напору Ди на 2,5...3,0 єС призводить до збільшення температури кипіння t₀ на 2,7...3,5 єС. Відомо, що підвищення t₀ на 1єС призводить до збільшення електричного холодильного коефіцієнту е_э на 3 %. Отже, при підвищенні t₀ на 2,7...3,5 єС е_э зросте приблизно на 8...10 %. При незмінному Q₀ приблизно на ту саму величину (8...10 %) зменшиться споживана компресорами потужність, отож на 8...10 % знизиться витрата палива, пов'язана з виробництвом холоду.

У табл.1 наведені основні статті витрати палива на промислових суднах і транспортних рефрижераторах до і після впровадження розроблених ПО. З таблиці видно, що в результаті застосування уніфікованої теплообмінної поверхні з раціональним кроком ребер від 4 до 6 мм у хладонових НПО економія палива на виробництво холоду в цілому по судну за рейс складе: для промислових суден - 1...3 %, а для транспортних рефрижераторів -1...2 %.

Таблиця 1.

Основні статті витрати палива на промислових суднах і транспортних рефрижераторах до і після впровадження розроблених повітроохолоджувачів, %

Статті витрати палива	Промислові судна	Трансп. рефрижер.
	риболовнокреветочні	риболовні
	пере-ходи	промисел	за рейс у цілому	пере-ходи	промисел	за рейс	за рейс
		риба	криль	риба	криль
До впровадження результатів дослідження
Виробництво холоду системами рефрижерації	5-10	10-15	5-10	10	10	5-10	30-40	20-30	10-20
Забезпечення ходу судна	75-80	30-40	20	40	30	70	30	40	70-80
Після впровадження результатів дослідження
Виробництво холоду системами рефрижерації	4,5-9	9-13,5	4,5-9	9	9	4,5-9	27-36	18-27	9-18
Економія палива на виробництво холоду	0,5-1	1-1,5	0,5-1	1	1	0,5-1	3-4	2-3	1-2

Уточнена методика теплового розрахунку суднових ПО впроваджена ВАТ ЦНДіПІ "Тайфун" при проектуванні холодильних машин провізійних камор (ХМП). Запропоновані розрахункові та експериментальні співвідношення, а також алгоритми і програми дозволили уточнити теплові характеристики випарників ХМП, трюмних ПО типу ВОТФ та знизити їх масогабаритні показники. Рекомендації з проектування використані АТВТ "Завод "Екватор" при виготовленні хладонових ПО типу ОВФМ і ОВФК.

Крім суднових, результати дослідження можуть бути реалізовані в СР для автомобільного, залізничного транспорту й стаціонарних об'єктів (камери схову м'ясної та молочної продукції, фруктів і овочів). Отримані дані знайдуть подальше застосування при розробці та вдосконалюванні перспективного обладнання для суднової та стаціонарної енергетики.

ВИСНОВКИ

1. Ефективність витрати палива на рефрижераторних суднах багато в чому залежить від енергетичних втрат у СР, обумовлених, у свою чергу, недостатньо високою інтенсивністю теплопереносу в хладонових ПО. Науково-прикладним завданням, вирішеним у дисертаційній роботі, є одержання експериментальних даних і узагальнюючих їх залежностей для розрахунку зовнішнього і внутрішнього теплообміну в ПО при характерних для суднових СР низькотемпературних режимах, вдосконалення на їхній основі методів розрахунку теплових характеристик ПО, що дозволяє проектувати більш досконалі ПО, які забезпечують скорочення енергетичних втрат у СР і, в остаточному підсумку, підвищення ефективності комплексного використання паливно-енергетичних ресурсів на рефрижераторних суднах.

2. Задача підвищення теплової ефективності ПО вирішувалася в спряженій постановці - з урахуванням внутрішнього та зовнішнього теплообміну. Експериментальні дослідження теплообміну трубно-пластинчастих поверхонь ПО проводили при різному кроці оребрення, а дослідження кипіння хладону в середині труб - при низьких температурах, які відповідають умовам експлуатації суднових СР.

3. Виявлено закономірності впливу кроку ребер на теплообмін у трубно-пластинчастих ПО суднових СР і вперше дослідним шляхом установлено наявність максимуму коефіціента тепловіддачі в інтервалі кроку ребер 4...6 мм.

4. Реалізація виявлених закономірностей шляхом раціонального проектування хладонових трубно-пластинчастих НПО з кроком ребер 4...6 мм забезпечує зростання інтенсивності теплопередачі на 20...30 %, відповідне зменшення енергетичних втрат, обумовлених кінцевою різницею температур у ПО, та скорочення споживання палива СР на 8...10 % і по судну в цілому на 1...3 %.

5. Вперше отримано експериментальні дані з коефіцієнтів тепловіддачі при внутрішньо-трубному кипінні холодоагенту R22 при низьких температурах (- 37 і - 18 єС), що відповідають режимам роботи суднових СР, та запропонована напівемпірична залежність, яка узагальнює дослідні дані та враховує вплив мастила на тепловіддачу при кипінні.

6. Запропоновано аналітичні рівняння для розподілу температури в стінці труби ПО та температурного напору між стінкою і холодоагентом з урахуванням залежності коефіцієнтів теплопровідності та питомого електричного опору матеріалу труби від температури, що дозволяють більш точно узагальнювати дослідні дані з тепловіддачі при кипінні холодоагенту в трубах, які обігріваються електричним струмом.

7. Запропоновано розрахункові залежності для визначення коефіцієнта тепловіддачі від повітря до трубно-пластинчастої поверхні при кроці ребер від 3 до 6 мм, характерному для ПО суднових СР. Розбіжність розрахункових і експериментальних даних не перевищує ±10 %.

8. Запропоновані рівняння для обчислення зовнішнього (від повітря до ребристої поверхні) та внутрішнього (при низькотемпературному кипінні холодоагенту) теплообміну використані в уточненій методиці теплового розрахунку ПО, яка враховує особливості експлуатації суднових СР (підвищений крок оребрення та знижені температури кипіння).

9. Результати роботи використовуються при розробці та вдосконаленні ПО (випарників) для суднових СР, провізійних камер і трюмів. Застосування таких ПО доцільно також на залізничних і автомобільних рефрижераторах, в агропромисловому комплексі і на переробних підприємствах (камери схову м'ясної та молочної продукції, фруктів і овочів).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАУКОВИХ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ ВИДАННЯХ

1. Радченко Н.И., Лытош Е.В., Дорош В.С. Направления сокращения потребления топлива судовыми системами рефрижерации // Зб. наук. праць. - Миколаїв: НУК, 2007. - № 1(412). - С. 97-101.

2. Лытош Е.В. Аналитическое исследование теплообмена при кипении хладагента в трубках судового низкотемпературного воздухоохладителя // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - № 1 (379). - С. 68-75.