Поверхностные теплообменные аппараты

Поверхностными теплообменными аппаратами называются устройства, в которых изменение тепловлажностного состояния воздуха достигается за счет обтекания воздушным потоком твердой поверхности, имеющей температуру, отличную от температуры воздуха. В отличие от аппаратов контактного типа в поверхностных теплообменниках непосредственное взаимодействие между воздухом и тепло- или холодоносителем отсутствует. В СКВ наиболее часто используются аппараты поверхностного типа с оребренными трубками, в которые подается тепло-или хладоноситель, или располагается электрический нагревательный элемент. По форме поверхности аппараты подразделяются на гладкотрубные и ребристые. Трубы, образующие теплообменную поверхность, могут быть изготовлены из меди, алюминия, стали или латуни. Расположение ребер на трубе поперечное или спиральное. Спиральное оребрение выполняют накатным или навивным. Относительно потока воздуха оребренные трубки в тепломассообменнике размещают в коридорном, шахматном или смешанном порядке.

Воздухонагреватели.Для нагревания могут использоваться водяные (теплоноситель − вода с температурой 95 − 70 ºС и 130 − 70 ºС), паровые (теплоноситель − пар с температурой до 190 ºС и давлением до 1,2 МПа) или электрические нагреватели. Теплообменный элемент калорифера выполнен из определенного количества теплопередающих трубок в зависимости от модели и типоразмера калорифера. Самая малая модель (СМ) имеет один ряд труб, малая (М) − два ряда, средняя (С) − три ряда и большая модель − четыре ряда труб по направлению движения воздуха. В зависимости от схемы движения теплоносителя воздухонагреватели могут быть одно или многоходовые. В одноходовых нагревателях теплоноситель движется в одном направлении, а в многоходовых − многократно меняет направление движения, вследствие наличия в коллекторах приваренных перегородок. Установка может состоять из одного или нескольких воздухонагревателей, соединенных между собой параллельно, последовательно и по смешанной схеме.

Рассмотрим виды нагревания воздуха, применяемые в СКВ (рис. 18). Первый подогрев производится до контактного или поверхностного воздухоохладителя. В качестве теплоносителя используется горячая вода или пар с температурой t_w. Второй подогрев применяется в системах кондиционирования воздуха для достижения заданной температуры в помещении. Зональный подогрев применяется в СКВ, обслуживающих ряд помещений или зон одного помещения с индивидуальным регулированием температуры и относительной влажности. Подогрев воздуха производится даже в теплый период года.

Расчет и подбор воздухонагревательных установок. Расчет воздухонагревателей осуществляется на два периода года: вначале производят расчет на холодный период, а затем − на теплый период года. Также раздельно производят расчет воздухонагревателей первого и второго подогрева. Процесс нагрева воздуха в воздухонагревателе на I-d диаграмме идет при постоянном влагосодержании (d = const). Вариант компоновки воздухонагревательной установки определяют методом подбора с учетом конкретных условий. Цель расчета − выявление такой установки, которая бы в заданных условиях работы имела наименьшие фронтальные размеры, поверхность нагрева, аэродинамическое и гидродинамическое сопротивление. Методика расчета приведена в [1, 4, 6]. Исходными данными являются: массовый расход воздуха через воздухонагреватель; начальная и конечная температуры воздуха; начальная и конечная температуры теплоносителя. Для уменьшения количества рассчитываемых вариантов рекомендуется задаваться массовой скоростью воздуха в живом сечении в пределах 4,0-8,0 кг/(м∙с). При поверочном расчете задаются типом и числом базовых воздухонагревателей исходя их марки центрального кондиционера, а затем ее уточняют.

Расчет проводят в следующем порядке:

1. Определяют расход теплоты (кВт) на воздухонагреватель по воздуху по формуле:

Q = G·c_в·(t_к – t_н), (76)

где G − массовый расход воздуха, кг/с; c_в − теплоёмкость воздуха, кДж/(кг К); t_н, t_к − начальная и конечная температуры воздуха, ºС.

2. Задаются массовой скоростью воздуха и определяют суммарное живое сечение воздухонагревателей для прохода воздуха. Массовая скорость воздуха (ρ∙v) в живом сечении представляет собой отношение расхода воздуха через теплообменную поверхность G (кг/с) к живому сечению этой поверхности f_ж (м²):

ρ∙v = G/f_ж. (77)

3. Определяют расход воды через ряд выбранных воздухонагревателей по формуле:

, (78)

где Q − тепловая нагрузка на воздухонагреватель, определяют по формуле (76), кВт; c_w − теплоёмкость воды, кДж/(кг К); t_wн − начальная температура воды (на подающем трубопроводе), ºС; t_wк − конечная температура воды (на обратном трубопроводе), ºС.

4. Определяют скорость воды ω (м/с) в трубках теплообменника по формуле:

, (79)

где ρ_w – плотность воды, м³/кг; f_w − площадь живого сечения трубок для прохода воды, м.

5. Определяют площадь теплопередающей поверхности (м²) воздухонагревателя по формуле:

, (80)

где k − коэффициент теплопередачи воздухонагревателя, Вт/(м²·К); Δt_ср − средняя разность температур между теплоносителями, ºС.

Средний коэффициент теплопередачи рассчитывается по соответствующей данному типу воздухонагревателя экспериментальной формуле:

k = А(ρ∙v)ⁿ ω^m, (81)

где А, n, m – эмпирические числа.

Средняя разность температур между теплоносителями рассчитывается по формуле:

.

В паровых воздухонагревателях температура теплоносителя одинаковая по всей поверхности и соответствует давлению пара.

6. Определяют аэродинамическое сопротивление воздухонагревателя по уравнению:

Δр = b(ρ∙v)^m N, (82)

где b, m − эмпирические числа, N − число теплообменников.

При расхождении величин требуемой и располагаемой (предварительно выбранной) поверхностей рекомендуют уменьшить скорость воды до минимума, равного 0,15 м/с, откорректировать расход воды и ее конечную температуру, и повторно произвести расчет требуемой поверхности теплообмена. Возможно, также изменить схему обвязки воздухонагревателей.

Поверхностный воздухоохладитель.В поверхностных воздухоохладителях обрабатываемый воздух омывает наружные, обычно оребренные, поверхности труб. Охлаждающая среда, отводящая от воздуха теплоту, движется внутри труб. В качестве охлаждающей среды используют холодную воду (поступает из градирни или артезианской скважины), холодные рассолы и хладагенты. Если используют хладагенты, то воздухоохладителем является испаритель холодильной машины.

Воздухоохладитель представляет собой теплообменник, изготовленный из медных трубок (от 4 до 8 рядов) с алюминиевыми ребрами. Для сбора и отвода конденсата под воздухоохладителем устанавливаются поддоны. При массовой скорости воздуха в живом сечении не более 5…6 кг/(м²∙с) уноса капель конденсата не наблюдается, при 8 кг/(м²∙с) унос капель становится интенсивным.

В практике кондиционирования воздуха используются неорошаемые и орошаемые воздухоохладители. В неорошаемых воздухоохладителях могут осуществляться процессы обработки воздуха двух видов – охлаждение без изменения влагосодержания и охлаждение с осушкой. Все возможные процессы в воздухоохладителе этого типа находятся в секторе I (рис. 7). Для «сухого» охлаждения воздуха температура поверхности должна быть не ниже температуры точки росы охлаждаемого воздуха. Если температура поверхности ниже точки росы воздуха, наблюдается конденсация влаги из воздуха, который в этом случае не только охлаждается, но и осушается. Над поверхностью воды в пограничном слое воздух будет находиться в насыщенном состоянии. Процесс взаимодействия воздуха с влажной поверхностью воздухоохладителя аналогичен такому же процессу в аппарате контактного типа (рис. 17).

Орошение воздухоохладителей водой применяется для интенсификации тепловлагообмена. При относительно небольших количествах разбрызгиваемой воды в орошаемых воздухоохладителях удается значительно интенсифицировать процессы тепло-и влагообмена между воздухом и водой, что позволяет сделать их более компактными. Орошаемые воздухоохладители представляют собой обычные воздухоохладители, оборудованные дополнительно орошаемым устройством и каплеуловителем. Процессы обработки воздуха в таком аппарате те же, что и в камерах орошения. Водяные воздухоохладители оснащаются противозамораживающими термостатами.