Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте

Предложена математическая модель воздушного теплообменника для криогенного автомобиля с противоточной схемой движения теплоносителей, учитывающая влияние влажности воздуха и снежно-ледяной шубы на его поверхности. Выполнен теоретический анализ температуры азота на выходе из теплообменника в зависимо...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2003
Hauptverfasser:	Бондаренко, С.И., Левин, А.Я., Кудрявцев, И.Н., Пятак, А.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2003
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Физика и технология конструкционных материалов
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111377
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте / С.И. Бондаренко, А.Я. Левин, И.Н. Кудрявцев, А.И. Пятак // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 5. — С. 152-158. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-111377
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1113772017-01-10T03:04:17Z Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте Бондаренко, С.И. Левин, А.Я. Кудрявцев, И.Н. Пятак, А.И. Физика и технология конструкционных материалов Предложена математическая модель воздушного теплообменника для криогенного автомобиля с противоточной схемой движения теплоносителей, учитывающая влияние влажности воздуха и снежно-ледяной шубы на его поверхности. Выполнен теоретический анализ температуры азота на выходе из теплообменника в зависимости от скорости движения автомобиля. Рассмотрены физические аспекты десублимации влаги на наружной поверхности теплообменника. Рассчитаны параметры инееобразования для конкретной модели воздушного теплообменника, предназначенного для криогенного автомобиля. Запропоновано математичну модель повітряного теплообмінника для кріогенного автомобіля з противоточною схемою руху теплоносіїв, що враховує вплив вологості повітря і сніжно-крижаної шуби на його поверхні. Виконано теоретичний аналіз температури азоту на виході з теплообмінника в залежності від швидкості руху автомобіля. Розглянуто фізичні аспекти десублімації вологи на зовнішній поверхні теплообмінника. Розраховано параметри інеюутворювання для конкретної моделі повітряного теплообмінника, призначеного для кріогенного автомобіля. The mathematical model of the air heat exchanger for the cryogenic automobile with the counterflow plan of motion of the heat transfer mediums is proposed, taking into account the influence of the air damp and snow-ice fur coat on its surfaces. The theoretical analysis of the nitrogen temperature on the output from the heat exchanger, depending on the automobile velocity, is accomplished. Physical aspects of the moisture desublimation on the outside surface of heat exchanger are considered. Parameters of the hoarfrost formation for concrete model of the air heat exchanger, intended for the cryogenic automobile, are calculated. 2003 Article Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте / С.И. Бондаренко, А.Я. Левин, И.Н. Кудрявцев, А.И. Пятак // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 5. — С. 152-158. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111377 621.484, 621.59 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов
spellingShingle	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Бондаренко, С.И. Левин, А.Я. Кудрявцев, И.Н. Пятак, А.И. Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте Вопросы атомной науки и техники
description	Предложена математическая модель воздушного теплообменника для криогенного автомобиля с противоточной схемой движения теплоносителей, учитывающая влияние влажности воздуха и снежно-ледяной шубы на его поверхности. Выполнен теоретический анализ температуры азота на выходе из теплообменника в зависимости от скорости движения автомобиля. Рассмотрены физические аспекты десублимации влаги на наружной поверхности теплообменника. Рассчитаны параметры инееобразования для конкретной модели воздушного теплообменника, предназначенного для криогенного автомобиля.
format	Article
author	Бондаренко, С.И. Левин, А.Я. Кудрявцев, И.Н. Пятак, А.И.
author_facet	Бондаренко, С.И. Левин, А.Я. Кудрявцев, И.Н. Пятак, А.И.
author_sort	Бондаренко, С.И.
title	Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте
title_short	Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте
title_full	Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте
title_fullStr	Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте
title_full_unstemmed	Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте
title_sort	разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2003
topic_facet	Физика и технология конструкционных материалов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111377
citation_txt	Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте / С.И. Бондаренко, А.Я. Левин, И.Н. Кудрявцев, А.И. Пятак // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 5. — С. 152-158. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT bondarenkosi razrabotkaéffektivnogovozdušnogoteploobmennikadlâavtomobilânažidkomazote AT levinaâ razrabotkaéffektivnogovozdušnogoteploobmennikadlâavtomobilânažidkomazote AT kudrâvcevin razrabotkaéffektivnogovozdušnogoteploobmennikadlâavtomobilânažidkomazote AT pâtakai razrabotkaéffektivnogovozdušnogoteploobmennikadlâavtomobilânažidkomazote
first_indexed	2025-07-08T02:04:22Z
last_indexed	2025-07-08T02:04:22Z
_version_	1837042513719853056
fulltext	УДК 621.484, 621.59 РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО ВОЗДУШНОГО ТЕПЛООБМЕННИ- КА ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ НА ЖИДКОМ АЗОТЕ С.И. Бондаренко, А.Я. Левин, И.Н. Кудрявцев, А.И. Пятак Физико-технический институт низких температур НАН Украины, Харьков, 61164, пр. Ленина, 47; E-mail: bondarenko@ilt.kharkov.ua; Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 61002, ул. Петровского, 25; E-mail: aip@khadi.kharkov.ua Предложена математическая модель воздушного теплообменника для криогенного автомобиля с проти- воточной схемой движения теплоносителей, учитывающая влияние влажности воздуха и снежно-ледяной шубы на его поверхности. Выполнен теоретический анализ температуры азота на выходе из теплообменника в зависимости от скорости движения автомобиля. Рассмотрены физические аспекты десублимации влаги на наружной поверхности теплообменника. Рассчитаны параметры инееобразования для конкретной модели воздушного теплообменника, предназначенного для криогенного автомобиля. ВВЕДЕНИЕ Поиск путей создания экологически чистого транспорта, использующего альтернативные источ- ники энергии, привел в последние три года к разра- ботке в США и Англии первых образцов криоген- ных (низкотемпературных) автомобилей и стимули- ровал их исследования на Украине [1-4]. Принципиальная схема криогенной силовой установки изображена на рис. 1. Рабочим телом яв- ляется жидкий азот (LN2), хранящийся на борту в специальном термоизолированном баке (криостате). Отметим, что жидкий азот является негорючим, лег- кодоступным и относительно дешевым энергоноси- телем по сравнению, например, с жидким водоро- дом. В результате испарения и подогревания в теп- лообменнике образуется газообразный азот высоко- го давления (до 30 атм), который подается в пневмо- двигатель для совершения полезной работы. Термодинамический анализ рабочего цикла криогенного автомобиля с силовой установкой, ра- ботающей на жидком азоте, показал [5], что его эф- фективность существенным образом зависит от ка- чества работы воздушного теплообменника (ВТ). Основное назначение теплообменника – нагрев и получение высокого давления газообразного азота перед подачей его в пневмодвигатель. Эффективная работа теплообменника должна обеспечиваться в широком диапазоне параметров воздуха: температу- ры от –20 до +40 0С, влажности - от 0 до 100 %, ско- рости набегающего потока - от 0 до 30 м/с. Разра- ботка подобного теплообменника является актуаль- ной научно-технической задачей, учитывая жесткие ограничения на его габаритные и массовые характе- ристики для применения на автомобиле. Отметим, что даже упрощенный расчет стацио- нарного режима работы ВТ представляет собой не- простую задачу, которая должна решаться методом последовательных приближений с учетом зависимо- сти усредненных теплофизических свойств теплоно- сителей от температуры. Дело в том, что расход воз- духа через ВТ является функцией его средней тем- пературы, которая, в свою очередь, зависит от рас- хода воздуха и должна определяться из уравнений теплового баланса и теплопередачи. Другая проблема – прогнозирование нестацио- нарной работы теплообменника в условиях инееоб- разования (обледенения) на его наружной поверхно- сти с отрицательными температурами, и разработка методов ее очистки. Построение адекватной расчет- ной модели процессов нестационарного тепломассо- обмена для реальной конструкции теплообменника, работающего во влажном воздухе, требует значи- тельных затрат времени и материальных ресурсов. В настоящей работе представлены результаты первого этапа разработки воздушного теплообмен- ника для криоавтомобиля. Авторами, в частности, выполнены: - численный анализ эффективности работы ВТ в стационарном режиме в зависимости от скорости движения транспортного средства и температуры воздуха, с использованием рекомендованных в литературе соотношений для учета влияния влажности воздуха [6]; - расчеты массогабаритных характеристик ВТ для конкретной конструктивной схемы; - качественный теоретический анализ влияния влажности воздуха на работу ВТ. УПРОЩЕННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДУШНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА На данном этапе работы рассматривалась конструкция воздушного теплообменника из оре- бренных труб. Было принято, что теплообменник состоит из 60 стальных оребренных труб с круглы- ми латунными ребрами диаметром 30 мм и шагом 8 мм. Горизонтальные трубы с внутренним диаметром 10 мм и длиной 0,6 м объединены коллекторами по 6 штук в 10 секций. Плоскость каждой секции пер- пендикулярна набегающему потоку воздуха. В це- ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (13), с.152-158. 152 mailto:aip@khadi.kharkov.ua лом в пакете оребренные трубы расположены в шах- матном порядке, соприкасаясь ребрами друг с дру- гом. По ходу азота секции соединены последова- тельно таким образом, чтобы теплый воздух и хо- лодный азот двигались навстречу друг другу. Тем самым практически реализуется противоточная схе- ма движения теплоносителей, при которой обеспе- чивается минимальная разность температур на "теп- лом конце" ВТ, т.е. максимальная температура азота на выходе из теплообменника. Масса предложенного теплообменника (без уче- та входного, выходного и промежуточных коллекто- ров) составляет около 45 кг, причем половину ее со- ставляет масса оребрения труб. Габариты теплооб- менника составляют прибли-зительно 650 × 200 × 300 мм. Упрощенная математическая модель стационар- ного режима работы воздушного теплообменника состоит из уравнений теплового баланса и тепло- передачи, записываемых в следующем виде (1)),вых вTвх вT(вW)вх аTвых аT(аW −⋅=−⋅ (2), вх аTвых вT вых аTвх вT ln )вх аTвых вT()вых аTвх вT( Fk)вх аTвых аT(аW − − −−− ⋅⋅=−⋅ где Wa=Сра(Та,Ра)⋅Gа - водяной эквивалент потока азота, Вт/К; Сра - удельная изобарная теплоемкость азота, Дж/(кг⋅К); Та и Ра - средние температура (К) и давление (МПа) азота, соответственно; Gа - массовый расход азота, кг/с; Wв=Срв(Тв,Рв)⋅Gв - водя- ной эквивалент потока воздуха, Вт/К; Срв - удельная изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кг⋅К); Тв и Рв - средние температура (К) и давление (МПа) возду- ха, соответственно; Gв - массовый расход воздуха, кг/с; F - площадь условной поверхности теплообме- на, численно равная площади наружной поверхно- сти гладких труб, м2; k - коэффициент теплопереда- чи ВТ, приведенный к условной поверхности тепло- обмена, Вт/(м2⋅К); "вх" и "вых" - индексы, соответ- ствующие входу и выходу потоков из воздушного теплообменника. Изобарные теплоемкости воздуха и азота при вы- бранных рабочих давлениях определяются по спра- вочным данным [7-9]. Рис.1. Принципиальная схема криогенной силовой установки на жидком азоте Расход воздуха через теплообменник Gв рассчи- тывается с учетом скорости движения автомобиля и гидравлического сопротивления проточной части ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (13), с.152-158. 153 ВТ по воздуху с помощью следующего соотноше- ния: Eu⋅ρв(Тв)⋅Vв 2=ρв(Тв вх)⋅V2 авт/2 , (3) где ρв(Тв) - плотность воздуха при средней темпера- туре воздуха в теплообменнике, кг/м3; ρв(Тв вх) - плот- ность воздуха при температуре окружающей среды, кг/м3; Vв= Gв/(ρв(Тв)⋅Fуз) - скорость воздуха в наибо- лее узком сечении теплообменника, м/с; Fуз - пло- щадь наиболее узкого сечения для прохода воздуха в ряду оребренных труб, м2; Vавт - скорость автомо- биля, м/с. Число Эйлера Eu определяется по формуле [6]: Eu = 0,99⋅Z⋅(u/d)-0,72⋅Re-0,28 , (4) которая справедлива для тесных шахматных пучков оребренных труб при числах Рейнольдса Re от 10000 до 60000. Здесь Z - количество рядов труб, че- рез которые проходит воздух; u - расстояние между соседними ребрами, м; d - наружный диаметр труб, м. Коэффициент теплопередачи k, приведенный к условной поверхности теплообмена, рассчитывается с помощью следующего уравнения: k =1/[1/α + F/(αа⋅Fа)] , (5) где Fа - площадь поверхности теплообмена со сто- роны азота, м2; αа - средний коэффициент тепло- отдачи азота, Вт/(м2⋅К), рассчитываемый при средней температуре азота по известному критери- альному соотношению (см., напр., [10]) Nu = 0,023⋅ Re0,8⋅ Pr0,33 . (6) Здесь Pr = Сра⋅ηа/λа - число Прандтля для азота; η а(Та) - вязкость азота при средней температуре, Па⋅с; λа(Та) - теплопроводность азота при средней темпе- ратуре, Вт/(м⋅К); Nu=α⋅d/λа - число Нусельта. В формуле (5) α есть коэффициент теплоотдачи условной поверхности (площадью F), Вт/(м2⋅К), определяемый из соотношения α = αр⋅(ϕ ⋅Fp/F + F0/F) , (7) где Fp - площадь поверхности ребер, м2; F0 - площадь наружной поверхности труб между ребрами, м2; ϕ - степень эффективности ребра; αр - средний коэффи- циент теплоотдачи ребристой поверхности, Вт/(м2⋅ К). Средний коэффициент теплоотдачи ребристой поверхности вычисляется по формуле αр = αгл⋅ [1- 0,25⋅ (h/l)0,5] . (8) Здесь h - высота ребра, м; l - расстояние между ося- ми ребер, м; αгл - коэффициент теплоотдачи для гладких труб, Вт/(м2⋅К), вычисляемый при средних параметрах воздуха по известным критериальным соотношениям (см., напр., [7]): Nu=0,334⋅Cz⋅[(s1-d)/(s-d)]0,25⋅Re0,6⋅Pr0,35, (9) где Cz - поправка на число рядов (Cz ≈ 0,97 при Z = 10); s1 и s - соответственно продольный и диаго- нальный шаг труб в шахматном пучке, м. Степень эффективности ребра ϕ = th(m⋅h') / m⋅h' , (10) где m = [2⋅αр /(λ⋅δ)] 0,5; λ - коэффициент теплопро- водности материала ребер, Вт/(м⋅К); δ - толщина ребра, м; а параметр h' определяется по формуле h' = h⋅(1+0,35⋅lnρ) , (11) причем ρ =D/d, где D - наружный диаметр ребра, м. Влияние влажности воздуха на работу охлади- телей воздуха в литературе [6] рекомендуется учи- тывать в расчетах следующим образом. При расчете коэффициента теплоотдачи влажного воздуха по формуле (7) в нее вводятся два поправочных коэф- фициента - коэффициент влаговыпадения ξ и попра- вочный коэффициент b, учитывающий тепловое со- противление снежно-ледяной шубы и другие за- грязнения наружной поверхности теплообменника α' =α⋅b⋅ξ . (12) Коэффициент влаговыпадения учитывает выде- ление тепла при конденсации или десублимации влаги на теплообменной поверхности ξ = (iвх - iвых) / [C'⋅(Tв вх-Тв вых)] , (13) где iвх и iвых - энтальпии влажного воздуха на входе и выходе из теплообменника соответственно, C'=4,18⋅ (0,24+0,45⋅d) - условная теплоемкость влажного воз- духа, кДж/(кг⋅К); d - влагосодержание воздуха, кг/кг. Численное значение коэффициента влаговыпаде- ния при высокой влажности воздуха может суще- ственно превышать единицу. Так, например, при Tв вх = 25 0С и относительной влажности воздуха около 70 %, или же при Тв вых = 110С и относительной влаж- ности 98 % величина коэффициента влаговыпаде- ния составляет ξ = 2,06. Коэффициент b, учитывающий влияние снежно- ледяной шубы и другие загрязнения поверхности, по данным исследований ВНИХИ составляет при сво- бодной циркуляции воздуха b = 0,7…0,8. Приведенные данные свидетельствуют о том, что наличие влаги в воздухе фактически ведет к интен- сификации теплообмена, т.е. к повышению коэффи- циента теплопередачи ВТ и соответственно темпе- ратуры выходящего азота по сравнению со случаем работы теплообменника на сухом воздухе. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ АВ- ТОМОБИЛЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА НА РАБОТУ ВТ Газообразный азот, поступающий в ВТ после предварительного подогрева в экономайзере – про- тивоточном теплообменнике типа «азот-азот», мо- жет иметь температуру 140…150 K. Для его нагре- ва до температуры 300 K, например, при расходе 200 кг/ч, из окружающей среды требуется подводить тепловую мощность около 14 кВт. С ростом расхода азота требуемая интенсивность подвода тепла соот- ветственно возрастает. При заданных параметрах азота и выбранной конструкции теплообменника основное влияние на эффективность работы ВТ без принудительной вен- тиляции оказывают скорость движения автомобиля и температура окружающей среды. В качестве примера с помощью приведенной выше упрощенной математической модели были выполнены расчеты стационарных режимов работы ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (13), с.152-158. 154 ВТ, предназначенного для нагрева азота с расходом 200 кг/ч, при скорости движения автомобиля от 10 до 50 км/ч. Температура воздуха варьировалась от –20 до +30 0C. Результаты численных расчетов тем- пературы азота на выходе из воздушного теплооб- менника (на входе в пневмодвигатель) в зависимо- сти от скорости автомобиля и температуры сухого воздуха приведены на рис. 2. Графики (см. рис. 2) позволяют, в частности, оценить при какой скорости движения автомобиля требуется обеспечивать принудительную прокачку воздуха через теплообменник. Очевидно, что эта скорость будет изменяться в зависимости от того, насколько жесткие требования предъявляются к эф- фективности ВТ. Так, если принять, что температу- ра воздуха на выходе из ВТ должна отличаться от температуры окружающей среды не более чем на 10 0С, получим, что принудительную прокачку воздуха через ВТ с помощью вентилятора требуется обеспе- чивать при скорости автомобиля ниже 30 км/ч. Учет влияния влажности воздуха в приведенной выше модели (соотношения (12) и (13)) достаточно прост и, как правило, приводит к некоторому повы- шению температуры азота на выходе из теплооб- менника из-за возрастания теплоемкости воздуха с ростом его влагосодержания. Это означает, что при проектных расчетах стационарного режима работы воздушного теплообменника влагосодержание воз- духа может не учитываться. В то же время необходимость выполнения более строгих поверочных расчетов ВТ с учетом нестаци- онарных условий теплообмена из-за образования на его поверхности «снеговой шубы» не вызывает со- мнения. В этой связи рассмотрим более подробно физику процесса выпадения влаги на холодной по- верхности воздушного теплообменника и оценим возможные тепловые характеристики формирующе- гося слоя инея в предположении, что он равномерно распределен по теплообменной поверхности. ФИЗИКА ПРОЦЕССА ДЕСУБЛИМАЦИИ ВЛАГИ НА НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКА Соотношение скоростей процессов тепло- и массообмена при десублимации влаги на поверхно- сти воздушного теплообменника определяется чис- лом Льюиса: Le = a/D , (14) где a - коэффициент температуропроводности воз- духа; D - коэффициент диффузии влаги в воздухе. При Le > 1 интенсивность массообмена ниже ин- тенсивности теплообмена, поэтому масса водяного пара не успевает доставляться к поверхности. При наличии в потоке достаточного количества центров конденсации пересыщенный пар будет в основном выделяться в объеме воздуха. При Le < 1 и в лами- нарном, и в турбулентном потоках объемное выде- ление влаги маловероятно, и на поверхности образу- ется плотная твердая фаза. В процессе образования слоя инея, следуя работе [11], можно выделить три периода: период роста кристаллов льда, период роста шероховатого слоя, период оплавления поверхности и уплотнения слоя инея. 1. В период роста кристаллов льда охлажденная поверхность теплообменника быстро покрывается очень тонким слоем, состоящим из отдельных островков. Затем на слое десублимата появляются отдельные кристаллы, которые располагаются на большом расстоянии один от другого и растут в вер- тикальном направлении примерно с одинаковой ско- ростью. Для этого периода характерен преимуще- ственный рост кристаллов в длину, в результате чего слой приобретает вид своеобразного "леса". 10 20 30 40 50 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Тв=+30 С -20 С -10 С 0 С +10 С +20 С Те мп ер ат ур а аз от а на в ы хо де В Т, С Скорость автомобиля, км/ч Рис. 2. Температура азота на выходе из ВТ в зависимости от скорости автомобиля при различных темпе- ратурах сухого воздуха 2. В период роста шероховатого слоя инея форма кристаллов изменяется, образуются "ветви" около вершин кристаллов, кристаллы начинают взаимодей- ствовать между собой. Эти образования постепенно ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (13), с.152-158. 155 переходят в более однородный по своей структуре слой инея с гладкой поверхностью. В этот период плотность слоя увеличивается, что связано с ростом кристаллов в трехмерном пространстве и диффузией пара внутри слоя десублимата. 3. В период завершения роста слоя инея его фор- ма не претерпевает изменения, пока из-за его соб- ственного термического сопротивления температура поверхности не достигнет температуры плавления. Начинается оплавление поверхности слоя десублима- та и образование капель десублимирующегося веще- ства - воды. Эти капли всасываются в слой и затем замерзают в его глубине. Перемещение воды в глубь пористого слоя инея обусловлено капиллярными си- лами и переконденсацией. Оплавление и повторное замерзание вызывают резкое увеличение плотности слоя и снижение его термического сопротивления (при этом уменьшается и толщина слоя). Температу- ра поверхности слоя вследствие роста его теплопро- водности вновь понижается и снова начинается про- цесс десублимации, приводящий к увеличению тол- щины слоя и как следствие - к повышению темпера- туры поверхности. Этот циклический процесс оплав- ления, всасывания, замерзания и нарастания слоя инея периодически повторяется до достижения рав- новесного в передаче тепла состояния. В конечном результате получается плотный компактный слой. Описанный механизм инееобразования позволяет сделать вывод, что структура и свойства слоя инея за- висят от скорости и температуры потока влажного воздуха, температуры холодной поверхности, влаж- ности воздуха и длительности процесса. Поскольку в рассматриваемом автомобильном теплообменнике типа «азот – воздух» практически каждый из указан- ных параметров может изменяться в широком диапа- зоне (причем не только во времени, но и в про- странстве – вдоль поверхности теплообмена), очевид- но, что построение адекватной расчетной модели яв- ляется сложнейшей задачей, решение которой невоз- можно без привлечения опытных данных. Известно, например, что плотность слоя инея рас- тет с ростом скорости воздуха и падает с ростом тем- пературного напора. Эксперименты по конденсации водяного пара на цилиндрической поверхности с тем- пературой от 200 до 270 K показали, что с ростом толщины слоя от 1 до 5 мм средняя плотность слоя инея увеличивалась от 300 до 750…800 кг/м2. ВЛИЯНИЕ СЛОЯ ИНЕЯ НА ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВТ Термическое сопротивление слоя твердой фазы, как показано в ряде работ (см., напр., [12]), через не- который интервал времени после начала процесса де- сублимации становится практически постоянным. Это объясняется тем, что слой постепенно уплотняет- ся в процессе десублимации, и его коэффициент теп- лопроводности возрастает. Однако с учетом роста об- щей толщины слоя результирующее термическое со- противление становится постоянным. Для расчета коэффициента эффективной тепло- проводности λэф пористого слоя десублимата можно использовать следующие соотношения. При пористости ε > 0,5 для расчета λэф рекомен- дуется применять параболическую зависимость λэф /λт = (ρс/ρт)2, (15) где ρс, ρт - соответственно плотности данной систе- мы и твердой фазы, а λт - теплопроводность твердой фазы. При ε < 0,5 для оценки λэф можно использовать соотношение: ГТэф λ ε λ ε λ +−= 11 , (16) где λГ - теплопроводность газовой фазы. Для справки в табл.1 приведены эксперименталь- ные данные по теплопроводности снега в зависимо- сти от его плотности, а в табл.2 – теплопроводность и плотность льда в зависимости от температуры. Количество паров воды, находящихся в воздухе, зависит от температуры воздуха и его относительной влажности. В табл. 3 приведены данные о максималь- но возможном удельном количестве паров воды в на- сыщенном воздухе (относительная влажность 100 %). В этой же таблице приведены данные о количе- стве тепла, выделяющегося при десублимации макси- мального количества влаги, приходящейся на 1 кг "сухого" воздуха, и эквивалентный ему нагрев того же 1 кг воздуха. Оценки удельного количества тепла и эквивалент- ного нагрева получены с учетом удельной теплоты десублимации воды – 2831 кДж/кг (теплота конден- сации - 2497 кДж/кг, теплота замерзания – 334 кДж/кг) и удельной теплоемкости сухого воздуха Срв = 1,002…1,006 кДж/(кг⋅К). Данные табл. 3 свидетельствуют о том, что сте- пень влияния влажности воздуха на работу ВТ может отличаться более чем на порядок. Причем макси- мальное количество тепла вследствие выморажива- ния влаги может подводиться при высокой темпера- туре воздуха, когда условия для нагрева азота и так наиболее благоприятны. Соответственно выморажи- вание влаги из воздуха оказывает минимальное влия- ние при низкой температуре, когда возможности на- грева азота в ВТ естественным образом ограничены.. Толщина слоя инея и его термическое сопротив- ление могут быть оценены только для конкретной конструкции и конкретного режима работы теплооб- менника типа "азот-воздух". В воздушном теплооб- меннике, конструкция которого была описана выше, при нагреве азота высокого давления с расходом 200 кг/ч расчетный расход воздуха составляет около 5,3 м3/мин (0,12 кг/с в пересчете на сухой воздух) при температуре воздуха +10 0C и его относительной влажности 100 %. Предполагая, что вся влага из на- бегающего потока воздуха вымораживается на по- верхности теплообменника (что в общем случае мо- жет и не происходить!), получим, что за 0,5 ч работы десублимируется около 1,5 кг влаги. Таблица 1 Плотность снега, кг/м3 150 200 300 400 500 600 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (13), с.152-158. 156 Теплопроводность снега при 0 °С, Вт/(м⋅К) 0,116 0,151 0,233 0,337 0,47 0,64 Таблица 2 Температура, °С 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 Плотность льда, кг/м3 917 920 922 924 926 928 929 Теплопроводность льда, Вт/(м⋅К) 2,21 2,44 2,67 2,91 3,14 3,5 3,84 Таблица 3 Температура воздуха, 0C -10 0 +10 +20 +30 Количество водяного пара в насыщенном воздухе, г/м3 2,14 4,85 9,35 17,30 30,30 Максимальное влагосодержание воздуха при влажности 100 %, г/кг 1,59 3,73 7,48 14,17 25,4 Удельное количество тепла, выделяющегося при полной десуб- лимации влаги , кДж/кг 4,50 10,56 21,17 40,11 71,90 Эквивалентный нагрев 1 кг "сухого" воздуха, °С 4,5 10,5 21 40 71 Если эта влага будет равномерно распределена по всей поверхности теплообмена размером ≈ 7 м2, то при плотности слоя 917 кг/м3 (лед) его толщина составит 0,23 мм, а при плотности 200 кг/м3 (рых- лый иней) - 1,1 мм. Перепад температур на усредненном слое "льда" при этом составит менее 1 °C, а на слое "рыхлого инея" - до 85 °С. Если же плотность инея окажется в два раза больше (что более реально), то по имею- щимся данным средний перепад температур на слое такого "уплотненного инея" будет составлять при- мерно 18 °С. Рассмотренная идеализированная картина вымо- раживания влаги в реальной конструкции будет зна- чительно сложнее из-за воздействия ряда факторов: - вдоль теплообменника существенно изменя- ется температурный напор, причем не только от секции к секции, но и вдоль каждой отдельной секции, кроме того, имеются зна- чительные градиенты температур по ребрам ВТ; - влагосодержание воздуха на входе в после- дующие секции ниже, из-за процессов вымо- раживания; - продолжительность контакта влажного воз- духа с холодной поверхностью очень мала (сотые доли секунды), поэтому можно ожи- дать, что из набегаю-щего потока воздуха вымораживается не вся влага. Таким образом, наличие влаги в воздухе и ее вы- падение на холодных поверхностях воздушного теп- лообменника оказывают противоположное действие на его эффективность. С одной стороны, слой инея или льда имеет су- щественное термическое сопротивление и ухудшает теплопередачу от воздуха к азоту. С другой сторо- ны, при десублимации влаги выделяется дополни- тельное количество тепла, что фактически означает существенный рост теплоемкости влажного воздуха по сравнению с сухим, а также (что, по-видимому, важнее) - существенное увеличение коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха (см. табл. 3 и соот- ношения (12) и (13)). Если бы воздух всегда имел относительную влажность 100 %, то в результате роста его "тепло- емкости" можно было бы уменьшить расчетный рас- ход "влажного" воздуха по сравнению со случаем "абсолютно сухого" воздуха до 70 % при температу- ре воздуха от -10 до +30 °С. Это расчетное сниже- ние естественно не учитывает термическое сопро- тивление слоя десублимата и рост коэффициента теплоотдачи к воздуху. Влажность воздуха - величина случайная, поэто- му теплообменник типа "азот-воздух" для криоавто- мобиля должен быть работоспособен во всем диапа- зоне температур окружающего воздуха (реально, от -20 до +40 °С) и при всех теоретически возможных значениях относительной влажности - от 0 до 100 %. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, процедура проектирования теп- лообменника типа «азот-воздух» заключается в вы- боре конкретных вариантов конструкции на основе предварительных расчетов и последующей проверке его работоспособности в течение заданного времени при всех возможных значениях температуры возду- ха и его влагосодержания с помощью математиче- ской модели. Наиболее адекватная модель должна учитывать все стороны влияния влаги (тепловое со- противление слоя десублимата, рост "эффективной теплоемкости" влажного воздуха, увеличение коэф- фициента теплоотдачи для влажного воздуха), кото- рые, вообще говоря, различны для различных участков теплообменника. Учитывая исключительную сложность процессов тепло- и массопереноса в воздушных теплообменни- ках с изменяющейся температурой теплоносителя (азота), на дальнейших этапах работы предполагает- ся проведение макетирования для эксперименталь- ного исследования влияния влажности воздуха на теплообмен. В первую очередь планируется изучить нестационарный процесс теплообмена азота и влаж- ного воздуха в условиях инееобразования на глад- ких трубах. Это позволит отработать численные методы рас- чета подобных теплообменников, необходимые для разработки оптимальных конструкций воздушных ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (13), с.152-158. 157 теплообменников для криоавтомобилей. Кроме того, должны быть экспериментально отработаны все приемлемые способы очистки поверхности воздуш- ного теплообменника от слоя десублимата. ЛИТЕРАТУРА 1. M.C.Plummer, C.P.Koehler, D.R.Flanders et al. Cryogenic heat engine experiment // Proc. of 1997 Cryogenic Engineering Conference, Portland, July 1997, USA. 2. J.Williams, C.Knowlen, A.T.Mattick., A.Hertzberg. Frost-Free Cryogenic Heat Exchanger for Automotive Propulsion // Proc. of 33-rd AIAA/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhib- it, July 6-9, 1997, Seattle, USA. 3. С.И.Бондаренко, В.Н.Фенченко. Двигательная установка транспортного средства // Патент Украины N 22721A, 1997. 4. http://www.pollutionfreecar.co.uk. 5. А.Н.Туренко, А.И.Пятак, И.Н.Кудрявцев и др. Экологически чистый криогенный транспорт: современное состояние проблемы // Вестник ХГАДТУ: Сб. науч. трудов, Харьков, 2000, вып. 12-13, с. 42-47. 6. Р.М.Ладыженский. Кондиционирование воздуха. М.: Изд.-во торг. лит., 1962, 352 с. 7. В.В.Сычев и др. Термодинамические свойства азота. М.: Изд-во стандартов, 1977, 352 с. 8. Н.Б.Варгафтик и др. Справочник по теплопро- водности жидкостей и газов. М.: «Энерго- атомиздат», 1990, 352 с. 9. Н.Б.Варгафтик. Справочник по теплофизиче- ским свойствам газов и жидкостей. М.: Госиз- дат физ.-мат. литературы, 1963, 708 с. 10.Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под ред. М.П.Малкова. М.: «Энер- гоатомиздат», 1985, 432 с. 11.А.Г.Горелик, А.В.Амитин. Десублимация в хи- мической промышленности. М.: «Химия», 1986, 272 с. 12.Б.К.Явнель // Холодильная техника. 1968, №12, с.13-18. РОЗРОБКА ЕФЕКТИВНОГО ПОВІТРЯНОГО ТЕПЛООБМІННИКА ДЛЯ АВТОМОБІЛЯ НА ЗРІДЖЕНОМУ АЗОТІ С.І. Бондаренко, А.Я. Левін, І.М. Кудрявцев, О.І. П'ятак* Фізико-технічний інститут низьких температур НАН України, Харків 61164, пр. Леніна, 47; E-mail: bondarenko@ilt.kharkov.ua; Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків 61002, вул. Петровського, 25; E-mail: aip@khadi.kharkov.ua Запропоновано математичну модель повітряного теплообмінника для кріогенного автомобіля з противоточною схемою руху теплоносіїв, що враховує вплив вологості повітря і сніжно-крижаної шуби на його поверхні. Виконано теоретичний аналіз температури азоту на виході з теплообмінника в залежності від швидкості руху автомобіля. Розглянуто фізичні аспекти десублімації вологи на зовнішній поверхні теплообмінника. Розраховано параметри інеюутворювання для конкретної моделі повітряного теплообмінника, призначеного для кріогенного автомобіля. DEVELOPMENT OF THE EFFECTIVE AIR HEAT EXCHANGER FOR AUTOMOBILE, OPERATING ON LIQUID NITROGEN S.I.Bondarenko, A.Ya.Levin, I.N.Kudryavtsev, A.I.Pyatak* Institute for LowTemperature Physics and Engineering, Ukraine, Kharkov 61164, Lenin ave., 47; E-mail: bondarenko@ilt.kharkov.ua; Kharkov National Automobile and Highway University, Ukraine, Kharkov 61002, Petrovsky st., 25; E-mail: aip@khadi.kharkov.ua The mathematical model of the air heat exchanger for the cryogenic automobile with the counterflow plan of motion of the heat transfer mediums is proposed, taking into account the influence of the air damp and snow-ice fur coat on its surfaces. The theoretical analysis of the nitrogen temperature on the output from the heat exchanger, de- pending on the automobile velocity, is accomplished. Physical aspects of the moisture desublimation on the outside surface of heat exchanger are considered. Parameters of the hoarfrost formation for concrete model of the air heat exchanger, intended for the cryogenic automobile, are calculated. ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2003. № Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (13), с.152-158. 158 mailto:aip@khadi.kharkov.ua С.И. Бондаренко, А.Я. Левин, И.Н. Кудрявцев, А.И. Пятак* Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Введение Упрощенная математическая модель воздушного теплообменника Влияние слоя инея на тепловые характеристики ВТ Заключение Литература С.І. Бондаренко, А.Я. Левін, І.М. Кудрявцев, О.І. П'ятак* Харківський національний автомобільно-дорожній університет, S.I.Bondarenko, A.Ya.Levin, I.N.Kudryavtsev, A.I.Pyatak* Institute for LowTemperature Physics and Engineering, Ukraine,

Разработка эффективного воздушного теплообменника для автомобиля на жидком азоте

Institution

Ähnliche Einträge