Гоголь Микола Іванович. Удосконалення теплообмінних апаратів і систем для конденсації і охолодження технологічних потоків

brief description

Гоголь Микола Іванович. Удосконалення теплообмінних апаратів і систем для конденсації і охолодження технологічних потоків : дис... канд. техн. наук: 05.05.14 / Одеська держ. академія холоду. - О., 2005

Гоголь М.І. Удосконалення теплообмінних апаратів і систем для конденсації і охолодження технологічних потоків. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.14 Холодильна і кріогенна техніка, системи кондиціонування”
У дисертації подано результати експериментальних досліджень процесів теплообміну в апаратах технологічних процесів промислових виробництв. Процеси конденсації насиченої па-ри аміаку всередині горизонтальних труб досліджені при значеннях масових швидкостей аміаку у трубі 0,6618,0 кг/(м2с), повітря в живому перерізі реберної трубки 3,0...15,0 кг/(м2с), температур повітря 12,0...29С, тисків аміаку 0,8 ...1,5 МПа, щільностей теплового потоку, віднесе-них до внутрішньої поверхні 800...22000 Вт/м2і трьох значень гідравличного діаметру (l/d) 254; 103; 75. За натурну модель прийнято реберну трубку з коефіцієнтом оребрення 28,1, що склала з випарником, трубами і витратоміром внутрішній контур експериментальної установки. Зовнішній контур установки (вентилятор, дифузор, шиберний пристрій) побудовано за умов рівномірної подачі повітря в експериментальний вузол. Експериментальні дослідження підтвердили висновки про зменшення коефіцієнтів тепловіддачі при зростанні щільності теплового потоку, але темп падіння менший, ніж у інших авторів.Тому залежності для коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації аміаку в повітряних конденсаторах подано у формі, що визначає переважну їх залежність від гідравлічного діаметра і зручна для практичного використання. Досліджені теплові та аеродинамічні характеристики пучків реберних труб з удосконаленою формою ребер методом повного моделювання в інтервалі зміни значень теплового потоку 2,09,3 кВт, температур повітря 20,659,2С, швидкості повітря в живому перерізі пучка 5,9...24,4 м/с, що найбільш характерно для умов експлуатації апаратів охолодження стисненого газу (повітря) в компресорних установках. Натурна модель пучка, що складена з бісегментних реберних елементів, служила експериментальним вузлом установки, побудованої за принципом замкненого циркуляційного кільця з підігрівом (електронагрівачами) і охолодженням (водою) повітря у контурі. Витрати повітря в установці регулювалися за допомогою відцентрового вентилятора з електродвигуном постійного струму.Результати досліджень оформлені у вигляді залежностей критеріїв Нусельта й Ейлера від критерія Рейнольдса. Проведено порівняння реберних теплообмінних поверхонь за двома методиками Ріса В.П. і Антуф’єва В.М., найбільш відомими в літературі. Критеріями для порівння прийняті відношенняF/M;V/M;Q/N,деF- площа поверхні теплообміну апарата, м2;M витрати повітря, кг/с;V об’єм пучка, м3,Q тепловий потік;N витрати енергії на транспортування газу (повітря). Визначені найбільш раціональні, за умов мінімальних енергетичних витрат, теплообмінні поверхні щодо використання в компресорних установках. На підставі проведених досліджень створені промислові зразки конструкцій теплообмінних апаратів (конденсатори, теплообмінники для міжступеневого та кінцевого охолодження повітря) і систем (система технологічного кондиціонування, системи утилізації). Проведені промислові випробування апаратів і систем.

1. Вперше науково-прикладну задачу підвищення ефективності теплообмінних апаратів і систем для конденсації й охолодження технологічних потоків промислових процесів вирішено
в комплексній постановці - з урахуванням тепловіддачі при конденсації аміаку в горизонтальних трубах, з одного боку, і тепловіддачі та аеродинамічного опору повітряних потоків у пучках оребрених труб, з іншого. Це забезпечило значну перспективу подальшого використання одержаних теоретичних і прикладних результатів у широкому класі апаратів із обтіканням повітрям та іншими газами, зокрема для охолодження між ступенями стискання в компресорних установках, конденсаторах аміачних холодильних установок тощо.
2. Вперше встановлено, що в теплообмінних апаратах із конденсацією в горизонтальних трубах і зовнішнім обтіканням потоком повітря в діапазонах масових швидкостей аміаку 0,66...18,0 кг/(м2с) і повітря 3,0...15,0 кг/(м2с) переважає режим кільцевої течії, для якого коефіцієнт тепловіддачі є функцією тільки гідравлічного діаметру (l/d). Режими течії характеризуються значною нестабільністю внаслідок малих перепадів температур в апаратах.
3. Обґрунтовано, що мінімальні витрати енергії на обтікання пучків оребрених поверхонь потоком повітря мають місце для ребра у вигляді бісегментного елементу з геометричною структурою, найбільш наближеною до форми ребра з мінімальним об’ємом.
4. Вперше виявлено закономірності процесів конденсації аміаку в горизонтальних трубах апаратів із зовнішнім обтіканням поверхні потоком повітря. Встановлено, що інтенсивність зниження коефіцієнтів тепловіддачіапри конденсації аміаку підтверджує висновки ряду авторів щодо падінняапри збільшенні щільності теплового потоку. Однак інтенсивність падіння коефіцієнта тепловіддачіазі збільшенням щільності теплового потоку при охолодженні повітрям значно менша, ніж при охолодженні водою, що свідчить про наявність меншої товщини конденсатної плівки на поверхні конденсації. Середні значення коефіцієнтів тепловіддачі на 1214 % більші, ніж при охолоджені зовнішньої поверхні водою.
5. Вперше встановлено, що оптимальні значення параметруl/dаміачних повітряних конденсаторів знаходяться в діапазоні 200260. Для апарата з труб 25 х 2,5 оптимальна довжина труби становить 4...6 м.
6. Вперше одержано критеріальні залежності для визначення коефіцієнтів тепловіддачі та аеродинамічного опору пучків реберних труб із бісегментною формою поверхні в розширеному діапазоні 2000Re40000.
7. Встановлено, що значення приведених коефіцієнтів тепловіддачіпр(Nuпр) бісегментних поверхонь у діапазоні 800Re13000, які отримані при використанні методу локального моделювання, перевищують відповідні величини, одержані за методом повного моделювання, на 25...30 %. Тобто одержане кількісне підтвердження висновків раніше виконаних досліджень відносно характеру співвідношення даних, отриманих за обома методами моделювання. Встановлено, що значення приведених коефіцієнтів тепловіддачі бісегментних поверхонь у діапазоні чиселRe= (35...40)103, одержаних в умовах локального і повного моделювання, співпадають. При великих масових швидкостях повітря збільшується турбулізація течії повітря, яка наближує значення коефіцієнтів тепловіддачі за двома методами.
8. Встановлено, що розширення діапазону значень швидкості повітря в живому перерізі пучка з 1,5... 8,0 до 1,5...28,0 кг/(м2с) не призводить до зміни характеру залежностіEu/ z =f (Re).Зменшення кроку бісегментного оребрення з 5 до 4 мм призводить до збільшення аеродинамічного опору пучка на 25...30 %. Коефіцієнт тепловіддачі при цьому збільшується лише на 11...14 %.
9. Виходячи зі встановлених закономірностей, розроблено рекомендації з раціонального проектування трубчастих пучків: глибокі пучки (з більшим числом труб по ходу потоку) необхідно компонувати реберними елементами з більшим кроком.
10. Встановлено, що мінімальна металоємність реберних пучків у відношенні до трубних пучків без оребрення з зовнішнім обтіканням потоком повітря забезпечується використанням у конструкціях апаратів раціонального коефіцієнта ребренняповерхонь, який для ребер із алюмінію і алюмінієвого сплаву знаходиться в діапазоні значень 13,0...17,0. Тому бісегментні поверхні, що мають близькі характеристики, рекомендуються саме для апаратів компресорних установок.
11. Порівняння теплообмінних поверхонь проведено за масовими, об’ємними та енергетичними показниками. Незалежними перемінними у рівняннях вибрано втрати опору в пучках та питомі витрати енергії на транспортування повітря. Порівняння виконано за відомими методиками з доповненнями характеристик термічного опору стінки труби і розширенням значень параметрів. Визначено найбільш раціональну та ефективну для використання в конструкціях теплообмінників компресорних установок поверхню бісегментну, форма та структура оребрення якої забезпечує мінімальні витрати енергії на обтікання повітрям. Найефективніша поверхня забезпечує високу надійність експлуатації (краще очищення поверхні, більший термін служби), що підтверджено експлуатацією. Переваги поверхні розповсюджуються на широкий клас апаратів із зовнішнім обтіканням потоком повітря. Промислові випробування апаратів конденсації та теплообмінників міжступеневого охолодження повітря в компресорних установках підтвердили результати теоретичних і експериментальних досліджень, показали, що використання теплообмінних поверхонь на основі литих біметалевих поверхонь у конструкціях апаратів забезпечує зменшення витрат енергії при експлуатації.
12. Розроблено ряд конструктивних рішень теплообмінних апаратів перспективних систем утилізації, технологічного кондиціонування, хімічної технології, холодильної техніки.