Одеська державна академя холоду

Лагутн Анатолй Юхимович

УДК 621.565

УДОСКОНАЛЕННЯ АПАРАТВ ПОВТРЯНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ З ТРУБЧАСТО–РЕБЕРНИМИ ПОВЕРХНЯМИ (ТЕОРЯ ПРАКТИКА)

Спецальнсть 05.04.03 – Холодильна крогенна технка, системи кондицювання

Автореферат дисертац

на здобуття наукового ступеня доктора технчних наук

ОДЕСА – 1998

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Одеськй державнй академ холоду.

Науковий консультант – | доктор технчних наук, професор, заслужений дяч науки технки УРСР Чепурненко Вктор Павлович, проректор Одесько державно академ холоду

Офцйн опоненти: | доктор технчних наук, професор Федоров Володимир Гаврилович, професор кафедри теплотехнки Укранського державного унверситету харчових технологй;

доктор технчних наук, професор Бурдо Олег Григорович, завдувач кафедри процесв та апаратв Одесько державно академ харчових технологй;

доктор технчних наук, професор Притула Валерй Васильович, завдувач кафедри тепломасообмну Одесько державно академ холоду

Провдна установа – | Одеський державний полтехнчний унверситет

Захист відбудеться «16 » 11 1998 р. о 16 годин на засіданні спеціалізованої вчено ради Д 41.087.01 при Одеськй державнй академ холоду за адресою: 270026, м.Одеса, вул.Дворянська, 1/3.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ОДАХ ( 270026, м.Одеса, вул.Дворянська, 1/3.)

Автореферат розіслано «15 » 10. 1998 року.

Вчений секретар

спецалзовано ради Д 41.087.01 доктор технчних наук, професор |

Р.К.Нкульшин

Вих.№_____

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнсть проблеми. Украна, незважаючи на потужну структуру металургйно галуз, в економчнй полтиц Союзу, яка склалася в минулому, не мала пдпримств по виробництву крупних повтряних теплообмнникв для галузей енергетичного комплексу. У вдмчених умовах, з урахуванням фзичного старння апаратв та х значно вартост на свтових ринках, особливу гостроту й актуальнсть набува проблема створення втчизняно бази по виробництву повтряних теплообмнникв. Ршення поставлених задач неможливе без створення нового оцнки ефективност снуючого теплообмнного устаткування енергетичних систем та установок.

Економчна ефективнсть замни водяного охолодження технологчних та енергетичних установок на повтряне заслугову на постйну увагу переоцнки. Технчн ршення використання водяних теплообмнникв звичайно продиктован х низькою вартстю не враховують екологчних проблем, загрози фзичного старння високих експлуатацйних витрат. Досвд експлуатац апаратв повтряного охолодження в передових кранах свту вказу на переважне х використання навть у тих районах, де дефцит води не визначним фактором.

Широта област використання реберних систем тепловдводу (повтро-охолоджувач, "сух" градирн, утилзатори, конденсатори повтряного охолодження, т.д.) призводить до значного збльшення витрат металу.

Зрст потреби металу висува проблему пошуку оптимальних варантв теплообмнних поверхонь, в процес удосконалення яких виршуються сучасн проблеми економ енергетичних матеральних ресурсв. Пдвищення енергетично ефективност апаратв тсно пов'язанo з нтенсифкацю процесв теплообмну визначенням оптимальних режимв х експлуатац.

У цьому зв'язку виникла необхднсть всебчного експериментального теоретичного дослдження процесв, як проткають у теплообмнниках повтряного охолодження рзного призначення.

Зв'язок роботи з програмами, постановами, планами, темами. Робота тематично пов'язана з виконанням: Постанови АН СРСР №214 вд 23.12.85; Постанови ДКНТ СРСР №555 вд 30.10.85; Постанови ДКНТ УРСР №535 вд 31.12.86; Постанови Мнвузу Украни №78 вд 21.03.91; Постанови ДКНТ Украни №84 вд 3.08.93; Постанови МО Украни №271 вд 15.06.96.

Робота також у свй час була пов'язана з виконанням республканських науково-технчних програм РН.16.03.18, РН.16.04.21 (Постанова РМ УРСР №580 вд 28.10.1980) та госпдоговрних тем (номери держрестрац №75034820, №77044958 та нш.).

Мета задач дослдження. Метою роботи було створення наукових основ, як забезпечують розробку, проектування промислове освоння економчних апаратв повтряного охолодження рзного призначення на баз нових типв трубчасто-реберних теплообмнних поверхонь.

Для досягнення поставлено мети необхдно виршити так задач:

-

- визначити характер взамод температурних полв реберних елементв повтряного потоку у мжребернй порожнин з метою виявлення шляхв методв нтенсифкац теплообмну;

- на пдстав результатв експериментального дослдження теплових та аеродинамчних характеристик пучкв труб з новими видами оребрення виконати узагальнення дослдних даних з метою одержання критеральних залежностей для розрахунку повтряних теплообмнникв;

- створити аналтичн модел теплопровдност ребер удосконалених форм для одержання нженерних методв розрахунку х ефективност;

- провести дослдну оцнку термчних опорв контакту основно сталево труби з оребреною алюмнвою муфтою;

- за результатами структурного параметричного аналзв, на пдстав розроблено математично модел холодильно установки здйснити обгрунтування оптимальних режимних параметрв теплообмнникв повтряного охолодження;

- за результатами випробувань дослдно-промислових зразкв повтряних теплообмнникв рзного призначення, виготовлених за баз запропонованих оребрених труб, здйснити оцнку рацональност х використання.

Науков положення, як виносяться на захист.

1.

1.

1.

1.

Наукова новизна науков результати. Теоретично експериментально доведена теплова та аеродинамчна перевага теплообмнних поверхонь з удосконаленою формою (бсегмент) профлем (змнна товщина) ребер.

Вперше в свтовй практиц виготовлен та дослджен високореберн теплообмнн поверхн з коефцнтом оребрення = 36.4.

Одержан узагальнююч критеральн залежност з розрахунку теплових аеродинамчних характеристик пучкв труб з високими ребрами ребрами з новою формою та профлем.

Пдтверджена область максимального теплозйому радального поперечного ребра в його екваторальнй зон.

Одержан аналтичн залежност, як описують теплову ефективнсть ребер з новою формою профлем.

Захищен авторськими свдоцтвами теплообмнники повтряного охолодження на баз запропонованих нових видв оребрення.

Експериментально пдтверджено, що технологчний процес литва пд тиском забезпечу надйний контакт рзнордних металв основно труби муфтового оребрення.

На пдстав створено математично модел виконано обгрунтування оптимальних режимних параметрв повтроохолоджувачв та конденсаторв повтряного охолодження холодильних установок.

Достоврнсть наукових результатв, наукових положень практичних рекомендацй пдтверджено погодженням результатв теоретичних, експериментальних промислових дослджень.

Практична значущсть результатв роботи поляга у такому:

-

- одержан значення термчного контактного опору, аналтичн рвняння розрахунку теплово ефективност ребер удосконалених форм розрзв та емпричн залежност щодо розрахунку теплових аеродинамчних характеристик шахових пучкв труб, використан у практиц проектування апаратв повтряного охолодження вслякого призначення.

Впровадження результатв роботи проведено на чотирьох виробничих об'днаннях хмчно промисловост на дев'яти пдпримствах харчово промисловост, де взагал успшно експлуатуться понад 50 теплообмнникв повтряного охолодження.

Спльно з рзними проектними органзацями здйснено розробку технчно документац на серю апаратв повтряного охолодження. Налагоджено серйне виробництво теплообмнникв.

За термн з 1988 по 1998 рр. на ВО «Украгропромреммаш» м.Орхв Запорзько област виготовлено 642 повтроохолоджувача.

Для установок охолодження компрмруючого повтря на ВАТ "Хммаш" (м.Снжне Донецько област) та СНВО м.Фрунзе (м.Суми) виконано випуск 19 мжступеневих охолоджувачв повтря МО–600.

Особливий внесок автора у роботах, як опублкован у спвавторств, поляга у постановц дей завдань розробок, адаптац моделей та х зставленн з експериментальними даними; у розробц експериментальних методик стендв; у проведенн дослджень, статистичнй обробц х результатв; розробц вихдних даних для проектування; впровадженн апаратв х промислових дослдженнях (випробуваннях).

Апробаця. Теоретичн експериментальн роздли дисертац обговорювались схвален: Всесоюзним семнаром "Використання досягнень холодильно технки технолог з метою пдвищення ефективност харчових виробництв", м.Москва (1981); Всесоюзною науково-практичною конференцю "нтенсифкаця виробництва використання штучного холоду", м.Леннград (1981); Всесоюзною науково-практичною конференцю "Штучний холод в галузях агропромислового комплексу", м.Москва (1987); VII Республканською конференцю "Пдвищення ефективност, удосконалення процесв апаратв хмчних виробництв", м.Львв (1988); Всесоюзною науково-практичною конференцю "Шляхи нтенсифкац виробництв з застосуванням штучного холоду в галузях агропромислового комплексу, у торгвл на транспорт", м.Одеса (1989); I conferencia internacional de refrigaracion climatizacion y energia no convencional, Habana, Cuba, 1990; XVIII International Congress of Refrigeration, Montreal, Canada, 1991; Energy efficiency in refrigeration and global warming imрact. Conference International, Chent, Belgium, 1993; CFCs The DAY AFTER International conference, Padua, taly, 1994; XIX International Congress of Refrigeration, The Hague, The Netherlands, 1995; Proceedings of the 1996 International Compressor Engneering Conference at Pardue, Indiana, USA, 1996; на науково-технчних конференцях професорсько-викладацького складу ВУЗу (1984-1995).

За кращу наукову роботу "Розробка, дослдження впровадження высокоефективних конденсаторв амаку з повтряним охолодженням та повтроохолоджувачв виробничих та розподляючих холодильникв" авторський колектив групи теплообмнних апаратв ОТХП (у тепершнй час - ОДАХ) нагороджено почесною грамотою Мнстерства вищо середньо спецально освти СРСР.

Публкац. Склад роботи вдбито у 33 наукових роботах, у тому числ 13 статтях, 8 опублкованих доповдях на республканськй конференц, мжнародних конференцях та конгресах, у 8 тезах доповдей на конференцях та у 4 авторських свдоцтвах.

Структура роботи. Робота складаться з вступу, семи роздлв, основних результатв та висновкв, списку використаних джерел додатку, викладена на 370 сторнках тексту, в тому числ 4 сторнки додатку, мстить 89 рисункв 39 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступ розглянуто стан проблеми, обгрунтована практична актуальнсть роботи, зв'язок з постановами, програмами, темами, сформульован мета задач дослдження, науков положення, показана наукова новизна результатв, пдтверджена практична значущсть роботи реалзаця результатв у промисловост.

У першому роздл розглянут характерн особливост впливу геометричних параметрв оребрення на теплов та аеродинамчн показники пучкв труб. Вдмчена вдсутнсть експериментальних даних з дослджень високореберних систем тепловдводу. х вдсутнсть у проектах створення повтряних теплообмнникв продиктовано недосконалстю сучасних техпроцесв виготовлення трубчасто-реберних поверхонь.

Розглянут окрем (частков) питання ступеня впливу нервномрност тепловддач на ефективнсть ребер, термчних опорв контакту ребра з трубою, теплотехнчних аеродинамчних показникв роботи повтроохолоджувачв в умовах масообмну.

При аналз математичних моделей оптимзац режимв роботи холодильних установок виявлен основн напрямки в опис моделей, визначен фактори, як порушують адекватнсть моделей реальному фзичному об'ктов.

Розглянуто основн типи теплообмнних поверхонь, як використовуються при створенн теплообмнних апаратв холодильних установок. Виконано аналз характеристик та питомих показникв теплообмнникв повтряного охолодження.

На пдстав результатв аналзу лтератури були сформульован вищезгадан цль задач дослдження.

У другому роздл виконано обгрунтування геометричних параметрв оребрення для теплообмнних поверхонь, виготовлених методом литва пд тиском.

Сутнсть цього методу поляга в тому, що поперечне оребрення необхдних форм розмрв на несучй труб формувалось з алюмнвого розплаву у спецальнй прес-форм. Умови пресування забезпечували добру заповненсть робочих порожнин формостворюючих вкладишв рдким металом. Алюмнвий сплав АК–7 ГОСТ2685-75, який кристалзувався, внаслдок усадки щльно обхоплю сталеву трубу реберним елементом муфтового типу, створюючи надйний контакт бметалево пари. Оксидна плвка, яка утворються на поверхн виливок, уберга х вд короз, збльшуючи термн служби апаратв.

Основними перевагами техпроцесу, вважамо:

-

- можливсть створення номенклатури оребрених поверхонь у широкому дапазон значень коефцнта оребрення;

- надйнсть механчного контакту рзнордних металв основно труби та оребрення;

- можливсть використання вторинного алюмню в процес пдготовки ливарного сплаву, що забезпечу безвдхдну технологю.

Особливост використаного методу накладають специфчн обмеження на геометричн параметри оребрення. Необхднсть забезпечення мнмально допустимих ливарних схилв наклада обмеження на мнмальну товщину ребра. Умови механчно термчно мцност формоутворюючих вкладишв ливарно форми обмежують мнмально можливий крок ребер (up 4 мм).

З урахуванням зазначеного, для апаратв з високою нтенсивнстю внутршнього теплообмну необхдний ступнь розвитку поверхн забезпечувався за рахунок змни висоти ребра (hp). Для значень висоти ребра запроваджувалось обмеження на мнмально припустиму його ефективнсть (Ер0.7) з урахуванням фактора збльшення маси ребер за рахунок х потовщення з зростанням висоти при додержанн ливарних схилв та умови рвност термчних опорв на сторонах теплообмнних середовищ.

Варантн розрахунки впливу висоти ребра вдповдно ступеня оребрення на теплов показники апаратв повтряного охолодження (АПО), виконан за спецально розробленими програми.

Оцнка енергетично ефективност теплообмнникв без змни агрегатного стану внутршнього теплонося здйснювалась за методом М.В.Кирпичова

, (1)

де: Ni – витрати потужност на транспорт "i"-го теплонося, кВт;

Q0 – теплопродуктивнсть апарата, кВт.

На рис.1 наведено зставлення АПО енергетично ефективност при рзних швидкостях повтря у живому перерз апаратв.

Як видно з рисунка, при швидкост повтря у живому перерз апарата п= 3 м/с, енергетична ефективнсть Е зроста з збльшенням ступеня оребрення. В мру зростання швидкост повтря, темп змни Е нвелються.

З змною швидкост води у трубах апарата (w=1.5...2.5 м/с) область активного впливу ступеня оребрення вдповдно висоти ребра на енергетичну ефективнсть апаратв поширилась до значення швидкостей повтря п=7...8 м/с.

Результати зставлення поверхонь за питомими масовими об'мними показниками вказують, що в област параметрв ( = 26; = 36.4; hp = 0.0261 м) спостергався мнмум масового показника оребрено поверхн при неухильному зниженн питомого об'му апарата при збльшенн ступеня оребрення. На протилежнсть вдмченому з збльшенням останньо спостергалося зрстання абсолютних значень поверхн теплообмну, об'му та маси апаратв при зниженн енергетичних витрат на транспорт теплоносв.

При аналз результатв зставленя конденсаторв повтряного охолодження (КПО) встановлен аналогчн яксн результати.

Дан вибркових режимв, варантних розрахункв КПО покладен в основу визначення област геометричних розмрв ребер, як вдповдають умов рвност термчних опорв (Rз=Rвн). На рис.2 наведен значення термчних опорв на зовншньому (Rз) внутршньому (Rвн) боках КПО при швидкост повтря у живому перерз п = 10 м/с.

З урахуванням розбжност даних визначення коефцнтв тепловддач амаку, що конденсуться, значення (Rвн) визначен за залежностями рзних авторв.

На пдстав встановлено област (Rз=Rвн) питомих масових об'мних показникв для КПО прийнята висота ребра hp = 0.026 м.

На пдстав аналтичного ршення теплопровдност бметалево оребрено труби, з урахуванням складових термчних опорв, визначено товщину алюмнво муфти бля основи ребер.

Для АПО з урахуванням х призначення режимв експлуатац розроблена градаця тепломасообмнних поверхонь.

У третьому роздл подано результати експериментального дослдження термогдравлчних процесв, як проходять в елементах повтряних теплообмнних апаратв. Тут наведено опис конструкц експериментальних стендв, методик дослджень обробки дослдних даних. Для збльшення дозвльно здатност дослдв за рахунок зменшення числа вимрювань на моделях одиночних ребер оребрених елементв при взуальному контрол температури поверхн ребер за допомогою рдких кристалв та термодатчикв визначалась мнмальна кльксть мсце встановлення термопар для об'ктивно оцнки температурного поля в дослдженнях коефцнтв тепловддач пучкв оребрених труб.

У спробах на одиничних моделях на висот ребра hp= 35 мм вд його основи до вершини було встановлено 7 термопар. Вимрювання температури поверхн ребра в дапазон змни швидкостей повтря п = 3.5...19.6 м/с здйснювалось за рахунок повороту ребра вздовж потоку повтря вд 0 до 180 з нтервалом 15.Температурн розподлення по висот ребра показали, що у лобовй зон = 0...60 бля вершини ребра спостергалось рзке зниження його температури, а зростання було зафксовано в основ ребра, а найбльш суттве – у зон за екватором ( = 90...180). Вдносна картина температурного розподлу по висот алюмнвого ребра не змнювалась при збльшенн швидкост охолоджуючого повтря. Тут слд зазначити, що для високих ребер (hp=35 мм) в област до 15 мм вд основи ребер зростання температури поверхн свдчить про зниження теплово ефективност ц зони (рис.3).

Рис.3 Розподл температури по висот ребра

1 – = 0; 2 – = 30; 3 – = 60; 4 – = 90; 5 – = 120; 6 – = 150; 7 – = 180

При аналз теплообмну в умовах вимушеного руху повтря оцнки участ рзних зон ребра у його сумарному теплообмн важливе значення ма характер змни температури охолоджуючого потоку повтря. Картина змни температури повтря по обводу ребра при рзних значеннях його швидкост показана на рис.4. Тут, на вдмну вд температури поверхн, виявлено вплив швидкост повтря на температурну нервномрнсть потоку. З збльшенням швидкост потоку його температурна нервномрнсть знижувалась. Температурн розподлення потоку повтря по висот мжреберно порожнини визначен при рзнй орнтац термопар по потоку (рис.5), показали, що у лобовй зон ( = 0...90) температура повтря мало змнювалась, а рзке пдвищення спостергалось у зон за екватором ( = 120...180). Вдносна картина температурного стану повтряного потоку по висот мжреберно порожнини не змнювалась при збльшенн швидкост повтря.

Наведен результати свдчать про те, що основна маса повтря проходить по вершинах ребер. Таким чином, високореберн системи тепловдводу повинн мати незаперечну перевагу, особливо при малому кроц ребер. Дослджений характер локального розподлення коефцнтв тепловддач вд поверхн ребер змни температурних напорв пдтвердили низьку теплову ефективнсть кормово зони ребер.

Отриман результати лягли в основу створення високореберних поверхонь з коефцнтом оребрення = 36.4 удосконалених видв поперечних ребер у форм елпса та бсегмента. х енергетична доцльнсть пдтверджена при випробуваннях пучкв труб.

При дослдженн теплових характеристик пучкв труб використовувався метод локального теплового моделювання при стацонарному тепловому потоц. Аеродинамчн показники пучкв труб визначались в зотермчних умовах. В експериментах використовувались труби шести модифкацй. Всього дослджено 22 пучки шахово компоновки. Геометричн параметри дослджених труб наведен в таблиц.

Таблиця

Показники | Позначення оребрених труб

А–1 | А–2 | А–3 | А–4 | А–5 | А–6

Форма ребер | Елпс | Бсег-мент | кругле,

трапецвидного перерзу | Кругле, змнного перерзу

Даметр основно труби,мм | 25х2.5 | 20х2 | 25х2.5 | 25х2.5 | 25х2.5 | 25х2.5

Даметр труби бля основи ребер, мм | 28 | 23 | 28 | 28 | 28 | 28

Крок ребер, мм | 4 | 5 | 13 | 4 | 16 | 4.5

Висота ребра, мм | 26*/

11** | 22.5*/8.5** | 24 | 26 | 24 | 26

Товщина ребра

бля вершини

бля основи |

0.9

2 |

0.6

1.8 |

0.6

2 |

0.6

2 |

0.6

2 | див.

рис.6

Маса 1 п.м оребрено труби, кг/м |

4.0 |

2.0 |

2.9 |

5.3 |

2.65 |

5.14

Площа зовншньо поверхн

1 п.м, м2 |

1.41 |

0.70 |

0.73 |

2.29 |

0.58 |

2.04

Коефцнт оребрення, | 25.5 | 13.9 | 11.0 | 36.4 | 9.2 | 32.5

Ступнь оребрення, | 16.0 | 9.7 | 7.8 | 26.0 | 6.6 | 23.2

* –розмр по великй ос; ** – розмр по малй ос ребра.

Число калориметричних труб вважалося рвним рядност пучка поперек потоку охолоджуючого повтря. Випробування пучкв труб здйснювалось у практичному дапазон змни швидкостей повтря у живому перерз АПО – п=2.5...11 м/с. Прийнят в дослдженнях значення поперечного S1 та подовжного S2 крокв труб у пучках вибирались, виходячи з умов створення щльно компоновки з урахуванням оцнки факторв, як впливають на теплов та аеродинамчн показники пучкв. В експериментах дослджувались 4–,6– та 8–рядн пучки труб. Найбльший вплив на величину аеродинамчного опору пучкв труб чинив ступнь оребрення теплообмнно поверхн. Аеродинамчний опр пучка, набраного з труб А–4, бльший за опр пучкв, набраних з труб А–5, у 2...3 рази. При цьому з збльшенням ступеня оребрення змнився закон взамовпливу поперечних подовжнх крокв труб на значення аеродинамчного опору. Тут слд зазначити, що в дапазон змни кроку ребер (0.013–0.016 м) рзко змнювався показник ступеня при числ Рейнольдса. З урахуванням зазначеного, для розрахунку аеродинамчного опору дослджених пучкв труб запропонован так узагальнюч залежност:

а) для пучкв, набраних з труб А–5,

, (2)

де n = 0.11. 0.07;

б) для пучкв, набраних з труб А–3,

, (3)

де n = 0.22. 0.105

в) для пучкв, набраних з труб А–4,

, (4)

де n = 0.22. 0.105

1 = S1/d – безрозмрний поперечний крок труб;

2 = S2/d – безрозмрний подовжнй крок труб.

Розходження дослдних розрахункових значень аеродинамчних опорв по вищенаведених рвняннях не перевищувало 6.2%.

В результат аналзу експериментальних даних щодо теплообмну пучкв труб одержано узагальнююче критеральне рвняння для розрахунку конвективних коефцнтв тепловддач для пучкв, набраних з труб А-3 – А-6.

, (5)

де Сz – коефцнт, що врахову число рядв труб вздовж потоку повтря; –

коефцнт форми пучка;

n = 0.61 .0.08; m = S2 + –0.48;

d – даметр труби бля основи ребер.

Значення коефцнта Сz визначено на пдстав порядного дослдження коефцнтв тепловддач пучкв труб. Обмеження використання рвняння (5) за параметрами дорвнюють: Re = (6...20).103; = 6.6 – 26; S1 = 0.082 – 0.11 м; S2 = 0.06 – 0.1 м.

У наведених критерях подбност (2)-(5) як визначальн параметри вибран швидксть повтря у живому перерз пучка даметр труби бля основи ребер.

Розрахунков значення залежност Nuк = f(Re) з запропонованого рвняння (5) забезпечують добре узгодження розрахункових експериментальних значень у межах 9%.

Особливий нтерес викликають результати аеродинамчного дослдження пучкв труб з змнною товщиною ребер (пучки №16–21), тип поверхн А–6. Загальний вигляд та геометричн розмри оребрено поверхн з змнною товщиною ребер наведен на рис.6. Не зважаючи на рвнозначнсть компоновочних ршень (S1 = const), (S2 = const) пучкв, що розглядаються, х аеродинамчний опр залежав вд розташування лн максимально товщини ребра вдносно потоку повтря, що набга (рис.7).

За результатами порвняльного аналзу кращого (пучок №18) гршого (пучок №19) пучкв встановлено розшарування дослдних точок у межах 25–28%.

Рис.6 Загальний вигляд розмри поверхн з ребрами змнно товщини

Рис.7 Компоновки пучкв труб №16–21

Для всх пучкв (№16–21) диним змнним параметром була середня мжреберна вдстань або площа живого перерзу проходу повтря. У деяких пучках (№19, №20) живий перерз змнювався також по рядах труб пучка. В дослдах встановлено, що сприятливим фактором зниження аеродинамчного опору пучкв труб постйнсть живого перерзу по рядах труб пучка. Порвняльна оцнка теплово ефективност дослджених пучкв №17–21 пучкв, набраних з труб А–4 (пучки №1, №2), одержана на пдстав методики В.М.Антуф'ва, наведена на рис.8. У пучках, що розглядаються, в межах змни питомо витрати потужност на транспорт охолоджуючого повтря при N0 = 0.3...3.0 Вт/м2 кращ показники мав пучок №20 з органзацю потовщено частини ребра конфузорно-дифузорно теч потоку повтря. На рис.8 для порвняння наведена теплова ефективнсть теплообмнних поверхонь (№23, метод навивання ребер – = 22 та №24, метод накатування ребер – = 9), як використовуються в конструкцях апаратв повтряного охолодження, що виготовляються на пдпримствах Хмнафтомаша ряду зарубжних фрм.

Рис.8 Зставлення теплово ефективност пучкв труб

1, 2, 17–21, 23, 24 – номери пучкв труб

За результатами проведеного зставлення можна зробити висновок, що з збльшенням коефцнта оребрення спостергаться зростання теплово ефективност реберних систем тепловдводу. При цьому зростання висоти ребра (пучки №№1, 2, 17–21) як фактор зростання коефцнта оребрення бльш доцльне, нж зменшення кроку ребер (пучок №23).

В результат експериментального пдтвердження енергетично переваги оребрених труб з елптичною формою ребер у кандидатськй дисертац автора (тип поверхн А–1) при вдробц знаряддя ливарно форми для х виготовлення в процес удосконалення технологчност покращення масових показникв були одержан ребра бсегментно форми. Загальний вигляд оребрено поверхн наведено на рис.9.

Результати дослджень теплових аеродинамчних показникв пучкв, набраних з труб з бсегментним оребренням (пучки №11, №22) з рзною орнтацю велико вс ребра вдносно набгаючого потоку повтря, використан для порвняльно оцнки з поверхнями як мають елптичне оребрення (пучки №8, №10). Порвняльна оцнка теплово ефективност для дослджених пучкв №8, №10, №11, №22 наведена на рис.10. У пучках, що розглядаються, кращ показники мав пучок №11 (бсегментне оребрення з орнтацю велико ос ребра поперек потоку повтря). Його теплова ефективнсть у межах змни N0 = 1.8...10 Вт/м2 вища, нж у пучка №8 (елптичне оребрення з орнтацю велико ос елпса поперек потоку повтря). Пучки труб, орнтован великою вссю ребер вздовж потоку повтря (пучки №22, №10), мають бльш низьку теплову ефективнсть.

Рис.9 Загальний вигляд поверхн А–2 з ребрами бсегментно форми

Рис.10 Зставлення теплово ефективност пучкв труб

8, 11. 10, 22 – номери пучкв труб

Останн незаперечним доказом, що екваторальн длянки ребер вдграють переважну роль у сумарному теплообмн реберно поверхн.

Результати дослдв за приведеними конвективними коефцнтами тепловддач аеродинамчним опором пучкв труб з ребрами бсегментно форми узагальнен такими критеральними залежностями:

(6)

(7)

, (8)

де – коефцнт форми пучка.

У наведених критерях подбност фзичн параметри повтря беремо при його середнй температур. Як визначальн параметри виступають швидксть повтря у живому перерз пучка даметр труби бля основи ребер. Похибка апроксимац не перевищу 8%. Межа застосування одержаних рвнянь обмежена дапазоном змни крокв труб S1 та S2 чисел Рейнольдса (Re) цього дослдження.

снуюч напвемпричн залежност рзних авторв не дають можливост визначити величину термчного контактного опору (ТКО) оребрених труб, тому що невдома частина визначальних параметрв, пов'язаних з специфкою технолог виготовлення оребрення методом литва пд тиском. Тому в робот використано засб експериментального визначення ТКО.

В процес проведення експериментв визначали: теплове навантаження електрокалориметра за вимрювальною потужнстю, яка витрачаться на його нагрвання, температури зовншньо алюмнво оболонки внутршньо сталево труби. Завдяки здобутим даним розрахунковим шляхом були одержан температури зовншньо поверхн сталево труби внутршньо поверхн алюмнво муфти, рзниця яких виявля температурний перепад у зон контакту рзнордних металв сталево труби та алмнво оболонки Tк.

Величина ТКО визначалась за формулою:

, (9)

де qк – щльнсть теплового потоку через контактну зону.

Для збльшення дозвльно здатност експериментв дослдження проводились при пдвищених значеннях щльност теплового потоку qк 6000 Вт/м2 в нтервал змни температури калориметра t = 40...95 С при вимушеному його обдув.

Величина ТКО для дослджених труб дорвню R = (0.13...0.29).10-3 (м2.К)/Вт.

Отриман значення дозволяють зробити висновок, що метод литва пд тиском забезпечу надйний контакт рзнордних металв (алюмнй–сталь). В експериментах встановлено, що величина ТКО залежить вд температурних умов роботи бметалевих труб на значення не впливають геометричн розмри несучо труби. Слд припустити, що в умовах низьких температур у раз використання бметалевих поверхонь в конструкцях повтроохолоджувачв, дйсна величина ТКО буде нижча вд одержаних дослдних даних.

У четвертому роздл наведен аналтичн ршення диференцальних рвнянь теплопровдност центросиметричних ребер довльно форми. Бсегментне ребро (рис.11) розглянуте як окремий випадок одного з можливих варантв форм.

Рис.11 Бсегментне ребро

Розрахунков залежност для оцнки коефцнтв ефективност бсегментного ребра одержан псля розв’язання тако крайово задач.

(10)

У полярних координатах рвняння дуги обводу для сегмента АВ бсегментного ребра подано у вигляд:

.

при ,

де .

В результат розв'язання задач ефективнсть ребра подана виразом:

, (11)

де ; ;

– бокова поверхня ребра; ;

– довжина торця ребра; ;

Для круглого радального ребра з змнною товщиною ребра (рис.12), нехтуючи тепловддачею з його торця, стацонарне рвняння теплопровдност граничн умови, припустивши, що змнн величини t(r,) = T(r,) – T1, r = m (x = cos; y = sin), записано у вигляд

, (12)

де Т(,) – температура ребра в точц (,); Т* = Т0 - Т1;

– безрозмрн радуси;

Функця q(r, ) пов'язана з впливом змнност товщини ребра на розподлення температури у ребр.

Рис.12 Радальне ребро змнно товщини

З урахуванням рзного набгання охолоджуючого потоку повтря вдносно потовщено частини ребра, товщину ребра = (r, ) уявлямо символчно

. (13)

У раз подовжнього набгання потоку повтря вдносно потовщено частини ребра у квадратних дужках формули (13) слд взяти sin, для поперечного набгання – cos.

Використовуючи одержаний вираз t(r, ), визначамо теплову ефективнсть ребра

, (14)

де Е0 – ефективнсть ребра постйно товщини (р) , що визначаться вдомим

спввдношенням:

де ; .

Припустивши, щопозначення = (re + r0)/2, = (re – r0)/2, одержимо

Тепер

. (15)

Використання формули (14) ма бути забезпечено необхдними умовами:

>0; <(1-E0)/E0; <0, <1/,

тому що при виведенн ми нехтумо членами, що мстять 2, 3, .... при значеннях , близьких до одиниц, можливо порушення нервност

0<E = E0(1+)1.

Зставлення одержаних аналтичних виразв для розрахунку ефективност бсегментного ребра (11) ребра змнного профлю (14) з вдповдними експериментальними значеннями показало добре х узгодження.

У п'ятому роздл наведено опис математично модел оптимзац холодильних установок рзного призначення, як укомплектован теплообмнниками повтряного охолодження (конденсаторами та повтроохолоджувачами).

При розробц модел як цльова функця вибрана змнна частина наведених витрат

. (16)

Враховуючи неправомрнсть вибору як незалежних перемнних взамо-пов'язаних параметрв (перепаду температур температурного напору), у данй постановц задач як параметри, що оптимзуються, вибран перепади температур повтря у повтроохолоджувач (tп) конденсатор повтряного охолодження (tк), а також перепад температур холодонося (tр) у випарнику, у схем з промжним теплоносм. Для оптимального режиму визначались недостатн параметри, як використовуються у практиц проектування й експлуатац холодильних установок за умов рвноважного стану з урахуванням параметрв даного устаткування оптимальних значень перепадв температур середовищ ti.

Взят до розгляду схеми холодильних установок, безпосереднього охолодження (безнасосн насосно-циркуляцйн) з промжним теплоносм включають до складу вузли, математичний опис яких дозволяв здйснити моделювання оптимзацю сучасних систем холодильних установок.

У модел за рахунок перебору окремих блокв можливо отримання рзних модифкацй холодильних установок. На рис.13 представлена блок-схема розрахунку цльово функц.

Рис.13 Блок-схема розрахунку

Варанти розв’язання задач реалзовувались у ход послдовного цлеспрямованого пошуку оптимальних значень незалежних перемнних – перепадв температур середовищ (ti).

Початков проектн дан, запровадження яких здйснювалось блоком 1, так:

-

- температура навколишнього середовища – tн.п.;

- температура повтря у камер – tкам;

- тип характеристики застосованого обладнання;

- вид холодильного агенту промжного теплонося;

- термн амортизац обладнання;

- частка цни обладнання, щорчно вдрахована на ремонт та реновацю;

- нормативний коефцнт ефективност каптальних витрат;

- цна обладнання з урахуванням витрат на транспортування та монтаж;

- цна електроенерг – Це;

- час безперервно роботи установки протягом року – .

Процедура аналзу технко-економчних показникв всляких схемотехнчних ршень органзована в алгоритм у вигляд трьох вкладених циклв розрахунку рзномантних охолоджуючих систем холодильних установок. Вибр потрбного варанта системи забезпечувався у блоках 2, 3. Блоком 4 здйснювався доступ до програм розрахункв зачинено системи розсльного охолодження (ЗСРО). У цьому раз до модел мають бути внесен додатков дан для зачинено системи розсльного охолодження (ДСРО) за параметрами обладнання, що входить до складу ц системи. Доступ до програм розрахунку безнасосно системи безпосереднього охолодження (БСБО) – (блок 8) насосно-циркуляцйно системи безпосереднього охолодження (НЦСБО) – (блок 9) здйснються вдповдно блоками (5, 6) псля введення даних за параметрами обладнання, вдповдно прийнятих систем (ДБСБО) чи (ДНЦСБО).

Дан за параметрами обладнання мають знеособлений характер та належать усякому типу вдповдного обладнання. Таким чином, на основ багатоварантного аналзу можливо здйснити найкращий вибр потрбного обладнання.

Вихдними параметрами програм розрахункв (блоки 7, 8, 9) охолоджуючих систем, що формуються у блоц 10, так:

-

- сумарна затрата потужност на привд електродвигунв вентиляторв та насосв –

- холодопродуктивнсть установки– Q0;

- температура випарювання агенту – t0.

Останн два параметри вхдними для програми розрахункв компресорно-конденсаторного вддлення – ККВ (блок 11).

Об’днання блокв програм компресорного конденсаторного вддлень в один блок (11) викликано необхднстю визначення невдомо теплопродуктивност конденсаторв (Qк) при терацйних розрахунках на основ методу послдовних наближень.

Для керування подальшим процесом розрахункв при застосуванн терацйного лчення блоком 12 формувалась керуюча ознака, вдношення тискв конденсац Рк та випарювання Р0, (Рк/Р09), що забезпечують цлеспрямований вибр пдпрограм розрахункв циклв одноступеневого стиску ЦОС (блок 14) чи двоступеневого стиску ЦДС (блок 13).

Вихдними параметрами програм розрахункв ККВ (блоки 11, 13 чи блоки 11, 14), так:

-

- сумарна затрата потужност на привд електродвигунв вентиляторв, насосв компресорв –

- теплопродуктивнсть конденсаторв – Qк;

- температура конденсац агенту – tк.

Вихдн параметри охолоджуючо системи (блок 10) компресорно-конденсаторного вддлення (блок 15) за клькстю одиниць вдповдного обладнання та сумарним витратам на електропостачання дючого обладнання застосовувались розрахунками цльово функц (блок 16) за рвнянням (16).

При оптимзац використано метод прямого пошуку Хука-Дживса.

На вдмну вд вдомих моделей у задач, яка розглядаться, вибр числа ступенв стиснення компресорв використовувався системою як додатковий аргумент у процедур мнмзац цльово функц. Запропонований варант модел дозволя також здйснити структурний аналз з позиц вибору найбльш економчного складу устаткування холодильно установки.

У шостому роздл наведен результати розв’язання задач статично оптимзац режимв роботи теплообмнних апаратв повтряного охолодження у холодильних установках загальнопромислового призначення.

Значення оптимальних рзниць температур у повтроохолоджувач (0, tп) конденсатор повтряного охолодження (к, tк) при фксованй температур зовншнього середовища (tз.п = 20 С) рзних температурах в охолоджуваному об'кт (tкам = –30...0 С) при безперервнй робот установки протягом року ( = 8720 годин) наведен на рис.14. На цьому рисунку простежуться температурний стрибок оптимальних значень (0, tп , к, tк) в област змни розрахункового числа ступенв стиснення компресорв для холодильно установки з насосно-циркуляцйною охолоджуючою системою. При переход до двоступеневого варанта схеми при значному зниженн експлуатацйних витрат (30%) наведен витрати зменшились на 10%. Останн виявилось наслдком збльшення каптальних вкладень.

Область температурного переходу до двоступеневого варанта роботи не була сталою величиною. Як було встановлено, вона залежала вд типу охолоджуючо системи, а також вд прийнятого складу устаткування, яке комплекту установку.

В результат аналзу впливу рзних факторв на значення оптимальних параме-трв було встановлено, що вони не залежать вд температури зовншнього повтря (tз.п.=var), коефцнтв корисно д вентиляторв апаратв повтряного охолодження кратност циркуляц холодоагенту, гдравлчних втрат у насосному контур характеристик насосв холодоагенту. На протилежнсть вдмченому, оптимальн параметри (0, tп , к, tк) залежали вд цни електроенерг числа годин роботи установки за рк.

Збльшення втрат напору на боц повтря у конденсаторах повтряного охолодження (КПО) не впливало на значення температурного напору (0) пдохолодження повтря (tп) в повтроохолоджувач приводило до зростання аналогчних параметрв (к, tк) у конденсатор. Змна втрат напору на боц повтря у повтроохолоджувач мала рзний вплив на оптимальн параметри залежно вд температури повтря в охолоджуваному об'кт (tкам).

На пдстав оптимзацйних розрахункв встановлено, що значення параметрв, що нормуються (0, tп , к, tк), як використовуються у практиц проектування та експлуатац холодильних установок, не вдповдають сучасному стану економки.

Для повтроохолоджувачв зставлення запропонованих розрахункових значень змни температур наведено на рис.15. Якщо для пдохолодження повтря у повтро-охолоджувачах (tп) дюч рекомендац можна залишити без змн, то для температур-них напорв (0) при двоступеневому варант схеми вони повинн бути змнен.

Зставлення рекомендованих (1,2) розрахункових значень

температурних напорв пдохолодження повтря в апаратах

Рис.15 Зставлення для повтроохолоджувача Рис.16 Зставлення для КПО

Для конденсаторв повтряного охолодження значн розбжност розрахункових запропонованих значень температурних рзниць (рис.16) також властив област двоступеневого варанта схеми установки.

Проведене порвняння зазначених витрат на установки, що укомплектован рзними типами КПО повтроохолоджувачв, показало, що теплообмнники по-втряного охолодження на баз теплообмнних поверхонь, виготовлених методом литва пд тиском, мають економчн переваги.

У сьомому роздл наведено опис конструкц дослдних зразкв теплообмнникв повтряного охолодження (мжступеневих кнцевих охолоджувачв повтря, конденсаторв повтряного охолодження повтроохолоджувачв).

Отриман результати мжвдомчих випробувань мжступеневого охолоджувача повтря МО-480, виготовленого на баз поверхонь з бсегментним оребренням, пдтвердили висок теплотехнчн та експлуатацйн характеристики апарата. Тиск повтря на вход МО-480 дорвню 0.387 МПа, на виход – 0.377 МПа. Таким чином, втрати натиску не перевищили 10 кПа, що у 2–2.5 рази менше, нж у зразках серйних апаратв ВОТ-465. Температура повтря на виход МО-480 (головний показник) не перевищувала 49 С, що на 11 С нижче, нж у серйному апарат ВОТ-465.

За рекомендацями мжвдомчо комс на пдпримствах Украни налагоджено випуск мжступеневих охолоджувачв повтря – МО-600 на основ поверхонь з бсегментним оребренням.

Загальна сумарна зовншня поверхня виготовлених апаратв становить 11400 м2.

У результат мжвдомчих випробувань конденсаторв повтряного охолодження КПО-836ЛП (ТЗБ–1, м.ллчвськ, Одеська обл.) та КПО-4000ЛП (ВО «Азот», м.Гродно, Бларусь), виготовлених на баз високореберних поверхонь А-4 А-, м надана перша категоря якост. За рекомендацями мжвдомчо комс виконана розробка технчно документац на серю конденсаторв повтряного охолодження з боковим та нижнм розташуванням вентиляторв. Зразки апаратв з площиною поверхн теплообмну 836, 2500, 3000, 3300, 4000 м2 пред’явлен мжвдомчим комсям. КПО впроваджено на 7 пдпримствах харчово та хмчно промисловост. Загальна сумарна зовншня поверхня впроваджених апаратв становить 60870 м2.

Результати зставлення дослдно-промислових серйних КПО пдтвердили перевагу дослдних зразкв за енергетичними показниками.

Для КПО на баз запропонованих оребрених поверхонь ( = 32.5 = 36.4) за умов рвних теплозйомв дослдно пдтверджено зменшення потреб на цльнотягнут сталев труби на 26...60%.

Проведен випробування повтроохолоджувачв ПО-БП-250 ПОП-100ЛП у камерах термчно обробки харчових продуктв пдтвердили висок експлуатацйн показники апаратв. Аналз теплових характеристик повтроохолоджувачв показав, що щльнсть теплового потоку дослдно-промислового апарата на 12-40% вище, нж у серйних апаратв ВОП, ПВО, НВО в аналогчних умовах експлуатац. Повтроохолоджувач ПО-БП-250 ПОП-100ЛП витримали мжвдомч випробування запропонован мжвдомчою комсю до серйного виробництва.

Зразки