МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ХОЛОДУ

Гоголь Микола Іванович

УДК 621.56

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕПЛООБМІННИХ АПАРАТІВ

І СИСТЕМ ДЛЯ КОНДЕНСАЦІЇ І ОХОЛОДЖЕННЯ

ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПОТОКІВ

Спеціальність 05.05.14

Холодильна та кріогенна техніка, системи кондиціонування

Авторереферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса 2005

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі холодильних установок Одеської державної академії холоду Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Лагутін Анатолій Юхимович, проректор з наукової роботи

Одеської державної академії холоду Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дорошенко Олександр

Вікторович, Одеська державна академія холоду,

професор кафедри технічної термодинаміки;

доктор технічних наук, професор Радченко Микола

Іванович, Миколаївський національний університет

кораблебудування ім. адмірала Макарова, професор

кафедри кондиціонування та рефрижерації

:

Провідна організація: Національний політехнічний університет України,

„Київська політехніка”, кафедра атомних електростан-

цій і інженерної теплофізики.

Захист дисертації відбудеться 05.12.2005 р., о 13_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.087.01 в Одеській державній академії холоду за адресою:

вул. Дворянська,1/3, м.Одеса, Україна, 650082.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської державної академії холоду за адресою: вул. Дворянська,1/3, м.Одеса, Україна, 650082.

Автореферат розісланий 03.11.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради

Доктор технічних наук, професор Мілованов В.І.

Вих.№____________

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Охолодження та конденсація технологічних потоків у хімічному, металургійному, харчовому та інших виробництвах здійснюється здебільшого шляхом відведення теплоти до атмосферного повітря. Значну групу серед цих процесів становлять такі, в яких газові (повітряні) потоки охолоджуються завдяки циркуляції рідкого холодоносія, наприклад води. Спільним для вказаних технологічних процесів є те, що вони реалізуються в теплообмінних апаратах із розвиненою зовнішньою поверхнею теплообміну.

Широке застосування апаратів повітряного охолодженням сприяє вирішенню однієї з найбільш гострих проблем – енерго- і ресурсозбереження та екологічної безпеки експлуатації холодильного і кондиціонуючого обладнання. Тому вдосконалення теплових та аеродинамічних процесів в таких апаратах є однією з пріоритетних задач холодильної техніки і техніки кондиціонування.

Відомі результати дослідження процесів конденсації середовищ, зокрема аміаку усередині горизонтальних труб відносяться до охолодження поверхні водою, що не дає можливості застосовувати їх для умов охолодження поверхні повітрям. Використання в теплообмінних апаратах повітря змінює фактори впливу на процес конденсації і відповідно умови тепловіддачі. Проведення дослідження процесів конденсації пари аміаку в горизонтальних трубах із зовнішнім обтіканням потоком повітря доцільно ще й тому, що аміак залишається основним холодильним агентом у системах охолодження технологічних потоків хімічної та холодильної технологій.

При відведенні теплоти конденсації й в інших процесах, зокрема охолодження газів (повітря), стиснених у компресорних установках, використовуються здебільше біметалеві поверхні з традиційною формою оребрення. Широка гама поверхонь застосовується практично безальтернативно, а нові поверхні, які довели свою працездатність і впроваджуються у конструкціях теплообмінників, не досліджені у діапазонах експлуатаційних параметрів. Така невизначеність із вибором найбільш ефективних поверхонь призводить до значних енергетичних втрат і спричинена відсутністю наукових основ оптимального проектування теплообмінних апаратів і систем для конденсації й охолодження технологічних потоків як необхідної умови створення удосконаленого енергозберігаючого обладнання для охолоджуючих і утилізаційних процесів, а також технологічного кондиціонування. Це й зумовило необхідність вирішення науково-прикладної задачі –підвищення ефективності теплообмінних апаратів і систем для конденсації і охолодження технологічних потоків промислових процесів шляхом тепло- та аеродинамічного їхнього вдосконалення і розробки науково обґрунтованих основ проектування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Наведені в дисертації матеріали використані в науково-дослідних роботах, виконаних у рамках пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки, зокрема "Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі", згідно з Законом України від 5 липня 2001 року за № 2586-Ш, за №№ держреєстрації 0100U003729; 0103U001587; 0103U001585.

Об’єктом досліджень є апарати і системи для конденсації та охолодження технологічних

потоків.

Предметом досліджень є процеси теплообміну при конденсації аміаку в горизонтальних трубах із зовнішнім обтіканням потоком повітря, теплообміну та аеродинаміки в розвинених трубчасто-реберних поверхнях апаратів і систем для конденсації та охолодження технологічних потоків.

Метою наукового дослідження є підвищення ефективності теплообмінних апаратів і систем для конденсації і охолодження технологічних потоків промислових процесів шляхом тепло- та аеродинамічного їхнього вдосконалення і розробки науково обґрунтованих основ проектування.

Основні задачі наукового дослідження: –

виявити закономірності процесів та одержати залежності для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації аміаку в горизонтальних трубах із зовнішнім обтіканням потоком повітря;–

установити закономірності процесів та одержати критеріальні залежності для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі та аеродинамічного опору в пучках поверхонь з удосконаленою формою ребер у широкому діапазоні значень швидкостей повітря;

розробити основи проектування теплообмінних апаратів і систем із ефективними зовнішніми розвиненими поверхнями для конденсації та охолодження технологічних потоків;

удосконалити методологію оптимального вибору теплообмінних поверхонь апаратів для конденсації і охолодження технологічних потоків.

Методи дослідження: методи повного та локального теплового моделювання процесів; сучасні методи вимірювання та визначення теплових і аеродинамічних характеристик двофазових і повітряних потоків; методи дотримання стаціонарного питомого навантаження, незмінності теплового потоку та параметрів середовищ; методи порівняльного аналізу теплообмінників за масогабаритними та енергетичними показниками.

Наукові положення, що виносяться на захист:

1. В теплообмінних апаратах із конденсацією в горизонтальних трубах і зовнішнім обтіканням потоком повітря в діапазонах масових швидкостей аміаку 0,66...18,0 кг/ (м2·с) і повітря 3,0...15,0 кг/ (м2·с) переважають режими напівкільцевої і кільцевої течії, для якого коефіцієнт тепловіддачі є функцією тільки гідравлічного діаметру (l/d).

2. 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.

Наукові результати, які автор захищає на додаток до наукових положень, та їхня новизна:

1. Вперше встановлені закономірності процесів конденсації аміаку в горизонтальних трубах

з зовнішнім обтіканням поверхні повітрям.

2. Вперше встановлено раціональне значення параметру l/d для повітряних конденсаторів.

3. Вперше одержана залежність для визначення коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації аміаку у горизонтальних трубах з зовнішнім обтіканням поверхні повітрям.

4. Вперше одержано критеріальні залежності для визначення коефіцієнтів тепловіддачі та

аеродинамічного опору в пучках оребрених труб з удосконаленою, бісегментною, формою в роз

ширеному діапазоні масових швидкостей повітря.

5. Удосконалено методологію оптимального вибору теплообмінних поверхонь апаратів для конденсації і охолодження технологічних потоків і визначено найбільш енергетично досконалі оребрені поверхні.

6. На основі встановлених закономірностей і одержаних аналітичних залежностей для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі створено теоретичну базу проектування теплообмінних апаратів і систем із ефективними зовнішніми розвиненими поверхнями для конденсації та охолодження технологічних потоків.

Достовірність результатів дослідження підтверджується коректною постановкою науко-прикладної задачі; задовільним узгодженням теоретичних результатів і експериментальних даних; необхідною точністю експерименту; узгодженням одержаних результатів із даними інших авторів; використанням при порівняльному аналізі поверхонь однотипних критеріальних залежностей.

Наукове значення мають наступні результати дослідження:

закономірності процесів конденсації аміаку в горизонтальних трубах із зовнішнім обтіканням поверхні повітрям;

аналітичні залежності для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації аміаку у горизонтальних трубах із зовнішнім обтіканням поверхні повітрям, а також коефіцієнтів тепловіддачі та аеродинамічного опору в пучках оребрених труб з удосконаленою, бісегментною, формою в розширеному діапазоні масових швидкостей повітря.

Окрім досліджених апаратів і систем, одержані аналітичні залежності для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі та аеродинамічного опору, а також встановлені закономірності процесів можуть знайти широке застосування в більшості технологічних процесів переробної, харчової, хімічної та інших виробництв.

Практичну цінність мають:

методики розрахунку і проектування апаратів повітряного охолодження для конденсації аміаку й охолодження технологічних потоків;

розроблені конструкції теплообмінних апаратів і систем технологічних установок хімічних, металургійних виробництв і аміачних холодильних установок;

рекомендації з оптимальних геометричних й інших конструктивних характеристик теплообмінних апаратів повітряного охолодження.

Новизна та практична цінність розроблених технічних рішень підтверджена 3 авторськими свідоцтвами на винахід.

Основні результати роботи впроваджено в технологічних установках виробництв: Черкаське ОАО “Азот”, Горлівське ВАТ “Стірол”; Воскресенське ВАТ “Міндобрива”, ЗАТ “Одесакондитер”, львівська КФ „Світоч” та інші. Удосконалені реберні поверхні використовуються у конструкціях міступеневих теплообмінників установок ГТТ-3М Сніжнянскьким ВАТ “Хіммаш”, теплообмінників-калориферів Орєховським ВАТ “Машбудконструкція”.

Конкретна особиста участь автора в одержанні наведених у дисертації наукових ре

зультатів полягає в одержанні експериментальних даних із тепловіддачі при конденсації аміаку в

горизонтальних трубах із зовнішнім обтіканням поверхні повітрям, тепловіддачі та аеродинаміки повітряних потоків у пучках оребрених труб з удосконаленою, бісегментною, формою; в одержанні аналітичних залежностей для розрахунку інтенсивності тепловіддачі при конденсації аміаку в горизонтальних трубах, тепловіддачі та аеродинамічного опору в пучках оребрених труб з бісегментною формою; в аналізі та розрахунку параметрів, закладених у аналітичні залежності; у встановленні закономірностей процесів і розробці теоретичної бази раціонального проектування теплообмінних апаратів; у вдосконаленні методик порівняння трубчасто-реберних поверхонь і аналізі результатів порівняння; в розробці конструктивних рішень теплообмінних апаратів і схемних рішень систем для конденсації та охолодження технологічних потоків.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи були апробовані на міжнародній науково-технічній конференції "Reclein 2000", De la Havana, Cuba, 17-21 de la Julio del 2000; 21му Міжнародному Конгресі з холоду у Вашингтоні, 17-23 серпня 2003; 3ій міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні проблеми холодильної техніки і технології”, Одеса, 17-19 вересня 2003 р.; міжнародній науково-технічній конференції “Енергоефективність 2004”, м.Одеса, 13 – 14 жовтня 2004 року; ХІ науково-методичній конференції “Людина та навколишнє середовище – проблеми безперервної екологічної освіти в вузах”, Одеса –Ізмаіл, 24– 27 травня 2005 р.; науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ОДАХ.

Публикації. За темою дисертації опубліковано 32 друкованих наукових праць, у тому числі 15 статей у наукових спеціалізованих виданнях, 5 доповідей, 8 тез доповідей, отримано три авторських свідоцтва СРСР на винахід.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація викладена на сторінках машинопис

сного тексту, включаючи рисунків, таблиць і складається зі вступу, п’яти розділів, списку літератури з найменувань і додатків на сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і завдання досліджень, подана загальна характеристика роботи.

У першому розділі роботи приведено огляд літературних джерел з експериментальних та теоретичних досліджень процесів конденсації пари на поверхні, зокрема усередині горизонтальних труб, розлянуті режими течії конденсатної плівки; з експериментальних досліджень пучків трубчасто-оребрених елементів, зокрема в умовах повного моделювання та з різними формами оребрення ; наведено короткий огляд конструкцій апаратів з розвиненою зовнішньою поверхнею теплообміну та методів порівняння оребрених поверхонь.

Проведений аналіз науково-технічної літератури виявив відсутність досліджень процесів

конденсації в трубах при охолоджені її повітрям. Умови тепловідведення в трубі при використанні ребреня і охолодженні з зовнішнім обтіканням поверхні потоком повітря значно відрізняються від умов охолодження поверхні труби водою тим, що зростає температура поверхні конденсації. Передбачається, що товщина конденсатної плівки при охолоджені повітрям має менше значення з-за менш стійкого рівноважного стану процесу. В літературі відсутні також дані про експериментальні дослідження пучків трубчасто-оребрених поверхонь з бісегментною формою ооребрення . Необхідність досліджень процесів конденсації і пучків безсумнівна – конденсація аміаку в повітряних конденсаторах широко використовується в техніці, а об’єми впровадження охолоджувачів повітря компресорних установок на основі поверхонь з бісегментною формою оребрення зростають. Доцільность впровадження оребрених поверхонь обгрунтовується мінімумом енергетичних витрат при використанні цих поверхонь. Останнє безпосередньо впливає на економічність роботи технологічної системи. Очевидно, що раціональні форма та геометрична структура ребра, що наближені до оптимальних і забезпечують максимальний ефект.

Впровадження нових теплообмінних поверхонь необхідно проводити на науково-обгрун-тованих засадах і всебічного порівняння їх по масовим, об’ємним, енергетичним показникам. Для порівняння необхідно використовувати найбільш відомі об’єктивні методики, а порівняння здійснювати при використанні однотипних критеріальних та робочих залежностей, що описують процеси теплообміну і аеродинаміки.

У другому розділі приведені результати експериментальних досліджень процесів конденсації аміаку усередині горизонтальної труби, що охолоджується повітрям. Експериментальні дослідження проведено на установці, яка була виконана за принципом розімкненої аеродинамічної труби (зовнішній контур); внутрішній контур – замкнене циркуляційне кільце робочого тіла – аміаку. За натурну модель була вибрана одиночна труба з оребрення м при коефицієнті оребрення ? = 28,1, наближеним до параметрів промислових конденсаторів з повітряним охолодженням. Для експериментальних досліджень використана труба ( основа – труба ш 14х2,0) з оребрення м, яка була виготовлена за спеціальною технологією, що забезпечувала мінімальний термічний опір контакту.

Стаціонарність теплового режиму в експериментальній установці підтверджувалася пос-

тійними значеннями тиску, температур аміаку і повітря в експериментальному вузлі. Дослідження

процесів конденсації проведено з насиченою парою аміаку у діапазоні щільностей теплового потоку віднесених до внутрішньої поверхні горизонтальної труби, від 800 до 22000 Вт/м2; масових швидкостей руху аміаку на вході у трубу від 0,68 до 18,0 кг/(м2 ·с), масових швидкостей руху повітря від 3,0 до 15,0 кг/ (м2·с); тисків конденсації від 0,8 до 1,5 МПа; температур зовнішнього повітря від 12 до 29 оС. В експериментальних дослідженнях були використані довжини труб 0,75; 1,03; 2,54 м, тобто дослідження проведено при трьох значеннях гідравлічного діаметру (далі параметру) l/d: 75; 103; і 254.

Результати досліджень узагальнені рівняннями у формі залежності коефіцієнту тепловіддачі від щільності теплового потоку, віднесенної до внутрішньої поверхні труби

ба = c·qвн-m (1)

Значення коефіцієнтів с і показників ступеня m для єкспериментально досліджених труб з

параметром l/d = 254 при різних значеннях тиску приведені у табл. 1.

Дослідження виявили незалежність коефіцієнту тепловіддачі б при конденсації від тиску,

тому апроксимація була проведена за значеннями параметру l/d, вплив якого у процесі виявився найбільшим. Узагальнені рівняння для трьох значень параметру l/d набули вигляду:

l/d = 254 б= 19345 · q –0,127 (2)

l/d = 103 б= 23351 · q –0,0951 (3)

l/d = 75 б= 24066 · q –0,0947 (4)

Таблиця 1

Результати експериментальних досліджень процесів конденсації

Тиск аміиаку, Мпа | С | M | R2

0,8 – 0,9 | 19253,0 | 0,1306 | 0,778

1,0 – 1,1 | 21298,0 | 0,1378 | 0,700

1,2 – 1,3 | 23457,0 | 0,1471 | 0,324

1,4 – 1,5 | 34389,0 | 0,1874 | 0,385

Графіки функцій б = f (q) для різних значень параметру l/d приведені на рис. 1.

Рис.1. Залежність коэффициенту тепловіддачі б від щільності теплового потоку

q при значеннях параметру l/d: а) – 254; б) – 103; в) – 75.

Середні значення похибок експериментальних досліджень склали величину 15-30%.

Характер графічних залежностей підтверджує закономірність падіння коефіцієнту тепловіддачі від зростання щільності теплового потоку qвн. Але інтенсивність падіння ба при збільшенні q виявляється меншою ніж у дослідженнях інших авторів. Останнє пояснюється тим, що всі дослідження були здійснені при охолодженні поверхні теплообміну водою. Режими течії конденсату характеризуються значною нестабільністю внаслідок малих перепадів температур в апаратах з-за використання повітря. В трубах апаратів переважає більш вираженний кільцевий режим течіїї, що підтверджується практично одинаковою температурою на поверхні у перерізі труби. Середня товщина конденсатної плівки на внутрішній поверхні виявляється меншою, тому середній коефіцієнт тепловіддачі при одинакових значеннях qвн на 12 – 14 % більше при повітряному, ніж при водяному охолодженні поверхні. Залежності (2) – (4) узагальнені рівнянням

ба = 739366 · qвн –0,127 (l/d) -0,634 (5)

Аналіз рівнянь (2) – (5) і графіків на рис.1 свідчить про те, що у дослідженому діапазоні значень щільностей теплового потоку та масових швидкостей амміаку масовій швидкістю руху повітря у живому реберної труби переважає слабка залежність б від q. Визначені значення б змінюються відносно середніх значень коефіцієнту тепловіддачі у межах ± (13,2 – 18) %, що знаходиться у межах похибок експеріментальних досліджень. Прийнявши за функцію середні значення коефіцієнтів тепловіддачі при різних значеннях параметру l/d при фіксованих значеннях щільності

теплових потоків, отримаємо рівняння, яке зручне для практичного використання

бвн = 241193 · (l/d) -0,634 (6)

Наведене рівняння встановлює залежність коефіцієнту тепловіддачі тільки від гідравлічного діаметру труби l/d і є основою обгрунтовання першого наукового положення.

Аналіз зіставлення результатів досліджень з даними інших авторів показує, що раціональ-

не значення параметру l/d для повітряних конденсаторів знаходиться у діапазоні значень 200...254.

У третьому розділі приведені результати експериментальних досліждень теплотехнічних характеристик пучків трубчасто-оребрених елементів за методом повного моделювання. Експериментальні дослідження проведені в установці, що побудована за принципом замкненого повітряного циркуляційного контуру. За натурну модель було прийнято теплообмінник щільної компановки, який зібрано з трубчато-оребрених елементів бісегментної форми. Конструкція реберного елементу приведена на рисунку 2, а параметри оребрення – у таблиці 2. Профіль ребрення наближений до ребра з мінімальним об’ємом. Орієнтація вісей реберного елементу у пучку по відноше

Рис.2. Трубчасто-реберний елемент

ню до вектору напряму руху повітряного потоку була прийнята по рекомендаціям раніше виконаної роботи, у відповідності з якими мала вісь ребра розміщувалася вздовж потоку.

Таблиця 2.

Параметри оребрення поверхонь експериментального пучку

№,п/п | Найменування, одиниця виміру | Позначення | Варіант 1 | Варіант 2

1 | Діаметр труби (зовнішній), мм | dз | 20,0 | 20,0

2 | Діаметр труби (внутрішній), мм | dвн | 16,0 | 16,0

3 | Діаметр труби в основі ребра, мм | dо | 23,0 | 23,0

4 | Вісь форми ребра, більша, мм | A | 68,0 | 68,0

5 | Вісь форми ребра, менша, мм | B | 40,0 | 40,0

6 | Товщина ребра, мм: при вершині

в основі | д в

до0,8

1,5 | 0,8

1,5

7 | Крок ребра, мм | u | 5,0 | 4,0

8 | Площа поверхні одного погонного метра ребреної труби, м2 | Fп.м. | 0,70 | 0,885

9 | Коефіцієнт оребрення | в | 13,93 | 17,62

Тепловий потік в установці імітувався електронагрівачами. Відведення теплового потоку забезпечувалося водою. Результати теплових і аеродинамічних досліджень були узагальнені

критеріальними залежностями у вигляді

Eu/z = с2 · Re –n (7)

Nuпр = с 1 · Re m (8)

Аеродинамічні дослідження пучків проведені в ізотермічних умовах у діапазоні змінення швидкостей руху повітря від 5,5 до 28 м/с, що охоплювало практично весь діапазон експлуації теплообмінних поверхонь повітряних апаратів. До досліджень, які були проведені в аеродинамічній трубі замкненого типу, були приєднані раніше виконані дослідження в аеродинамічній трубі розі-

мкненого типу. Графіки залежності Eu/z = f (Re) приведені на рисунку 3. Розширення діапазону не привело до зміни характеру залежності.

Теплові дослідження проведені в інтервалі зміни середніх температур повітря від 20,6 до

59,2 оС при значеннях швидкостей руху повітря у живому перерізі пучку від 5,9 до 24,4 м/с, що

співпадало з діапазоном аеродинамічних досліджень. Тепловий потік в експериментальному теп

лообміннику змінювався від 2,0 до 9,3 кВт. Графіки залежностей Nu пр = f (Re) приведені на рис. 4. На цьому графіку нанесені також результати теплових досліджень пучку труб бісегментної форми в умовах локального моделювання при стаціонарному тепловому потоці.

Проведені дослідження доводять, що у вибраному діапазоні зміни параметрів значення критеріїв Nuпр при локальному моделюванні лежать вище на 25 – 30% аналогічних значень Nu пр для повного моделювання. Але при збільшенні швидкості руху повітря спостерігається зближення

значень приведених коефіцієнтів тепловіддачі при локальному і повному моделюванні. В межах

чисел Re = (35 – 40)·10 –3 їх значення практично співпадають. Висновки підтверджують результати досліджень інших авторів, що виконані раніше.

Узагальнення експериментальних даних по тепловіддачі і аеродинамічному опору досліджених пучків дає значення коефіцієнтів і показників ступенів для рівнянь (7) і (8), які наведено у

табл.3. Визначальними параметрами в критеріях Nuпр , Eu і Re є: розмір – діаметр труби у основі

ребра; температура – середня температура повітря у пучку, швидкість руху повітря у живому пере-

різі пучку. Область використання отриманих рівнянь приймається за графіками на рис. 3 і 4.

Таблиця 3

Результати експериментальних досліджень пучків трубчасто-реберних елементів

Крок ребра., мм | с1 | с2 | m | n

u = 4 | 0,18 | 3,38 | 0,66 | 0,207

u = 5 | 0,089 | 1,87 | 0,72 | 0,170

Результати досліджень були використані надалі у порівнянні поверхонь, розробці конструкцій теплообмінників. Середні значення похибок аеродинамічних досліджень пучків склали значення 3-6%; теплових досліджень 6-8%.

Четвертий розділ присвячено порівнянню теплообмінних поверхонь, що використовуються у конструкціях апаратів компресорних установок стиснення газу (повітря). Частково дослідження розповсюджуються і на апарати з вентиляцією атмосферого повітря.

Аналітично-розрахункові дослідження зміни відносної металоємності пучків трубчасто-реберних теплообмінників у порівнянні з гладкотрубним пучком привели до висновку, що при використанні алюмінієвих ребер оптимальним є коефіцієнт ребрення в, який вибрано з діапазону значень від 13 до 17. З табл. 2 видно, що цим параметрам відповідають досліджені трубчасто-реберні елементи

бісегментної форми. В них поєднується оптимальність форми i коефіцієнта ребрення, який за

безпечує мінімальну металоємність.

У таблиці 4 наведені типи і параметри поверхонь, що використовуються у конструкціях те

плообмінників компресорних установок. Ці ж поверхні можуть бути використані і в конструктціях конденсаторів ( поверхні 4 і 5). За основу були прийняті методики порівняння запропоновані , Рісом В.Ф. і Антуфьєвим В.М., як найбільш відомі та об’єктивні. Методики доповнені новими залежностями з теплообміну і аеродинаміки та включенням до складу рівнянь термічного опору стінок труби. Показниками для порівняння за методом Ріса В.Ф. прийняті параметри f = F/M; V/M; сF ·f, де F – площа поверхні теплообміну (зовнішня реберна), м2; M – витрати газу (повітря), кг/с; сF – питома вага поверхні, кг/м2. Площа поверхні теплообміну визначалася шляхом об’єднання рівнянь теплопередачі і теплового балансу

, (9)

де – безрозмірний комплекс, що визначається за формулою

=

tп1 і tп2 – температури газу (повітря) на вході і виході теплообмінника, оС;

иm – середня логарифмічна різниця температур у апараті, оС;

k– коефіцієнт теплопередачі теплообмінника, Вт/(м2 ·К);

бп і бвн – коефіцієнти тепловіддачі газу (повітря), води (аммиаку), Вт/ (м2? К);

У ді/лі – сума термічних опорів багатошарової стінки труби, (м 2 ·К)/Вт;

в' – коефіцієнт, що визначається співвідношенням площі оребрення до площі на зовніш

ній поверхні труби.

Рівняння (9) приводиться до спрощеного вигляду

(10)

де, комплекси: і

коефіцієнти: kп= С / (?·dз), С = ? ·а; а– розмір труби у

поперечному перерізі, м; для круглої труби kп= 1, тому що а= dз

k1 = m/(3-n); k2 = (3 – n – 3m) / (3 – n)

Результати порівняння приведені на графіках рис.5 і 6 у вигляді залежностей (сF ·f) і V/M від

значень сm?дp, що визначають втрати тиску повітря у теплообмінниках. Фізичні параметри прийняті за середньої температури повітря tср = 110 оС; коефіцієнт тепловіддачі від стінки до води бвн = 6500 Вт/(м2·К), що відповідає швидкості руху води в трубках апарату – 1,5 м/с.

З іншого боку, за методом Антуфьєва В.М. теплова ефективність поверхонь оцінювається

енергетичним коефіцієнтом

, (12)

де No = N /F – питомі витрати енергії на транспортування теплоносія, віднесені до квадратного

метру площі теплообмінника , Вт/м2

Використовуючи рівняння (7) і (8) і взаємозв’язок параметрів ребрення, значення питомих витрат енергії записано у вигляді:

, (13)

де: коефіцієнти: ; k1 = (3 – n)/m; k2 = k1 - 3; k n = С/ ? · а;

комплекс, який об’єднує теплофизічні параметри газу (повітря):

Порівняння теплообмінних поверхонь наведених у табл. 4 проведено при значеннях різниці

температур повітря Дt = 30; 70; 150 °С. Физічні параметри повітря ст , лт, мт, як і у попередніх

розрахунках, прийняті при середній температурі повітря 110 оС. Графіки залежності Е = f(Nо) у

логаріфмічних координатах представлені на рис.7. Результати порівняння поверхонь за об’ємно-

масовим характеристикам приведені на графіках рис. 8 і 9. Коефіцієнт Ш = Е/Eе враховує відхи-лення енергетичного коефіцієнту від такого ж показника еталонної поверхні. За еталонний пучок прийнято пучок з поверхні 1. Окрім того, прийняті на графіках позначення такі: П = F/V, компактність пучку , м2/м3. У вихідні дані закладено умови еквивалентності кількості тепла, що передається, і витрат енергії на транспортування середовища (повітря).

Виконані порівняння теплообмінних поверхонь за наведеними методиками довели, що у диапазонах зміни незалежних перемінних: сm·дс; N0 ; No/(Р?Ш) і No /(сf··Ш), даних на графіках, найкращою за значенням показників сF·f, V/M, E є поверхня 4, яка виготовлена на основі сталевої труби з бісегментним литим алюмінієвим ребренням і яка має трапецеїдальний профіль, що найближчий до ребра з мінімальною масою. Задовільні показники має також поверхня 5* (значення показників поверхонь 4* і 5 знаходяться у діапазоні зміни показників поверхонь 4 і 5*. Висновок підтверджує справедливість другого наукового положення.

З поверхонь, що використовуються у конструкціях теплообмінників компресорних установок найкращі показники має поверхня 1 (латунна труба, ребра з міді). Водночас, при виборі поверхонь необхідно керуватися, крім отриманих результатів порівняння, факторами надійності, можливості очищення поверхні та досконалої технології виготовлення. По цим показникам поверхні 4 (4*), 5 (5*) мають безперечні переваги, що і підтверджено їх значним потенціалом впровадження.

У пятому розділі розглянуто конструктивні рішення промислових зразків конденсаторів та теплообмінників з повітряним охолодженням, міжступеневих та кінцевих теплообмінників компресорних установок стиснення повітря, та теплообмінних систем утилізації і технологічного кондиціонування, які створені на базі поверхонь з удосконаленою та традиційною формою ребрення і виготовлених методом лиття під тиском. Апарати та системи створені для технологічних потоків

промислових виробництв хімічної технології, холодильної техніки. Наведено методику промислових випробувань та результати випробувань апаратів конденсації аміаку з повітряним охолодженням та теплообмінників компресорних установкок.

Випробування апаратів та систем у промислових умовах підтвердили результати експериментальних досліджень. Підтверджено, що спосіб виготовлених теплообмінних поверхонь методом лиття під тиском алюмінієвого сплаву на сталеву трубу є единим апробірованим методом, який поєднує можливості створення різноманітної геометрії оребрення з надійним контактом труби і ребра. Прийнята геометрична форма і структура оребрення сприяє зменшенню аеродинамічного опору за течією потоку газу (повітря) при високих теплових характеристиках пучку апарату.

ВИСНОВКИ

1. Вперше науково-прикладну задачу підвищення ефективності теплообмінних апаратів і систем для конденсації і 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 в пучках оребрених труб, з іншого. Це забезпечило значну перспективу подальшого використання одержаних теоретичних і прикладних результатів у широкому класі апаратів із обтіканням повітряними й ін

шими газовими потоками, 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/ (м2·с) і повітря 3,0...15,0 кг/ (м2·с) 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. Обгрунтовано, 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 тепловіддачі ба при конденсації аміаку підтверджують висновки рядка авторів, про падіння ба при збільшенні щільності теплового потоку. Однак, інтенсивність падіння) коефіцієнта тепловіддачі ба в залежності від щільності теплового потоку при охолодженні повітрям виявляється значно меншою, ніж при охолодженні водою, що свідчить про наявність меншої товщини конденсатної плівки на поверхні конденсації. Середні значення коефіцієнтів тепловіддачі на 12…14 % більші, ніж при охолоджені зовнішьої поверхні водою.

5. Вперше встановлено, що оптимальні значення параметру l/d аміачних повітряних конденсаторів знаходяться в діапазоні 200…260. Для апарату з труб O 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 2000 ?Re= 40000.

7. Встановлено, що значення приведених коефіцієнтів тепловіддачі бпр ( Nuпр) бісегментних поверхонь у діапазоні 800 ?Re= 13000, 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 чисел Re = (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 руху повітря у живому перерізі пучку з 1,5... 8,0 до 1,5...28,0 кг/(м2· с) не призводить до зміни характеру залежності Eu/ z =f (Re). Зменшення кроку бісегментного оребрення з 5 до 4 мм приводить до збільшення аеродинамічного опору пучку 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 коефіцієнту ребрення в поверхонь, який для ребер з 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 забеспечує 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 і 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.

Основні результати дисертації опубліковані в наукових спеціалізованих виданнях:

1. Гоголь Н.И., Лагутин А.Е., Коляда Н.А., Гоголь А.Н. Сравнение конструкций теплообменных поверхностей охладителей газов компрессорных установок // Холодильна техніка і технологія. – 2005.– № 1(93). – С. 7 – 14.

2. Гоголь Н.И., Лагутин А.Е., Чепурненко В.П. Исследование процессов конденсации аммиака внутри труб // Холодильна техніка і технологія. – 2004. – № 6(92). – С. 7 – 14.

3. Гоголь Н.И., Лагутин А.Е., Чепурненко В.П. Исследование пучков ребристых труб компрессорных установок // Холодильна техніка і технологія. – 2004.– № 5(91). – С. 25 – 30.

4. Гоголь А.Н., Гоголь Н.И. Влияние коэффициента оребрения на металлоемкость пучков аппаратов // Холодильна техніка і технологія. – 2005. – № 4 (96). – C.49-52.

5. Chepurnenko V., Gogol N.,Omar Batal, Study of Processes in Drain Lines and Development of Rational Designs for Condenser Systems Arrangement // Collection works 21-th Lir International Congress of Refrigeration, August 17-23, 2003, Washington.

6. Chepurnenko V. P., Lagoutine A. E., Shauning A.X., Gogol N. Investigation of thermal re sistans contact in bimetal exchange surfaces // 19-th International Congress of Refrigeration. The Hague the Netherlands, August, 20-25 august, 1995. – P. 62-66.

7. Chepurnenko V. P., Lagoutine A. E., Вatal O. N., Gogol N.І. Capacity of refrigerating unit condensers when different concluctions of connecting circuit are used. CFCs, The Day AFTER Inter-

national conference. University of Padua, Italy , joint MEETING OF COMMIS STONS B1, B2, E1

and E2, September 21-23, 1994, – P. 659-666.

8. Chepurnenko V. P., Lagoutine A. E., Gogol N.І. An investigation of heat exchange while ammonia condensing a pipe at little densities of heat flow // Energy efficiency in refrigeration and global warming impact/ May 12-14, 1993/ University of GHENT, Belgium, – P. 243-251

9. Chepurnenko V. P., Lagoutine A. E., Gogol N.І. Recherchee dans le domaine d’tchange thermiqueet d’aerodynamique des feisceoux de tubes ailettees a une forme perfectionnee des ailettes // Preseсte dans le carde du XV111 Congres international du froid Written for the XV111-th International Congress of Refrigeration. Palais des Congres de Montreal. Mjntreal Quebec, Canada/ 10-17 aout/ 1991, – P. 213 - 221.

10. Лагутин А. Е., Чепурненко В. П., Гоголь Н.И. Экспериментальное исследование теплоотдачи и аэродинамического сопротивления пучков труб с поперечными ребрами бисегментной формы // Холодильна техніка і технологія, вып. 47, 1988 г. –C.61-63.

11. Чепурненко В. П., Лагутин А. Е., Пархоменко А. Л., Гоголь Н.И. Исследование теплоотдачи и аэродинамического сопротивления пучков труб с ребрами переменного профиля // Химическое и нефтяное машиностроение. – № 7.– 1988.– -C. 7-9.

12. Чепурненко В. П., Лагутин А. Е., Пархоменко А. Л., Гоголь Н.И. Экспериментальное

исследование теплообмена и аэродинамики пучков труб с эллиптическим оребрением // Xолодильная Техніка и технология, вып. 42, Киев, “Технiка”, 1986 г.– C. 13-17.

13. Чепурненко В. П., Лагутин А. Е., Пархоменко А. Л., Гоголь Н.И. Экспериментальное исследование теплоотдачи и сопротивления пучков аппаратов воздушного охлаждения из биметаллических высокоребристых труб // Холодильна техніка і технологія, вып. 42, Киев, “Технiка” –1986. – C. 8-13.

Основні публікації, в яких додатково викладено зміст дисертації:

14. Уменьшение металлоемкости теплообменников при использовании трубчато-ребристых поверхностей // Збірник наукових праць ХI науково-методичної конференції „Людина і навколишнє середовище – проблеми безперевної екологічної освіти в вузах” Одеса - Ізмаїл, Україна, 17-24 травня 2005 р. – С.45 - 47.

15. Гоголь Н.И.,Чепурненко В.П., Лагу тин А.Е. Энергосбережение в промышленных установках // Збірник праць Міжнародної науково-технічної конференціїї Енергоефективність 2004 ( додаток до журналу „Холодильна техніка і технологія”) , 13-16 жовтня 2004 р., м.Одеса, Україна. – С. 76-80.

16. Ржепишевский Ф.П., Гоголь Н.И., Русов Е.Х., Яковлев Ю.А. Оценка энергетической єффективности эксплуатации холодильных установок // Збірник праць Міжнародної науково-технічної конференціїї Енергоефективність 2004 ( додаток до журналу „Холодильна техніка і технологія”) , 13-16 жовтня 2004 р., м.Одеса, Україна. – С. 188-190.

17. Денисов Ю.П., Гоголь Н.И.О расчете утилизаторов тепла перегретого пара холодильных установок // Сборник научных трудов 3 Международной научно-технической конференции “Современные проблемы холодильной техники и технологии”,17-19 сентября 2003 г., Одесса. – С. 5-8.

18. Чепурненко В.П., Батал О.Х., Гоголь Н.И. К вопросу о выборе параметров уравнительных линий в конденсаторных системах холодильных установок // Сборник научных трудов 2-ой Международной научно-технической конференции по холодильной технике “Современные проблемы холодильной техники и технологии” ( приложение к журналу “Холодильная техника и технология”. Одесса ,Украина. – 2002 . – С.10.

19.Чепурненко В.П., Батал О.Х.,Гоголь Н.И.,Лагутин А.Е. Элементы схем конденсаторных систем // Информационный листок о научно-техниче-ском достижении № 076-97, г. Одесса ОЦНТи И. –1997. – 4 с.

20.Чепурненко В.П., Батал О.Х.,Гоголь Н.И.,Лагутин А.Е. Схемы компановки узла конденсатор – линейный ресивер // Информационный листок о научно-техниче-ском достижении № 076-97, г. Одесса ОЦНТи И. –1997. – 4 с.

21. Колпаков Ю.А., Гоголь Н.И., Ахметов А.С.,Левин В.И., Байжанов К. Установка для получения экстракционной фосфорной кислоты. А. С. № 11752797, 1992, БИ №29.

22. Колпаков Ю.А., Гоголь Н.И., Ахметов А.С., Байжанов К. и др. Способ получения экстракционной фосфорной кислоты. А. С. № 1773024, 1990, БИ №29.

23. Чепурненко В. П., Мирончук Ю. А. Гоголь Н.И. Оптимизация температурных режи

мов теплообмена с промежуточным теплоносителем // Химическая промышленность – № 10. –––1992. - C. 27-30.

24. Чепурненко В. П., Мирончук Ю. А. Гоголь Н.И. Оптимизация систем утилизации тепла с промежуточным теплоносителем // Тезисы докладов межреспубликанской научно-прак-тической конференции Краснодарский дом науки