Теплообмен при встречном обтекании рядов труб аппарата воздушного охлаждения

УДК 536.24

А. В. Дмитриев, О. С. Дмитриева

ТЕПЛООБМЕН ПРИ ВСТРЕЧНОМ ОБТЕКАНИИ РЯДОВ ТРУБ АППАРАТА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Ключевые слова: охлаждение воздухом, вентилятор, пучок труб, теплоотдача.

Представлены результаты исследований аппарата воздушного охлаждения масла. В качестве объекта исследования выбрали масляный трансформатор с охлаждением дутьем. Цель исследования - оценить эффективность теплообмена при разных вариантах исполнения радиаторов охлаждения. Оценка заключалась в том, что в одном из рассматриваемых вариантов обдув труб осуществляется с помощью вентиляторов, установленных с противоположных сторон радиатора, организуя встречный обдув.

Keywords: air cooling, fan, tube bundle, heat transfer.

The results of the research of the oil air cooling apparatus are presented. As an object of research, an oil-filled transformer was chosen with cooling by blowing. The purpose of the study is to evaluate the efficiency of heat exchange in different versions of cooling radiators. The evaluation consisted in that in one of the considered variants, the blowing of pipes is carried out with the help of fans installed on opposite sides of the radiator, organizing a counterflow.

Аппараты воздушного охлаждения (АВО) применяются во многих отраслях промышленности: энергетика, химическая, нефтеперерабатывающая и др. Также они нашли свое применение в автомобилях и других транспортных средствах. Работа АВО происходит за счет передачи излишнего тепла горячего агента, например, масла окружающей среде при его движении по трубе. Масло отдает теплоту стенке трубы. Для увеличения интенсивности теплообмена между маслом и окружающим воздухом используется принудительный охлаждающий поток, создаваемый вентиляторами, направляемыми на пучок труб. Как правило, угол атаки, составленный направлением движения потока и осью трубы, составляет 90°.

Обтекание пучка труб потоком воздуха имеет ряд особенностей, связанных с аэродинамической картиной движения потока воздуха вблизи поверхности труб. Так вследствие взаимных помех возникают внутренние циркуляционные контуры из-за малого расстояния между стенками труб. Отрыв потока и образование вихрей зависит от степени турбулентности потока воздуха, что отражается на теплоотдаче. При этом при прочих равных условиях, чем больше диаметр трубы, тем вероятнее разрушение ламинарного течения воздуха [1, 2]. При этом увеличение диаметра труб снижает металлоемкость и потери энергии на перекачивание жидкости по ним. Особенно это касается процессов, в которых используются среды с большим коэффициентом вязкости. Также достаточно большой диаметр труб используется в процессах конденсации.

Вследствие применения осевых вентиляторов скорость охлаждения воздуха в узком сечении в теплообменных секциях не высока, что в сочетании с плохими теплофизическими свойствами воздуха обуславливает невысокие значения коэффициента теплоотдачи [3, 4]. Повышение эффективности воздушного охлаждения позволит существенно расширить области применения этого способа. Увеличение энергоэффективности АВО целесообразно осуществлять интенсификацией теплоотдачи за счет

анализ аэродинамики, рациональным размещением вентиляторов.

Численное моделирование конвективного теплообмена при обтекании пучка труб воздухом рассмотрено в работах [5, 6].

Цель настоящей работы заключается в анализе теплообмена при обтекании пучка труб потоком атмосферного воздуха с учетом подбора числа одновременно работающих вентиляторов и их расположения относительно пучка труб для реализации более равномерного обдува теплообменной поверхности. В качестве объекта исследования выбрали масляный трансформатор с охлаждением дутьем. Опыты проводились для исследуемых труб диаметром 50 мм. Расстояние между осями труб (шаг) в одном ряду составляет 75 мм, расстояние между осями труб соседних рядов составляет 75 мм. Брать меньшие расстояния между трубами в ряду нецелесообразно, так как это затрудняет циркуляцию воздуха и, следовательно, уменьшает эффективность теплоотдачи радиатора. Увеличение расстояния между трубами приводит к уменьшению теплоотдающей поверхности [7]. Длина труб 2500 мм, толщина стенки труб 1,75 мм. Обдув осуществляется с помощью вентилятора с четырьмя лопастями в диапазоне скоростей потока Мср = 3-25 м/с. Диаметр вентилятора составляет 380 мм. Средняя температура воздуха 20°С, средняя температура теплообменной поверхности 50°С. Трубы установлены на расстоянии 10 мм от начала рабочей части вентилятора. Средняя толщина пограничного слоя 6 = 1,2-10 мм. Число Рейнольдса Re = 5^105-42^105. Исследования проводились на разных габаритах охлаждающих радиаторов. Были рассмотрены: 1) радиатор имеет 6 труб в ряду и семь рядов труб, следовательно, полное число труб равно 42, вентиляторы расположены с каждой поперечной стороны радиатора, образуя противоточную схему движения воздуха, несколько ниже середины высоты радиатора; 2) радиатор имеет 6 труб в ряду и шесть рядов труб; следовательно, полное число труб равно 36, вентиляторы расположены с каждой

поперечной стороны радиатора, образуя противоточную схему движения воздуха; 3) радиатор имеет 6 труб в ряду и шесть рядов труб; следовательно, полное число труб равно 36, один вентилятор расположен с одной стороны радиатора.

Известно, что трубы, расположенные по вершинам квадратов, можно чистить механическими способами, и они обладают меньшим, по сравнению с другими расположениями, гидравлическим сопротивлением. В качестве варианта исполнения радиатора (вариант 1) рассмотрено нечетное число рядов в направлении движения воздуха, как представлено на схеме, представленной на рис. 1. В противном случае возникают дополнительные центры циркуляции и необходимая для оптимального процесса структура потока не создается. Число труб в ряду по ширине потока практически не влияет на структуру потока.

Рис. 1 - Схема расположения труб в рядах радиатора, стрелками обозначено направление движения воздуха

На рис. 2 графически представлено изменение коэффициента теплоотдачи от средней скорости потока воздуха для трех вариантов размеров радиатора.

очередь, ведет к повышению коэффициентов теплоотдачи.

В качестве критерия эффективности Е работы ABO рассмотрим отношение тепловой нагрузки охладителя Q, кВт к потребленной электроэнергии на перемещение воздуха Л/, кВт. Результаты исследований эффективности представлены на рис. 3.

10 -8 -

6 -

4 -

2 -0 -

3 8 13 18 23

Рис. 3 - Изменение эффективности работы от средней скорости воздуха: 1 - радиатор с числом труб 7x6=42, противоток; 2 - радиатор с числом труб 6x6=36, противоток; сплошная линия -радиатор с числом труб 6x6=36, прямоток

С увеличением средней скорости потока наблюдается снижение эффективности, это связано с увеличением мощности электродвигателя вентилятора, при этом одного вентилятора с каждой стороны недостаточно, в виду неравномерности и недостаточности охлаждения секций труб радиатора (рис. 3). При этом энергия на перекачивание воздуха для всех трех вариантов исполнения радиатора в диапазоне скоростей воздуха от 3 до 8 м/с примерно затрачивается одинаково, наблюдается наибольший теплосъем.

170 150 130 110 90 70 50 30 10

3 8 13 18 23

Рис. 2 - Изменение коэффициента теплоотдачи от средней скорости воздуха: 1 - радиатор с числом труб 7x6=42, противоток; 2 - радиатор с числом труб 6x6=36, противоток; 3 - радиатор с числом труб 6x6=36, прямоток

На рис. 2 видно, что увеличивается теплоотдача с ростом средней скорости воздуха. Третий вариант исполнения радиатора обеспечивает большую теплоотдачу, так как структура потока воздуха способствует большей турбулизации, а это, в свою

50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -0 -

300 400 500 600 700 800

Рис. 4 - Изменение потребляемой мощности от поверхностной плотности теплового потока: 1 -радиатор с числом труб 6x6=36, прямоток; 2 -радиатор с числом труб 6x6=36, противоток

Рисунок 4 демонстрирует, что при значениях поверхностной плотности теплового потока в диапазоне от 420 до 750 Вт/м2 наблюдается потребление меньшей электроэнергии при втором варианте исполнения радиаторов охлаждения.

Таким образом, второй вариант исполнения

радиаторов охлаждения выглядят наиболее предпочтительными в виду оптимальной тепловой нагрузки, отнесенной к затраченному при этом количеству электроэнергии, наблюдается наибольший теплосъем. Для достижения минимальных энергетических затрат на процесс охлаждения трансформатора необходимо располагать вентиляторы с двух противоположных сторон радиатора в поперечном направлении к трубам, устанавливая их на одном уровне относительно друг друга по высоте во встречном направлении. При этом увеличивается теплоотдача, уменьшается аэродинамическое сопротивление для прохода воздуха. При этом воздух направляется горизонтально в промежутках между секциями радиаторов, исключая образования отрывных течений.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ № МК-5215.2016.8.

Литература

1. М.С. Лобасова, К.А. Финников, Т.А. Миловидова, А.А. Дектерев и др., Тепломассообмен. Красноярск, ИПК СФУ, 2009, 295 с.

2. А.А. Лопатин, Вестник Казанского технологического университета, 16, 8, 109-115 (2013).

3. М.И. Шарипов, Р.Г. Абдеев, Вестник ОГУ, 11, 132-135 (2008).

4. А.И. Шинкевич, С.С. Берман, Вестник Казанского технологического университета, 14, 1, 193-198 (2011).

5. И.А. Белов, Н.А. Кудрявцев, Теплопередача и сопротивление пакетов труб. Ленинград, Энергоатомиздат, 1987, 223 с.

6. С.А. Исаев, П.А. Баранов, Н.А. Кудрявцев, Инженерно-физический журнал, 77, 1, 122-128 (2004).

7. А.М. Голунов, Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. Ленинград, 1964, 152 с.

© А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ ФГБОУ ВПО «КГЭУ», ieremiada@gmail.com, О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ НХТИ (филиала) ФГБОУ ВО «КНИТУ», ja_deva@mail.ru.

© A. V. Dmitriev - the head of «Theoretical basis of thermotechnics» chair, KSPEU, ieremiada@gmail.com, O. S. Dmitrieva -assistant professor of PAChT, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru.