Теплообменный аппарат воздушного охлаждения

Полезная модель относится к области теплотехники, в частности, к теплообменным аппаратам и может быть использована в различных отраслях промышленности, а именно там, где в технологических процессах имеется потребность в теплообмене и где для этого могут быть использованы теплообменные аппараты.
Известны теплообменные аппараты воздушного охлаждения, состоящие из теплообменной поверхности, представляющей собой трубные пучки из параллельных труб, которые обеспечивают ее взаимодействие с внешней охлаждающей средой, в качестве которой используется наружный воздух, система подачи которого включает в себя, по крайней мере, одну вентиляторную установку, монтируемых на опорной конструкции.
Из предшествующего уровня техники известен теплообменник воздушного охлаждения (описание изобретения СССР № 378698, кл. F28B 1/06), содержащий кожух с оребренными внутри трубами, закрепленными в трубных решетках, и вентилятор для обдува труб воздухом.
У теплообменника воздушного охлаждения концы оребренных труб выполнены гладкостенными и вместе с решетками, в которых они закреплены, вынесены за пределы кожуха, т.е. выведены из зоны их обдува воздухом и практически не участвуют в процессе активного теплосъема.
Такое конструктивное исполнение теплообменника снижает его эксплуатационные характеристики по эффективности теплообмена и приводит к увеличению его материалоемкости и габаритов и не соответствует современному основному направлению в конструировании теплообменных аппаратов воздушного охлаждения - поставка блочных теплообменных аппаратов максимальной заводской готовности, ширина которых не должна выходить за железнодорожный габарит 1-Т.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является теплообменный аппарат, раскрытый в патенте RU 2270410, С2, F28D 7/00, 10.09.2004, содержащий, по крайней мере, один открытый снизу и сверху вертикальный кожух, выполненный из тканого материала монолитным в поперечном сечении в виде последовательно сопряженных между собой в направлении снизу вверх тороидальной, цилиндрической и линейчатой поверхностей, а также теплообменную поверхность и рабочее колесо вентилятора в каждом кожухе. Кожух теплообменного аппарата выполнен из стекловолокнистого материала, пропитанного эпоксидной смолой, а соотношение различных элементов поверхностей кожуха к диаметру цилиндрической поверхности выбраны следующими: h=1,47 d - 1,49 d; g=0,58 d - 0,61 d; r=0,18 d - 0,20d; a=0,14 d - 0,16 d; b=0,55 d - 0,57 d где d - диаметр цилиндрической поверхности, h - расстояние от начала линейчатой поверхности до монтажного основания; g - расстояние от начала тороидальной поверхности до монтажного основания; r - радиус тороидальной поверхности; а - расстояние от начала цилиндрической поверхности до начала линейчатой поверхности, b - расстояние от конца цилиндрической поверхности до начала линейчатой поверхности. Кроме того, теплообменная поверхность, расположенная над кожухом, представляет собой в поперечном сечении прямоугольник, характеризуемый следующими соотношениями: n=1,1 d - 1,2 d; m=,4 d - 1,42 d, где d - диаметр цилиндрической поверхности; n - меньшая сторона прямоугольника; m - большая сторона прямоугольника. Теплообменная поверхность также выполнена в виде горизонтальных рядов труб, расположенных в шахматном порядке, при этом расстояние между центрами трех близлежащих труб смежных рядов образуют равнобедренный треугольник с основанием, большим боковых сторон.
Недостатками данной конструкции является следующее:
А) применение малоэффективного открытого снизу и сверху вертикального кожуха, выполненного монолитным в поперечном сечении в виде последовательно сопряженных между собой в направлении снизу вверх тороидальной, цилиндрической и линейчатой поверхностей.
С учетом применяемых в теплообменной технике и вентиляторостроении терминов в данном случае технически правильно кожух называть в дальнейшем проточной частью вентиляторной установки теплообменного аппарата, в которой установлено рабочее колесо вентилятора с его приводом, выполненной монолитной в поперечном сечении в виде последовательно сопряженных между собой в направлении снизу вверх конфузора (ранее технически неверно обозначаемый как тороидальная поверхность), корпуса вентилятора (ранее обозначаемый как цилиндрическая поверхность) и воздухоподводящего устройства в виде диффузора (ранее обозначаемого как линейчатая поверхность).
Поверхность конфузора прототипа образована вращением дуги окружности с радиусом r=0,18 d - 0,20 d, где d - диаметр корпуса вентилятора, при вращении вокруг оси, совпадающей с осью вращения рабочего колеса вентиляторной установки, расположенной в той же плоскости, что и дуга, но не проходящей через центр ее кривизны.
Потери динамического давления в конфузоре обусловлены его формой, размерами, качеством изготовления. Для обеспечения плавного входа воздуха в проточную часть применяют конфузоры с весьма разнообразными профилями, т.е. изготавливаются конфузоры поверхности, которых образованы вращением кривых не в виде дуги окружности, а, например, фрагмента лемнискаты, эллипса и т.п.
Существуют некоторые плавные кривые, которые обеспечивают лучшие аэродинамические характеристики конфузора, чем в прототипе: профилирование конфузора делают обычно по плавным кривым, сопрягая их между собой так, что часто не только первая, но и вторая производные непрерывны.
Недостатком воздухоподводящего устройства в виде диффузора прототипа, соединяющего проточную часть с теплообменной поверхностью, соответственно, имеющего входное поперечное сечение в виде круга диаметром d, а выходное поперечное сечение представляющее собой вытянутый прямоугольник теплообменной поверхности, характеризуемый следующими соотношениями: n=1,1 d - 1,12d; m=1,4 d - l,42d, где d - диаметр цилиндрической поверхности; n - меньшая сторона прямоугольника; m - большая сторона прямоугольника, является большая потеря давления из-за отрывов потока воздуха от его стенок, обусловленных большим углом раскрытия. По крайней мере две стенки диффузора при выбранном соотношении его размеров имеют угол раскрытия α=38°40' - 41°44'.
Как известно, в пирамидальных диффузорах потери давления больше, чем в конических, и если угол раскрытия превышает 40°, то преобразование скорости не происходит и потери в таком диффузоре превосходят потери при внезапном расширении потока. В этих случаях выгоднее обеспечивать внезапное расширение, (5) т.е. конструктивное оформление диффузора прототипа не приводит к уменьшению потерь давления.
возд
Б) выполнение теплообменной поверхности указанного теплообменного аппарата из гладкостенных труб не обеспечивает достаточной интенсивности теплообмена: гладкостенные трубы имеют относительно низкое значение коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха α, в то время как теплообменные поверхности проектируются таким образом, чтобы в процессе теплосъема внутренняя и внешняя теплоотдачи были примерно равны.
При формировании теплообменной поверхности в виде горизонтальных рядов труб, расположенных в шахматном порядке, при котором расстояния между центрами трех близлежащих труб смежных рядов образуют равнобедренный треугольник с основанием, большим боковых сторон, получается т.н. разреженный трубный пучок, который при применении гладкостенных труб так же ограничивает возможности высокой эффективности теплообмена и приводит к увеличению материалоемкости аппарата т.к. для достижения необходимого теплосъема по сравнению с оребренными трубами требуется установка большего числа гладкостенных труб.
В) выполнение элементов проточной части вентиляторной установки (ранее «кожух») монолитными в поперечном сечении недостаточно технологично из-за сложности оснастки для их изготовления, трудностей при транспортировке и монтаже их в аппарате.
Все вышеперечисленные ограничения сокращают область применения известного теплообменного аппарата.
Термины с соответствующими определениями, применяемые в заявке на полезную модель:
Под термином «кожух (капот)» следует понимать наружную оболочку машины, прибора, механизма, аппарата для скрепления и поддержания отдельных элементов конструкции, защитного ограждения выступающих и движущихся частей и т.д. [9]
Под термином «труба» следует понимать изделие из стали кольцеобразного, овального, многоугольного или иной формы полого поперечного сечения относительно большой длины. [4]
Под термином «оребренная труба» следует понимать трубу, имеющую на внешней поверхности поперечные, продольные или спиральные ребра [10]. Оребрение делают с целью увеличения коэффициента теплоотдачи.
Неотъемлемой частью многих технологических установок и устройств во всех областях техники является осевой вентилятор - аэродинамическая лопаточная машина, у которой рабочее колесо, соединенное тем или иным способом с валом привода, вращается в корпусе вентилятора. [2]
Под термином «рабочее колесо вентилятора» следует понимать вращающуюся часть вентилятора, в которой механическая энергия передается воздуху посредством динамического действия его лопастей. [3]
Под термином «корпус вентилятора» следует понимать часть вентилятора, в которой вращается рабочее колесо. [3]
Под термином «вентиляторная установка» следует понимать вентилятор вместе со сложным элементом, расположенным в непосредственной близости от него. Элементы, находящиеся на линии всасывания называются входными, а на линии нагнетания - выходными элементами вентиляторных установок. [8]. Такими составляющими элементами вентиляторных установок теплообменных аппаратов на входе является конфузор, а на выходе - воздухоподводящие устройства (диффузоры, воздухораспределительные короба), соединяющие корпус вентилятора с обдуваемой теплообменной поверхностью. Течение воздуха в вентиляторе и присоединенных к нему элементах взаимосвязаны.
Под термином «конфузор» следует понимать суживающийся канал, в котором дозвуковая скорость жидкости или газа возрастает в результате преобразования потенциальной энергии в кинетическую. В вентиляторных установках конфузор устанавливают перед рабочим колесом и часто называют коллектором. [1]
Под термином «диффузор» следует понимать профилированный канал, предназначенный для торможения потока жидкости или газа. В диффузоре происходит преобразование кинетической энергии потока в давление. Дозвуковой диффузор - расширяющийся канал. Потери полного давления в диффузоре обусловлены действием сил трения и существенно возрастают при возникновении срыва потока. [1]
Под термином «проточная часть вентиляторной установки» следует понимать корпус вентилятора с присоединенными к нему со стороны всасывания конфузором и со стороны линии нагнетания воздухоподводящим к теплообменной поверхности элементом, образующих вместе канал, через который проходит перемещаемый воздух.
Под термином «тороидальная поверхность (похожая на тор)» следует понимать поверхность, образуемую вращением какой-либо кривой, отличной от окружности, вокруг компланарной с ней прямой, но не являющейся их осью. [6]
Под термином «плоское коническое сечение» следует понимать линию пересечения поверхности прямого круглого конуса с плоскостью, не проходящей через вершину конуса. [7]
Под термином «комбинация» понимается сочетание, взаимное расположение чего-либо, например, комбинация фрагментов линий.
Под термином «композиционный материал» следует понимать материал, полученный путем пропитки полимерным связующим (преимущественно полиэфирными смолами) стеклоткани разного плетения, различных стекломатов и ровинга.
Задача, на решение которой направленно заявленное техническое решение, заключается в расширении арсенала технических средств в данной области, а также в повышении технико-экономических показателей теплообменного аппарата воздушного охлаждения.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение арсенала технических средств в данной области, получение теплообменного аппарата воздушного охлаждения, отвечающего современному уровню аппаратостроения по интенсивности теплообмена, уменьшения энергопотребления, технологичности его изготовления.
Технический результат достигается за счет того, что теплообменный аппарат воздушного охлаждения, содержащий теплообменную поверхность, образованную из горизонтальных рядов труб, по крайней мере, одну вентиляторную установку, рабочее колесо которой кинематически связано с приводом, расположенным в проточной части со стороны линии всасывания, и проточную часть, изготовленную из композиционного материала с применением полиэфирных смол, которая включает в себя последовательно переходящие друг в друга со стороны линии всасывания конфузор, рабочий корпус и воздухоподводящий элемент, соединяющий ее с теплообменной поверхностью, согласно полезной модели трубы выполнены оребренными, а теплообменная поверхность, образованная из горизонтальных рядов оребренных труб, выполнена по треугольной схеме компоновки с расстояниями между центрами трех близлежащих труб смежных рядов с образованием равностороннего треугольника, конфузор выполнен в продольном сечении криволинейным, поверхность которого образована вращением фрагмента плоского конического сечения прямого кругового конуса, являющегося линией пересечения поверхности прямого кругового конуса с секущей плоскостью, не проходящей через его вершину, вокруг компланарной с ним прямой, являющейся осью вращения рабочего колеса, причем его стенка обращена выпуклой стороной внутрь проточной части, при этом его геометрические размеры находятся в зависимости от диаметра рабочего корпуса Dpк, имеющего размерное соотношение Dpк = 0,65 В - 0,9 В, где В - ширина теплообменной поверхности, не выходящей за пределы железнодорожного габарита 1-Т, и диаметр его входного сечения имеет размерное соотношение Dкф = 1,15 Dpк - 1,45 Dpк, а его высота имеет размерное соотношение Нкф = 0,1 Dpк - 0,27 Dpк, высота рабочего корпуса имеет размерное соотношение Нрк = 0,15 Dpк - 0,2 Dpк, а воздухоподводящий элемент выполнен по форме в виде воздухораспределительного короба с высотой, имеющей размерное соотношение Нвк = 0,2 Dpк - 0,4 Dpк, и который выполнен в плане в виде вытянутого прямоугольника, ширина которого совпадает с шириной теплообменной поверхности В, а длина имеет размерное соотношение L=0,95 В-1,4 В, причем проточная часть выполнена из унифицированных сопряженных между собой формообразующих элементов в виде секторов, причем унифицированные формообразующие элементы проточной части имеют продольные ребра жесткости, торцевые кромки которых, предназначенные для расположения элементов крепежа, выполнены с отгибами наружу проточной части.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображено следующее:
На фиг. 1 изображена принципиальная схема теплообменного аппарата;
На фиг. 2 изображена часть теплообменной поверхности в увеличенном масштабе;
На фиг. 3 изображена принципиальная схема проточной части вентиляторной установки;
На фиг. 4 изображены унифицированные формообразующие элементы проточной части;
На фиг. 5 представлен разрез по А-А фиг. 1;
Перечень позиций к описанию полезной модели:
1. Теплообменная поверхность
2. Рабочее колесо
3. Привод рабочего колеса
4. Конфузор
5. Рабочий корпус
6. Воздухоподводящий элемент
7. Унифицированные формообразующие элементы
8. Болтовое соединение
Перечень обозначений к описанию полезной модели:
1. Dpк - диаметр рабочего корпуса
2. Нрк - высота рабочего корпуса
3. Нкф - высота конфузора
4. Нвк - высота воздухораспределительного короба
5. Н - расстояние от теплообменной поверхности до основания
6. h - расстояние от входного сечения конфузора до основания
7. Dкф - диаметр входного сечения в конфузор
8. В - ширина теплообменной поверхности
9. L - длина теплообменной поверхности.
Теплообменный аппарат воздушного охлаждения выполнен горизонтального типа с нижним расположением, по крайней мере, одной вентиляторной установки под теплообменной поверхностью (фиг. 1) и содержит теплообменную поверхность 1, представляющею собой трубный пучок, выполненный из горизонтальных рядов оребренных труб в виде прямоугольника, ширина В которого определяется железнодорожным габаритом 1-Т и конструкцией теплообменной секции, а длина L имеет размерное соотношение L=0,95 В-1.4 В.
Применение оребренных труб, обладающих по сравнению с гладкостенными трубами более высокими эксплуатационными характеристиками за счет увеличения поверхности теплообмена, позволяет повысить теплосъем с теплообменной поверхности.
Треугольная (шахматная) схема компоновки теплообменной поверхности с расстояниями между центрами трех близлежащих труб смежных рядов с образованием равностороннего треугольника (фиг. 2) так же способствует повышению аппаратной тепловой мощности в связи с увеличением площади теплообмена за счет компактности трубного пучка, позволяющей в том же его объеме увеличить количество труб.
Подачу внешней охлаждающей среды на теплообменную поверхность осуществляет вентиляторная установка содержащая, по крайней мере, рабочее колесо 2 с приводом 3, установленные в изготовленной из композиционного материала проточной части вентиляторной установки, которая выполнена в виде последовательно переходящих друг в друга со стороны линии всасывания конфузора 4, рабочего корпуса 5, и воздухоподводящего элемента 6 (фиг. 1, фиг. 3), причем последний обеспечивает ее присоединение (на чертеже не показано) к теплообменной поверхности 1 аппарата.
Проточная часть, в качестве материала для изготовления которой применяется композиционный материал, выполняется, по крайней мере, из четырех в виде последовательно сопряженных между собой с помощью известных средств унифицированных формообразующих элементов в виде секторов (фиг. 3, фиг. 4), которые имеют продольные ребра жесткости, торцевые кромки которых, предназначенные для расположения элементов крепежа, например, болтового соединения 8 (фиг. 5), выполнены отогнутыми наружу проточной части.
За счет такого конструктивного оформления проточной части снижается трудоемкость ее изготовления, в то время как осуществление изготовления элементов проточной части монолитными в поперечном сечении влечет за собой усложнение технологии изготовления и сборки в составе металлоконструкции (на чертеже не показана) аппарата.
Конфузор 4 (фиг. 1) выполняется в продольном (меридиональном) сечении до точки начала перехода криволинейной части конфузора в рабочий корпус профилированным фрагментом плоского конического сечения прямого кругового конуса, причем конкретный частный случай выполнения этой линии, которую образует поверхность прямого кругового конуса и секущая плоскость, не проходящая через его вершину, т.е. окружность это, эллипс, гипербола или парабола определяется при конструировании аппарата.
При этом диаметр входного сечения конфузора имеет размерное соотношение Dкф=1,15 Dpк - 1,45 Dpк, а его высота имеет размерное соотношение Нкф = 0,1 Dpк - 0,27 Dpк.
Такое выполнение конфузора создает условия для плавного входа потока воздуха, уменьшает количество зон вихреобразования, обеспечивает подбор вариантов конструкций конфузора для проточной части при требованиях ее компактного исполнения.
Рабочий корпуса 5 (фиг. 1), диаметр Dpк которого имеет размерное соотношение Dpк = 0,65 В-0,9 В, выполнен высотой, имеющей размерное соотношение Н рк = 0,15 Dpк - 0.2 Dpк.
Воздухоподводящий элемент 6 выполнен по форме в виде воздухораспределительного короба, который без увеличения энергозатрат на вентилятор, не ухудшая подвода потока воздуха к теплообменной поверхности 1 аппарата, обеспечивает присоединение проточной части (на чертеже не показано) к ней и выполнен высотой, имеющей размерное соотношение Нвк = 0,2 Dpк - 0.4 Dpк, который выполнен в плане в виде вытянутого прямоугольника, повторяющего размеры теплообменной поверхности, ширина которой В, а длина L имеет размерное соотношение L = 0,95 В-1,4 В.
Конструктивное исполнение воздухоподводящего элемента 6 в виде воздухораспределительного короба высотой Нвк = 0,2 Dpк - 0.4 Dpк отвечает современным тенденциям в проектировании теплообменных аппаратов и позволяет при сохранении штатного расстояния Н от теплообменной поверхности до монтажного основания увеличить расстояние от него до конфузора на величину h = 0,17 Dpк - 0,35 Dpк, т.е. уменьшить экранный эффект влияния монтажного основания на работу вентиляторной установки.
Теплообменный аппарат воздушного охлаждения работает следующим образом: как показано на фиг. 1, вентиляторная установка, смонтированная на металлоконструкции аппарата (на чертеже не показана), содержит взаимосвязанные между собой рабочее колесо 2, конфузор 4, рабочий корпус 5, воздухоподводящий элемент 6. Рабочее колесо 2 приводится во вращение приводом 3. Под действием лопастей рабочего колеса окружающий воздух (охлаждающая среда) обтекает конфузор 4, перемещается в осевом направлении и, проходя затем через воздухоподводящий элемент 6, попадает на теплообменную поверхность и, обтекая тешюобменную поверхность, образованную из горизонтальных рядов оребренных труб, созданных по треугольной схеме компоновки с расстояниями между центрами трех близлежащих труб смежных рядов с образованием равностороннего треугольника, выходит наружу, при этом осуществляется процесс теплообмена (охлаждение продукта, проходящего через теплообменную секцию аппарата, более холодным теплоносителем).
Результаты проектно-конструкторских и производственно-технологических работ свидетельствуют, что создание теплообменного аппарата воздушного охлаждения по предлагаемому техническому решению позволит повысить эффективность его теплообмена, технологичность его изготовления, уменьшить эксплуатационные расходы и достигнуть современного уровня аппаратостроения.
Промышленная применимость очевидна. Опытные образцы, изготовленные заявителем доказали осуществимость поставленной задачи.
Полезная модель может быть использована так же при проектировании теплообменных аппаратов как общехозяйственного, так и специального назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авиация. Энциклопедия. М. Большая Российская энциклопедия. 1994. Стр. 220, 287
2. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов. М. «Машиностроение», 1984. Стр. 3
3. ГОСТ 22270-76 Оборудование для кондиционирования воздуха, вентиляции и отопления. Термины и определения. М. 1988. Стр. 6
4. ГОСТ 28548-90. Трубы стальные. Термины и определения. Таблица 1 стр. 1.
5. Калинушкин М.П. Вентиляторные установки. М. Высшая школа. 1967 г. стр. 30-31.
6. Левицкий B.C. Машиностроительное черчение и автоматизация выполнения чертежей. М. «Высшая школа» 1998 г. стр. 100.
7. Пугачев П.Е. Курс высшей математики. М. «Высшая школа» 1970 г. стр. 104.
8. Рекомендации по расчету гидравлических сопротивлений сложных элементов систем вентиляций. М. Стройиздат. 1981 г. стр. 6.
9. Советский Энциклопедический Словарь. М. Советская Энциклопедия, стр. 604
10. СТО ЦКТИ 10.002-2007. Элементы трубные поверхностей нагрева, трубы соединительные в пределах котла и коллектора стационарных котлов, п. 3.1.36 стр. 6.