Аппарат воздушного охлаждения
AIR COOLING APPARATUS

Изобретение относится к аппаратам охлаждения газов, в частности к аппаратам воздушного охлаждения, и может быть использовано в нефтегазовой, металлургической, химической промышленностях и на  газокомпрессорных станциях магистральных газопроводов.
Известен аппарат воздушного охлаждения (АВО), включающий в себя теплообменник воздушного охлаждения, вентилятор с приводом, опоры, рамы с сеткой и фильтрующее полотно, улавливающее органические и неорганические частицы охлаждающего воздуха, движущегося к теплообменников воздушного охлаждения под действием вентилятора с приводом.
Однако данные АВО обладают недостаточной эффективностью, то есть интенсивностью теплоотдачи, охлаждения газа за счет охлаждающего воздуха, принудительное перемещение которого осуществляет вентилятор. Это обусловлено тем, что в данной конструкции не используется энергия скоростного напора движения воздушных масс охлаждающего воздуха (энергия ветра) в силу того, что воздух проходит через фильтрующие элементы как с наветренной, так и с подветренной стороны.
Наиболее близким по достижению технического эффекта является аппарат воздушного охлаждения, состоящий из блока теплообменников воздушного охлаждения, вентилятора с приводом, опоры, рам с сеткой, фильтрующего полотна и завес-клапанов из воздухонепроницаемого материала.
Данное устройство за счет клапанов-завесов способствует преобразованию энергии скоростного напора атмосферного воздуха в дополнительное статическое давление в области под теплообменниками воздушного охлаждения, тем самым в соответствии с уравнением Бернулли дополнительно к энергии сообщаемой охлаждающему воздуху вентилятором увеличивает его скорость относительно оребренных труб теплообменника, то есть согласно критерию Нуссельта и Рейнольдса усиливает интенсивность теплоотдачи, повышая эффективность аппарата воздушного охлаждения.
Однако, поскольку в указанном устройстве завесы-клапаны приподнимаются под действием скоростного напора охлаждающего воздуха в соответствии с уравнением Бернулли на это расходуется часть статического давления охлаждающего воздуха. Это обусловлено тем, что клапан-завес, обладая определенной массой при его открывании за счет скоростного напора охлаждающего воздуха создает реактивный момент, препятствующий движению охлаждающего воздуху, вызывая его торможение и безвозвратные потери энергии, т.е. части статического давления. В соответствии с уравнениями Бернулли и Эйлера, потери статического давления при отклонении клапана-завеса с горизонтальной осью по вертикали на угол ϕ определяются по формуле:
где:
G, S - вес и площадь клапана-завесы соответственно.
Формулу (1) можно также представить в виде:
где:
l - длина клапана-заслонки.
Таким образом вышеуказанное устройство не в полной мере обеспечивает требуемую аэродинамическую эффективность АВО, поскольку не устраняет большие аэродинамические потери охлаждающего воздуха, то есть потери его потенциальной энергии.
С учетом формулы (1) уменьшение скорости охлаждающего воздуха, обусловленное потерями потенциальной энергии ветра на поддержание в открытом положении клапана-завеса с горизонтальной осью, определяется по формуле
где:
ε - коэффициент аэродинамического сопротивления оребренных труб АВО.
Уменьшение потенциальной энергии ветра в соответствии с уравнением Бернулли, снижение скорости охлаждающего воздуха, согласно формуле (2) и, как результат, его объема, поступающего на оребренные трубы теплообменника, не позволяет существенно повысить аэродинамическую эффективность АВО, поскольку не может быть достигнута необходимая величина теплоотдачи теплообменника.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении минимальных потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха в виде скоростного напора ветра на входе в теплообменник путем устранения потерь статического давления охлаждающего воздуха на поддержание клапанов-завесов в открытом положении.
Задачей изобретения является увеличение аэродинамической эффективности АВО, то есть повышения интенсивности теплоотдачи от газа в оребренных трубах теплообменника охлаждаемому воздуху. Это достигается тем, что предлагаемое устройство полностью исключает потери потенциальной энергии охлаждающего воздуха, обусловленного ветром на поддержание клапанов-завес в открытом положении. Механизм уменьшения потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха-ветра на входе в оребренные трубы теплообменника реализуемы предлагаемым устройством, и величина снижения этих потерь может быть представлена в следующем виде:
В предлагаемом устройстве АВО ось вращения клапана-завесы закреплена вертикально с внутренней стороны сетки. Таким образом при повороте клапана-завеса на угол ϕ в горизонтальной плоскости под действием скоростного напора ветра его центр тяжести не меняет значение по высоте, следовательно, не создает противодействующего скоростному напору ветра реактивного момента Δz=0 и, следовательно, Δp=0 согласно формуле (1).
С учетом формулы (1), в данном случае отсутствуют потери потенциальной энергии скоростного напора ветра и, как результат, на эту величину возрастает скорость охлаждающего воздуха, определяемая по формуле (2), поступающего на оребренные трубы блока теплообменников.
Таким образом, при закреплении оси, на которой поворачивается клапан-завеса вертикально с внутренней стороны сетки, отсутствуют потери потенциальной энергии, т.е. скоростного напора ветра на поддержание клапан-завес в открытом положении. Скоростной напор ветра в данном случае является дополнительной потенциальной энергией, которая в соответствии с уравнением Бернулли увеличивает скорость и расход охлаждающего воздуха, поступающего на оребренные трубы теплообменника, повышая термодинамическую эффективность и интенсивность теплоотдачи АВО.
Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является:
- повышение аэродинамической эффективности и интенсивности теплоотдачи аппарата воздушного охлаждения за счет повышения потенциальной энергии охлаждающего воздуха скоростным напором ветра.
- снижение аэродинамических потерь на клапанах-завесах аппарата воздушного охлаждения, и как результат - увеличение потенциальной энергии охлаждающего воздуха.
- снижение уровня шума за счет устранения вихреобразования на клапанах-завесах.
Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в аппарате воздушного охлаждения, состоящем из блока теплообменников, вентилятора с приводом и опор, между которыми установлены рамы с сеткой и фильтрующим полотном, на внутренней стороны сетки закреплены оси, на которых установлены клапаны завесы из воздухонепроницаемого материала.
Согласно изобретению оси, на которых вращаются клапана-завесы закреплены вертикально на внутренней стороне сетки. Закрепление оси, на которой поворачиваются завесы-клапаны вертикально, обеспечивает максимально возможный рост потенциальной энергии и скорости охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменники и, как результат - увеличение расхода охлаждающего воздуха, повышение интенсивности теплоотдачи и повышение аэродинамической эффективности АВО.
Результаты испытаний АВО предложенной конструкции с осями, на которых поворачивается завесы-клапаны, закрепленными вертикально при скорости ветра 10 м/с получено дополнительное статическое давление 35 Па при полном давлении создаваемом вентилятором с приводом 210 Па, т.е. прирост статического давления составил 17%. При этом расход воздуха увеличился на 11%, а интенсивность теплообмена - коэффициент теплоотдачи увеличился на 8%. Данные результаты получены при испытании модели АВО с учетом критериев подобия: критерия теплоотдачи Нуссельта, критерия динамического подобия Рейнольдса, критерия, характеризующего физические свойства газов (Прандтля). Таким образом, применение данного устройства повышает аэродинамическую эффективность АВО, дополнительно способствуя снижению уровня шума.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен аппарат воздушного охлаждения.  В сечении А-А показан вид А с клапанами-завесами в открытом положении, В сечении Б-Б показан вид Б с клапанами-завесами в закрытом положении.
Аппарат воздушного охлаждения содержит блок теплообменников (1), вентилятор (2) с приводом (3), опоры (4), рамы с сеткой (5), фильтрующее полотно (6), завесы-клапаны с осями (7).
Предложенная конструкция аппарата воздушного охлаждения работает следующим образом. При включении вентилятора (2) с электродвигателем (3) происходит интенсификация охлаждения природного газа в блоке теплообменников (1), благодаря обтеканию их воздушным потоком, имеющим меньшую температуру, чем сжатый природный газ. При отсутствии ветра и включенном вентиляторе (1), воздух, проходя со всех сторон между опорами (4) через фильтрующее полотно (6) с сеткой 5, приподнимая вертикальные завесы-клапаны (7) с вертикальной осью без потерь потенциальной энергии воздушного потока очищается от органических и неорганических примесей, благодаря чему существенно уменьшается загрязнение теплообменных труб, что ведет к сохранению теплоотдачи во времени. Сетка (5), например, металлическая, к которой подвешены на вертикальной оси завесы-клапаны (7), обеспечивает одностороннее (внутрь) открывание завес-клапанов без смещения по вертикали их центра тяжести и, следовательно, снижение усилия воздушного потока на фильтрующее полотно, воспринимая напор воздуха на себя.
Вертикальные завесы-клапаны в динамическом режиме, то есть, в случае наличия ветровой нагрузки, разделяют среду молекул газа и рабочих стенок, которые граничат друг с другом по площади некоторых проемов через создание плоской струи воздуха. В результате горизонтального течения потока воздуха в системе, его струя не ослабевает в проеме, где скорость входящего холодного воздуха является максимальной. В результате того что струя воздуха по всей длине имеет практически одинаковый напор, потери давления при работе АВО также минимизируются.
В итоге, данное изобретение позволяет провести акселерацию процесса охлаждения природного газа в аппаратах воздушного охлаждения за счет улучшения компоновки завес-клапанов, стабилизировать давление и поток струи охлаждающего воздуха по всему периметру рабочей конструкции, а следовательно, получить техническую и экономическую выгоду и снижение себестоимости транспорта газа.