Способ повышения аэродинамической эффективности аппаратов воздушного охлаждения и устройство для его реализации
METHOD FOR INCREASING AERODYNAMIC EFFICIENCY OF AIR COOLING DEVICES AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к способам повышения аэродинамической эффективности аппаратов воздушного охлаждения (АВО) и устройствам для их реализации, то есть к АВО, применяемым для охлаждения природного газа компрессорных станций магистральных газопроводов и может использоваться в них, способствуя существенному увеличению их аэродинамической эффективности за счет уменьшения потерь потенциальной энергии, создаваемой лопатками рабочих колес вентиляторов, преобразующих механическую энергию их вращения в потенциальную и кинетическую энергию движения охлаждающего воздуха через коллектора в корпуса вентиляторов, и далее на вход в теплообменные секции, путем уменьшения скорости и сопротивления движению охлаждающего воздуха, обеспечения симметрии его течения на входе в коллектора поверхности всасывания за счет подобия периметра поверхности всасывания АВО и периметров коллекторов плавного входа прямоугольному поперечному сечению теплообменных секций и равенства суммарной площади коллекторов площади поверхности всасывания АВО, что приводит к увеличению потенциальной энергии и количества поступающего на теплообменные поверхности охлаждающего воздуха, как результат - снижение энтальпии охлаждаемого газа за счет повышению теплоотдачи от газа воздуху.
АВО компрессорных станций магистральных газопроводов, как правило, включает в себя от двух до шести коллекторов, образующих поверхность всасывания охлаждающего воздуха, ограниченную ее периметром в форме замкнутой линии, огибающей коллектора. АВО характеризуются низкой аэродинамической эффективностью, то есть большими затратами энергии на вращение рабочих колес вентилятора, преобразующих механическую энергию их вращения в потенциальную и кинетическую энергию движения охлаждающего воздуха через коллектора поверхности всасывания в корпуса вентиляторов, диффузоры, и далее на теплообменные секции, обусловленной потерями энергии на вихреобразование на входе в коллектора поверхности всасывания за счет того, что скорость охлаждающего воздуха на входе в коллектора больше его скорости на поверхности всасывания АВО, поскольку суммарная площадь коллекторов меньше поверхности всасывания АВО, и высоким сопротивлением в зоне движения охлаждающего воздуха из диффузоров в теплообменные секции, включая сопротивление пучков оребренных труб.
Для существенного повышения аэродинамической эффективности АВО, то есть снижения энергозатрат на преобразование механической энергии их вращения в потенциальную и кинетическую энергию движения охлаждающего воздуха через коллектора поверхности всасывания в корпуса вентиляторов, диффузоры и далее на теплообменные секции, и как результат - понижение энтальпии охлаждаемого газа, необходимо устранить потери потенциальной энергии на вихреобразование при движении охлаждающего воздуха с поверхности всасывания на вход в коллектора и сопротивление в зоне движения охлаждающего воздуха из диффузоров в теплообменные секции, включая сопротивление пучков оребренных труб.
Известен способ повышения аэродинамической эффективности, реализуемый в АВО природного газа 2АВГ-75(100), предназначенном для охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов, состоящем из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа, собранных из оребренных труб, которые обдуваются потоком воздуха, нагнетаемого снизу осевыми вентиляторами с приводами от тихоходных электродвигателей. Теплообменные секции включают камеры подвода и отвода охлаждаемого газа, содержащие трубные доски с отверстиями, в которые заделаны концы оребренных теплообменных труб. [1]
Однако, большое энергопотребление, высокое аэродинамическое сопротивление движению воздуха через пучок оребренных теплообменных труб, существенная неравномерность скоростного поля охлаждающего воздуха, низкая скорость воздуха на выходе из теплообменных секций, способствующая возникновению рециркуляции, то есть обратному движению охлаждающего воздуха в зону разрежения на входе в коллектора поверхности всасывания, высокая скорость и сопротивление движению охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания и потери энергии на вихреобразование на поверхности всасывания приводят к существенному снижению потенциальной энергии охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции, недостаточной эффективности снижения энтальпии охлаждаемого газа как результат недостаточной аэродинамической эффективности.
Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу повышения аэродинамической эффективности АВО путем снижения аэродинамического сопротивления охлаждающего воздуха при его движении по диффузору и теплообменным секциям, и тем самым частичного снижения аэродинамических потерь и неравномерности поступления охлаждающего воздуха на теплообменные секции, является способ повышения аэродинамической эффективности, реализуемый в АВО, состоящем из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа, снабженных продольными обтекателями-вытеснителями в виде протяженных выступов, и устройства для подачи охлаждающего воздуха на теплообменные секции, содержащего диффузоры, примыкающие к теплообменным секциям прямоугольного поперечного сечения, вентиляторы и коллектора плавного входа переменной кривизны в продольном сечении с конфигурацией по лемнискате и круглыми в плане, образующими поверхность всасывания АВО, ограниченную ее периметром в форме замкнутой линии, огибающей коллектора, причем диаметр входа в диффузоры равен 0,6-0,95 ширины теплообменных секций, а суммарная площадь коллекторов находится в диапазоне: 0,42-0,9 суммарной площади диффузоров 4 на выходе и 0,51±11,5% площади теплообменных секций в плоскости аэродинамического затенения, создаваемого верхним рядом пучка теплообменных труб.
Данный способ повышения аэродинамической эффективности АВО обеспечивает улучшение аэродинамики движения охлаждающего воздуха в вентиляторе, диффузоре и теплообменных секциях, устраняет застойные вихревые зоны, в том числе и в пристенных областях диффузора и теплообменных секциях, повысить адаптивность к сезонным изменениям внешней среды и масс охлаждающего газа, пропускаемого через пучок теплообменных труб, за счет оптимизации параметров проходных сечений устройства, включающего коллектора, вентиляторы, диффузоры и всего АВО в целом, что увеличивает потенциальную энергию и эффективность расхода воздуха для охлаждения газа за счет уменьшения аэродинамических потерь при движении охлаждающего воздуха по диффузору и теплообменным секциям.
Однако, вышеуказанный способ не в полной мере обеспечивает требуемую аэродинамическую эффективность АВО, поскольку не устраняет большие аэродинамические потери на вихреобразование и высокую скорость охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания, так как суммарная площадь коллекторов существенно меньше площади поверхности всасывания, с которой контактирует охлаждающий воздух, поступающий к ней за счет разряжения, создаваемого вращением лопаток рабочих колес вентиляторов. Аэродинамические потери охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания АВО, реализующего данный способ повышения его эффективности, снижают объем охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции и его потенциальную энергию, то есть статическое давление, что не позволяет существенно повысить аэродинамическую эффективность АВО, поскольку не достигается требуемая величина теплоотдачи теплообменных секций. По этой причине способ, реализуемый в данной конструкции АВО, не позволяет существенно улучшить аэродинамическое качество АВО.
Таким образом, недостаточная аэродинамическая эффективность данного способа, реализуемого вышеуказанной конструкцией, заключается в том, что скорость охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания, существенно больше скорости на поверхности всасывания АВО, так суммарная площадь коллекторов существенно меньше площади поверхности всасывания, с которой контактирует охлаждающий воздух, поступающий к ней за счет разряжения, создаваемого вращением лопаток рабочих колес вентиляторов. При этом высокая скорость охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания приводит к необратимой диссипации части энергии охлаждающего воздуха, то есть потерям на вихреобразование в области на поверхности всасывания АВО вне коллекторов, снижая потенциальную энергию и количество охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении минимальных потер потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания АВО путем обеспечения равенства скорости охлаждающего воздуха, подаваемого в коллектора поверхности всасывания за счет разряжения, создаваемого взаимным влиянием в совокупности всеми вращающимися рабочими колесами вентиляторов, его скорости на теплообменных секциях, устранения потерь на вихреобразование и максимального уменьшения скорости потока охлаждающего воздуха на входе в коллектора.
Задачей изобретения является увеличение аэродинамической эффективности АВО. Это достигается тем, что предлагаемый способ позволяет обеспечить поступление в вентиляторы, диффузоры и на теплообменные секции АВО, реализующего данный способ, охлаждающего воздуха со скоростью на входе в коллектора поверхности всасывания равной егоскорости на теплообменных секциях. Механизм уменьшения потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора, реализуемый предлагаемым способом повышения аэродинамической эффективности АВО и величина снижения этих потерь, может быть представлена в следующем виде. [3]
K
v
При диаметре коллектора АВО, реализующего способ прототипа, равном D, количестве коллекторов n=6, площадь поверхности всасывания равна . Площадь поверхности всасывания АВО, реализующего предлагаемый способ повышения его эффективности с поверхностью всасывания, состоящей из коллекторов в форме квадрата, то есть при а-b (см. фиг. 2 ). Таким образом, суммарная площадь области вихреобразования, то есть части поверхности всасывания АВО с которой контактирует охлаждающий воздух, но не поступает на вход в коллектора и далее через вентиляторы и диффузоры к теплообменным секциям, равна . Коэффициент увеличения скорости на входе в коллектора АВО, реализующего способ прототипа К=1,28. Для коллекторов, выполненных по лемнискате, устройства, реализующего предлагаемое изобретение, то есть с суммарной площадью, равной площади поверхности всасывания, коэффициент потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора. Для коллекторов, реализующих способ прототипа, коэффициент потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания АВО, .
Таким образом, при  коэффициент потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора на поверхности всасывания АВО, реализующего способ прототипа  то есть в случае квадратной формы поверхности всасывания одного коллектора имеет место четырехкратное снижение коэффициента потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектор квадратной формы по отношению к коллектору круглой формы в плане.
В случае если поверхность всасывания одного коллектора имеет прямоугольную форму в плане со сторонами а×b (см. фиг. 2) дополнительное увеличение коэффициента потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора устройства, реализующего способ прототипа, определяется по формуле, .
Таким образом, чем больше отношение длин сторон на поверхности всасывания АВО, тем больше снижается коэффициент потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора АВО, реализующего данный способ, то есть повышение его аэродинамического качества.
Повышение аэродинамического качества поверхности всасывания АВО, реализующего предлагаемый способ, то есть снижение аэродинамических потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора, увеличивает статическое давление и количество охлаждающего воздуха, поступающего через вентиляторы и диффузоры на теплообменные секции, увеличивая их теплоотдачу, и как результат -повышая аэродинамическую эффективность АВО.
Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является:
- повышение потенциальной энергии охлаждающего воздуха, и как результат - увеличение статического давления охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции, то есть повышение теплоотдачи теплообменных секций;
- снижение аэродинамических потерь на входе в коллектора, образующие поверхность всасывания, и как результат - увеличение потенциальной энергии охлаждающего воздуха, перемещаемого по вентиляторам и диффузорам к теплообменным секциям;
- снижение металлоемкости и габаритов АВО, реализующего данный способ;
- снижение уровня шума за счет устранения вихреобразование на входе в коллектора поверхности всасывания.
Задача изобретения решается, а технический результат достигается за счет того, что в способе повышения аэродинамической эффективности АВО, включающем в себя подачу охлаждающего воздуха, контактирующего с поверхностью всасывания, на вход в коллектора поверхности всасывания за счет разряжения, создаваемого лопатками рабочих колес вентиляторов, преобразующих механическую энергию их вращения в потенциальную и кинетическую энергию движения охлаждающего воздуха через коллектора в корпуса вентиляторов, диффузоры, и далее на теплообменные секции, образованные пучками оребренных труб с перемещаемым по ним охлаждаемым газом, энтальпия которого снижается в результате передачи тепла от газа воздуху, согласно изобретению, скорость охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания равна его скорости на теплообменных секциях, при этом периметр поверхности всасывания прямоугольной формы и прямоугольные сечения коллекторов плавного входа выполнены подобными прямоугольному поперечному сечению теплообменных секций, суммарной площадью коллекторов, равной площади поверхности всасывания и площади теплообменных секций, а коллектора выполнены переменной кривизны с конфигурацией по лемнискате в продольных взаимоперпендикулярных сечениях по периметру поверхности всасывания. Равенство скоростей охлаждающего воздуха на входе и выходе АВО, реализующего данный способ, обеспечивает максимально возможный рост потенциальной энергии, то есть статического давления охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции, и как результат - максимальное снижение энтальпии охлаждаемого газа, то есть рост аэродинамической эффективности АВО.
На фиг. 1 изображен АВО, реализующий предложенный способ повышения аэродинамической эффективности АВО.
На фиг. 2 изображен вид А со стороны теплообменных секций АВО, реализующего предложенный способ повышения аэродинамической эффективности АВО.
На фиг. 3 изображено вид Б со стороны поверхности всасывания АВО, реализующего предложенный способ повышения аэродинамической эффективности АВО.
Д
АВО газа 1 состоит из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа прямоугольного сечения 2, снабженных продольными обтекателями-вытеснителями в виде протяженных выступов, и устройства 3 для подачи охлаждающего воздуха на теплообменные секции 2, содержащего диффузоры 4, примыкающие к теплообменным секциям 2, с диаметром входа 5 равным D=(0,6-0,95) ширины с теплообменных секций 2, вентиляторы 6, включающие рабочие колеса 7 с лопатками 8 и коллектора плавного входа 9 прямоугольного сечения со сторонами а и Ь, подобного прямоугольному сечению теплообменных секций 2, переменной кривизны в продольном диаметральном сечении с конфигурацией по лемнискате, образующие поверхность всасывания 10, ограниченную ее периметром прямоугольной формы 11, образованным замкнутой линией, огибающей коллектора 9, с суммарной площадью, находящейся в диапазоне: 0,42-0,9 суммарной площади диффузоров 4 на выходе и 0,51±11,5% площади теплообменных секций 2 в плоскости аэродинамического затенения, создаваемого верхним рядом 12 пучка теплообменных труб и равной площади поверхности всасывания 10.
K
K
ПВ
ПВ
В зависимости от количества m секций при n вентиляторах 6, площади одного коллектора 9 S=ab и периметре одного коллектора 9 P=2(a+b), площадь поверхности всасывания 10 АВО 1 равна S=nab, периметр поверхности всасывания 10 АВО 1 равен Р=2(ma+nb/m).
Вращение лопаток 8 рабочих колес 7 вентиляторов 6, преобразующих механическую энергию их вращения в потенциальную и кинетическую энергию охлаждающего воздуха за счет циркуляции охлаждающего воздуха, возникающей вокруг лопаток 8, создает разрежение, то есть область пониженного давления на поверхности всасывания 10, ограниченной периметром 11 прямоугольной формы, образованным замкнутой линией, огибающей коллектора 9, вызывая движение охлаждающего воздуха из атмосферы к поверхности всасывания 10 АВО 1, согласно уравнению Бернулли [3] за счет градиента давления между атмосферой и поверхностью всасывания 10 АВО 1 с учетом взаимного влияния разрежения, создаваемого в области коллекторов 9, взаимосвязанных поверхностью всасывания, контактирование его с входами в коллектора 9, площадь которых равна площади поверхности всасывания 10, что исключает необходимость преодоления аэродинамических препятствий, то есть потерю потенциальной энергии на преодоление сопротивления на пути движения охлаждающего воздуха, обеспечивая плавный, безотрывный вход охлаждающего воздуха в коллектора 9. Отсутствие зон вихреобразования, равенство скорости охлаждающего воздуха на входе в коллектора 9 поверхности всасывания 10 скорости на теплообменных секциях 2, в следствии того, что коллектора 9 в поперечном сечении имеют форму, подобную поверхности всасывания 10, а суммарная площадь коллекторов 9 равна площади поверхности всасывания 10 и площади теплообменных секций 2, обеспечивает высокое аэродинамическое качество устройства 3 для подачи охлаждающего воздуха на входе в него.
Подобие поперечных прямоугольных сечений коллекторов 9 и периметра 11 поверхности всасывания 10 АВО 1 прямоугольному сечению теплообменных секций 2, способствуя снижению конвективных ускорений, согласно принципу Гельмгольца [4], дополнительно уменьшает потери потенциальной энергии при движении воздуха в устройстве 3 от поверхности всасывания 10 через коллектора 9, корпуса вентиляторов 6, диффузоры 4 на теплообменные секции 2, способствует снижению аэродинамических потерь, и как результат - увеличению потенциальной энергии и подачи охлаждающего воздуха на теплообменные секции 2.
Существенное снижение потерь потенциальной энергии, равенство скорости охлаждающего воздуха на входе в коллектора 9 поверхности всасывания 10 скорости на теплообменных секциях 2, в следствии того, что коллектора 9 в поперечном сечении имеют форму, подобную поверхности всасывания 10, а суммарная площадь коллекторов 9 равна площади поверхности всасывания 10 и площади теплообменных секций 2, способствует росту потенциальной энергии охлаждающего воздуха при его движении в корпусах вентиляторов 6, диффузоров 4 на теплообменные секции 2, а так же его количества. Взаимодействие охлаждающего воздуха с увеличенной потенциальной энергией и расходом с теплообменными секциями 2, образованными пучками оребренных труб с перемещаемым по ним охлаждаемым газом, приводит к существенному снижению энтальпии охлаждаемого газа в результате более эффективной передачи тепла от газа воздуху.
Достижение в АВО, реализующем данное изобретение, равенства скоростей охлаждающего воздуха на входе в коллектора 9 поверхности всасывания 10 АВО 1 и на входе в теплообменные секции 2 обеспечивает максимально возможный рост статического давления охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции 2, в соответствие с вышеуказанным принципом Гамильтона [4]. Указанное достигается равенством суммарной площади коллекторов 9 площади поверхности всасывания 10 АВО 1 и площади теплообменных секций 2.
Таким образом, предложенный способ, реализуемый в конкретной конструкции АВО 1, позволяет за счет снижения потерь потенциальной энергии на входе в коллектора 9, равенство скорости охлаждающего воздуха на входе в коллектора 9 поверхности всасывания 10 его скорости на теплообменных секциях 2, исключения негативного взаимного влияния разряжения, создаваемого вращением лопаток 8 рабочего колеса 7 вентилятора 6, обеспечения осесимметричности, плавного разделения потока от входа в устройство 3 в коллекторах 9, вентиляторах 6 и диффузорах 4, теплообменных секциях 2, повысить аэродинамическую эффективность АВО за счет повышения аэродинамического качества устройства 3 для подачи охлаждающего воздуха к теплообменным секциям 2, повысив тем самым эффективность АВО в целом.
Результаты испытаний АВО вышеуказанной конструкции с входными коллекторами прямоугольной формы с отношением  подтверждают снижение коэффициента аэродинамического сопротивления на входе в АВО в 3,3 раза с величины  до величины  снижение скорости охлаждающего воздуха на входе на 35% с величины  до  При этом потенциальная энергия, то есть статическое давление охлаждающего газа на теплообменные поверхности увеличилось на 8% по сравнению с АВО с АВО фирмы «ГЕА» (Германия).
Данные результаты получены при испытании моделей АВО с учетом критериев подобия и статистического метода линейного планирования эксперимента при обеспечении геометрическими параметрами диффузора и периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа равенства моментов количества движения циркуляционных потоков.
Таким образом, применение данного способа повышения аэротермодинамической эффективности АВО на базе предложенных технических решений, учитывающих специфику конструкции и условий их эксплуатации, позволяет поднять на качественно новый уровень аэротермодинамической эффективности АВО, дополнительно способствуя снижению их габаритов, материалоемкости и снижению уровня шума.
1. В.Б. Кунтыш, А.Н. Бессонный и др. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения. - С/П: Недра, 1996, с. 84-85, рис. 2.37;
2. Патент №2266488 «Теплообменный аппарат типа аппарата воздушного охлаждения газа»;
3. Идельчик И.Е. Аэродинамика технологических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1986. - 280 с. ;
4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Учебник для вузов. - 7-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.