АППАРАТ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Назначение и область применения
Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно к аппаратам воздушного охлаждения и может быть применена в энергомашиностроении, химической, нефтегазоперерабатывающей и других отраслях промышленности. Полезная модель может быть использована при создании новых конструкций.
Предшествующий уровень техники
Известен горизонтальный аппарат воздушного охлаждения нагнетательного или всасывающего типа, состоящий из отдельно смонтированных на модульном каркасе со стойками теплообменной и воздухораспределительных частей, соответственно включающих установленный на поддерживающих элементах вертикальных несущих стенок пучок труб с распределительными камерами, одна из которых выполнена плавающей, и приводных вентиляторов с воздухораспределительными коробами, в котором теплообменная часть аппарата снабжена противовесами-компенсаторами вертикальных изгибающих нагрузок, при этом ее опоры выполнены в виде силовых элементов каркаса, расположенных по длине трубного пучка, жестко закрепленного на поддерживающих элементах в транспортном положении и жестко закрепленного одним концом с обеспечением возможности продольных перемещений относительно поддерживающих элементов остальной части трубного пучка со стороны плавающей камеры от его температурных деформаций в рабочем положении (патент на изобретение РФ №2087822).
Аппараты такого типа удобны в обслуживании, но громоздки и занимают большие площади, характеризуются повышенной металлоемкостью, малоэффективны и потребляют много энергии.
Для интенсификации теплообменных процессов в теплообменных аппаратах используют, например, развитые поверхности, в том числе оребренные теплообменные трубы.
Из публикаций патентов на полезные модели РФ №№66801 и 66494 известны решения моноблочной и блочно-модульной конструкций аппаратов воздушного охлаждения, состоящего из модулей полной заводской готовности, включающих поверхность охлаждения в виде теплообменной секции, представляющей собой трубный пучок, собранный из, преимущественно оребренных, несущих труб круглого сечения и имеющий входные и выходные камеры, содержащие трубные решетки, в которых, преимущественно сваркой, крепятся трубы с уклоном в их осевом направлении. Одна из камер выполнена плавающей и со стороны которой пучок установлен с возможностью продольного перемещения при его тепловом удлинении. Конструктивное исполнение трубного пучка выбирается в зависимости от параметров и вида охлаждаемого продукта. Интенсификация теплообмена в аппарате обеспечивается за счет снижения аэродинамического сопротивления проточной части его вентиляторной установки (установок) путем оптимизации ее геометрии.
К числу недостатков вышеуказанных решений аппаратов воздушного охлаждения следует отнести громоздкость и сложность в изготовлении, за счет повышенных требований к конструктивному исполнению трубного пучка в зависимости от параметров охлаждаемого продукта, а также недостаточную тепловую эффективность оборудования, за счет, конструкции несущей трубы.
Наиболее близким, принятым за прототип, по совокупности существенных признаков к заявленному решению полезной модели следует отнести известную из публикации патента на изобретение РФ №2283989 конструкцию аппарата воздушного охлаждения газа, характеризующаяся тем, что аппарат воздушного охлаждения газа содержит, по меньшей мере, установленные в опорной металлической конструкции, горизонтально расположенную секцию теплообмена, снабженную поверхностями теплообмена, образованными оребренными несущими трубами, с примыкающими к ним раздающего и собирающего коллекторов для охлаждаемого продукта, и связанный с ней вентиляторный блок для подачи на поверхности теплообмена охлаждающей среды и при этом, включает многорядный пучок оребренных, несущих труб круглого сечения, содержащий ряды несущих труб (пучок) с разными коэффициентами оребрения. По крайней мере, два смежных, первый по ходу межтрубной среды и следующий за ним, ряда труб выполнены с коэффициентами оребрения меньшей величины, чем коэффициенты оребрения части последующих по ходу межтрубной среды рядов труб пучка, причем, по крайней мере, часть труб пучка или, по крайней мере, одного его ряда выполнена с переменным коэффициентом оребрения по длине трубы. К числу недостатков данного решения следует отнести громоздкость конструкции, сложность в изготовлении, в том числе, несущих труб с поперечным оребрением, и ограниченную тепловую эффективность. Большая протяженность труб, а также большие габариты и вес аппарата в целом приводят к большому расходу материала. При этом, сравнительно высокая потребляемая мощность привода вентилятора вызвана большим аэродинамическим сопротивлением воздуха при движении его через пучок теплообменных труб согласно вышеуказанной конструкции. Кроме того, воздух охлаждения имеет неравномерное скоростное поле, что не позволяет эффективно использовать всю теплообменную поверхность.
При этом, недостатком всех известных аппаратов воздушного охлаждения (ABO) с оребренной трубой круглого сечения является необходимость осуществления пространственной сепарации (фиксации положения) в большом количестве мест для исключения прогиба труб промежуточные опоры должны располагаться на расстоянии не более 1,8 м между собой, а это соответственно обуславливает увеличение массы оборудования, его габариты и трудоемкость сборки.
Сущность полезной модели
Техническая задача заявляемого технического решения заключается в предложении простой в эксплуатации и сборе конструкции, предпочтительно блочно-модульной конструкции, ABO с невысоким энергопотреблением и высокой теплоэффективностью.
Технический результат достигаемый настоящей полезной моделью заключается в повышении теплоаэродинамических характеристик аппарата воздушного охлаждения, снижении энергопотребления, повышении жесткости конструкции и надежности работы аппарата.
Заявленный технический результат достигается тем, что используют аппарат воздушного охлаждения, содержащий, по меньшей мере, секцию теплообмена, расположенную, например, горизонтально, снабженную поверхностями теплообмена, выполненных из оребренных несущих труб, с примыкающими к ним раздающего и собирающего коллекторов для охлаждаемого продукта, и связанный с ней вентиляторный блок для подачи на поверхности теплообмена охлаждающей среды, отличающийся при этом от прототипа тем, что поверхности теплообмена выполнены из плоскоовальных или эллиптических оребренных несущих труб с петельно-проволочным оребрением, закрепленных в трубных решетках, установленных в раздающем и собирающем коллекторах.
Трубная решетка может быть снабжена трубной доской из стали с отверстиями, повторяющими внешний контур закрепленных в них теплообменных труб.
Наружное оребрение несущих труб выполнено из расположенных витками вдоль несущей трубы спиральных ребер, образованных навитой петлями проволоки, притянутыми к несущей трубе с помощью бандажной ленты, выполненной с натягом.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели полная высота петель оребрения и, сформированных из петель, ребер петельно-проволочного оребрения, между их внешним и внутренним контуром, постоянна. При этом, внешний и внутренний контур поверхности петельно-проволочного оребрения, образованных из проволочных петель постоянной высоты, повторяет очертания контура поперечного сечения несущей трубы.
Аппарат воздушного охлаждения относится к конструкциям вытяжного типа. При этом вентиляторный блок и секция теплообмена выполнены, предпочтительно, съемными. Причем секция теплообмена может содержать число рядов оребренных, труб от 1 до 10 при их длине L от 3 м до 16 мс числом ходов по трубному пространству от 1 до 40. Количество и геометрия размещения теплообменных труб выбирается в зависимости от параметров и вида охлаждаемого продукта по результатам теплогидравлических расчетов.
Предпочтительно, ABO дополнительно содержит опорную каркасную металлическую конструкцию, с возможностью размещения в ней секции теплообмена с примыкающими к ней раздающим и собирающим коллектором, и связанный с ней вентиляторный блок.
Опорная каркасная металлическая конструкция ABO преимущественно выполнена из углеродистой стали, в форме параллелепипеда блочной конструкции или может быть собрана из профильных элементов (швеллеров, двутавров, коробчатых профилей, уголков, листов и др.).
Выбор конструкции дополнительных устройств, таких как, подогреватель воздуха, увлажнитель воздуха, жалюзийных устройств, как правило, основан на требованиях к температурному режиму, поддерживаемому в ABO в процессе эксплуатации.
Остальные характеристики ABO, как правило, выбираются в соответствии с нормативными характеристиками, установленными, например, ГОСТ Ρ 51364-99 «Аппараты воздушного охлаждения» и ИСО 13706-2006 «Аппараты с воздушным охлаждением »).
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - поперечное сечение аппарата воздушного охлаждения с плоскоовальными или эллиптическими оребренными теплообменными трубами с несущей овального типа (типа АВООВ);
фиг. 2 - Теплообменная туба, где а) вид сбоку, б) вырез продольного сечения
фиг. 3 - Поперечное сечение теплообменной тубы с несущей овального типа, где а) с плоскоовальной несущей, б) с эллиптической несущей трубой:
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения полезной модели и не могут рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, которое включает и другие варианты выполнения.
Осуществимость полезной модели
Как следует из представленных на фиг. 1-3 чертежей, ABO, согласно представленному варианту осуществления полезной модели, содержит опорную конструкцию, в частности, корпус 1, выполненный преимущественно из углеродистой стали, в форме параллелепипеда блочной конструкции или собранный из профильных элементов (швеллеров, двутавров, коробчатых профилей, уголков, листов и др.), во внутреннем объеме которого, в верхней его части, размещена теплообменная секция 2 с поверхностью теплообмена 3, выполненной из плоскоовальных или эллиптических теплообменных несущих труб 5 с петельно-проволочным оребрением 6, с примыкающими к ней патрубками раздающего и собирающего коллекторов (на чертежах не показаны) для продукта. Конструктивное исполнение теплообменной поверхности выбирается в зависимости от параметров и вида охлаждаемого продукта по результатам теплогидравлических расчетов. Аппарат типа ABO снабжен, по меньшей мере, одним вентилятором 4, для подачи на теплообменные поверхности 3 охлаждающей среды (преимущественно атмосферного воздуха). Исходя из практического применения, максимальное количество вентиляторов в составе конструкции ABO, как правило, не превышает шести, однако, их количество определяется с учетом требуемых эксплуатационных характеристик ABO и условий эксплуатации. Вентиляторы 4 снабжены электроприводом переменного тока (на чертежах не показан) с возможностью запуска и отключения, а также изменением скорости вращения в зависимости от условий эксплуатации, например, при изменении температуры окружающей среды ниже или выше порогового значения и/или отклонения температурных показателей охлаждаемой среды от предустановленных пороговых значений.
В соответствии с чертежами, представленными на фиг. 1-3 теплообменная труба представляет собой несущую трубу 5 с наружным оребрением 6 выполненным из расположенных витками вдоль несущей трубы спиральных петельно-проволочных ребер, образованных навитой петлями проволоки, притянутыми к несущей трубе с помощью бандажной ленты 8, выполненной с натягом. Петельно-проволочные спиральные ребра равномерно распределены в продольном направлении с образованием зазора 7 между соседними витками ребер, обеспечивая тем самым эффективность теплообмена. При этом, применение бандажной ленты, по сравнению с известным из предшествующего уровня техники применением для указанной цели проволоки, повышает жесткость конструкции оребренной трубы и позволяет существенно уменьшить ее контактное сопротивление, вследствие чего увеличивается коэффициент теплопередачи теплообменной поверхности и повышается эффективность теплообмена. Высота петель, формирующих контур ребра выбирается в зависимости от тепловых расчетов, учитывающих требуемые эксплуатационные характеристики конструкции. На практике, наиболее предпочтителен выбор высоты петель и ребра, соответственно, в диапазоне от 5 мм до 20 мм, а толщины проволоки от 0,3 мм до 1,0 мм. При этом в пределах конструкции выбранная высота ребра постоянна.
Применение петельно-проволочного оребрения трубы позволяет турболизировать поток охлаждающего воздуха, а также уменьшить характерный размер микровихрей и уменьшить толщину пограничного слоя при обтекании трубы, тем самым увеличивая коэффициент теплоотдачи к воздуху и повышая теплоаэродинамические характеристик оребренной трубы и теплообменной секции в целом. При этом, возможное исполнение петель оребрения с контуром повторяющим или близким к поперечному контуру несущей трубы способствует повышению теплоаэродинамические характеристики оребренной трубы за счет используемой конфигурации оребрения. Вместе с тем, в зависимости от требуемых теплообменных характеристик оребрение может быть выполнено из проволочных петель иной конфигурации, например, содержащих петли треугольной формы, что позволяет обеспечить увеличение площади контактной площадки с несущей трубой, достигая тем самым улучшение теплопередачи. Одновременно, внутренний и внешний контур поверхности оребрения, сформированной петельно-проволочными спиральными ребрами, за счет постоянной высоты петли, повторяет очертания контура поперечного сечения несущей трубы, повышая эффективность теплообмена, в частности, за счет развития теплообменной поверхности.
Поперечное сечение несущей трубы по форме близко к овальному, причем в решении представленном на фиг. 3а) несущая труба выполнена с плоскоовальным контуром поперечного сечения, а на фиг. 3б) - с эллиптическим контуром поперечного сечения. Секции теплообмена ABO с несущей трубой овального типа (тип АВООВ), в данном случае, с плоскоовальной или эллиптической несущей трубой, имеют высокую степень развития теплообменной поверхности за счет вытянутой формы несущей трубы. А применение в конструкции несущих труб с петельно-проволочным оребрением, согласно полезной модели, с одной стороны усиливает степень развития теплообменной поверхности за счет ребер, а с другой стороны, позволяет увеличить интенсивность теплопередачи и является дополнительным фактором увеличения эффективности теплообмена, улучшения массогабаритных характеристик, решения ABO согласно полезной модели.
Дополнительно, при процессе конденсации продуктов аппарат, согласно полезной модели, эффективнее и предпочтительнее с точки зрения увеличенной внутренней поверхности соприкосновения и распределения парожидкостной смеси внутри трубы, т.к. процесс конденсации продукта происходит в большей степени в пристеночных областях, а внутренний периметр плоскоовальной или эллиптической трубы больше, чем круглой, При этом, при конденсации в плоскоовальных и эллиптических трубах образующийся слой жидкости в меньшей степени перекрывает внутреннюю поверхность трубы, чем в круглых, позволяя продукту далее конденсироваться на больших площадях, не давая жидкостной пленке выпариться и образовать «сухую стенку». Сравнение периметров типового аппарата воздушного охлаждения с круглой оребренной трубой и аппарата согласно полезной модели с плоскоовальной трубой показывает: общий периметр соприкосновения продукта со стенкой труб толщиной 2 мм в типовом аппарате составляет 140,915 м, а у заменяющего его аппарата согласно полезной модели - 177,142 м, что больше на 25%.
При этом, ABO согласно полезной модели, за счет применения плоскоовальной или эллиптической формы как несущих труб, так и наружного петельно-проволочного оребрения, обладает низким аэродинамическим сопротивлением воздушному потоку охлаждающего воздуха, за счет уменьшения (сужения) размера по ширине трубы и, как следствие, уменьшения поверхности сопротивления в поперечном направлении, а, соответственно, и уменьшения затрачиваемой мощности на продувку холодного теплоносителя. Это позволяет достигать не менее 20% показателей по энергосбережению при работе аппаратов воздушного охлаждения согласно полезной модели.
Так при расчетном сопоставлении показателей работы аппаратов воздушного охлаждения с применением оребренных труб с несущей трубой круглого сечения с наружным диаметром 25 мм и ABO согласно полезной модели с применением несущих труб эллиптического сечения, с размерами 16 мм и 30 мм, и с петельно-проволочным оребрением, расчетная мощность вентиляторов в первом случае составила 4,8 кВт, а в случае применения несущей трубы согласно полезной модели -3,4 кВт, что свидетельствует о существенном уменьшении энергопотребления конструкции и повышении ее энергоэффективности. Очевидно также, что за счет повышения энергоэффективности конструкции, для достижения расчетных мощностей аппарата воздушного охлаждения потребуется меньшее количество оребренных труб с плоскоовальной и эллиптической несущей трубой, что позволяет выпускать компактные конструкции аппаратов воздушного охлаждения на их основе и способствует снижению материалоемкости конструкции.
В качестве оребренных труб теплообмена могут быть использованы трубы из углеродистой стали с проволочным оребрением так же из углеродистой стали. В другом варианте - несущая труба и проволочное оребрение могут быть выполнены из нержавеющей стали. Однако, указанные примеры осуществления не ограничивают возможность применения для изготовления оребренных труб теплообменника согласно заявленной полезной модели и из других материалов, применимых в данной области.
Предпочтительно оребренные трубы закреплены в трубных решетках развальцовкой, по меньшей мере, в одну канавку, а также могут быть дополнительно закреплены в трубных решетках сваркой.
ABO согласно полезной модели может изготавливаться и применяться как с внутренней системой рециркуляции воздуха, позволяющей дополнительно существенно уменьшить габариты корпуса ABO по ширине, например с 4,5 м до 3 м за счет ее размещения в существующем корпусе ABO, так и с наружной системой рециркуляцией воздуха, получившей наибольшее распространение в промышленности.
Секция теплообмена и вентиляторный блок предпочтительно объединены в моноблок несущей каркасной металлической конструкцией. При этом, секция теплообмена, выполнена съемной и может содержать число рядов оребренных несущих труб в пределах от 1 до 10 при их длине L от 3 м до 16 мс числом ходов по трубному пространству от 1 до 40. Количество и геометрия размещения теплообменных труб выбирается в зависимости от параметров и вида охлаждаемого продукта по результатам теплогидравлических расчетов.
Аппарат воздушного охлаждения, согласно представленной полезной модели, работает следующим образом:
Охлаждаемый продукт (жидкость, газ, пар или их смеси) подается через патрубок раздающего коллектора в трубное пространство поверхности теплообмена и протекает по оребренным плоскоовальным или эллиптическим трубам, закрепленным развальцовкой, с формированием пучка оребренных теплообменных труб, в трубных решетках распределительных камер коллекторов. При подаче охлаждающего теплоносителя (воздуха) на пучок оребренных теплообменных труб, по которым транспортируют охлаждаемый продукт под давлением (продукт подается в систему насосами), происходит обтекание пучка труб воздухом и контактный теплообмен с охлаждением продукта.
При этом ABO обладает рядом преимуществ и за счет применения плоскоовальных или эллиптических несущих труб с петельно-проволочным оребрением согласно полезной модели достигается:
- на 20% снижение потребляемой мощности вентиляторов, требуемой на прокачку охлаждающего воздуха за счет улучшения аэродинамических условий обтекания оребренных теплообменных труб пучка охлаждающим теплоносителем;
- уменьшение массы аппарата и трудоемкости его сборки, за счет отсутствия необходимости пространственной сепарации (фиксации положения) теплообменных труб плоскоовальной или эллиптической формы, а также применяемых в конструкции материалов;
- уменьшение трудозатрат на очистку теплообменной поверхности от загрязнения за счет использования вытяжной конструкции вентиляторного блока, т.к при данной конструкции происходит меньшее загрязнение теплообменной поверхности.
- ABO согласно полезной модели прост в изготовлении, обладает повышенными теплоаэродинамическими характеристиками, повышенной энергоэффективностью (сниженным энергопотреблением), повышенной жесткостью и надежностью, за счет применения оребренных теплообменных труб эллиптической или плоскоовальной формы, применяемых материалов, блочно-модульному конструктивному решению.
ABO согласно полезной модели может дополнительно содержать
- систему внутренней/внешней рециркуляции;
- комплект жалюзийных устройств;
- подогреватель, увлажнитель и прочие дополнительные системы и устройства, предназначенные для эффективного функционирования ABO в разных условиях эксплуатации.