Способ повышения аэротермодинамической эффективности аппарата воздушного охлаждения и устройство для его реализации
METHOD FOR INCREASING AEROTHERMODYNAMIC EFFICIENCY OF AIR COOLING DEVICE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам повышения аэротермодинамической 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 аэротермодинамической эффективности за счет исключения остаточной циркуляции охлаждающего воздуха за рабочим колесом вентилятора, и как результат - согласования скорости потока охлаждающего воздуха и положения ребер пучков труб теплообменных секций, способствуя повышению теплоотдачи и снижению потерь энергии на вихреобразование.
АВО компрессорных станций магистральных газопроводов характеризуется низкой аэротермодинамической эффективностью, то есть большими затратами энергии на вращение рабочего колеса вентилятора в следствие высокого сопротивления пучков оребренных труб теплообменных секций, обусловленного в значительной степени остаточной циркуляцией охлаждающего воздуха.
Применяемые в АВО вентиляторы выполнены по аэродинамической схеме с одним рабочим колесом без спрямляющего аппарата. По этой причине поток охлаждающего воздуха за рабочим колесом имеет существенную остаточную закрученность, то есть циркуляцию. Циркуляционный поток, движущийся по спирали, поступает на вход в теплообменную секцию с большими разбросами углов рассогласования по отношению к ребрам пучков труб, что приводит к существенному увеличению сопротивления теплообменных секций, и как результат - к росту расхода энергии для перемещения охлаждающего воздуха, то есть - снижения энтальпии охлаждаемого газа. [1]
Характерной особенностью безвихревого циркуляционного движения, согласно уравнениям Гельмгольца и Бернулли, является снижение статического давления по мере уменьшения радиуса вихревой трубки. По этой причине в процессе работы вентилятора АВО, имеющего остаточную циркуляцию, статическое давление по оси его диффузора, а следовательно и в центре теплообменника, снижено по отношению к периферии. Недостаточность статического давления на входе в теплообменник приводит к тому, что охлаждающий воздух через каналы между поверхностями теплообмена поступает с недостаточной скоростью, формируя застойную зону. С увеличением углов установки лопаток рабочего колеса вентилятора увеличивается интенсивность вихревого движения, что приводит к возникновению режима обратных течений через теплообменник. Эффективность теплообменных секций падает из-за уменьшения поверхности фактического теплообмена, так как центральная область теплообменных секций фактически является застойной зоной. Кроме того, поток охлаждающего воздуха имеет высокую неравномерность поля скоростей, что не только снижает эффективность теплообмена, но и дополнительно приводит к росту гидравлического сопротивления при проходе охлаждающего воздуха через ребра пучков труб теплообменных секций. Остаточная циркуляция охлаждающего воздуха может достигать значительных величин, при этом поток набегает на оребренные трубы теплообменных секций под переменным большим углом рассогласования по отношению к ребрам. Так как ребра охлаждения на трубах теплообменных секций фактически формируют вертикальные щели-каналы, то для эффективного охлаждения необходимо, чтобы угол входа потока в межтрубное пространство как можно ближе совпадал с вертикальными щелями-каналами.
Для существенного повышения аэротермодинамической эффективности АВО, то есть снижения энергозатрат на понижение энтальпии охлаждаемого газа необходимо устранить остаточное циркуляционное движение охлаждающего воздуха в диффузоре, обеспечив равномерную его поступательную скорость на входе в теплообменные секции.
Известен способ повышения аэротермодинамической эффективности, реализуемый в устройстве предназначенном для охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов [2]
Указанный АВО состоит из горизонтально расположенных секций коллекторного типа, собранных из оребренных биметаллических 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 труб. Однако, остаточное циркуляционное движение за осевым вентилятором способствует неравномерному распределению охлаждающего воздуха на входе в теплообменные секции, несогласованности вектора скорости с положением ребер биметаллических труб, и как результат - существенному перерасходу мощности электродвигателей при недостаточной теплоотдаче, то есть характеризуется недостаточной аэротермодинамической эффективностью.
Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу повышения аэротермодинамической эффективности АВО путем изменения скорости охлаждающего воздуха, и тем самым частичного снижения неравномерности поступления охлаждающего воздуха на теплообменные поверхности, является способ повышения аэротермодинамической эффективности реализуемый в АВО состоящем из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа, включающих камеры подвода и отвода охлаждаемого газа, содержащие трубные доски с отверстиями, в которые заделаны концы оребренных труб, осевого вентилятора, включающего в себя коллектор, корпус, рабочее колесо с лопатками и диффузор, центральной части которого установлен S-образный дефлектор, а в периферийной части теплообменной секции установлены два лопастных дефлектора. [3].
Данный способ повышения аэротермодинамической эффективности АВО позволяет создать более равномерную подачу охлаждающего воздуха на входе в теплообменные секции, что увеличивает эффективность расхода воздуха для охлаждения газа за счет перераспределения охлаждающего воздуха по поверхности теплообменных секций и снижения сопротивления пучков оребренных труб.
Однако подача охлаждающего воздуха в центральную часть теплообменных секций с помощью S-образного дефлектора, состоящего из двух половин и формирующего два оппозитных центральносимеричных относительно оси диффузора воздухозаборных канала приводит к увеличению безвихревой циркуляции потока в центре диффузора, тем самым существенно увеличивая потери энергии охлаждающего воздуха при его поступлении на поворотные лопатки, что снижает эффективность S-образного дефлектора. Кроме того S-образный дефлектор обладает большим собственным сопротивлением, уменьшая проточное сечение диффузора. Лопастные дефлекторы, имеющие прямолинейные образующие, не устраняют существенную неравномерность угла входа на них охлаждающего воздуха, обусловленную его остаточной циркуляцией в периферийной части теплообменных секций. Таким образом, данный способ не позволяет устранить остаточную циркуляцию охлаждающего воздуха в диффузоре, способствуя только локальному улучшению течения воздуха в области входа на теплообменную поверхность, тем самым не позволяя существенно повысить аэротермодинамическую эффективность АВО.
Задачей заявленного изобретения является повышение аэротермодинамической эффективности АВО.
Поставленная задача решается тем, что в способе повышения аэротермодинамической эффективности аппарата воздушного охлаждения, включающем в себя подачу охлаждающего воздуха через всасывающий коллектор в корпус вентилятора на лопатки его рабочего колеса, преобразование механической энергии вращения рабочего колеса в потенциальную энергию статического давления и кинетическую энергию поступательного и остаточного циркуляционного движения охлаждающего воздуха в диффузоре через дефлекторы, изменяющие поступательную и остаточную циркуляционную скорость его подачи на теплообменные секции, образованные пучками оребренных труб с перемещаемым по ним охлаждаемым газом, энтальпия которого снижается за счет теплоотдачи от газа воздуху, часть охлаждающего воздуха подают через всасывающий коллектор по периметру корпуса вентилятора с лопаток рабочего колеса на лопатки периферийного направляющего лопаточного аппарата на входе в диффузор, закручивают его в направлении, противоположном остаточному циркуляционному движению охлаждающего воздуха от вращения лопаток рабочего колеса в циркуляционное движение по периметру диффузора, смешивают в процессе движения в диффузоре до теплообменных секций с частью охлаждающего воздуха, имеющего остаточную циркуляцию по направлению вращения лопаток рабочего колеса и направляют смешенный поток с поступательной скоростью без остаточного циркуляционного движения на теплообменные секции.
ц
При безвихревой остаточной циркуляции охлаждающего воздуха за лопатками рабочего колеса вентилятора, количество охлаждаемого воздуха, подаваемого на лопатки периферийного направляющего лопаточного аппарата на входе в диффузор и закручиваемого в направлении, противоположном остаточному циркуляционному движению охлаждающего воздуха от вращения лопаток рабочего колеса, в циркуляционное движение по периметру диффузора, определяется соотношением: Q=0,5Q.
При переменной остаточной циркуляции охлаждающего воздуха за лопатками рабочего колеса количество охлаждающего воздуха, подаваемого на лопатки периферийного направляющего лопаточного аппарата на входе в диффузор и закручиваемого в направлении, противоположном остаточному циркуляционному движению охлаждающего воздуха от вращения лопаток рабочего колеса, в циркуляционное движение по периметру диффузора определяется соотношением:
1
где r определяется из интегрального равенства:
Изобретение так же относится к аппарату воздушного охлаждения газа, в котором осуществляется способ, состоящему из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа, включающих камеры подвода и отвода охлаждаемого газа, содержащие трубные доски с отверстиями, в которые заделаны концы оребренных труб, осевого вентилятора, включающего в себя коллектор, корпус, рабочее колесо с лопатками и диффузора, в котором установлен дефлектор, отличающийся тем, что дефлектор расположен на входе в диффузор и выполнен в форме периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа для изменения направления циркуляционной скорости на выходе с лопаток на противоположное по отношению к ее направлению на входе в дефлектор.
При безвихревой остаточной циркуляции охлаждающего воздуха за лопатками рабочего колеса вентилятора, диаметр обечайки периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа, определяющий длину его лопаток, устанавливается соотношением:
При переменной остаточной циркуляции охлаждающего воздуха за лопатками рабочего колеса вентилятора, диаметр обечайки периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа, определяющий длину его лопаток, устанавливается интегральным равенством:
Сущность предлагаемого изобретения заключается в преобразовании остаточной циркуляции охлаждающего воздуха в диффузоре в статическое давление за счет изменения вектора циркуляции охлаждающего воздуха в периферийный части диффузора на противоположное по отношению к направлению вращения лопаток рабочего колеса. В процессе движения двух осесиметричных потоков охлаждающего воздуха: одного - в центральной части по оси диффузора, остаточная циркуляция которого совпадает с направлением вращения рабочего колеса, и второго, представляющего собой переферийное кольцевое течение потока воздуха с циркуляцией, направленной против вращения лопаток рабочего колеса по винтовой линии в направлении к теплообменным секциям происходит смешение указанных потоков за счет дисперсии завихренности, и как результат - взаимное уменьшение циркуляций смешенного потока охлаждающего воздуха с возрастанием его статического давления за вычетом потерь на трение. При равенстве моментов количества движения по величине и противоположности по направлению у центрально и периферийного потоков охлаждающего воздуха достигается нулевая циркуляция смешенного потока в области теплообменных секций. Указанное способствует достижению максимально возможной равномерности и согласованности поступления охлаждающего воздуха на теплообменные секции, существенно повышая аэротермодинамическую эффективность АВО. Кроме того, исключение дефлекторов в центральной части диффузора увеличивает его проходное сечение, снижая внутреннее сопротивление, тем самым дополнительно повышая энергоэффективность АВО.
Таким образом, технический результат повышения аэротермодинамической эффективность АВО достигается за счет того, что изменяя циркуляцию части охлаждающего воздуха в направлении, противоположном вращению лопаток рабочего колеса, используют его момент количества движения, то есть кинетическую энергию вращения для преобразования энергии остаточной циркуляции охлаждающего воздуха в статическое давление, устраняя полностью остаточную циркуляцию по всей поверхности теплообменных секций, повышая тем самым экономическую эффективность как вентилятора, так и теплообменных секций АВО.
Техническими результатами использования предлагаемого изобретения являются:
- устранение остаточной циркуляции воздуха в диффузоре с одновременным увеличением его статического давления;
- повышение энергоэффективности вентилятора аппарата воздушного охлаждения за счет увеличения его статического КПД;
- снижение потерь энергии за счет устранения отрывного вихреобразования на входе в пучки оребренных труб теплообменных секций;
- повышение эффективности теплоотдачи за счет улучшения обтекания пучков оребренных труб теплообменных секций.
На фиг. 1 изображен АВО, реализующий предложенный способ повышения аэротермодинамической эффективности аппарата воздушного охлаждения.
На фиг. 2 представлено сечение А-А периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа.
На фиг. 3 представлено сечение Б-Б лопатки периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа.
АВО газа 1 состоит из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа 2, включающих камеры подвода и отвода охлаждаемого газа 3, содержащие трубные доски 4 с отверстиями, в которые заделаны концы оребренных труб 5, осевого вентилятора 6, включающего в себя всасывающий коллектор 7, корпус 8, рабочее колесо 9 с лопатками 10 и диффузора 11, на входе в который установлен дефлектор 12, включающий в себя лопатки 13 и обечайку 14, образующие периферийный направляющий аппарат активного типа, сохраняющий численные значения скорости потока охлаждающего воздуха, проходящего через него, изменяя только направление циркуляционной скорости на выходе с лопаток на противоположное по отношению к направлению охлаждающего воздуха на входе в направляющий аппарат.
1
1
При вращении лопаток 10 рабочего колеса 9 вентилятора 6 охлаждающий воздух поступает через всасывающий коллектор 7, корпуса 8 вентилятора 6 на вход в диффузор 11, расслаивается на часть потока охлаждающего воздуха, движущегося в центральной части диффузора с остаточной циркуляцией, совпадающей по направлению с вращением рабочего колеса 9, и часть, обтекающую лопатки 13 периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа 12, взаимодействующую с ними и поворачивающуюся в направление, противоположенное вращению лопаток 10 рабочего колеса 9. Угол входа охлаждающего воздуха α на лопатки 13 периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа 12 согласован с направлением движения охлаждающего воздуха со скоростью С, определяемой диаграммой циркуляционной скорости  и расходной скорости  При этом, форма лопаток 13 периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа 12, обеспечивает в процессе взаимодействия с ними охлаждающего воздуха изменение на противоположенное его циркуляционной скорости на выходе из аппарата:
В процессе движения в диффузоре 11 к теплообменным секциям 2 вышеуказанные потоки, движущиеся по спирали Архимеда во взаимопротивоположные стороны, взаимодействуя друг с другом за счет дисперсии завихренности, то есть распространения энергии в соответствии с уравнениями Бернулли, Био-Савара, Гельмгольца преобразуют энергию циркуляционного движения охлаждающего воздуха в его внутреннюю потенциальную энергию. Таким образом, при условии равенства моментов количества циркуляционного движения взаимодействующих потоков, в силу противоположности их направлений, кинетическая энергия циркуляционного движения полностью преобразуется в потенциальную энергию, то есть в статическое давление. За счет энергии поступательного движения и статического давления охлаждающий воздух направляется на пучки оребренных труб 5 теплообменных секций 2 с минимальными потерями энергии на вихреобразование в связи с отсутствием остаточного циркуляционного движения охлаждающего воздуха и равномерным распределением его расходной скорости.
Охлаждаемый газ через камеры подвода и отвода 3, содержащие трубные доски 4 по оребренным трубам 5 АВО 1 поступает в зону теплообмена между охлаждающим воздухом и охлаждаемым газом теплообменных секций 2, что способствует снижению энтальпии охлаждаемого газа за счет передачи от него тепловой энергии охлаждающему воздуху. Плавное, безотрывное обтекание, обусловленное отсутствием поперечной циркуляции способствует повышению теплоотдачи между воздухом и газом при существенном снижении требуемой гидравлической мощности для подачи охлаждающего воздуха.
Таким образом, вышеуказанный способ, реализуемый в конкретной конструкции АВО 1, позволяет за счет эффекта энергетического взаимодействия осесиметричных потоков охлаждающего воздуха с разнонаправленной остаточной циркуляцией обеспечить равномерное поступательное движение смешанного охлаждающего водуха на пучки оребренных труб 5 теплообменных секций 2 без остаточной циркуляции, тем самым повысить аэротермодинамическую эффективность АВО за счет повышения эффективности теплоотдачи и снижения потерь на вихреобразование.
u
u*
a
ц
ц
Абсолютное большинство вентиляторов АВО проектируется на базе принципа радиального равновесия воздушного потока в корпусе 8 вентилятора 6. В этом случае остаточная циркуляция охлаждающего воздуха в диффузоре 11 подчиняется закону ее постоянства, то есть, произведение окружной скорости охлаждающего потока C на текущий радиус r есть величина постоянная: C r=const. При этом расходная скорость охлаждающего потока воздуха то есть скорость по оси диффузора 11 постоянна: C=const. Таким образом, для обеспечения полного преобразования кинетической энергии циркуляционного движения в статическое давление в результате взаимодействия осесиметричных потоков охлаждающего воздуха вращающихся в противоположенных направлениях, из условия сохранения момента количества движения получаем необходимость равенства объемов охлаждающего воздуха: Q=0,5Q где Q - объем охлаждающего воздуха, обтекающего лопатки 13 периферийного направляющего лопаточного аппарата 12, a Q - объем воздуха, поступающего от вентилятора 6 в диффузор 11.
1
Для устройства, реализующего вышеуказанный способ, диаметр D обечайки 14 периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа 12, при котором обеспечивается полное преобразование кинетической энергии циркуляционного движения в статическое давление определяется по формуле:
2
где D - наружный диаметр диффузора 11 (дефлектора 12).
а
1
Для осевого вентилятора 6 в АВО 1 с изменяемой циркуляцией по радиусу лопаток 10 рабочего колеса 9. Расходная скорость С будет переменной по радиусу в силу закона сохранения массы охлаждающего воздуха. Таким образом, исходя из закона сохранения момента количества движения необходимый объем охлаждающего воздуха, обтекающего лопатки 13 периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа 12 и диаметр D его обечайки 14 определяется из интегрального равенства:
1
Для устройства, реализующего вышеуказанный способ, внутренний диаметр периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа D, при котором обеспечивается полного преобразования энергии циркуляционного движения в статическое давление определяется по формуле:
1
где D - диаметр обечайки 14 периферийного направляющего лопаточного аппарата 12.
Результаты испытаний АВО вышеуказанной конструкции с осевым вентилятором, выполненным по аэродинамической схеме ОВ-101, имеющим коэффициент статического давления ψ=0,08 и коэффициент подачи ϕ=0,12, а так же периферийным направляющим лопаточным аппаратом, выполненным по схеме НА-100 подтверждают снижение удельной энергоемкости на 25%, то есть до значения Е=1,27, по сравнению с АВО фирмы «Крезо-Луар» (Франция).
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 и материалоемкости.
1. (Аэродинамика осевых вентиляторов, И.В. Брусиловский: «Машиносроение», 1986 г., С. - 68-82.)
2. (Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения, В.Б. Кунтыш, А.Н. Бессонный и др. СПб.: Недра, 1996, с. 84-85).
3. Патент «Аппарат воздушного охлаждения газа» 2617668, аппарат воздушного охлаждения.