Исследование размещения вентиляторов в аппаратах воздушного охлаждения

УДК 62-712.3

А. В. Дмитриев, О. С. Дмитриева, С. М. Халиуллин

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ВЕНТИЛЯТОРОВ В АППАРАТАХ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Ключевые слова: охлаждение воздухом, вентилятор, аппарат воздушного охлаждения.

Для увеличения охлаждающей поверхности аппаратов применяют форсированный обдув радиаторов воздухом. За счет этого эффективность теплоотдачи увеличивается. С помощью установки небольших вентиляторов можно интенсифицировать теплообмен. В работе рассмотрены варианты размещения вентиляторов обдува относительно друг друга. Представлены результаты исследований тепловой нагрузки, отнесенной к затраченному при этом количеству электроэнергии.

Keywords: air cooling, fan, air-cooling unit.

To increase the cooling surface of the apparatus, the forced air blowing of the radiators is used. Due to this, the heat transfer efficiency increases. By installing small fans, heat exchange can be intensified. The variants of placing blowing fans relative to each other are considered in the work. The results of studies of the heat load attributed to the amount of electric power consumed at this time are presented.

Аппараты воздушного охлаждения (АВО) различных агентов широко применяются в нефтяной, газовой промышленности, теплоэнергетике, являясь неотъемлемой частью технологических процессов. Применение АВО в настоящее время позволяет решать актуальные задачи по снижению потребления воды на производственные нужды.

Теплосъем в АВО с горячего агента осуществляется поперечным потоком атмосферного воздуха. Для увеличения интенсивности теплообмена между агентом и воздухом используется принудительный охлаждающий поток, создаваемый вентиляторами, направляемыми на пучок труб. Во вращение вентилятор приводится электродвигателем. В связи с повышением цен на электроэнергию остро стоит необходимость снижения энергозатрат на технологических установках [1].

Вследствие применения осевых вентиляторов скорость охлаждения воздуха в узком сечении в теплообменных секциях не высока, что в сочетании с плохими теплофизическими свойствами воздуха обуславливает невысокие значения коэффициента теплоотдачи [2, 3]. Увеличение энергоэффективности АВО целесообразно осуществлять интенсификацией теплоотдачи, рациональным размещением

вентиляторов. Всё это обеспечивается качеством функционирования АВО.

Кроме того, недостатком АВО является применение более мощных электродвигателей, чем требуется. По данным [4] такая тенденция наблюдается почти в 60% случаев, определяя причину перерасхода электроэнергии.

С целью поддержания температуры агента в заданных пределах возникает необходимость регулирования охлаждающего эффекта АВО. Цель настоящей работы заключается в подборе количества одновременно работающих вентиляторов и их расположение относительно пучка труб для реализации более равномерного обдува теплообменной поверхности. В качестве критерия эффективности примем потребление электроэнергии на перемещение воздуха W и тепловая нагрузка охладителя Q. Рассмотрим в качестве объекта

исследования масляный трансформатор с дутьевым охлаждением, которое происходит с помощью небольших вентиляторов, называемых

«крыльчатками», закрепленными на вертикальном валу электродвигателя. Такой вентилятор имеет четыре лопасти, изготовленные из штампованной стали толщиной 1 мм, и центральную «звездочку». Лопасти имеют продольные ребра для придания им требуемой жесткости. Стальная звездочка для посадки крыльчатки на вал двигателя имеет отверстие овальной формы. Каждая лопасть вентилятора со звездочкой соединяется двумя заклепками. Лопасти вентилятора имеют определенный профиль, как правило, по отношению к горизонтальной оси они повернуты на 25°. Диаметр вентилятора составляет 380 мм, а вес равен ~ 0,4 кг. Перед установкой на вал электродвигателя вентилятор подвергается статической балансировке. Во вращение вентилятор приводится с помощью трехфазного асинхронного электродвигатели типа АЭЛ-31/4 с короткозамкнутым ротором. Максимальная теплоотдача радиатора получается при установке вентиляторов несколько ниже середины высоты радиатора [5]. Так как только часть воздуха из вентиляторов попадает на трубы радиатора, а скорость воздуха непостоянна в различных точках труб, поэтому с помощью программного модуля SoHdWorks смоделируем процесс теплообмена [6]. Кроме этого, для увеличения охлаждающей поверхности не должно быть применено большое количество радиаторов, которое невозможно разместить.

Рассмотрим несколько вариантов (рис. 1) расположения крыльчаток относительно друг друга.

Рис. 1 - Варианты расположения вентиляторов

На рис. 2 графически представлено изменение параметра Q/W от вариантов расположения вентиляторов обдува радиаторов. В случае варианта 1 наблюдается снижение теплоотдачи, температура агента будет повышаться. Применение только одной крыльчатки неэффективно в виду неравномерности и недостаточности охлаждения секций труб радиатора. Также остается под вопросом способность подачи необходимого количества воздуха при наименьшей потере давления.

Q/W

увеличивается теплоотдача, уменьшается аэродинамическое сопротивление для прохода воздуха.

№

1 2 3 4 вар

Рис. 2 - Изменение параметра от вариантов расположения вентиляторов, 0 - тепловая нагрузка, кВт; 1/У - энергия на перекачивание воздуха, кВт

Варианты 2 и 3 выглядят наиболее предпочтительными в виду оптимальной тепловой нагрузке, отнесенной к затраченному при этом количеству электроэнергии (рис. 2-4), при этом, наблюдается наибольший теплосъем. Для достижения минимальных энергетических затрат на процесс охлаждения трансформатора необходимо располагать вентиляторы по вершинам треугольника (рис. 4).

Рис. 4 - Поле температур воздуха при третьем варианте расположения вентиляторов

При четвертом варианте расположения вентиляторов создается большое аэродинамическое сопротивление для прохода воздуха, а поэтому расход мощности на вентиляцию возрастает.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что структура потока воздуха способствует большей турбулизации, а это, в свою очередь, ведет к повышению коэффициентов теплоотдачи. Результаты исследований полезны для определения основных конструктивных

характеристик вентилятора и расчёта эффективности работы системы воздушного охлаждения.

Таким образом, установление зависимости электропотребления для установок от факторов окружающей среды является первоочередной задачей при анализе расхода электроэнергии, а также для оптимизации режима потребления энергии.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ № МК-5215.2016.8.

Литература

1. Д.В. Плешаков, А.М. Абакумов, Вестник СамГТУ. Сер.: Технические науки, 2 (24), 177-183 (2009).

2. М.И. Шарипов, Р.Г. Абдеев, Вестник ОГУ, 11, 132-135 (2008).

3. А.И. Шинкевич, С.С. Берман, Вестник Казанского технологического университета, 14, 1, 193-198 (2011).

4. Energy Efficiency Handbook. U.S. DOE Office of Industrial Technologies, 1998, 64 p.

Рис. 3 - Поле температур воздуха при вт°р°м 5. А.М. Голунов, Охлаждающие устройства масляных варианте расположения вентиляторов трансформаторов. Ленинград, 1964, 152 с.

6. А.В. Дмитриев, Г.Х. Гумерова, О.С. Дмитриева, С.М. При применении третьего варианта расположения Халиуллин, Вестник технологического университета,

вентиляторов воздух направляется горизонтально в 19, 23, 38-39 (2016).

промежутках между секциями радиаторов. Вентиляторы установлены как в верхней части радиатора, так и в нижней, и поэтому воздух омывает наиболее нагретую часть радиатора. При этом

© А. В. Дмитриев - зав. кафедрой ТОТ ФГБОУ ВПО «КГЭУ», ieremiada@gmail.com, О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ НХТИ (филиала) ФГБОУ ВО «КНИТУ», ja_deva@mail.ru, С. М. Халиуллин - магистрант ФГБОУ ВО «КНИТУ», zur.malai.93@gmail. com.

© A. V. Dmitriev - the head of «Theoretical basis of thermotechnics» chair, KSPEU, ieremiada@gmail.com, O. S. Dmitrieva -assistant professor of PAChT, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru, S. M. Khaliullin - graduate student of OPP, KNRTU, zur.malai.93@gmail. com.