Пластическое формирование в конвективных трубах энергоэффективных поверхностей

УДК 621.7.016.3

ПЛАСТИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ В КОНВЕКТИВНЫХ ТРУБАХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Н.Н. Хованов, канд. техн. наук

На основе проведенных теоретических и практических исследований по изучению локальных и интегральных данных тепловых и гидравлических сопротивлений в конвективных трубах с различными конфигурациями теплопередающих поверхностей разработаны принципиально новые формы трубных стенок и технологические процессы их пластического деформирования.

Ключевые слова: теплообменное оборудование, трубы конвективного теплообмена, тепловые и силовые нагрузки, эксплуатационная надежность.

Plastic Formation of Energy-Effective Surfaces in Convective Heat Transfer Tubes. N.N. Khovanov, S.A. Petrikov.

Based on the carried out theoretical and practical investigations aimed at study of local and integral data on heat and hydraulic resistances in convective heat transfer tubes with various configurations of heat transfer surfaces, quite new shapes of tube walls and technological processes of their plastic deformation have been developed.

Key words: heat-exchange equipment, convective heat transfer tubes, heat and power loads, service reliability.

Введение в проблему

Существующая проблема дефицита тепла для промышленных предприятий и отопления коммунально-бытовых сооружений определяет актуальность поиска различных конструктивных и технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности теп-лообменного оборудования, экономию энергии, топлива и других природных ресурсов, создание принципиально новых технологий для технологического обеспечения служебных свойств создаваемой техники и снижения ее материалоемкости.

Решение поставленной задачи в значительной мере связано с интенсификацией теплообменных процессов, которая, в частности, увеличивает количество теплоты, передаваемое через единицу площади теплооб-менной поверхности.

Вихревая интенсификация теплообмена является одним из способов повышения эффективности разнообразного по назначению теплообменного оборудования за счет опти-

мизации формы трубных теплопередающих поверхностей. Такая форма придает потоку теплоносителя вращательно-поступательные и хаотические движения, разрушающие ламинарные периферийные слои потока, в которых происходит основное термическое сопротивление теплообмену [1].

Цель настоящего исследования - повышение технико-экономических характеристик теплоэнергетических установок путем пластического формирования в трубах конвективного теплообмена энергоэффективных конфигураций теплопередающих поверхностей.

Пути решения проблемы

В теплообменном оборудовании широко применяются трубы конвективного теплообмена, работающие в условиях повышенных тепловых и силовых нагрузок, что предопределяет высокий уровень требований к качеству их изготовления и эксплуатационной надежности в течение заданного ресурса. В теплообменных аппаратах различного назна-

* 'jfefaa ?аЖ ^ Jtfli^MPS^IBRKrg '1У y^w^vrsgr* • """"J"»» w?*1"

80 ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ I № 4 I 2009

чения используются трубы диаметром от 3 до 60 мм, с толщиной стенок от 0,7 до 4 мм, длиной до 12 м, изготовляемые из сталей, других сплавов и цветных металлов.

Опираясь на проведенные теоретические и практические исследования [2-4] по изучению локальных и интегральных данных тепловых и гидравлических сопротивлений в конвективных трубах с различными конфигурациями теплопередающих поверхностей и оценкой их энергетической эффективности, разработаны принципиально новые формы трубных стенок и технологические процессы по их пластическому деформированию [5-11].

Изыскания, проводимые с использованием лицензионного расчетного комплекса Р1о\лМ5юп и пакета 5оПс1\/\/огкз, позволили определить оптимальные по теплопереносу геометрические формы и размеры дискретно расположенных неровностей на трубных поверхностях [3]. Так, глубина и высота неровностей находятся в пределах 0,3-1,0 мм, а шаги их расположения - в интервале 1,0-1,4 от диаметрального размера трубы.

Освоение технологических разработок проводили на токарно-винторезных станках с удлиненной станиной, прессах и листогибочном оборудовании с определением сил формообразования, зависимых от назначаемых режимов обработки, и исследованием состояния обработанных поверхностных слоев.

В качестве формообразующих инструментов применяли давильники лопаточного типа, шарики и ролики, изготовленные из износостойких материалов.

На рис. 1 представлена технологическая схема формообразования в конвективной трубе многозаходных спиралевидно направленных канавок и выступов, глубина и высота которых соизмерима с пристенными слоями теплоносителей.

Трубная заготовка 1 пропускается через полый шпиндель токарно-винторезного станка 2 и через разрезную втулку 3, имеющую кольцевой буртик для предотвращения осевого сдвига трубы в процессе ее формообразования, закрепляется в патроне станка и поддерживается люнетом 4. Со стороны задней бабки станка внутрь трубной заготовки

вводят оправку 5, соединенную с раскатной головкой 6. Раскатная головка оснащена давильными инструментами с формообразующими поверхностями сферической формы 7, выставленными на размер требуемой величины канавок и выпоров в стенке трубной заготовки. Другой конец оправки крепится в суппорте станка 8.

а

- • •-".»««О!!»»»»'»"1*..... 1 '*"«'-" \пм>>><\

б

Рис. 1. Схема формообразования теплопередающих поверхностей в трубе

При формообразовании спиралевидных витков во внутренней полости трубы и их следов в виде выпоров на ее наружной поверхности трубной заготовке сообщается вращение поб, согласованное с подачей ходового винта токарного станка вдоль оси трубы Б раскатной головки.

Изготовленный образец представлен на рис. 1, б.

Эффективность разработанного технического решения выражается в следующем: скорость теплопередачи выше, чем в трубе со свободной конвекцией благодаря уменьше-ниютолщины ламинарного пограничного слоя, увеличению площадей внутренней и наружной поверхностей трубы и увеличению длины и времени прохождения теплоносителя. При этом, как установлено при испытании, завихрение теплоносителя обеспечивает вынос твердых частиц, содержащихся в теплоносителе, за пределы теплообменного аппарата.

Конструкция трубы с внутренней многоза-ходной системой спиралевидно расположен-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

шшшшшяшшшвяяшшишшвяшишшшшшшшвшшяшшши

I' 111Ш1II,'

ных канавок и ответной системой наружных выступов позволила использовать выступы на наружной поверхности трубы для запрессовки расположенных и зафиксированных в осевом направлении металлических дисков, внутренний диаметр которых равен номинальному диаметру наружной поверхности трубной заготовки.

Оребрение трубы [7] осуществляется в следующей последовательности (рис. 2). Трубу 3 с размещенными на ней стальными дисками 4 устанавливают в ложементе гребенки 5, обеспечивающей осевую фиксацию стальных дисков вдоль оси трубной заготовки 3 с шагом t и закрепляют в патроне токарно-винторезного станка. Гребенка 5 закреплена на станинетокарно-винторезного станка. Трубная заготовка 3 через разрезную втулку 2, имеющую кольцевой буртик для предотвращения осевого сдвига трубы в процессе формообразования, крепится в патроне 1 токарно-винторезного станка и поддерживается люнетом 8. В полость трубной заготовки вводят со стороны задней бабки станка оправку 9, соединенную с раскатной головкой 6. Последняя оснащена давильным инструментом с формообразующими сферическими телами 7 или вращающимися роликами, выставленными на размер требуемой величины канавок и выпоров в стенке трубной заготовки. Другой конец оправки 9 крепится в суппорте 11 станка.

Рис. 2. Технологическая схема оребрения конвективной трубы металлическими дисками

Трубной заготовке 3 сообщают вращение по6, согласованное с осевой подачей в раскатной головки 6 вдоль оси трубы от ходового винта 10 токарного станка. Формообразующие тела 7 раскатной головки 6 формируют мно-гозаходные спиралевидные канавки во внутренней полости трубы и спиралевидные выпоры на ее наружной поверхности, закрепляющие металлические диски 4.

Прочность соединения дисков с трубной заготовкой обеспечивается геометрическими размерами спиралевидных выступов, сборочным зазором между сопрягаемыми деталями и соотношением посадочной ширины металлического диска и величины хорды полусферического выступа. Как показал проведенный расчет прочности соединения ореб-ренного узла, например, для трубы с размерами 0 42x3 мм и выступа 0 42,7 мм с закрепляемым стальным диском 0 42,1х х0 52x1 мм при числе заходов спирали п=6, осевое усилие сдвига стального диска составляет порядка 1,5-2,0 кН.

В момент запуска в эксплуатацию водогрейных и паровых котлов металл дымогарных труб подвергается разрушающему действию сернистой коррозии, которая образуется от конденсации на холодные поверхности труб водяных паров из воздуха, конденсации окислов азота 1М0х, монооксида углерода СО и окислов серы Б03 от сжигания газа или высокосернистого мазута. Находящиеся в продуктах сгорания окислы азота и серы вступают в реакцию с водяными парами, образуют смеси азотной и азотистой кислот, серной кислоты, что ведет к коррозии поверхностей газохода.

Для защиты внутренних поверхностей дымогарных труб от разрушающего действия низкотемпературной коррозии необходимо, чтобы температура металла в зонах сочленения дымогарных труб с трубными досками была выше точки росы, т.е. не ниже 65-100 °С [10].

Исходя из этого, на рис. 3 представлена разработанная конструкция узла сочленения дымогарных труб [11] с трубной доской. Воздушные каналы 6, образованные от сочленения двух труб 2 и 1, термоизолируют концевой участок трубы 1 в начальный период

¡миммвмнмнмш

прохождения газового теплоносителя, что позволяет интенсивно прогреть этот участок до температуры выше точки росы и снизить время действия низкотемпературной коррозии.

рщ

/ 12 3 6 л 4 5 'V*4-.

л \\ \\ Х\ \\ \\ К\ \\ \\ \\ \\ \\ |\ \ \ \ \ \\ \ \ \\/

\\ 1 \ \\ \\ \\ \\

777//.

I

И А-А

Рис. 3. Концевое соединение дымогарной трубы с трубной доской

Технология изготовления такой дымогарной трубы заключается в следующем. Предварительно на наружную поверхность трубы 2, толстостенной и предназначенной для стального жаротрубного водогрейного котла, надевают с зазором тонкостенную трубу 1. Затем пластически формируют кольцевые 4 и многозаходные со спиралевидным направлением канавки 3 во внутренней полости толстостенной трубы. Формируемые выступы 5 на наружной поверхности толстостенной трубы образуют с внутренней поверхностью тонкостенной трубы воздушные каналы 6.

Эффективность предложенного технического решения выражается в том, что практически полностью исключается процесс разрушающего действия низкотемпературной коррозии во входном канале трубы за счет испарения водяных паров, а наличие винтообразных и кольцевых канавок вызывает принудительную турбулизацию

газового теплоносителя, что форсирует теплопередачу.

В трубных змеевиках регенеративных пароперегревателей низкого и высокого давления, в паровых и водогрейных котлах большой мощности используются трубы длиной >6 м. Следовательно, применение вышеописанных технологических процессов по формированию спиралевидных канавок во внутренних полостях труб технологически невозможно, так как на котлостроительных заводах отсутствует требуемое давильное оборудование - токарно-винторезные станки со станиной более 5 м. Вследствие этого предложены [12] варианты конструктивных форм теплопередающих поверхностей в длинномерных трубах (рис. 4).

Изготовление интенсифицированных теплопередающих поверхностей в трубах с толщиной стенок 1,5-3,5 мм осуществляется пластическим деформированием на листогибочном прессе, в котором вместо матрицы

б

Рис. 4. Варианты исполнения теплообменных поверхностей в конвективных трубах с двуххордовым

устанавливают трубную заготовку, а на пуансоне крепят два инструментальных ряда роликовых давильников, собранных в виде вилочных обойм (рис. 5).

Для обеспечения свободного осевого удлинения трубной заготовки обработку смежных канавок начинают с ее середины при

Рис. 5. Виды инструментальных обойм для обработки теплообменных поверхностей в трубах с толщиной стенок 1,0-3,5 мм

челночно-последовательном их формировании. Технологическая схема обработки представлена на рис. 6.

Рис. 6. Схема установки инструментальных обойм для челночно-последовательного формирования канавок в трубе

Проведенные оптимизированные расчет-но-теоретические исследования с использованием пакета НоуМэюп показали следующее: эффективность разрушения ламинарного пограничного слоя и создание условий для турбулизации потоков теплоносителей в теплообменных аппаратах, оснащенных трубами, при использовании в качестве возмущающего фактора лунок различной геометрической формы, расположенных на внешней поверхности трубы и выпоров на внутренней поверхности, существенно зависят от количества и расположения лунок ал и выпоров ав на единице длины трубы, скоростей потоков теплоносителей V , V , геометри-

тепл.внутр' телл.внешн' ^

ческих форм лунки и выпора Р и Рв, глубины профиля лунки /чл и высоты выпора /чв на внутренней поверхности трубы.

Формирование на теплообменных поверхностях тонкостенных труб (менее 1 мм) каверн и выпоров различной формы и плотности их осевого или винтообразного расположения осуществлялось с помощью разработанного устройства (рис. 7) [9].

Рис. 7. Устройство для ударного формообразования лунок и выступов на теплообменных поверхностях тонкостенных труб

Устройство содержит наружную обойму 1, закрепленную в патроне токарно-винторез-ного станка, в полости которой через подшипник 2 установлена неподвижная внутренняя обойма 3. Последняя в круговом и осевом направлении фиксируется с помощью размещенной на станине станка стойки 4.

В наружной обойме 1 размещены нажимные штифты 5, радиальное положение которых фиксируется гайками 6, а в обойме 3 размещены формообразующие бойки 7, удерживаемые в расточках с помощью резьбовых втулок 8. Бойки 7 при работе взаимодействуют с тарельчатыми пружинами 9.

В расточке обоймы 1 размещена бронзовая втулка 10, обеспечивающая центрирование трубы при ее продольном перемещении, а также радиальную жесткость при формировании каверн.

Деформационный процесс с использованием разработанного приспособления осуществляется следующим образом.

Приспособление крепится в патроне то-карно-винторезного станка. Пропущенная через полый шпиндель станка обрабатываемая труба передним концом закреплятся в резцедержателе станка разрезной втулкой 11. Шпинделю станка сообщают вращение с числом оборотов п, а трубе сообщают продольную подачу 5тр с учетом зависимости 5тр=пГ, где £ - шаг расположения лунок, мм.

При вращении обоймы 1 нажимной штифт 5 набегает своей плоской частью на сферическую поверхность формирующего бойка 7, сообщая ему радиальную подачу внедрения в трубу с формированием лунки заданной геометрической формы, соответствующей геометрической форме рабочей части бойка 7. В зависимости от количества расположенных по окружности обоймы 2 бойков 7 и нажимных штифтов 5 в обойме 1, число рядов лунок и выступов на теплообменных поверхностях трубы в сечении может быть 2, 3, 4, 5 и больше.

При малой инерционности формообразующего бойка, большой кинетической энергии удара и высокой скорости деформации обеспечиваются условия, при которых минимизируются возможные деформации трубы в ее сечениях.

Время контакта формообразующего бойка с трубой составляет в зависимости от скорости вращения наружной обоймы 0,0001-0,006 с.

Штучное время изготовления одной трехметровой теплообменной трубы 0 16х(0,2-1,0) мм с лунками и выпорами составляет не более 3 мин.

Заключение

Разработанные энергоэффективные по теплопередаче конфигурации теплопередаю-щих поверхностей в конвективных трубах и технологические процессы их формообразования позволяют улучшить эксплуатационные характеристики теплообменных аппаратов, снизить их материалоемкость и габаритные размеры, что является существенным фактором повышения конкурентоспособности отечественного машиностроения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Открытие № 242. Закономерности изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции/Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. и др.//Бюл. 1981. № 35.

2. Петриков С.А. Разработка, исследования и освоение конструкций и технологии изготовления теплообменных труб с энергоэффективными конфигурациями поверхностей/Автореф. дис. канд. техн. наук. - М.: ВИЛС, 2002. - 21 с.

3. Волков A.B., Петриков С.А., Попов B.C., Хо-ванов H.H. Разработка методов интенсификации теплопередачи в трубных пучках водогрейных котлов и теплообменных аппаратах//Тяже-лое машиностроение. 2008. № 10. С. 12-15.

4. Назмеев Ю.Г., Лавыгин В.М. Теплообменные аппараты ТЭС. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. -260 с.

5. Пат. 2157494 РФ. МПК 7 F 28 D 3/04. Сотовый теплообменный аппарат/Петриков С.А., Хова-нов H.H., Цымбал Э.А. и др. Опубл. 10.10.2000 //Бюл. № 28.

6. Пат. 2179085 РФ. МПК И21 Н 3/12 Способ формообразования многозаходной вогнуто-

выпуклой поверхности теплообменных труб/ Островский В.М., Петриков С.А., Хованов H.H., Цымбал Э.А. Опубл. 10.02.2002.

7. Пат. 2182052 РФ. Способ изготовления ореб-ренной конвективной трубы теплообменного аппарата/Петриков С.А., Серов Н.Б., Хованов H.H., Курмаев Р.К. Опубл. 2002//Бюл. № 13.

8. Пат. 2197683 РФ. МПК 7F 22 D 9/00. F 28 F 13/02. Дымогарная труба теплообменного аппарата/Петриков С.А., Серов Н.Б., Хованов H.H., Петров В.В. Опубл. 27.01.2003//Бюл. № 3.

9. Пат. 71417 РФ. МПК F 28 F 1/00. Устройство для ударного формирования каверн и выпоров на теплообменных поверхностях теплообменных труб/Петриков С.А., Попов B.C., Спиль-ник Е.Р., Хованов H.H. Опубл. 10.03.2008// Бюл. № 7.

10. Примак A.B., Сигал А.И. Методы и аппараты снижения выбросов оксидов азота в энергоустановках. - Киев: Наукова думка, 1989. -46 с.

11. Пат. 2269717 РФ. МПК F 22 В 37/06. Дымогарная конвективная труба стального жаро-

трубного водогрейного котла и способ ее из-готовления//Петриков С.А., Петров В.В., Бережной В.Л., Хованов H.H. Опубл. 20.11.2004 //Бюл. № 4.

12. Пат. 83718 РФ. МПК В 21 С 37/15; В 21 С 37/ 22. Конвективная труба/Петриков С.А., Попов B.C., Ефимов В.М. и др. Опубл. 20.06.2009 //Бюл. № 17.

"ТТТТТ1ТТ*Т1Г***~*~ТТТТ1Т III Iii 41 lllilir IIИП1 f 11И1И'ДМИТ1ШМ1Т1ИИИИНППГИИНВПИИ1П1П~Т^ МПЯ1111111И1ИИ1ПИИ1111ШИ11И^ " Hfi'l 11Ш111НМ11И11111И1111>ИМИИМ1И11ИИИИ1ИМ11и!11(1И11.11(У--И-L-.J

86 ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ I № 4 I 2009