Трубный пучок воздухонагревателя

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Кунтыш Владимир Борисович Дударев Владимир ВладимировичСтенин Николай НиколаевичВолодин Виктор Иванович Краснощеков Леонид Федорович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) Трубный пучок воздухонагревателя, содержащий трубные решетки и набор шахматно расположенных в них с поперечным 1 п, продольным 2, диагональным 2 шагами труб с поперечными шайбовыми или спиральными ребрами, в котором каждая четная труба в поперечных рядах устанавливается с продольным смещениемпо ходу воздуха, а центры двух смежных нечетных труб соседних поперечных рядов образуют основания равнобедренных треугольников с боковыми сторонами, равными диагональному шагу 2, и углом 66092010.10.30 при вершинах, лежащих в центрах тех четных труб, которые являются одновременно смежными и равноудаленными по отношению к трубам у основания треугольников, отличающийся тем, что относительное смещение /2 труб не должно выходить за пределы значений 0,1 - 0,4.(56) 1. Бажан П.И., Каневец Г.И., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М. Машиностроение, 1989. - С. 62-70, 72, 305-309. 2. Минин В.Е. Воздухонагреватели для систем вентиляции и кондиционирования воздуха. - М. Стройиздат, 1976. - 199 с. 3. Богданов Е.С., Козлов В.А., Кунтыш В.Б. и др. Справочник по сушке древесины. 4-е изд., перераб. и доп. - М. Лесная промышленность, 1990. - С. 212-222. 4. Кунтыш В.Б., Бессонный А.Н., Дрейцер Г.А. и др. Примеры расчетов нестандартизованных эффективных теплообменников. - СПб. Недра, 2000. - С. 33-50. 5. Кунтыш В.Б., Стенин Н.Н., Краснощеков Л.Ф. и др. Теплоаэродинамические характеристики алюминиевых спирально накатных труб вентиляционных воздухонагревателей. Индустриальные системы вентиляции и кондиционирования воздуха Сб. науч. тр. Всесоюзн. научно-исслед. ин-т гидромеханизации, сан.-техн. и специальных работ. - Л., 1990. С. 119-126. 6. Кунтыш В.Б., Стенин Н.Н. , Мелехов В.И. Шахматный пучок с эксцентричным размещением ребристых труб в трубных решетках // Информационный листок. -217-92. Архангельский ЦНТИ. - 1992. - 4 с. (прототип). Полезная модель относится к поверхностным рекуперативным теплообменникам 1 из оребренных труб, а более конкретно к трубным пучкам воздухонагревателей из круглоребристых труб с поперечными шайбовыми, спиральными накатными или навитыми ребрами, обтекаемых снаружи поперечным потоком воздуха. Воздухонагреватели широко применяются в установках вентиляции 2 и кондиционирования воздуха, в отопительных приборах помещений при строительстве, в сушильных установках 3, в животноводческих фермах и закрытых теплицах для выращивания овощей. Трубные пучки этих воздухоподогревателей преимущественно собирают из круглых биметаллических ребристых труб (БРТ), которые устанавливают в трубных решетках шахматно, как правило, по вершинам равностороннего треугольника с поперечным шагом 12. Здесь 2 - диагональный шаг, а продольный шаг 20,8661 для таких компоновок. Материальное исполнение ребер в БРТ - преимущественно алюминий и его сплавы,иногда встречается медное. Воздухонагреватели встраиваются в те или иные технологические агрегаты, вентиляционные установки, в которых для перемещения воздуха применяются осевые вентиляторы с ограниченным напором. Из этого вытекает эксплуатационная особенность, которой должна удовлетворять конструкция трубного пучка - низкие потери давления по воздуху. Указанное ограничение выполнимо при небольших значениях скорости 0,5 - 6 м/с воздуха в сечении набегающего потока на пучок труб, которые реализуются в известных традиционных конструкциях 2, 3 шахматных трубных пучков воздухонагревателей. Однако фронтальное сечение пучка оказывается больших размеров, а для сопряжения вентилятора или воздуховода с фланцем патрубка воздухонагревателя устанавливают диффузоры, являющиеся источником дополнительных аэродинамических потерь. Возрастает потребление энергии на перемещение воздуха через межтрубное пространство воздухонагревателя. Этот существенный недостаток частично устраняется применением энергетически менее выгодного размещения труб в традиционном пучке под углом мень 2 66092010.10.30 ше 90 к набегающему потоку воздуха. Такое техническое решение осуществлено в воздухоподогревателе 4 лесосушильной камеры. В традиционных конструкциях шахматных пучков из круглоребристых труб уменьшение фронтального сечения ограничено предельно возможным значением поперечного шага 1, равным величине наружного диаметракруглого ребра. Ширина пучка по фронту не может быть меньшей(1),где- число труб в поперечном ряду пучка. Дальнейшее уменьшение ширины пучка при заданных геометрических размерах ребристых труб невозможно. Длина (высота) труб назначается с учетом размеров проема, в котором устанавливается воздухонагреватель,или следует из теплового расчета, что исключает возможность управления размерами фронтального сечения пучка этим параметром. Известно экспериментальное исследование 5 теплоаэродинамических характеристик опытного пучка новой конструкции из круглоребристых труб, являющегося ближайшим аналогом заявленной нами полезной модели. Его конструкция получена на базе шахматного равностороннего с 12 пучка ребристых труб, обтекаемых снаружи принудительным поперечным потоком воздуха, преобразованием каждого поперечного ряда в волнообразный с общим зигзагообразным движением воздуха в его направлении по межтрубному пространству. В дальнейшем такую конструкцию пучка условимся называть зигзагообразной. Конструкция пучка включает верхнюю и нижнюю трубные решетки с закрепленными в них круглыми ребристыми трубами. В каждом поперечном ряду ребристые трубы через одну сдвигаются на величинупо ходу движения воздуха и поперечный шаг труб в пучке равен 1 п(2 )22 . В случае 0 мм значение шага 1 п 21, т. е. зигзагообразный пучок преобразуется в традиционный шахматный равносторонний. При всех 0 значение 1 п 12, следовательно, ширина зигзагообразного пучкаменьше, чем ширина традиционного шахматного. Зигзагообразный пучок состоит из четырех (4) поперечных рядов и собран из круглых БРТ с накатными алюминиевыми ребрами следующих геометрических параметров (в мм)038,8418,510,172,920,65, где , 0- 2, , ,соответственно наружный диаметр ребра, диаметр ребра у его основания, высота, шаг и средняя толщина ребра. Коэффициент оребрения трубы 12,05. Ребра накатаны на стальной трубе наружного диаметра н 16,2 мм при толщине стенки 1,2 мм. Такие трубы применяют в шахматных пучках серийных калориферов 2 (воздухоподогревателей) общего назначения. Расположение труб в пучке вертикальное. Зигзагообразный пучок получен на базе шахматного, у которого 1243 мм. Величина смещения труб составляла 5, 10 и 18 мм, которой соответствовал поперечный шаг 1 п 42,71 41,82 и 39,05 мм. Наибольшее уменьшение шириныв зигзагообразном по сравнению с традиционным шахматным составило 1/1 п 43/39,051,1 раза. Видно, что зигзагообразный пучок сжимается с боковых сторон в гармошку,увеличивается площадь сжатого проходного сечения для воздуха при одновременном уменьшении фронтального сечения пучка. Это обеспечивает большее проходное сечение по воздуху на единицу фронтального входного сечения, что в итоге позволяет обеспечить небольшие допускаемые значения перепада давления воздуха с уменьшенными габаритами подводящих и отводящих поток конфузорно-диффузорных устройств. Следовательно,в зигзагообразном пучке устранены принципиальные конструкторско-компоновочные и технологические недостатки, свойственные традиционным шахматным пучкам воздухоподогревателей. Это является достоинством опытного пучка наряду с тем, что он состоял из БРТ воздухонагревателей систем вентиляции и отопления. Недостатком является отсутствие зависимостей, связывающих компоновочные параметры пучка, которые позво 3 66092010.10.30 ляют осуществлять разбивку отверстий в трубных решетках под трубы при серийном изготовлении воздухонагревателей. Исследование теплоаэродинамических характеристик зигзагообразных пучков в интервале изменения числа Рейнольдса 0/(1-20)103, включающем эксплуатационные режимы работы воздухоподогревателей, выявило эффект интенсификации теплоотдачи до 45 при значительно опережающем росте (до 76 ) аэродинамическом сопротивления пучка. В числепринято- скорость воздуха в сжатом фронтальном сечении пучка, м/с- кинематическая вязкость воздуха, м 2/с. Анализ результатов исследования показал, что существует оптимальная область значений относительного смещения /2, внутри которой интенсификация теплоотдачи и рост аэродинамического сопротивления приблизительно одинаковы, а энергетическая эффективность зигзагообразного пучка превышает эту характеристику традиционного шахматного. В оптимальной области /2 вихревые структуры, зарождающиеся при зигзагообразном движении воздуха, воздействуют на пристенный к твердой поверхности поток, турбулизируют его, но не диффундируют в ядро межтрубного пространства, что ограничивает рост сопротивления пучка. Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является зигзагообразный пучок 6, принятый нами за прототип, который представляет четырехрядную компоновку круглоребристых труб, обтекаемых снаружи перпендикулярным потоком воздуха. Параметры ребристых труб и конкретные значения компоновочных параметров труб в решетках пучка не сообщаются, но приводятся математические выражения для разметки труб в решетках. В остальном конструкции пучка присущи все недостатки проанализированных здесь таких устройств. Задача полезной модели - интенсификация теплоотдачи без существенного роста аэродинамического сопротивления трубного пучка воздухонагревателя и повышение энергетической эффективности при поперечном обтекании вынужденным потоком воздуха круглоребристых труб. Поставленная задача достигается в трубном пучке воздухонагревателя, содержащем трубные решетки и набор шахматно расположенных в них с поперечным 1 п, продольным 2, диагональным 2 шагами труб с поперечными шайбовыми или спиральными ребрами,в котором каждая четная труба в поперечных рядах устанавливается с продольным смещениемпо ходу воздуха, а центры двух смежных нечетных труб соседних поперечных рядов образуют основания равнобедренных треугольников с боковыми сторонами, равными диагональному шагу 2, и угломпри вершинах, лежащих в центрах тех четных труб, которые являются одновременно смежными и равноудаленными по отношению к трубам у основания треугольников, отличающемся тем, что относительное смещение /2 труб не должно выходить за пределы значений 0,1 - 0,4. При разработке конструкции трубного пучка воздухонагревателя нами впервые применен принцип интенсификации теплоотдачи для условий движения теплоносителя внутри каналов, заключающийся в создании в потоке чередующегося продольного знакопеременного градиента давления. Применительно к конвективному теплообмену в условиях внешней задачи, которая характерна для поперечно обтекаемых снаружи пучков труб, этот принцип реализован смещением в определенном чередующемся порядке ребристых труб на некоторую величинув направлении движения воздуха. Смещение труб осуществляется в каждом поперечном ряду пучка. В результате этого технического решения в межтрубном пространстве пучка между поперечными рядами образуются непрерывно повторяющиеся пространства, напоминающие конфузорно-диффузорные каналы с квазитвердыми стенками, при этом имеется продольная асимметрия их, способствующая дополнительному усилению турбулентного обмена количеством движения и теплотой. Это является новым свойством зигзагообразного трубного пучка. Исследования свидетельствуют, что доминирующее влияние на интенсификацию теплоотдачи, аэродинамиче 4 66092010.10.30 ское сопротивление, энергетическую эффективность трубного зигзагообразного пучка оказывает не величинаабсолютного смещения труб, а ее относительное смещение /2. Анализ гидродинамики течения воздуха через межтрубное пространство зигзагообразных пучков с /20,1 выявил слабые изменения в этом процессе от воздействия новых свойств в таких пучках по сравнению с аналогичными характеристиками традиционных шахматных пучков. Поэтому нельзя ожидать увеличения интенсивности теплоотдачи, аэродинамического сопротивления и, как следствие, энергетической эффективности зигзагообразной компоновки труб в сравнении с традиционной. В зигзагообразных пучках при /20,4 происходит наряду с разрушением пристенного пограничного слоя из-за воздействия знакопеременного градиента давления при продольном зигзагообразном движении потока, но и диффундирование вихревых структур из квазидиффузорной части межтрубных пространств в ядро потока, что приводит к резкому росту аэродинамического сопротивления при умеренной интенсификации теплоотдачи. В интервале /20,1 - 0,4 возникшие изменения гидродинамики потока в зигзагообразном пучке сбалансированы, что обеспечивает достижение сформулированной задачи полезной модели. Полезная модель поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен горизонтальный разрез трубного пучка ширинойвоздухонагревателя на фиг. 2 приведен график зависимости э интенсификации теплоотдачи трубного пучка от относительного смещения /2 труб на фиг. 3 изображен график зависимости коэффициента э изменения аэродинамического сопротивления пучка от относительного смещения /2 труб. Трубный пучок воздунагревателя преобразуется из равностороннего шахматного и состоит из круглоребристых труб 1, 2 с шайбовыми или спиральными ребрами наружного диаметра , при этом номером 1 обозначены нечетные трубы, а номером 2 четные соответственно в каждом поперечном ряду , , , . Каждая четная труба 2 поперечных рядов смещена на величинувдоль продольной оси в направлении движения воздуха. Концы труб закрепляются в трубных решетках, нижняя 3 из которых изображена на этой фигуре. Для обеспечения одинакового сжатого сечения каждого поперечного ряда для прохода воздуха у боковых стенок пучка установлены полутрубки 4. Трубы располагаются в решетках с поперечным 1 п, продольным 2 и диагональным 2 шагами. Диагональный шаг равен 2(2) 2(1 п )2 . Центры двух смежных нечетных труб 1 соседних поперечных рядов образуют основания равнобедренных треугольников, которые изображены на фигуре сплошными линиями, с боковыми сторонами 2 и углом при вершине, равным Приведенные соотношения позволяют осуществлять разметку решеток для отверстий,в которых осуществляется крепление ребристых труб 1, 2. Трубный пучок воздухонагревателя действует следующим образом. Внутрь ребристых труб 1, 2 подается греющий теплоноситель (горячая вода или пар), который охлаждается или конденсируется, передавая тепло внутренней поверхности стенок и далее через стенку к ее наружной поверхности и ребрам, выполненным из теплопроводного материала. Принудительный поток нагреваемого воздуха направляется в межтрубное пространство пучка, обтекая трубы снаружи перпендикулярно, нагревается вследствие конвективного теплообмена и далее поступает к потребителю тепла. Поток воздуха при его перемещении от входа к выходу пучка совершает зигзагообразное (волнообразное) движение относительно ребристых труб, турбулизирует пограничный (пристенный) слой, повышая интенсивность теплоотдачи и соответствующий прирост аэродинамического сопротивления,причем последнее возрастает в приблизительно одинаковой пропорции, так как турбули 5 66092010.10.30 зация не затрагивает ядра потока межтрубного пространства. При выходе воздуха из , , поперечных рядов поток расширяется в асимметрично расположенные полости (участки) межтрубного пространства, а затем при натекании на , ,поперечные ряды происходит его сужение. В этом процессе возникают мелкие периферийные вихри,дополнительно благоприятно воздействующие на пристенный слой, увеличивая интенсивность переноса тепла без существенного роста сопротивления. Картина качественно схожа с процессом интенсификации теплообмена применением диффузорно-конфузорных труб и каналов 1 при продольном движении теплоносителя. По расчетным оценкам энергетически оптимальной является область относительного смещения труб /20,1 0,4, в которой наиболее полно реализуются изложенные теплофизические процессы, обеспечивающие выгодное соотношение между переносом тепла и затратами энергии на него. В результате интенсификация теплоотдачи достигает 10 при приблизительно равном(до 12 ) росте аэродинамического сопротивления, при этом тепловая эффективность пучка повышается на 8 - 9 . Для подтверждения оптимальной области значения /2, обоснованной теоретическим анализом основ интенсификации теплоотдачи зигзагообразным расположением ребристых труб в пучке и качественным анализом течения воздуха в таких пучках, нами было выполнено экспериментальное исследование теплоаэродинамических характеристик пяти пучков по общепринятой методике 1. Пучки собирали из БРТ, применяемых в воздухонагревателях систем кондиционирования. Геометрические параметры ребер были (в мм) наружный диаметр - 49,5 высота - 10,7 шаг - 3,38 и толщина - 0,8. Коэффициент оребрения трубы 9,91. Ребра круглые спиральные накатные из алюминия. Несущая стальная труба наружным диаметром 25 мм имела толщину стенки 2 мм. Высота оребренной части труб 350 мм. Пучки имели четыре (4) поперечных ряда. Обогрев труб осуществлялся кипящей водой, а снаружи они омывались перпендикулярным потоком воздуха. Пучок 1 являлся базовым шахматным традиционным с размещением труб в вершинах равностороннего треугольника с шагами 1252 мм, 242 мм. Пучки 2, 3, 4, 5 были зигзагообразными и созданы на базе пучка 1 соответственно смещением труб на величину 5, 10, 18 и 25 мм, которому соответствовало относительное смещение /20,096 0,192 0,346 0,480. Опытные данные обрабатывали и представляли в числах подобия Нуссельта 0/, Рейнольдса 0/ и Эйлера/(2). Здесь- средний приведенный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м 2 К) 0 - диаметр ребра у его основания, мм- скорость воздуха в наименьшем сжатом сечении пучка, м/с р - перепад статического давления воздуха, Па- коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мК)- коэффициент кинематической вязкости воздуха, м 2/с- плотность воздуха, кг/м 3. Физические свойства воздуха , ,принимали по его средней температуре в пучке. Результаты опытов обобщали уравнениями подобия по теплоотдаче(5)-0,32 Получены следующие значения коэффициентов в уравнениях (4) и (5) для исследованных пучков 1 -0,1000,6844,4 2 -0,1150,6747,0 30,1140,6746,4 4 -0,1160,6748,6 5 -0,1210,6752,5. Уравнения (4), (5) действительны в интервале числа(1,5 - 30)103. Оценку влияния относительного смещения /2 на интенсификацию теплоотдачи зигзагообразного пучка осуществляли по коэффициенту(6) э/б,а рост аэродинамического сопротивления пучка оценивали коэффициентом э/б,(7) 66092010.10.30 где ,- значения чисел для пучков 2 - 5 б, б - то же для базового пучка 1. По опытным данным с применением формул (6) и (7) были вычислены значения (зачерненные точки) коэффициентов э, э, используя которые были построены на фиг. 2 и 3 графики, отражающие влияние относительного смещения /2 на величину интенсификации теплоотдачи и роста аэродинамического сопротивления. Видно, что в области/20,1 - 0,4 одновременно происходят приблизительно в равной пропорции интенсификация теплопередачи и увеличение аэродинамического сопротивления зигзагообразного пучка. Такое соотношение между теплоотдачей и сопротивлением является исключительно энергетически выгодным, и в данном случае эффективность пучка повышается до 9 . Полезная модель может быть использована заводами по производству калориферов,отопительных приборов для жилищно-коммунального хозяйства и строительства, заводами холодильного машиностроения, институтами по проектированию тепличных комбинатов, птицеферм и животноводческих комплексов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.