Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

6609

156 views

Published on

Патент на полезную модель Республики Беларусь

Published in: Data & Analytics
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

6609

  1. 1. ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ (12) РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (19) BY (11) 6609 (13) U (46) 2010.10.30 (51) МПК (2009) F 28F 1/24 F 28F 9/00 F 28D 7/00 F 28D 3/00 (54) ТРУБНЫЙ ПУЧОК ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯ (21) Номер заявки: u 20100022 (22) 2010.01.11 (71) Заявитель: Учреждение образования "Белорусский государственный тех- нологический университет" (BY) (72) Авторы: Кунтыш Владимир Борисович (BY); Дударев Владимир Владимиро- вич (BY); Стенин Николай Николае- вич (RU); Володин Виктор Иванович (BY); Краснощеков Леонид Федоро- вич (RU) (73) Патентообладатель: Учреждение обра- зования "Белорусский государственный технологический университет" (BY) (57) Трубный пучок воздухонагревателя, содержащий трубные решетки и набор шахматно расположенных в них с поперечным S1п, продольным S2, диагональным S' 2 шагами труб с поперечными шайбовыми или спиральными ребрами, в котором каждая четная труба в по- перечных рядах устанавливается с продольным смещением e по ходу воздуха, а центры двух смежных нечетных труб соседних поперечных рядов образуют основания равнобед- ренных треугольников с боковыми сторонами, равными диагональному шагу S' 2, и углом β Фиг. 1 BY6609U2010.10.30
  2. 2. BY 6609 U 2010.10.30 2 при вершинах, лежащих в центрах тех четных труб, которые являются одновременно смежными и равноудаленными по отношению к трубам у основания треугольников, от- личающийся тем, что относительное смещение e/S' 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 аппа- ратам. - М.: Машиностроение, 1989. - С. 62-70, 72, 305-309. 2. Минин В.Е. Воздухонагреватели для систем вентиляции и кондиционирования воз- духа. - 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 нестандарти- зованных эффективных теплообменников. - СПб.: Недра, 2000. - С. 33-50. 5. Кунтыш В.Б., Стенин Н.Н., Краснощеков Л.Ф. и др. Теплоаэродинамические харак- теристики 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 раз- мещением 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 кругло- ребристых труб с поперечными шайбовыми, спиральными накатными или навитыми реб- рами, обтекаемых снаружи поперечным потоком воздуха. Воздухонагреватели широко применяются в установках вентиляции [2] и кондицио- нирования воздуха, в отопительных приборах помещений при строительстве, в сушиль- ных установках [3], в животноводческих фермах и закрытых теплицах для выращивания овощей. Трубные пучки этих воздухоподогревателей преимущественно собирают из круг- лых биметаллических ребристых труб (БРТ), которые устанавливают в трубных решетках шахматно, как правило, по вершинам равностороннего треугольника с поперечным шагом S1 = S' 2. Здесь S' 2 - диагональный шаг, а продольный шаг S2 = 0,866 ⋅ S1 для таких компо- новок. Материальное исполнение ребер в БРТ - преимущественно алюминий и его сплавы, иногда встречается медное. Воздухонагреватели встраиваются в те или иные технологические агрегаты, вентиля- ционные установки, в которых для перемещения воздуха применяются осевые вентилято- ры 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 w ≈ 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. Од- нако фронтальное сечение пучка оказывается больших размеров, а для сопряжения венти- лятора или воздуховода с фланцем патрубка воздухонагревателя устанавливают диффузоры, являющиеся источником дополнительных аэродинамических потерь. Возрас- тает потребление энергии на перемещение воздуха через межтрубное пространство возду- хонагревателя. Этот существенный недостаток частично устраняется применением энергетически менее выгодного размещения труб в традиционном пучке под углом мень-
  3. 3. BY 6609 U 2010.10.30 3 ше 90° к набегающему потоку воздуха. Такое техническое решение осуществлено в воз- духоподогревателе [4] лесосушильной камеры. В традиционных конструкциях шахматных пучков из круглоребристых труб умень- шение фронтального сечения ограничено предельно возможным значением поперечного шага S1, равным величине наружного диаметра d круглого ребра. Ширина пучка по фрон- ту не может быть меньшей Bmin = d ⋅ i, (1) где i - 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 шахмат- ного равностороннего с S1 = S' 2 пучка ребристых труб, обтекаемых снаружи принудитель- ным 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 величину e по ходу движения воздуха и поперечный шаг труб в пучке равен ( ) 22 2п1 eS'S −= . В случае e = 0 мм значение шага S1п = S' 2 = S1, т. е. зигзагообраз- ный пучок преобразуется в традиционный шахматный равносторонний. При всех e ≠ 0 значение S1п < S1 = S' 2, следовательно, ширина зигзагообразного пучка B меньше, чем ши- рина традиционного шахматного. Зигзагообразный пучок состоит из четырех (z = 4) поперечных рядов и собран из круглых БРТ с накатными алюминиевыми ребрами следующих геометрических парамет- ров (в мм): d × d0 × h × s × ∆ = 38,84 × 18,5 × 10,17 × 2,92 × 0,65, где d, d0 = d - 2h, h, s, ∆ - соответственно наружный диаметр ребра, диаметр ребра у его основания, высота, шаг и средняя толщина ребра. Коэффициент оребрения трубы ϕ = 12,05. Ребра накатаны на стальной трубе наружного диаметра dн = 16,2 мм при толщине стенки 1,2 мм. Такие трубы применяют в шахматных пучках серийных калориферов [2] (воздухоподогревателей) об- щего назначения. Расположение труб в пучке вертикальное. Зигзагообразный пучок полу- чен на базе шахматного, у которого S1 = S' 2 = 43 мм. Величина смещения труб составляла e = 5, 10 и 18 мм, которой соответствовал попе- речный шаг S1п = 42,71; 41,82 и 39,05 мм. Наибольшее уменьшение ширины B в зигзаго- образном по сравнению с традиционным шахматным составило S1/S1п = 43/39,05 = 1,1 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 габарита- ми подводящих и отводящих поток конфузорно-диффузорных устройств. Следовательно, в зигзагообразном пучке устранены принципиальные конструкторско-компоновочные и технологические недостатки, свойственные традиционным шахматным пучкам воздухо- подогревателей. Это является достоинством опытного пучка наряду с тем, что он состоял из БРТ воздухонагревателей систем вентиляции и отопления. Недостатком является от- сутствие зависимостей, связывающих компоновочные параметры пучка, которые позво-
  4. 4. BY 6609 U 2010.10.30 4 ляют осуществлять разбивку отверстий в трубных решетках под трубы при серийном из- готовлении воздухонагревателей. Исследование теплоаэродинамических характеристик зигзагообразных пучков в ин- тервале изменения числа Рейнольдса Re = wd0/ν = (1-20)⋅103 , включающем эксплуатаци- онные режимы работы воздухоподогревателей, выявило эффект интенсификации теплоотдачи до 45 % при значительно опережающем росте (до 76 %) аэродинамическом сопротивления пучка. В числе Re принято: w - скорость воздуха в сжатом фронтальном сечении пучка, м/с; ν - кинематическая вязкость воздуха, м2 /с. Анализ результатов иссле- дования показал, что существует оптимальная область значений относительного смеще- ния e/S' 2, внутри которой интенсификация теплоотдачи и рост аэродинамического сопротивления приблизительно одинаковы, а энергетическая эффективность зигзагооб- разного пучка превышает эту характеристику традиционного шахматного. В оптимальной области e/S'2 вихревые структуры, зарождающиеся при зигзагообразном движении возду- ха, 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 зиг- загообразный пучок [6], принятый нами за прототип, который представляет четырехряд- ную 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 про- анализированных 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 возду- ха круглоребристых труб. Поставленная задача достигается в трубном пучке воздухонагревателя, содержащем трубные решетки и набор шахматно расположенных в них с поперечным S1п, продольным S2, диагональным S' 2 шагами труб с поперечными шайбовыми или спиральными ребрами, в котором каждая четная труба в поперечных рядах устанавливается с продольным сме- щением e по ходу воздуха, а центры двух смежных нечетных труб соседних поперечных рядов образуют основания равнобедренных треугольников с боковыми сторонами, рав- ными диагональному шагу S' 2, и углом β при 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 e/S' 2 труб не должно выходить за пределы значений 0,1 - 0,4. При разработке конструкции трубного пучка воздухонагревателя нами впервые при- менен принцип интенсификации теплоотдачи для условий движения теплоносителя внут- ри 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 ребри- стых труб на некоторую величину e в направлении движения воздуха. Смещение труб осуществляется в каждом поперечном ряду пучка. В результате этого технического реше- ния в межтрубном пространстве пучка между поперечными рядами образуются непре- рывно 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 свиде- тельствуют, что доминирующее влияние на интенсификацию теплоотдачи, аэродинамиче-
  5. 5. BY 6609 U 2010.10.30 5 ское сопротивление, энергетическую эффективность трубного зигзагообразного пучка оказывает не величина e абсолютного смещения труб, а ее относительное смещение e/S' 2. Анализ гидродинамики течения воздуха через межтрубное пространство зигзагооб- разных пучков с e/S' 2 < 0,1 выявил слабые изменения в этом процессе от воздействия но- вых свойств в таких пучках по сравнению с аналогичными характеристиками традиционных шахматных пучков. Поэтому нельзя ожидать увеличения интенсивности теплоотдачи, аэродинамического сопротивления и, как следствие, энергетической эффек- тивности зигзагообразной компоновки труб в сравнении с традиционной. В зигзагообраз- ных пучках при e/S' 2 > 0,4 происходит наряду с разрушением пристенного пограничного слоя из-за воздействия знакопеременного градиента давления при продольном зигзагооб- разном движении потока, но и диффундирование вихревых структур из квазидиффузор- ной части межтрубных пространств в ядро потока, что приводит к резкому росту аэродинамического сопротивления при умеренной интенсификации теплоотдачи. В ин- тервале e/S' 2 = 0,1 - 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 шириной B воздухонагревателя; на фиг. 2 приведен график зависимости Cэ интенсификации теплоотдачи трубного пучка от относительного смещения e/S' 2 труб; на фиг. 3 изображен график зависимости коэффициента C' э изменения аэродинамического сопротивления пучка от относительного смещения e/S' 2 труб. Трубный пучок воздунагревателя преобразуется из равностороннего шахматного и со- стоит из круглоребристых труб 1, 2 с шайбовыми или спиральными ребрами наружного диаметра d, при этом номером 1 обозначены нечетные трубы, а номером 2 четные соот- ветственно в каждом поперечном ряду I, II, III, IV. Каждая четная труба 2 поперечных ря- дов смещена на величину e вдоль 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 располагают- ся в решетках с поперечным S1п, продольным S2 и диагональным S' 2 шагами. Диагональ- ный шаг равен ( ) 22 п12 eS'S += . (2) Центры двух смежных нечетных труб 1 соседних поперечных рядов образуют основа- ния равнобедренных треугольников, которые изображены на фигуре сплошными линия- ми, с боковыми сторонами S' 2 и углом при вершине, равным       +−°=β 2 ' 2 2 ' S S arccos S e arccos180 . (3) 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. При- нудительный поток нагреваемого воздуха направляется в межтрубное пространство пуч- ка, 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 относи- тельно ребристых труб, турбулизирует пограничный (пристенный) слой, повышая интен- сивность теплоотдачи и соответствующий прирост аэродинамического сопротивления, причем последнее возрастает в приблизительно одинаковой пропорции, так как турбули-
  6. 6. BY 6609 U 2010.10.30 6 зация не затрагивает ядра потока межтрубного пространства. При выходе воздуха из I, II, III поперечных рядов поток расширяется в асимметрично расположенные полости (участ- ки) межтрубного пространства, а затем при натекании на II, III, IV поперечные ряды про- исходит его сужение. В этом процессе возникают мелкие периферийные вихри, дополнительно благоприятно воздействующие на пристенный слой, увеличивая интен- сивность 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 e/S' 2 = 0,1 - 0,4, в которой наиболее полно реализуются изложенные теплофизические процессы, обес- печивающие 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 e/S' 2, обоснованной теоретическим анализом основ интенсификации теплоотдачи зигзагообразным расположением ребри- стых 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 воздухо- нагревателях систем кондиционирования. Геометрические параметры ребер были (в мм): наружный диаметр - 49,5; высота - 10,7; шаг - 3,38 и толщина - 0,8. Коэффициент оребре- ния трубы ϕ = 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 (z = 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 S1 = S' 2 = 52 мм, S2 = 42 мм. Пучки 2, 3, 4, 5 были зигзагообразными и созданы на базе пучка 1 соответственно смещением труб на величину e = 5, 10, 18 и 25 мм, которому соответствовало относительное смещение e/S' 2 = 0,096; 0,192; 0,346; 0,480. Опытные данные обрабатывали и представляли в числах подобия Нуссельта Nu = αd0/λ, Рейнольдса Re = wd0/ν и Эйлера Eu = ∆p/(ρw2 ). Здесь α - средний приведен- ный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ⋅К); d0 - диаметр ребра у его основания, мм; w - ско- рость воздуха в наименьшем сжатом сечении пучка, м/с; ∆р - перепад статического давления воздуха, Па; λ - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м⋅К); ν - коэффи- циент кинематической вязкости воздуха, м2 /с; ρ - плотность воздуха, кг/м3 . Физические свойства воздуха λ, ν, ρ принимали по его средней температуре в пучке. Результаты опытов обобщали уравнениями подобия по теплоотдаче Nu = C ⋅ Ren (4) и аэродинамическому сопротивлению Eu = M ⋅ Re-0,32 (5) Получены следующие значения коэффициентов в уравнениях (4) и (5) для исследо- ванных пучков: 1 - C = 0,100; n = 0,68; M = 44,4; 2 - C = 0,115; n = 0,67; M = 47,0; 3 - C = 0,114; n = 0,67; M = 46,4; 4 - C = 0,116; n = 0,67; M = 48,6; 5 - C = 0,121; n = 0,67; M = 52,5. Уравнения (4), (5) действительны в интервале числа Re = (1,5 - 30)⋅103 . Оценку влияния относительного смещения e/S' 2 на интенсификацию теплоотдачи зиг- загообразного пучка осуществляли по коэффициенту Cэ = Nu/Nuб, (6) а рост аэродинамического сопротивления пучка оценивали коэффициентом C' э = Eu/Euб, (7)
  7. 7. BY 6609 U 2010.10.30 7 где Nu, Eu - значения чисел для пучков 2 - 5; Nuб, Euб - то же для базового пучка 1. По опытным данным с применением формул (6) и (7) были вычислены значения (за- черненные точки) коэффициентов Cэ, C' э, используя которые были построены на фиг. 2 и 3 графики, отражающие влияние относительного смещения e/S' 2 на величину интенсифика- ции теплоотдачи и роста аэродинамического сопротивления. Видно, что в области e/S' 2 = 0,1 - 0,4 одновременно происходят приблизительно в равной пропорции интенси- фикация теплопередачи и увеличение аэродинамического сопротивления зигзагообраз- ного пучка. Такое соотношение между теплоотдачей и сопротивлением является исключительно энергетически выгодным, и в данном случае эффективность пучка повы- шается до 9 %. Полезная модель может быть использована заводами по производству калориферов, отопительных приборов для жилищно-коммунального хозяйства и строительства, завода- ми холодильного машиностроения, институтами по проектированию тепличных комбина- тов, птицеферм и животноводческих комплексов. Фиг. 2 Фиг. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.

×