ИССЛЕДОВАНИЯ. КОНСТРУИРОВАНИЕ. РАСЧЕТЫ. ОПЫТ

ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß. ÊÎÍÑÒÐÓÈÐÎÂÀÍÈÅ.
ÐÀÑ×ÅÒÛ. ÎÏÛÒ ÝÊÑÏËÓÀÒÀÖÈÈ
ÏÐÎÖÅÑÑÛ È ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ
ÕÈÌÈ×ÅÑÊÈÕ È ÍÅÔÒÅÃÀÇÎÂÛÕ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÉ
Â.Á. Êóíòûø, ä-ð òåõí. íàóê, À.Á. Ñóõîöêèé, êàíä. òåõí. íàóê
(Áåëîðóññêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíîëîãè÷åñêèé óíèâåðñèòåò, ã. Ìèíñê, Áåëàðóñü);
À.Ý Ïèèð, ä-ð òåõí. íàóê (Ñåâåðíûé àðêòè÷åñêèé ôåäåðàëüíûé óíèâåðñèòåò, ã. Àðõàíãåëüñê, Ðîññèÿ)
Èññëåäîâàíèå òåïëîîòäà÷è è ñîïðîòèâëåíèÿ øàõìàòíûõ ïó÷êîâ
âîçäóõîîõëàæäàåìûõ òåïëîîáìåííèêîâ èç òðóá
ñ íàêàòíûìè àëþìèíèåâûìè ðåáðàìè ðàçëè÷íîé âûñîòû
Òèïè÷íûå ïðåäñòàâèòåëè âîçäóõîîõëàæäàåìûõ òåïëîîáìåííèêî⠗ òåïëîîáìåííûå ñåêöèè àïïàðàòîâ âîçäóøíîãî îõëàæäåíèÿ (ÀÂÎ) [1] òåõíîëîãè÷åñêèõ óñòàíîâîê, êàëîðèôåðû äëÿ íàãðåâà âîçäóõà, êîíäåíñàòîðû õîëîäèëüíûõ óñòàíîâîê, êîíäåíñàöèîííûå óòèëèçàòîðû òåïëà ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ ïðèðîäíîãî ãàçà â
ïðîèçâîäñòâåííûõ è îòîïèòåëüíûõ êîòåëüíûõ. Ïó÷êè
òåïëîîáìåííèêîâ ñîáèðàþòñÿ èç êðóãëûõ áèìåòàëëè÷åñêèõ ðåáðèñòûõ òðóá (ÁÐÒ) ñî ñïèðàëüíûìè àëþìèíèåâûìè ðåáðàìè, íàðóæíûé äèàìåòð êîòîðûõ ïðåèìóùåñòâåííî ñîñòàâëÿåò d = 56−57 ìì. Ïîòðåáíîñòü
â ÁÐÒ òîëüêî äëÿ ñåêöèé ÀÂÎ, èçãîòàâëèâàåìûõ â Ðîññèè, ïðåâûøàåò 1,5 ìëí. ìåòðîâ â ãîä. Òðóáû ðàñïîëàãàþò â ðåøåòêàõ ïó÷êîâ øàõìàòíî â âåðøèíàõ ðàâíîñòîðîííåãî òðåóãîëüíèêà ñ øàãîì S1 = S2́ = 63−64 ìì,
çíà÷åíèÿ êîòîðîãî ÿâëÿþòñÿ îïòèìàëüíûìè [2] ïî
ýíåðãîìàññîâûì õàðàêòåðèñòèêàì.
Óâåëè÷åíèå òåïëîâîãî ïîòîêà Q (Âò) òåïëîîáìåííèêà â íåèçìåííûõ ãàáàðèòàõ ÿâëÿåòñÿ ýôôåêòèâíûì
íàïðàâëåíèåì ýíåðãî- è ðåñóðñîñáåðåæåíèÿ. Òåïëîâîé ïîòîê
Q = kF∆t ñð ,
(1)
ãäå k — êîýôôèöèåíò òåïëîïåðåäà÷è, Âò/(ì 2⋅Ê);
∆tñð — ñðåäíèé òåìïåðàòóðíûé íàïîð, Ê; F — ïëîùàäü
ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà, ì2.
Ñîãëàñíî (1) ïðè k = idem è ∆tñð = idem óïðàâëÿòü
âåëè÷èíîé Q âîçìîæíî èçìåíåíèåì çíà÷åíèÿ òåïëîîòäàþùåé ïëîùàäè F, êîòîðàÿ äëÿ êðóãëûõ ÁÐÒ
(2)
F = πd 0 ϕL ,
ãäå d0 — äèàìåòð ðåáðà ó åãî îñíîâàíèÿ, ì; L — òåïëîîòäàþùàÿ äëèíà òðóá òåïëîîáìåííèêà, ì;
ϕ =1+
2h
(d 0 + h + ∆ ) — êîýôôèöèåíò îðåáðåíèÿ äëÿ
sd 0
êðóãëîðåáðèñòûõ òðóá (h, s — âûñîòà è øàã ðåáðà,
∆ — ñðåäíÿÿ òîëùèíà ðåáðà).
Äëÿ ñåðèéíûõ òåïëîîáìåííèêîâ, íàïðèìåð ñåêöèé
ÀÂÎ, L = const, à d0 ≈ 26 ìì. Òàêèì îáðàçîì, óïðàâ-
ëåíèå çíà÷åíèåì F âîçìîæíî ëèøü ïîñðåäñòâîì èçìåíåíèÿ ϕ. Òîëùèíà ðåáåð ∆ ≈ 0,35−0,6 ìì òðóá ÀÂÎ
áëèçêà ê îïòèìàëüíîé [1], à çíà÷åíèÿ øàãà äîñòèãëè
s ≈ 2,3−2,5 ìì è äàëüíåéøåå åãî óìåíüøåíèå îãðàíè÷åíî òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêîé öåëåñîîáðàçíîñòüþ ñîâðåìåííûõ ïðîìûøëåííûõ òåõíîëîãèé [1, 2] îðåáðåíèÿ
òðóá àëþìèíèåì. Ñëåäîâàòåëüíî, ðåàëüíûì ãåîìåòðè÷åñêèì ïàðàìåòðîì, êîòîðûì âîçìîæíî óïðàâëÿòü
âåëè÷èíîé ϕ (èëè F ), ÿâëÿåòñÿ âûñîòà ðåáðà. Äëÿ îïòèìèçàöèè âûñîòû ðåáðà ÁÐÒ ÀÂÎ íåîáõîäèìû äîñòîâåðíûå äàííûå ïî òåïëîîòäà÷å è àýðîäèíàìè÷åñêîìó ñîïðîòèâëåíèþ øàõìàòíûõ ïó÷êîâ ñ ïðèìåíÿåìûìè ïîïåðå÷íûì S1 è ïðîäîëüíûì S2 øàãàìè. Äëÿ èññëåäîâàíèÿ áûë âûáðàí ÁÐÒ ñ íàêàòàííûìè ïî òåõíîëîãèè ÂÍÈÈÌåòìàø ñïèðàëüíûìè àëþìèíèåâûìè
ðåáðàìè, êîòîðûå, ïî íàøèì îöåíêàì, óñòàíîâëåíû
â 65−70 % èçãîòàâëèâàåìûõ â Ðîññèè ÀÂÎ.
Öåëü ðàáîòû — ýêñïåðèìåíòàëüíîå èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ â ðàñøèðåííîì èíòåðâàëå èçìåíåíèÿ âûñîòû ðåáðà áèìåòàëëè÷åñêîé òðóáû ñ íàêàòàííûìè àëþìèíèåâûìè ðåáðàìè íà òåïëîàýðîäèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè
øàõìàòíîãî ïó÷êà è åãî ýíåðãåòè÷åñêóþ ýôôåêòèâíîñòü.
Äëÿ èññëåäîâàíèÿ ïó÷êîâ ñ ðàçëè÷íîé âûñîòîé ðåáðà
âûïîëíåí àíàëèç ðàáîò [3−9], êîòîðûé ïîêàçàë, ÷òî
ãëàâíûì îáðàçîì îíè ïîñâÿùåíû ïîâåðõíîñòÿì íàãðåâà, ïðèìåíÿåìûì â ïàðîâûõ êîòëàõ èëè òðàíñïîðòíûõ
ýíåðãåòè÷åñêèõ óñòàíîâêàõ [6]. Ýòè ïîâåðõíîñòè ïî
ãåîìåòðè÷åñêèì ïàðàìåòðàì ðåáåð, êîíñòðóêöèè, ìàòåðèàëüíîìó èñïîëíåíèþ, òåõíîëîãèè èõ îðåáðåíèÿ,
à òàêæå ïî êîìïîíîâî÷íûì õàðàêòåðèñòèêàì ïó÷êîâ
çíà÷èòåëüíî îòëè÷àþòñÿ îò òàêîâûõ â ÁÐÒ ñ àëþìèíèåâûìè ðåáðàìè. Ïóáëèêàöèè [10−12] ñâÿçàíû ñ èññëåäîâàíèåì ïó÷êîâ âîçäóõîîõëàæäàåìûõ òåïëîîáìåííèêîâ èç òðóá ñ íàêàòàííûìè àëþìèíèåâûìè ðåáðàìè, íî â íèõ îòñóòñòâóåò ñèñòåìíûé ïîäõîä ïî óñòàíîâëåíèþ âëèÿíèÿ âûñîòû ðåáðà, ÷òî çàòðóäíÿåò èñïîëüçîâàíèå ðåçóëüòàòîâ â îïòèìèçàöèîííûõ ðàñ÷åòàõ.
Îïûòíûå äàííûå [13] ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå ïðåäñòàâèòåëüíûìè, íî îíè îòíîñÿòñÿ ê ÁÐÒ ÀÂÎ, èìåþùèì
ISSN 0023-1126. ÕÈÌÈ×ÅÑÊÎÅ È ÍÅÔÒÅÃÀÇÎÂÎÅ ÌÀØÈÍÎÑÒÐÎÅÍÈÅ. 2010. ¹ 12.
3
çíà÷åíèå ϕ ìåíüøå, ÷åì ó ïðèìåíÿåìûõ ñåðèéíûõ ïðîìûøëåííûõ òðóá [12] ÀÂÎ ïîñëåäíåãî (òðåòüåãî) ïîêîëåíèÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, íåîáõîäèìû äîïîëíèòåëüíûå èññëåäîâàíèÿ ïî âëèÿíèþ h íà òåïëîàýðîäèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ïó÷êà, âîñïîëíÿþùèå ïðîáåëû ïðîàíàëèçèðîâàííûõ îïûòîâ.
 íàñòîÿùåé ðàáîòå ýêñïåðèìåíòàëüíî èçó÷åíî
âëèÿíèå èçìåíåíèÿ âûñîòû íàêàòàííîãî îäíîçàõîäíîãî ñïèðàëüíîãî ðåáðà èç àëþìèíèåâîãî ñïëàâà ÀD1M
íà ïðèâåäåííóþ òåïëîîòäà÷ó è ïîòåðè äàâëåíèÿ ïîïåðå÷íî îáòåêàåìûõ âîçäóõîì ïÿòè (I−V) øåñòèðÿäíûõ
øàõìàòíûõ ïó÷êîâ ñ îäèíàêîâûìè îòíîñèòåëüíûìè
øàãàìè ðàçáèâêè áèìåòàëëè÷åñêèõ òðóá — ïîïåðå÷íûì
s1 = S1/d = 1,136 è ïðîäîëüíûì s2 = S2/d = 0,905. Ïó÷îê
I ÿâëÿåòñÿ áàçîâûì, àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ øàãîâ òðóá
â êîòîðîì áûëè S1 = 64 ìì, S2 = 51 ìì è ñîîòâåòñòâîâàëè òàêîâûì â òåïëîîáìåííûõ ñåêöèÿõ ñåðèéíûõ ÀÂÎ
îáùåïðîìûøëåííîãî çíà÷åíèÿ. Òðóáû âî âñåõ ïó÷êàõ
ðàñïîëàãàëè â âåðøèíàõ ðàâíîáåäðåííîãî òðåóãîëüíèêà. Ãåîìåòðè÷åñêèå ïàðàìåòðû ðåáåð òðóá ïó÷êà I áûëè
ñòàíäàðòíûìè [2] äëÿ ÀÂÎ ïîñëåäíåãî ïîêîëåíèÿ.
Ðåáðà íàêàòàíû íà íåñóùåé òðóáå ñ íàðóæíûì äèàìåòðîì 25 ìì è òîëùèíîé ñòåíêè 2 ìì. Òðóáà âûïîëíåíà
èç óãëåðîäèñòîé ñòàëè 20.
Âûñîòó ðåáåð òðóá â ïó÷êàõ II−V óìåíüøàëè îáòî÷êîé
íà òîêàðíîì ñòàíêå, ïðè ýòîì âîçðàñòàëà òîëùèíà ðåáðà
∆2 ó âåðøèíû âñëåäñòâèå åãî òðàïåöåèäàëüíîé ôîðìû,
à òîëùèíà ðåáðà ∆1 = 0,9 ìì ó îñíîâàíèÿ îñòàâàëàñü íåèçìåííîé. Ñðåäíÿÿ òîëùèíà ðåáðà ∆ = 0,5(∆1 + ∆2).
Äèàìåòð ðåáðà ó åãî îñíîâàíèÿ d0 = d − 2h = 25,87 ìì è
øàã s = 2,58 ìì áûëè îäèíàêîâû ó âñåõ òðóá ïó÷êîâ.
Êîýôôèöèåíò êîìïàêòíîñòè ïó÷êà Ïi âû÷èñëÿëè ïî îòíîøåíèþ πd0ϕ/(S1⋅S2). Ìàññà 1 ì íåñóùåé òðóáû ðàâíà
bí = 1,135 êã ïðè ïëîòíîñòè ñòàëè ρcò = 7850 êã/ì3. ×èñëîâûå çíà÷åíèÿ ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ îïûòíûõ
ïó÷êîâ è ðåáåð òðóá, à òàêæå ìàññà àëþìèíèÿ biàë, çàòðà÷èâàåìàÿ íà îðåáðåíèå 1 ì òðóáû, ìàññà àëþìèíèÿ
bíàë, ïðèõîäÿùàÿñÿ íà 1 ì2 ïîâåðõíîñòè îðåáðåíèÿ òðóáû, è îáùàÿ ìàññà bi òðóáû, ïðèõîäÿùàÿñÿ íà 1 ì2 ïîâåðõíîñòè îðåáðåíèÿ ïðèâåäåíû â òàáë. 1.
Ïëîòíîñòü àëþìèíèÿ ρàë = 2750 êã/ì3. Ñ óìåíüøåíèåì âûñîòû ðåáðà îáùàÿ ìàññà ìåòàëëà íà 1 ì2 ïîâåðõíîñòè îðåáðåíèÿ âîçðîñëà â 2,5 ðàçà.
Îïûòíûå òðóáíûå ïó÷êè óñòàíàâëèâàëè â ðàáî÷åì
ó÷àñòêå ñ ïîïåðå÷íûì ñå÷åíèåì 400×400 ìì ðàçîìêíóòîé àýðîäèíàìè÷åñêîé òðóáû [1]. Òðóáû â ïó÷êàõ
ðàñïîëàãàëè âåðòèêàëüíî.  êàæäîì ïîïåðå÷íîì ðÿäó
íàõîäèëîñü ÷èñëî òðóá, ðàâíîå äëÿ ïó÷êîâ: I — 6 øò;
II, III — ïî 7 øò; IV — 9 øò; V — 10 øò.  ñîîòâåòñòâóþùèõ ïîïåðå÷íûõ ðÿäàõ óñòàíàâëèâàëè ïîëóòðóáêè,
îáåñïå÷èâàþùèå ïîñòîÿííîå ñæàòîå ôðîíòàëüíîå ñå÷åíèå ïó÷êà äëÿ ïðîõîäà âîçäóõà. Ïó÷êè ñîáèðàëè èç òðóá
íàòóðíûõ ðàçìåðîâ ñ îòðåçêîé äëèíîé l = 430 ìì ïðè
âûñîòå (äëèíå) îðåáðåííîé ÷àñòè H = 400 ìì. Ìåòîäèêà ïðîâåäåíèÿ îïûòîâ è îñíàùåíèå êîíòðîëüíî-èçìåðèòåëüíûìè ïðèáîðàìè àýðîäèíàìè÷åñêîé òðóáû
îïèñàíû â ðàáîòå [1].
Ïðèâåäåííóþ òåïëîîòäà÷ó èçó÷àëè ìåòîäîì ëîêàëüíîãî òåïëîâîãî ïîäîáèÿ ñ îáîãðåâîì îäíîé èçìåðèòåëüíîé òðóáû-êàëîðèìåòðà. Îáîãðåâ êàëîðèìåòðà ïàðîýëåêòðè÷åñêèé ñ òåìïåðàòóðîé êèïåíèÿ âîäû, ñîîòâåòñòâóþùåé áàðîìåòðè÷åñêîìó äàâëåíèþ. Êàëîðèìåòð ïîñëåäîâàòåëüíî óñòàíàâëèâàëè â ñåðåäèíå ïåðâîãî, òðåòüåãî
è ïÿòîãî ïîïåðå÷íûõ ðÿäîâ. Èññëåäóåìûå ïó÷êè îòíîñÿòñÿ ê òåñíûì [1, 7], ñòàáèëèçàöèÿ òåïëîîòäà÷è â
êîòîðûõ íàñòóïàåò ñî âòîðîãî ïîïåðå÷íîãî ðÿäà.  ñâÿçè ñ ýòèì íåò íåîáõîäèìîñòè â èçìåðåíèè òåïëîîòäà÷è
êàæäîãî ðÿäà. Ñðåäíèé êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è
αi (Âò/(ì2⋅Ê)) i-ãî ðÿäà ïó÷êà îïðåäåëÿëè ïî ôîðìóëå
α i = Qi / (F (t ñòi − t1 )) ,
(3)
ãäå Qi — òåïëîâîé ïîòîê, ïåðåäàííûé òðóáîé-êàëîðèìåòðîì âîçäóõó, Âò; F = πd0ϕH — ïëîùàäü íàðóæíîé
òåïëîîòäàþùåé ïîâåðõíîñòè òðóáû-êàëîðèìåòðà, ì2;
tñòi — ñðåäíÿÿ òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè ñòåíêè òðóáûêàëîðèìåòðà ó îñíîâàíèÿ ðåáåð, oÑ; t1 — ñðåäíÿÿ òåìïåðàòóðà âîçäóõà ïåðåä êàëîðèìåòðîì, ïðèíèìàåìàÿ
ðàâíîé ñðåäíåé òåìïåðàòóðå âîçäóõà ïåðåä ïó÷êîì, oÑ.
Ñðåäíèé ïðèâåäåííûé êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è
α òðóáíîãî ïó÷êà âû÷èñëÿëè êàê ñðåäíåå àðèôìèòè÷åñêîå êîýôôèöèåíòîâ òåïëîîòäà÷è αi âñåõ øåñòè ðÿäîâ. Ïðè óñðåäíåíèè α ñ÷èòàëè, ÷òî α2 = α3 = α4 = α5,
à êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è øåñòîãî (ïîñëåäíåãî)
ðÿäà ïó÷êà α6 = 0,95α5 [4]. Îïûòíûå äàííûå îáðàáàòûâàëè è ïðåäñòàâëÿëè â ÷èñëàõ ïîäîáèÿ Íóññåëüòà
Nu i = αd 0 /λ , Nu = αd 0 /λ ; Ðåéíîëüäñà Re = ωd 0 /v ;
Ýéëåðà Eu = ∆P/(ρω2 ) , ãäå λ, ν, ρ — êîýôôèöèåíòû
òåïëîïðîâîäíîñòè, êèíåìàòè÷åñêîé âÿçêîñòè âîçäóõà
è åãî ïëîòíîñòü ïðè ñðåäíåé òåìïåðàòóðå; ∆P — ïåðåïàä ñòàòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ âîçäóõà â ïó÷êå; ω — ñêîðîñòü âîçäóõà â ñæàòîì ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè ïó÷êà. Îòíîñèòåëüíàÿ ìàêñèìàëüíàÿ êâàäðàòè÷íàÿ ïîãðåøíîñòü
çíà÷åíèé Nui, Re, Eu íå ïðåâûøàëà ñîîòâåòñòâåííî
çíà÷åíèé 3,1; 2,8 è 3,3%.
Òàáëèöà 1
Íîìåð
ïó÷êà
I
II
III
IV
V
4
Ïàðàìåòðû ðåáåð è ïó÷êà, ìì
S1
S2
d
h
∆2
∆
64,0
55,7
50,0
42,0
37,5
51,0
44,4
39,9
33,5
29,9
56,3
49,0
44,0
37,0
33,0
15,23
11,57
9,07
5,56
3,57
0,4
0,6
0,6
0,7
0,8
0,65
0,75
0,75
0,80
0,85
ϕ,
Ïi, ì2/ì3
20,00
14,23
10,69
6,38
4,24
499
468
436
369
307
b iàë, êã/ì b´iàë, êã/ì2 b i , êã/ì2
1,784
1,246
0,891
0,564
0,395
1,095
1,077
1,026
1,088
1,148
ISSN 0023-1126. ÕÈÌÈ×ÅÑÊÎÅ È ÍÅÔÒÅÃÀÇÎÂÎÅ ÌÀØÈÍÎÑÒÐÎÅÍÈÅ. 2010. ¹ 12.
1,79
2,05
2,33
3,29
4,45
Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé áåçðàçìåðíûõ êîýôôèöèåíòîâ òåïëîîòäà÷è (Nui) ïåðâîãî, òðåòüåãî, ïÿòîãî
ðÿäîâ è áåçðàçìåðíûõ ïîòåðü äàâëåíèÿ (Eu) âîçäóõà äëÿ
øåñòè ðÿäîâ ïó÷êîâ I−V â çàâèñèìîñòè îò áåçðàçìåðíîé
ñêîðîñòè (Re) âîçäóõà ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 1, 2. Ýòè
ðåçóëüòàòû àïïðîêñèìèðîâàíû óðàâíåíèÿìè ïîäîáèÿ
ñòåïåííîãî âèäà
Nu i = C i Reni ;
(4)
(5)
Eu i = BRe−m ,
à ñðåäíÿÿ òåïëîîòäà÷à ïó÷êîâ ïîä÷èíÿåòñÿ óðàâíåíèþ
(6)
Nu = CRen .
Êîýôôèöèåíòû òåïëîîòäà÷è Nui , Nu âû÷èñëåíû
ïî ïîëíîé ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè îðåáðåíèÿ. Çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòîâ ïðîïîðöèîíàëüíîñòè Ci, C, B è
ïîêàçàòåëåé ñòåïåíè ni, n, m â äèàïàçîíå Re = (3 −
− 30)⋅103 äàíû â òàáë. 2.
Äëÿ íàãëÿäíîñòè âëèÿíèÿ èçìåíåíèÿ âûñîòû ðåáðà
íà òåïëîîòäà÷ó è ñîïðîòèâëåíèå ïó÷êà â òàáë. 2 òàêæå
óêàçàíû çíà÷åíèÿ Nu, Nu⋅ϕ è Eu ïó÷êîâ I−V äëÿ ÷èñåë
Re = 3 000 è 25 000, ïî êîòîðûì ïîñòðîåí ðèñ. 3. ×èñëåííîå çíà÷åíèå Nu⋅ϕ ÿâëÿåòñÿ áåçðàçìåðíûì êîýôôèöèåíòîì ñðåäíåé òåïëîîòäà÷è ïó÷êà, îòíåñåííûì ê ïëîùàäè òðóáû, âû÷èñëåííîé ïî äèàìåòðó d0 îñíîâàíèÿ ðåáðà, è õàðàêòåðèçóåò óäåëüíûé òåïëîñúåì òðóáû ê âîçäóõó.
Àíàëèç ðèñ. 1−3 è äàííûõ òàáë. 2 ïîêàçûâàåò,
÷òî îáùèì ïðàâèëîì äëÿ ïó÷êîâ I−V ïðè Re = idem
Ðèñ. 1. Çàâèñèìîñòü áåçðàçìåðíîãî êîýôôèöèåíòà
−V
òåïëîîòäà÷è ïîïåðå÷íûõ ðÿäîâ ïó÷êîâ I−
îò áåçðàçìåðíîé ñêîðîñòè âîçäóõà:
∆, ™ , • − ñîîòâåòñòâåííî 1-é, 3-é, 5-é ðÿäû â ïó÷êå;
- − ðàñ÷åò ïî óðàâíåíèþ (5)
Òàáëèöà 2
Íîìåð ïó÷êà
Íîìåðà ðÿäîâ
â ïó÷êå
I
II
II
III
IV
IV
V
1
1,34
0,94
0,94
0,45
0,31
2− 5
0,64
0,53
0,57
0,36
0,38
1
6,0
6,5
6,5
7,3
7,6
2-6
7,0
7,3
7,3
7,8
7,8
C⋅ 10
−
0,72
0,58
0,62
0,38
0,36
n⋅ 10
−
6,83
7,17
7,17
7,70
7,80
B
−
41,1
37,5
22,0
12,3
9,2
m⋅ 10
−
2,8
2,8
2,3
1,8
1,6
h/d0
−
0,59
0,45
0,35
0,22
0,14
h/(s − ∆ )
−
7,89
6,32
4,96
3,12
2,06
Nu
−
17,2
18,1
19,4
18,0
18,6
N u⋅ ϕ
−
344
258
207
115
79
Eu
−
4,37
3,99
3,48
2,90
2,54
Nu
−
73,0
82,0
88,8
92,0
97,3
N u⋅ ϕ
−
1460
1167
949
587
413
Eu
−
2,41
2,20
2,14
1,98
1,81
Ïàðàìåòðû
Ci ⋅ 10
ni ⋅ 10
Re = 3 000
Re = 25 000
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü àýðîäèíàìè÷åñêîãî
ñîïðîòèâëåíèÿ øåñòèðÿäíûõ ïó÷êîâ I-V
îò áåçðàçìåðíîé ñêîðîñòè âîçäóõà:
•
− ýêñïåðèìåíò; - − ðàñ÷åò ïî óðàâíåíèþ (6)
ISSN 0023-1126. ÕÈÌÈ×ÅÑÊÎÅ È ÍÅÔÒÅÃÀÇÎÂÎÅ ÌÀØÈÍÎÑÒÐÎÅÍÈÅ. 2010. ¹ 12.
5
ÿâëÿåòñÿ óâåëè÷åíèå êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è ïó÷êà, óìåíüøåíèå óäåëüíîãî ñúåìà òåïëà è àýðîäèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïó÷êà ñ óìåíüøåíèåì âûñîòû
ðåáðà. Îäíàêî ýòè ïðîöåññû êàê êà÷åñòâåííî, òàê è
êîëè÷åñòâåííî ïðîòåêàþò ïî-ðàçíîìó.
Èçìåíåíèå ñðåäíåé òåïëîîòäà÷è (Nu) è óäåëüíîãî
ñúåìà òåïëà (Nu⋅ϕ) ïó÷êà (ñì. ðèñ. 3) îò âûñîòû ðåáðà ïîä÷èíÿåòñÿ ëèíåéíîé çàâèñèìîñòè. Óìåíüøåíèå
h â 4,27 ðàçà (îò 15,23 ìì (áàçîâûé ïó÷îê I) äî 3,57
ìì (ïó÷îê V)) ñîïðîâîæäàåòñÿ ïîâûøåíèåì èíòåíñèâíîñòè òåïëîîòäà÷è íà 8 % ïðè Re = 3 000, íà 33 % ïðè
Re = 25 000, íî ïðè ýòîì óäåëüíûé ñúåì òåïëà ïó÷êà
óìåíüøèëñÿ ñîîòâåòñòâåííî â 4,35 è 3,53 ðàçà, à òåïëîîòäàþùàÿ ïëîùàäü òðóáû ñíèçèëàñü â 20/4,24 = 4,71 ðàçà.
Îòíîñèòåëüíàÿ âåëè÷èíà ñúåìà òåïëà ñíèæàåòñÿ ïðè
óìåíüøåíèè âûñîòû ðåáðà è ðîñòå Re. Ýòî íå ïðîòèâîðå÷èò îïûòíûì äàííûì ðàáîò [4, 13] è îáúÿñíÿåòñÿ
Ðèñ. 3. Âëèÿíèå îòíîñèòåëüíîé âûñîòû
àëþìèíèåâîãî ñïèðàëüíîãî ðåáðà ïðè Re = 25 000
íà áåçðàçìåðíûé ñðåäíèé êîýôôèöèåíò
òåïëîîòäà÷è, óäåëüíûé ñúåì òåïëà è
−V:
àýðîäèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ïó÷êîâ I−
• , +, ∆, Q − ðàñ÷åòíûå çíà÷åíèÿ ïî óðàâíåíèÿì
(6) è (7) ñîîòâåòñòâåííî äëÿ ïó÷êîâ I, II, III, IV, V
™,
6
âëèÿíèåì ñëåäóþùèõ äâóõ ôàêòîðîâ. Âî-ïåðâûõ,
óìåíüøåíèå âûñîòû ðåáðà òðóáû óëó÷øàåò ãèäðîäèíàìèêó ïîòîêà âîçäóõà â ìåæðåáåðíûõ ïîëîñòÿõ øèðèíîé u = s − ∆, âûðàæàþùóþñÿ â ñëåäóþùåì. Îòíîñèòåëüíàÿ ãëóáèíà ïîëîñòè h/(s − ∆) = h/u äëÿ àíàëèçèðóåìûõ ïó÷êîâ I, V ñíèæàåòñÿ îò 7,89 äî 2,06 (ñì. òàáë.
2). Ñêîðîñòü âîçäóõà ïî âûñîòå ïîëîñòè îò âåðøèíû äî
îñíîâàíèÿ ðåáðà áîëåå âûðîâíåíà, à ãðàäèåíò ñêîðîñòè
çíà÷èòåëüíî ìåíüøå [1] ïî ñðàâíåíèþ ñ âûñîêèìè óçêèìè ìåæðåáåðíûìè ïîëîñòÿìè [4]. Íà áîêîâûõ ïîâåðõíîñòÿõ íèçêèõ (êîðîòêèõ) ðåáåð ñ h/u ≤£ 2 (ïó÷îê V)
ôîðìèðóåòñÿ ïîãðàíè÷íûé ñëîé âîçäóõà ìåíüøåé òîëùèíû [14], ÷òî áëàãîïðèÿòíî âëèÿåò íà èíòåíñèâíîñòü
òåïëîîòäà÷è. Óâåëè÷åíèå ñêîðîñòè âîçäóõà (÷èñëà Re)
ñïîñîáñòâóåò ëó÷øåé âåíòèëÿöèè ìåæðåáåðíûõ ïîëîñòåé òðóáû è âîçðàñòàíèþ òóðáóëèçàöèè ïîòîêà.
Ïîëîæèòåëüíîå âëèÿíèå âòîðîãî ôàêòîðà íà ðîñò
èíòåíñèâíîñòè ñðåäíåé ïðèâåäåííîé òåïëîîòäà÷è ðåáåð óìåíüøåííîé âûñîòû (ïó÷êè II−V) ïî ñðàâíåíèþ
ñ áàçîâîé (ïó÷îê I) îáóñëîâëåíî ðàçëè÷èåì â ôîðìå
òîðöà ðåáåð. Ðåáðà òðóá ïó÷êà I âñëåäñòâèå èõ èçãîòîâëåíèÿ ïî òåõíîëîãèè ÂÍÈÈÌåòìàø èìåëè ïëàâíîî÷åð÷åííûå óäîáîîáòåêàåìîé ôîðìû òîðöû. Íî
ïîñëå óìåíüøåíèÿ âûñîòû ðåáåð îáòî÷êîé íà òîêàðíîì ñòàíêå òîðöû ïðèîáðåëè îñòðûå êðîìêè. Ñ îñòðûõ êðîìîê ïðîèñõîäèò ñðûâ ïîòîêà è îáðàçîâàíèå
óçêîé îòðûâíîé îáëàñòè øèðèíîé (3−4)∆2 íà ïåðèôåðèè áîêîâîé ïîâåðõíîñòè ðåáðà, ðàñïðîñòðàíÿþùåéñÿ äî ìèäåëåâà ñå÷åíèÿ òðóáû. Íàáëþäàåòñÿ ïîâûøåíèå ìåñòíîé òåïëîîòäà÷è íà ýòîé ïîâåðõíîñòè. Íà
îñòðûõ êðîìêàõ óòîëùàþùèõñÿ ðåáåð ïðè èõ óìåíüøàþùåéñÿ âûñîòå â ïó÷êàõ II−V îáðàçóþòñÿ ìåëêèå âèõðè, êîòîðûå íåïðåðûâíî ñíîñÿòñÿ ïîòîêîì âíèç ïî
òå÷åíèþ, òóðáóëèçèðóÿ åãî.  ïó÷êàõ I−V îòíîñèòåëüíûå øàãè σ1 è σ2 áûëè ïîñòîÿííûìè, à çíà÷èò, èçìåíåíèå ìåæòðóáíîé òóðáóëåíòíîñòè ïîòîêà îïðåäåëÿëîñü èñêëþ÷èòåëüíî âûñîòîé ðåáðà.
Êîñâåííûì èíäèêàòîðîì ðîñòà ñòåïåíè òóðáóëåíòíîñòè ïîòîêà îò âîçäåéñòâèÿ h ÿâëÿåòñÿ óâåëè÷åíèå
óãëà íàêëîíà êðèâûõ òåïëîîòäà÷è Nui = f (Re) è Nu =
= f (Re) ê îñè àáñöèññ (ñì. ðèñ. 1). Òàíãåíñ óãëà íàêëîíà ni , n ýòèõ êðèâûõ ñ óìåíüøåíèåì âûñîòû ðåáðà
âîçðàñòàåò êàê äëÿ ïåðâîãî, òàê è äëÿ ñòàáèëèçèðîâàííûõ ðÿäîâ ïó÷êîâ I−V. Íàïðèìåð, äëÿ ñòàáèëèçèðîâàííûõ ðÿäîâ òðóá ïó÷êîâ I, V ðîñò ñîñòàâèë 0,7/
0,78 = 1,11 ðàçà, à äëÿ ïðèâåäåííîé ñðåäíåé òåïëîîòäà÷è ýòèõ ïó÷êîâ îí ðàâåí 0,78/0,683 = 1,14 ðàçà.
Òàêæå ñ óìåíüøåíèåì âûñîòû ðåáðà óâåëè÷èâàåòñÿ
êîýôôèöèåíò ýôôåêòèâíîñòè (ÊÏÄ) Å ðåáðà, ÷òî ñïîñîáñòâóåò ðîñòó èíòåíñèâíîñòè òåïëîîòäà÷è â êîðîòêèõ
ðåáðàõ. Äëÿ èññëåäîâàííîãî èíòåðâàëà Re êîýôôèöèåíò E ðåáåð ïó÷êà I áûë 0,94−0,9, à ó ðåáåð ïó÷êà V âîçðîñ äî çíà÷åíèé 0,98−0,93 â ñðåäíåì íà 4 %.
Èç ðèñ. 2, íà êîòîðîì ïðèâåäåíû çàâèñèìîñòè
Eu = f (Re), ñëåäóåò, ÷òî ñ óìåíüøåíèåì âûñîòû ðåáðà
ñîïðîòèâëåíèå òàêæå ñíèæàåòñÿ, íàïðèìåð äëÿ Re =
= 25 000 (ñì. òàáë. 2) ñíèæåíèå äîñòèãàåò 2,41/1,81 =
ISSN 0023-1126. ÕÈÌÈ×ÅÑÊÎÅ È ÍÅÔÒÅÃÀÇÎÂÎÅ ÌÀØÈÍÎÑÒÐÎÅÍÈÅ. 2010. ¹ 12.
= 1,33 ðàçà äëÿ ïó÷êà V. Êðèâûå ñîïðîòèâëåíèÿ â ëîãàðèôìè÷åñêèõ êîýôôèöèåíòàõ ïî ìåðå óìåíüøåíèÿ
âûñîòû h ðàñïîëàãàþòñÿ áîëåå ïîëîãî. Òàíãåíñ óãëà
íàêëîíà èõ èçìåíÿåòñÿ îò −0,28 äî −0,16.
Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ïó÷êîâ I−V îáîáùåíû
óðàâíåíèÿìè ïîäîáèÿ äëÿ ñðåäíåé òåïëîîòäà÷è
Nu = (0,0245 + 0,0824x )Re0,81−0,22 x ,
äëÿ àýðîäèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ
(7)
(8)
Eu = (− 2,85 + 78,3x )Re−0,122−0,3x ,
ãäå x = h/d0 — îòíîñèòåëüíàÿ âûñîòà ðåáðà.
Óðàâíåíèÿ (7, 8) äåéñòâèòåëüíû â èíòåðâàëå x =
= 0,14 − 0,6 è Re = (3 − 30)⋅103.
Àíàëèç êðèâûõ â íèæíåé ÷àñòè ðèñ. 4 ïîêàçûâàåò
ýôôåêòèâíîñòü ó÷àñòèÿ â òåïëîîáìåíå åäèíèöû ïëîùàäè îðåáðåííîé ïîâåðõíîñòè òðóá ïó÷êîâ I−V ïðè
îäèíàêîâîé çàòðàòå ìîùíîñòè N0 = idem (Âò/ì2) íà
ïðîêà÷êó âîçäóõà ÷åðåç ìåæòðóáíîå ïðîñòðàíñòâî ïó÷êà. Ñ íàèáîëüøåé èíòåíñèâíîñòüþ â òåïëîîáìåíå ó÷àñòâóþò òðóáû ïó÷êà V ñ íàèìåíüøåé âûñîòîé ðåáðà, à
íàèìåíüøàÿ èíòåíñèâíîñòü õàðàêòåðíà äëÿ òðóá áàçîâîãî ïó÷êà I. Ðàçëè÷èå â çíà÷åíèÿõ α ïðè N0 = idem
ñîñòàâëÿåò 1,2−1,27 ðàçà â èññëåäîâàííîì èíòåðâàëå.
Èíòåíñèâíîñòü îùóòèìî ñíèæàåòñÿ ïðè äîñòèæåíèè
âûñîòû ðåáðà h = 11,6 ìì (ïó÷îê II). Îäíàêî ýòîò àíàëèç îòðàæàåò ëèøü òåïëîôèçè÷åñêóþ ñòîðîíó ïðîöåññà òåïëîîáìåíà è àêòóàëåí äëÿ âûáîðà ñïîñîáà èíòåíñèôèêàöèè.
Ýôôåêòèâíîñòü ïó÷êîâ I−V ñëåäóåò îöåíèâàòü êîýôôèöèåíòîì òåïëîâîé ýôôåêòèâíîñòè ψ i = (αϕ)i /(αϕ)ýò
ïðè N0 = idem, ãäå (αϕ)i è (αϕ)ýò — óäåëüíûå òåïëîñúåìû i-ãî (I−V) è ýòàëîííîãî ïó÷êîâ. Äëÿ ðàñ÷åòà
èñïîëüçîâàíû êðèâûå (ñì. ðèñ. 4, âåðõíÿÿ ÷àñòü),
êîòîðûå ïîñòðîåíû ïî îïûòíûì äàííûì ýòîé ðàáîòû. Çà ýòàëîííûé ïó÷îê ïðèíÿò ïó÷îê V ñ íàèìåíüøåé âûñîòîé ðåáåð òðóá. Äëÿ íåãî ψýò = ψv = 1. Äëÿ
N0 = 10 Âò/ì2 ïîëó÷åíû ñëåäóþùèå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà òåïëîâîé ýôôåêòèâíîñòè èññëåäîâàííûõ
ïó÷êîâ: ψI = 3,6; ψII = 2,93; ψIII = 2,33; ψIV = 1,36. Êîýôôèöèåíò òåïëîâîé ýôôåêòèâíîñòè äèíàìè÷íî âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì âûñîòû ðåáðà è åå çíà÷åíèå
h = 15,2 ìì ïðè s = 2,58 ìì íå ÿâëÿåòñÿ ïðåäåëüíûì
äëÿ òðóá ñåêöèé ÀÂÎ. Ýòî àêòóàëüíûé ïðàêòè÷åñêèé
âûâîä äëÿ èçãîòîâèòåëåé ÁÐÒ ñ àëþìèíèåâûìè ðåáðàìè äëÿ ÀÂÎ. Øàãè ÁÐÒ S1 è S2 â ðåøåòêàõ ñåêöèé
ïîçâîëÿþò óâåëè÷èòü âûñîòó ðåáðà äî h ≈ 16 ìì ïðè
óêàçàííîì ñîïðÿæåííîì çíà÷åíèè øàãà ðåáåð.
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
1. Êóíòûø Â.Á., Êóçíåöîâ Í.Ì. Òåïëîâîé è àýðîäèíàìè÷åñêèé ðàñ÷åòû îðåáðåííûõ òåïëîîáìåííèêîâ âîçäóøíîãî îõëàæäåíèÿ. / ÑÏá.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1992. 280 ñ.
2. Îñíîâû ðàñ÷åòà è ïðîåêòèðîâàíèÿ òåïëîîáìåííèêîâ
âîçäóøíîãî îõëàæäåíèÿ. Ñïðàâî÷íèê / ïîä îáù. ðåä. Â.Á.
Êóíòûøà, À.Í. Áåññîííîãî. ÑÏá.: Íåäðà. 1996. 512 ñ.
3. Ñòàñþëÿâè÷þñ Þ., Ñêðèíñêà À. Òåïëîîòäà÷à ïîïåðå÷-
Ðèñ. 4. Òåïëîâàÿ ýôôåêòèâíîñòü ïó÷êîâ òðóá I−
−V:
•, +, ∆, Q − äàííûå ñîîòâåñòâåííî äëÿ ïó÷êîâ
I, II, III, IV, V
™,
íî îáòåêàåìûõ ïó÷êîâ ðåáðèñòûõ òðóá. / Âèëüíþñ, Ìèíòèñ, 1974. 243 ñ. 4. Þäèí Â.Ô. Òåïëîîáìåí ïîïåðå÷íîîðåáðåííûõ òðóá. / ÑÏá.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1982. 189 ñ.
5. Æóêàóñêàñ À., Óëèíñêàñ Ð. Òåïëîîòäà÷à ïîïåðå÷íîîáòåêàåìûõ ïó÷êîâ ðåáðèñòûõ òðóá. / Âèëüíþñ, Ìîêñëàñ, 1986,
204 ñ. 6. Òåïëîãèäðàâëè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè êîìïàêòíûõ
ïó÷êîâ ðåáðèñòûõ òðóá / Â. Èëãàðóáèñ, À. Áóòêóñ, Ð. Óëèíñêàñ è äð. // Òðóäû Ëèòîâñêîé àêàäåìèè íàóê. Ýíåðãåòèêà,
1990. ¹ 2. Ñ. 116−133. 7. Ïèñüìåííûé Å.Í. Òåïëîîáìåí è
àýðîäèíàìèêà ïàêåòîâ ïîïåðå÷íî-îðåáðåííûõ òðóá. Êèåâ.
Àëüòåðïðåññ, 2004. 244 ñ. 8. Brauer H. Warme − und
stromungstechnische. Untersuchungen an quer angestromten
Rippenrohrbundeln // Chemie − Ing. Technick. 1961. Bd. 33.
H. 5. S. 327−335, H. 6. S. 431−438. 9. Brauer H.
Spiralri ppenrohre fur Querstrom − Warmeaustauscher //
Kaltetechnik. 1961. Bd. 13. H. 8. S. 274−279. 10. Brigs E.D.,
Young E.H. Convection heat transfer and pressure drop of
air flowing across triangular pitch banks of finned tubes // Chem.
Eng. Prog. Symp. Ser. 1963. Vol. 89. Nr. 41. P. 1−10.
11. Ïèèð À.Ý., Êóíòûø Â.Á. Èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ êîýôôèöèåíòà îðåáðåíèÿ íà òåïëîîòäà÷ó è àýðîäèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå øàõìàòíûõ ïó÷êîâ àïïàðàòîâ âîçäóøíîãî îõëàæäåíèÿ. ÀËÒÈ, Àðõàíãåëüñê. 1990. 22 ñ. Äåïîíèðîâàíà
â ÂÈÍÈÒÈ 21.11.90. ¹ 5890. Â. 90. 12. Êóíòûø Â.Á. Òåïëîîòäà÷à è àýðîäèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ïó÷êîâ ñ ëåíòî÷íûì îðåáðåíèåì äëÿ àïïàðàòîâ âîçäóøíîãî îõëàæäåíèÿ /
/ Õèìè÷åñêîå è íåôòåãàçîâîå ìàøèíîñòðîåíèå. 2000. ¹ 7.
Ñ. 11−15. 13. Êóíòûø Â.Á., Ñòåíèí Í.Í. Âëèÿíèå âûñîòû
êðóãëîãî ñïèðàëüíîãî ðåáðà íà òåïëîîòäà÷ó è àýðîäèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå øàõìàòíûõ ïó÷êîâ òðóá // Âåñòíèê
Ìåæäóíàðîäíîé àêàäåìèè õîëîäà. 1998. ¹ 2. Ñ. 22−25.
14. Brauer H. Warmeubertragung und Stromungswiderstand bei
fluchtend und versetzt angeordneten Ri ppenrohren // Dechema
Monographie. 1962. Vol. 40. S. 41−76.
ISSN 0023-1126. ÕÈÌÈ×ÅÑÊÎÅ È ÍÅÔÒÅÃÀÇÎÂÎÅ ÌÀØÈÍÎÑÒÐÎÅÍÈÅ. 2010. ¹ 12.
7