Совершенствование методики теплового расчета и проектирования аппаратов воздушного охлаждения с шахматными оребренными пучками

В энергетике находят все большее применение воздухоохлаждаемые конденсаторы водяного пара, воздушные холодильники циркуляционной воды и масла турбоагрегатов и газотурбинных установок. Особенно это направление актуально для регионов с ограниченными запасами пресной технической воды. Применение воздушного охлаждения также перспективно в схемах аварийного расхолаживания ядерных реакторов.

Современное состояние экономики страны таково, что на первый план выдвигается проблема энергосбережения на всех участках хозяйственной деятельности. Потенциал энергосбережения, имеющийся на настоящий момент в России, просто огромен и оценивается в 460.540 млн. т. у. т., то есть примерно в половину суммарного потребления первичных топливно-энергетических ресурсов в стране за 1995 г [1]. По оценкам российских экспертов, от четверти до трети этого потенциала может быть реализовано в результате осуществления незатратных или малозатратных мероприятий.

Ряд таких мероприятий должен быть направлен на применение энергосберегающих режимов эксплуатации установок воздушного охлаждения, экономичность работы которых главным образом зависит от величины потребляемой электроэнергии на привод вентиляторов охлаждающего воздуха.

В качестве охлаждающего агента для отвода теплоты в технологических процессах, а также от охлаждаемого оборудования до середины 70-х годов в большинстве случаев использовалась пресная вода. Потребление воды промышленностью на цели охлаждения непрерывно увеличивалось, что заметно обострило экологическую обстановку из-за повышения температуры воды в природных водоемах и уменьшения в них содержания кислорода, а также из-за химических загрязнений охлаждаемыми продуктами вследствие разуплотнения теплообменников водяного охлаждения или залповыми загрязнениями в аварийных ситуациях.

Кардинальным решением проблемы сокращения водопотребления в промышленности является замена воды, как рабочего охлаждающего агента, более доступным и дешевым агентом — воздухом. Практическая реализация этой идеи оказалась возможной благодаря разработке и внедрению в производство рекуперативных поверхностных аппаратов воздушного охлаждения (АВО) прежде всего в нефтеперерабатывающую и нефтехимическую промышленность. Потребление воды в этих отраслях сократилось на 80.90% [2], и в настоящее время трудно представить работу заводов по нефтепереработке, оргсинтезу, производству соды и минеральных удобрений без АВО.

Анализ современного состояния энергетики мира [3] показывает, что в структуре мирового снабжения первичными топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) доля нефтяного топлива снижается при одновременном увеличении доли природного газа. За последние 20 лет мировая добыча газа возросла почти вдвое и в 1996 г. достигла 2,3 трлн. м3, из которых более четверти приходится на Россию. От общего объема энергетического сырья, добываемого в нашей стране, на долю газа в настоящее время приходится около 30% [4], а на 2050 г. намечается увеличение до 50%, что вызовет рост газотранспортных магистралей, возрастет количество газоперекачивающих компрессорных станций и потребляемой мощности.

АВО получили исключительное применение на компрессорных станциях магистральных газопроводов [5] вследствие своих преимуществ перед другими типами теплообменных аппаратов: не требуют размещения станций вблизи источников водоснабжения, нет необходимости в дополнительной подготовке энергоносителей, надежны в эксплуатации, обладают экологической чистотой, имеют простые схемы подключения.

В последнем десятилетии нашего века системы воздушного охлаждения начинают получать распространение и в энергетике [6, 7] из-за дефицита и ухудшения качества технической воды для охлаждения оборудования и, прежде всего, конденсаторов водяного пара. Все большее число заказчиков в.

России, СНГ и за их пределами отдают предпочтение использованию АВО в режиме воздушно-конденсационных установок (ВКУ) в схеме современных паровых турбин. ВКУ следует рассматривать как оборудование, исключающее жесткую связь паротурбинной установки с источником водоснабжения. Анализируются также возможности и целесообразность применения АВО в нетрадиционной энергетике, в частности, на геотермальных электростанциях [8].

Таким образом, наряду с находящимися в эксплуатации десятками тысяч АВО спрос на дальнейшее расширенное применение их в ближайшие десятилетия будет непрерывно возрастать при одновременном требовании высокой надежности и улучшении технико-экономических показателей.

Расчет требуемой площади поверхности теплообмена АВО выполняется по средней для района температуре воздуха в 13 часов наиболее жаркою летнего месяца. Следовательно, значительную часть общегодового времени АВО работают с большим запасом поверхности теплообмена, который увеличивается с понижением температуры атмосферного воздуха. Кроме того, основную часть времени вентиляторы АВО эксплуатируются на номинальном режиме, что приводит к большим годовым расходам электроэнергии. Повышение экономичности и снижение эксплуатационных затрат АВО возможно переводом эксплуатации их в режим естественной конвекции при отключенных вентиляторах в случае достаточно низких температур воздуха, а также в режим периодического включения вентиляторов или отключения части вентиляторов в группе АВО. Отмечается [9, 10], что при расчетной температуре атмосферного воздуха и отключенных вентиляторах обеспечивается до 30% номинальной тепловой нагрузки аппарата, а в холодный период года при температурах воздуха ниже -15 °С номинальная нагрузка обеспечивается полностью.

Но АВО эксплуатируются в составе технологических линий и установок со строго ориентированными температурными графиками и промежуточное недоохлаждение продукта нарушит производственный цикл и вызовет снижение производительности установки по конечному продукту, что в итоге принесет больший экономический ущерб по сравнению с экономией энергии. Для исключения подобных ситуаций необходимо обеспечить надежность температурного регулирования АВО, которая в решающей мере определяется наличием достоверных данных по теплообмену пучков ребристых труб в условиях свободной конвекции.

Сложившееся положение в этой области таково, что не представляется возможным выполнение обоснованных расчетов величины теплового потока от АВО в режиме естественной конвекции из-за отсутствия в справочной научно-технической литературе [11] расчетных уравнений по свободно-конвективному теплообмену шахматных пучков труб любых форм оребрения, не только конструктивных ребер этих аппаратов. Этот факт вполне логичен и закономерен, так как до последнего времени не уделялось должного внимания экономии электроэнергии на привод вентиляторов, и поэтому широких исследований в этом направлении не проводилось.

Автору известна лишь единичная публикация [12] по исследованию теплообмена свободной конвекцией на однорядных пучках из ребристых труб. Эксперименты проводились на биметаллических трубах АВО с накатными спиральными ребрами ф= 15,25. Очевидно, что имеющихся зависимостей недостаточно для удовлетворительного теплового расчета пучков АВО, лак как однорядные компоновки не применяются в современных серийных аппаратах.

Все промышленно развитые страны, производящие аппараты воздушного охлаждения, применяют в теплообменных секциях биметаллические трубы с непрерывными спиральными ребрами [13]. Можно выделить два основных типа спиральных ребер, отличающихся технологическим процессом изготовления: ребра, сформированные в процессе поперечно-винтового накатывания из толстостенной алюминиевой заготовкиребра, изготовленные спиральной навивкой алюминиевой ленты.

Согласно [14], целесообразным является применение в пучках АВО труб оребренных навитой и завальцованной алюминиевой лентой. Однако эта рекомендация вряд ли может быть выполнена в ближайшее десятилетие, поскольку производство оребренных труб для АВО в Российской Федерации осуществляется лишь на Бугульминском механическом заводе и АО «БОР-ХИММАШ» в г. Борисоглебске, которые специализируются на выпуске биметаллических труб с накатным оребрением по технологии ВНИИМЕТМАШ. Оребрение труб лентой было полностью сконцентрировано на Таллиннском машиностроительном заводе им. Лауристина, который производил 50.60% ребристых труб в отрасли бывшего Минхиммаша СССР, а после распада Союза этот завод находится на территории другого государства. Для переориентации оставшихся двух российских заводов на оребрение труб лентой требуются значительные инвестиции, чем отрасль на данный момент не располагает.

Следовательно, приоритетной является задача по исследованию свободно-конвективного теплообмена в пучках из биметаллических труб с накатным оребрением.

Основой развития АВО являлись биметаллические трубы [14], ореб-ренные накаткой с коэффициентом оребрения ф= 15.20 и наружным диаметром ребра d= 56.57 мм. Наружный диаметр несущей трубы 25 мм, толщина стенки 2 мм. Ребристая оболочка выполняется из алюминиевых сплавов, а несущая труба из черных или цветных металлов с учетом коррозионно-сти охлаждаемого продукта.

Таким образом, современная экономическая и экологическая ситуация, заставляющая искать пути снижения электропотребления, практически полное отсутствие исследований по свободной конвекции в пучках оребренных труб обосновывают актуальность возникшей задачи по созданию надежной методики теплового расчета АВО при эксплуатации в режиме свободной конвекции и разработке рекомендаций по выбору эффективных конструктор-ско-компоновочных решений для системы подачи охлаждающего воздуха.

Решению этой задачи посвящена тема кандидатской диссертации «СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ АППАРАТОВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ С ШАХМАТНЫМИ ОРЕБРЕННЫМИ ПУЧКАМИ» .

Экспериментальная часть работы была выполнена на созданной автором опытной установке для исследования процессов свободно-конвективного теплообмена пучков труб в лаборатории кафедры промышленной теплоэнергетики Архангельского государственного технического университета (АГТУ).

Основные результаты диссертации опубликованы в статьях [15.21].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

На основании результатов теоретических, экспериментальных и рас-четно-аналитических исследований, представленных в диссертационной работе, можно сделать следующие выводы.

1. Разработана уточненная методика расчета теплового потока излучением оребренных труб и пучков, базирующаяся на расчетно-экспериментальном способе определения эффективной степени черноты одиночной трубы и обоснованном применении зонального метода к трубным пучкам.

2. Разработаны опытная установка, труба-калориметр для измерения средней теплоотдачи и методика экспериментального исследования свободно-конвективного теплообмена пучков из труб с поперечными ребрами в неограниченном объеме воздуха.

3. Впервые выполнены всесторонние экспериментальные исследования порядной и средней свободно-конвективной теплоотдачи биметаллических труб АВО с коэффициентом оребрения ф= 16,8- 21,0, собранных в шахматные равносторонние пучки с шагами S = S2 = 58. 100 мм и числом поперечных рядов z = 2.5, а также однорядные пучки при этих же шагах труб. Угол наклона осей труб к горизонтальной плоскости составлял у = 0.600. Опытами охвачен интервал изменения числа Ra = (0,3.4,0)105.

4. Исследованы перспективные для АВО равнобедренные четырехрядные шахматные пучки с шагами S = 64 мм, S2 = 50,2. .65,8 мм.

5. Предложены расчетные критериальные уравнения для порядной и средней теплоотдачи исследованных пучков и впервые обобщенное критериальное уравнение по средней теплоотдаче, охватывающее весь диапазон кон-структорско-компоновочных характеристик пучков и тепловых режимов, имевших место в опытах.

6. Исследованы закономерности совокупного влияния величины шагов равносторонней компоновки труб S = S2, числа рядов z и номера ряда / на порядную и среднюю теплоотдачу пучка. Установлено, что геометрия пучка определяет баланс таких физических факторов как подогрев потока воздуха, сопротивление его движению и разгон, оказывающих доминирующее влияние на свободно-конвективную теплоотдачу.

7. Впервые исследовано влияние наклона осей труб пучка у на среднюю теплоотдачу в интервале у = 0.60°. Предложены зависимости поправочных коэффициентов Сг для расчета шатровых типов АВО, работающих в режиме свободной конвекции и широко применяемых в ВКУ.

8. Получена впервые зависимость поправочного коэффициента С (0 от угла наклона (о продольной оси пучка с горизонтально расположенными трубами в интервале со = 0.60° для расчета свободно-конвективного теплообмена зигзагообразных типов АВО.

9. Экспериментально изучено влияние нижнего и верхнего расположения осевого вентилятора (диффузора и конфузора) и предвключенного ряда труб на интенсивность свободно-конвективного теплообмена горизонтального пучка, моделирующего теплообменную секцию АВО. Разработаны рекомендации для проектирования и поправочные коэффициенты, учитывающие влияние этих элементов конструкции аппарата на протекание процессов тепловой конвекции.

10. Выполненные расчеты показали, что перевод АВО в режим свободной конвекции отключением части или всех вентиляторов позволяет уменьшить электропотребление в годовом цикле эксплуатации на 25.45% в зависимости от климатологических данных места установки аппарата, температуры и теплофизических свойств охлаждаемого теплоносителя.