В статье рассматриваются особенности работы водомасляных холодильников. Представлена конструкция экспериментального кожухотрубчатого гладкотрубного водомасляного холодильника, а также его геометрические характеристики. Приведен порядок определения средний теплоотдачи для многорядных пучков гладких труб. В результате экспериментального исследования определяется изменение числа Рейнольдса масла и коэффициента теплоотдачи.
Ключевые слова: кожухотрубные аппараты, масляные холодильники, кожухотрубчатый маслоохладитель, числа Рейнольдса и Нуссельта.
Применение значительного количества масла для гидростатических подшипников привело к увеличению массы, габаритов и металлоемкости маслоохладителей.
В настоящее время в качестве маслоохладителей в турбодетандерных агрегатах применяются кожухотрубные аппараты из гладких труб для малых производительностей (до 10 квт) и теплообменники из труб с интенсификаторами для производительности до 200 КВт [I].
В связи с возрастанием потребностей в турбодетандерных и других технологических установках, очень остро встает вопрос о совершенствовании конструкций маслоохладителей. Эффективным путем снижения весогабаритных характеристик теплообменников в различных отраслях промышленности является интенсификация теплообмена.
Потребность в интенсификации появляется часто тогда, когда увеличение скорости потока в пределах допустимых на практике гидравлических потерь давления, не обеспечивает получение необходимых габаритных размеров теплообменных аппаратов или заданной температуры стенок. Поэтому нужны методы интенсификации теплоотдачи, которые обеспечат уменьшение габаритных размеров при неизменных суммарных потерях давления на прокачку теплоносителей через теплообменный аппарат.
Главной особенностью водомасляных холодильников является резкое отличие физических свойств масла и воды, причем в первую очередь вязкости.
Вследствие высокой вязкости масла для большинства аппаратов устанавливается в масляной полости (каналах) ламинарный режим течения со сравнительно низкими значениями коэффициента теплоотдачи. Одновременно в водяных каналах, наоборот, могут быть получены высокие значения коэффициентов теплоотдачи. [1]
При создании высокоэффективных масляных холодильников возникает задача интенсификации теплообмена в масляной полости. Одним из основных факторов определяющих выбор типа водомасляного холодильника является его чувствительность к загрязнениям. Как правило, водомасляные холодильники используют для охлаждения проточную и оборотную воду. При эксплуатации систем оборотного водоснабжения возникают определенные трудности, связанные с необходимостью дополнительной подпитки свежей водой, вызванной испарением в атмосферу циркулирующей воды. Поэтому вода насыщается кислородом, что приводит к повышенной коррозии теплообменного оборудования. При длительной эксплуатации в охлаждающей воде накапливаются различные жесткие осадки. Однако, к наиболее распространенным отложениям относятся солевые, образующиеся в результате нарушения углекислотного равновесия в системах. Отложения, образующиеся на поверхностях теплообмена, приводят к резкому ухудшению теплопередачи.
Следует отметить, что средства борьбы с загрязнением в масляной полости связаны с установкой фильтров тонкой очистки, в то время как проблема очистки воды гораздо сложнее и требует дорогостоящего оборудования. На предприятиях, связанных с системой оборотной воды предусматривается специальная водоподготовка, которая включает в себя фильтрацию от механических примесей, подкисление или декарбонизацию от солевых отложений, хлорирований, от биологических обрастаний. [2]
Все эти трудности определяют необходимость поиска новых схем охлаждения. За последние годы проводятся работы по созданию аппаратов с воздушным охлаждением. Замена водяного охлаждения дает возможность не только сократить потребление воды оборотного и прямого водоснабжения, но также снизить эксплуатационные затраты.
Авторами работы проведены экспериментальное исследование работы маслоохладителя для двух случаев:
− при движении масла в трубном пространстве;
− при движении масла в межтрубном пространстве.
Экспериментальный гладкотрубный кожухотрубчатый маслоохладитель (рис.1) имеет следующие габариты: диаметр корпуса D =140мм, длина L = 700 мм, аппарат содержит 86 медных гладких труб 
8x1 мм, каждая дли-ной 590 мм. Расположение труб шахматное, поперечный и профильный шаги пучка равны между собой 
=
=10,5 мм. Трубки по концам развальцованы и припаяны к трубным доскам. Теплообменник по трубному пространству двухходовой, число труб в одном ходе N= 43 шт.
В межтрубном пространстве для создания поперечного обтекания труб жидкостью установлены сегментные перегородки, расстояние между ними 30 мм, общее количество-15 шт.
Геометрические характеристики представлены в таблице 1.
Таблица 1
Геометрические характеристики гладкотрубного кожухотрубного холодильника
|
Внутренний диаметр, мм |
Длина труб, мм |
Диаметр трубки, мм |
Шаг пучка, мм |
Число труб в одном ходе |
Расстояние между перегородками, мм |
Длина хорды перегор. мм |
Площадь сечения внутри труб, м2 |
Площадь сечения межтруб-ного прос-транства, м2 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
L |
d |
t |
N |
h |
a |
Sтр |
Sмжт |
|
125 |
590 |
8х1 |
10,5 |
43 |
30 |
100 |
0,00122 |
0,00063 |
Рис. 1. Экспериментальный кожухотрубчатый гладкотрубный водомасляный холодильник
Главной особенностью водомасляных холодильников является резкое отличие вязкости масла от вязкости воды. Даже одно из самых жидких масел — трансформаторное масло имеет коэффициент кинематической вязкости при t = 20ОC, 
20*10–6 
и соответственно критерий Прандтля равный 300, в то время как у воды 1 
и Pr = 7 [3].
У других масел значения кинематической вязкости
и критерия Прандтля Prмогут быть еще выше.
Рис. 2. Коэффициент теплопередачи в кожухотрубном холодильнике при течении масла в трубах (кривая-1) и в межтрубном пространстве (кривая-2)
На рис.2 представлены результаты экспериментального исследования, при этом видно, что в случае направления охлаждаемой среды в межтрубное пространство в интервале изменения чисел Рейнольдса масла Re = 200–1200, коэффициент теплопередачи К в среднем в 1.5–1.6 раза выше.
В теплообменных аппаратах используются также поперечно обтекаемые пучки гладких труб с шахматным (рис.3,а) и коридорным (рис. 3,6) расположением. Средняя теплоотдача для многорядных пучков гладких труб (Z > 10) определяется по формуле [4]:
= С 
(Prf / Prw) 0.25,
где для коридорных пучков при 
= 
….
коэффициенты с = 0,56 и n= 0,5.
при = 
….
с = 0,2; п= 0,65 для 
2 и C =0.2
; п = 0,65
при S2 
, < 2, причем для S1 /
1,5 принимается С = 0,2; при
S1/
> 3 принимается S1 /= 3.
При 
коэффициенты С = 0,02; п. = 0,84.
Для шахматных пучков при = ….
С = 0,64; n = 0,5 при = ….
и
(где диагональный шаг (см. рис. 3,a)
коэффициенты C =0,23+0,06 
п= 0,6;
при 
> 2*105 коэффициенты С= 0,023; п = 0,84.
За определяющий размер принят наружный диаметр труб DH, за расчетную скорость потока — средняя скорость в узком поперечном сечении пучка, за определяющую температуру — средняя температура потока 
, а число Прандтля 
определяется по средней температуре стенки. Для газов 
= 1
Рис. 3. Расположение труб в трубной решетке
Рис. 4. График зависимость 
= f (Z)
При числе рядов Z< 10 и 
= 103...105 число Нуссельта определяется по формуле
где 
определяется по формуле, а поправочный коэффициент - по кривым из рис. 4, где 1 относится к коридорным, а 2 -шахматным пучкам.
При обтекании пучков под углом 
90° к осям труб теплоотдача снижается, что учитывается поправкой 
, которая для 
= 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10° равна соответственно 
= I;I; 0,98; 0,94; 0,83; 0,78; 0,67; 0,52; 0,42.
Если температура теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно по сравнению с температурным напором то температурный напор можно определить как среднеарифметический между 
и
, т. е.
= 
Формулу (2.30) используют, если 
Вследствие высокой вязкости масла для большинства аппаратов устанавливается в масляных каналах ламинарный режим течения со сравнительно низкими коэффициентами теплоотдачи. В то время, как в водяных каналах, наоборот, могут быть получены очень высокие значения коэффициентов теплоотдачи.
Результаты экспериментального исследования показывает, что в случае направления охлаждаемой среды в межтрубное пространство, в интервале изменения чисел Рейнольдса масла Re = 200–1200, коэффициент тепло-передачи К в среднем в 1.5–1.6 раза выше.
Литература:
- Халисматов И. Х., Агзамов Ш. К., Наубеев Т. Х., Сапашов И. Я., Абдикамалов Д. Х. Эффективность использования воздушного охлаждения.//International Scientific and Practical Conference «WORLDSCIENCE». № 3(7).Vol 1, March 2016. 47–52 с.
- Тепловые и гидравлические испытания маслоохладителя М-240. / Пермяков В. А., Белоусов М. П., Даниленкова Н. И. и др. — Тр.ЦКТИ, 1969г, вып. 94, с. 146–156.
- Расчет и проектирование теплообменников вязкой жидкости с поверхностью из продольно-оребренных труб, РТМ 108.030.115–77/ -М.: НПО ЦКТИ, 1977г., — 36 с.
- Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах.-М.: Машиностроение, 1981. — 205- с.
