CC BY
57
УДК [621.515:621.438] :621.64
Ю. М. Худалиев
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОРЕБРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБОК В УТИЛИЗАТОРЕ ТЕПЛА
Газоперекачивающий агрегат, осуществляющий сжатие газа на компрессорной станции (КС), состоит из компрессора, непосредственно сжимающего газ, и какого-либо энергопривода: электродвигателя или газовой турбины. Компрессорные станции оснащены агрегатами воздушного охлаждения (АВО), понижающими температуру сжатого газа для увеличения пропускной способности газопровода и предотвращения разрушения гидроизоляции магистрального газопровода. Теплота, отведенная от АВО воздухом, рассеивается в окружающей среде. В связи с этим возникает перспектива утилизации теплоты сжатого газа, которую можно реализовать с помощью утилизационного теплообменника с тепловыми трубками (рис. 1).
Рис. 1. Утилизационный теплообменник на тепловых трубках:
1 - корпус теплообменника; 2 - патрубок входа газа; 3 - патрубок выхода газа; 4 - патрубок выхода газа из теплообменной камеры; 5 - теплообменная камера; 6 - водяная рубашка; 7 - вход воды;
8 - выход воды; 9 - тепловые трубки; 10 - кольцевые ребра; 11 - регулировочная заслонка;
12 - водогрейные трубки; 13 - рычаг поворота регулировочной заслонки
Исследуемый утилизационный теплообменник предназначен для охлаждения природного газа после его сжатия в компрессорной установке на магистральной или линейной КС [1]. Охлаждение природного газа осуществляется проходящей через теплообменник-утилизатор водой, которая используется для обогрева помещений КС, обеспечения обслуживающего персонала КС горячей водой, подогрева топливного газа и т. д. Для интенсификации процесса передачи теплоты от горячего природного газа утилизационный теплообменник оснащен тепловыми трубами.
Особенностью конструкции утилизационного теплообменника на тепловых трубках является то, что она составлена на базе отдельного унифицированного элемента - тепловой трубы. Передача теплоты от горячего газа к охлаждающей жидкости осуществляется процессом теплопередачи как через перегородку, так и через тепловую трубку. Процесс теплопередачи включает в себя конвективный теплообмен, теплопроводность и перенос теплоты в тепловой трубке. Очевидно, что со стороны газа потребуется интенсификация процесса теплопередачи, которую можно осуществить, увеличив площадь теплообмена. Для оребрения тепловых трубок были выбраны цилиндрические ребра, расположенные концентрически. Расположение этих ребер должно быть таким, чтобы скорость потока газа между ребрами была одинаковой, следовательно, расстояние между ребрами должно быть рассчитано с учетом живого проходного сечения Е в канале, образованного соседними ребрами:
F = d - di+i2)n/4;
Fi = F2 = F3= ... = F„ = idem,
где d - диаметр ребра.
Отсюда следует, что каждое следующее ребро будет иметь диаметр
di+1 = ’ ldi
2 _ 4F p
а последнее ребро должно иметь диаметр, удовлетворяющий условию
d
d > d = -
n пред
tg
где ^пред - предельный диаметр; d0 - диаметр тепловой трубки; ф - угол между трубками.
Для расчета эффективности ребер в аппарате рассмотрим одну трубку с ребрами, выделив сектор оребрения по биссектрисам с каждой стороны от трубки. Развернем каждое ребро на трубке до прямого ребра с шириной А и высотой В (рис. 2), которые можно рассчитать по формулам:
A =
di nj , 360 ;
Bi = d0 S ,
где di - диаметр 7-го ребра; d0 - диаметр тепловой трубки; ф - угол между трубками; S - шаг между рядами трубок по вертикали.
С учетом приведенных допущений получаем трубку с ребрами переменной ширины. Коэффициент эффективности каждого ребра постоянной толщины можно рассчитать по формулам [2, 3]:
= Щтк ) ; тк, = (/7у6^л/2В7,
' тк
где к - приведенная высота ребра, к' = 0,5d0 (р'-1)(1 + 0,8051п р'), р'= 1,28 — /В7 - 0,2 ;
do
а 5
В7 = —г-критерий Био; аг - коэффициент теплоотдачи газа; 5 -толщина ребра; Ар - коэффи-
1 р
циент теплопроводности ребра.
Коэффициент эффективности всей оребренной поверхности рассчитывается по формуле
Pi
E = -*=-
Для расчетов использовались программы Microsoft Exel 2003 и Mathcad 2001 Professional. Полученные зависимости представлены на рис. 3 и 4.
n
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
N • V \\\*
\w \\ * Л
V \ч\ Л\\ ^
VV4
_ — —
S = 1,5 S = 2 S = 2,5 S = 3 S = 3,5
0,1
0,15
0,25
Рис. 3. Зависимость коэффициента эффективности оребрения от относительного угла между тепловыми трубками
0,05
0,2
j
Как видно из рис. 3, при изменении параметра от 0,025 до 0,25, т. е. при изменении количества трубок от 40 до 4 в ряду и при постоянных значениях S - шага между рядами, коэффициент эффективности оребрения поверхности уменьшается от 0,909 до 0,163.
0
- ф'= 0,25
.... ф'= 0.125
—. ф'= 0.0625
ф'= 0.0417
---- ф'= 0.03125
.... ф'= 0.025
1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4
Рис. 4. Зависимость коэффициента эффективности оребрения от шага между рядами тепловых трубок
0,8
0,6
0,4
0,2
Из рис. 4 видно, что при изменении значений параметра 5 от 1,5 до 3,5 и при постоянных значениях параметра ф/ коэффициент эффективности оребрения поверхности уменьшается от 0,909 до 0,163.
При уменьшении относительного угла между трубками увеличивается их количество, длина тепловых трубок уменьшается, при этом эффективность оребрения растет. Увеличение шага между трубками приводит к уменьшению рядов тепловых трубок и, как следствие, к ухудшению эффективности оребрения. Однако вопрос об оптимальном коэффициенте
оребрения может быть решен только на основе экспериментальных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Худалиев Ю. М. Анализ схем утилизации вторичных энергоресурсов турбокомпрессорных газоперекачивающих станций // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 6 (41). - С. 105-109.
2. Лашутина Н. Г., Макашова О. В., Медведев Р. М. Техническая термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики. - Л.: Машиностроение, 1988. - 336 с.
3. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. - 320 с.
Статья поступила в редакцию 15.10.2008
EFFICIENCY OF HEAT PIPES FINNING IN HEAT UTILIZER
Yu. M. Khudaliev
The studied rendering heat exchanger is designed for cooling of natural gas, after its compression in compressor installation at the main or linear compressor station. Cooling of natural gas is carried out by water passing through the heat exchange utilizer which is used for heating of CS premises, provision of CS serving personnel with hot water, heating of fuel gas etc. For intensification of the process of heat transfer from hot natural gas, the rendering heat exchanger is equipped with heat pipes. In terms of gas the intensification of the process of heat transfer, which can be made, having increased the heat exchange area, is required. For heat pipes finning cylindrical webbing located concentrically, have been chosen. Dependence of finning coefficient from the relative corner between pipes and the step between numbers of pipes has been calculated. At reduction of the relative corner between pipes their quantity increases, the length of heat pipes decreases, thus finning efficiency increases. The increase of the step between pipes leads to reduction of the number of heat pipes and, as a consequence, to reduction of finning efficiency.
Key words: compressor station, heat pipes, heat exchange utilizer, finning coefficient.
