CC BY
38
РАТКИЕ СООБЩЕНИЯ И ОБМЕН ОПЫТОМ УДК 621.184.5
А.Э. Пиир1, А.Ю. Верещагин1, В.Б. Кунтыш2
1 Архангельский государственный технический университет
2 Белорусский государственный технологический университет
Пиир Адольф Эдвардович родился в 1940 г., окончил в 1962 г. Архангельский государственный лесотехнический институт, доктор технических наук, профессор кафедры промышленной теплоэнергетики Архангельского государственного технического университета. Имеет более 150 научных работ в области теории теплофикационных энергоустановок и конвективного теплообмена в ребристых поверхностях нагрева.
Тел.: (8182) 21-61-75
Верещагин Андрей Юрьевич родился в 1983 г., окончил в 2005 г. Архангельский государственный технический университет, ассистент кафедры промышленной теплоэнергетики, аспирант. Имеет 6 печатных работ в области исследования тепловых и аэродинамических характеристик биметаллических ребристых труб калориферов лесосушильных камер. E-mail: [email protected]
Кунтыш Владимир Борисович родился в 1941 г., окончил в 1963 г. Ленинградский технологический институт ЦБП, доктор технических наук, профессор Белорусского государственного технологического университета, чл.-кор. Международной энергетической академии и академик Международной академии холода. Имеет более 290 печатных трудов в области интенсификации конвективного теплообмена развитых поверхностей при внешнем обтекании их однофазными газовыми теплоносителями и теоретических основ для проектирования высокоэффективных теплообменников воздушного охлаждения энергоносителей. Тел.: (375-17) 226-46-12
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В КАЛОРИФЕРАХ ЛЕСОСУШИЛЬНЫХ КАМЕР ИЗ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ РЕБРИСТЫХ ТРУБ
Представлена упрощенная методика проектирования калориферов лесосушильных камер из биметаллических ребристых труб.
Ключевые слова: калориферы, теплопередача, аэродинамическое сопротивление, пучки труб, конструкторский и поверочный расчеты.
Биметаллические ребристые трубы (БРТ) с ленточными или накатными алюминиевыми ребрами - самый эффективный тип ребристой поверхности для газожидкостных теплообменников из выпускаемых отечественной промышленностью. Именно эти трубы успешно применяют при реконструкции калориферных установок импортных лесосушильных камер, поскольку алюминиевая оболочка устойчива к кислой воздушной среде сушильной камеры и надежно защищает от коррозии стальную несущую трубу.
Среди различных проектных решений конструкции калорифера оптимальным будет то, которое наиболее полно отвечает исходным условиям (с учетом запаса) по тепловой производительности, аэродинамическому сопротивлению и габаритам фронтального сечения.
Формулы, описывающие процесс передачи теплоты в калорифере, более подробно рассмотрены в работе [3]. Они образуют параметрическую систему уравнений, искомые величины которой (длина труб Ь, ширина калорифера В, число поперечных рядов пучка г, число ходов по теплоносителю х) обычно находят подбором скорости воздуха W2 на основании расчета большого числа вариантов. При этом выполняют много ненужной вычислительной работы, а в случае применения персонального компьютера найденный вариант, как правило, является наилучшим среди рассмотренных, но не абсолютным «чемпионом».
Цель нашей работы - сокращение до минимума объема вычислений при проектировании оптимальной конструкции калорифера.
Нами предложен способ получения теплоаэродинамических характеристик пучков БРТ с накатными ребрами, который отличается простотой, поскольку не требует итерации, а при определении размеров и конфигурации калорифера используют параметрические формулы теплоотдачи и теплопередачи для расчета аэродинамического сопротивления - упрощенные, но точные зависимости.
Рассмотрим предложенный метод проектирования на примере.
Задание. Определить ширину пучка В, длину Ь и число п теплооб-менных трубок, число поперечных рядов пучка г, число ходов по теплоносителю х, площадь теплообменной поверхности ¥ калорифера для лесосу-шильной камеры. Требования к конструкции калорифера: габариты проема для его размещения 2,5x1,5 м; расход воздуха при нормальных условиях V = 10 м3/с; начальная температура воздуха ¿2 = 50 °С ; подогрев воздуха с учетом 10 %-го запаса Д^2 = 24 °С; аэродинамическое сопротивление калорифера АР2 = 240 Па; температура греющей воды ¿1/¿"150/70 °С
Используемые обозначения 51 и S 2 - поперечный и диагональный шаги размещения труб в шахматном пучке;
й0 - диаметр у основания ребра; к - высота ребер;
- шаг ребер; Д - толщина ребра у его вершины; ^ - внутренний диаметр трубы, м; ¿1ср и ¿2ср - средняя температура воды и нагреваемого воздуха; Д^ и Д^2 - изменение температуры воды и температуры воздуха,°С; Д^р - располагаемый температурный напор, °С, Д^р = - ¿2';
Яз и Як - термическое сопротивление загрязнений и контакта, м2К/Вт;
5с и 5а - толщина стальной и алюминиевой стенки, м;
и - коэффициенты теплопроводности стали и алюминия, Вт/(мК).
На первом этапе проектирования определим исходные геометрические, температурные, физические параметры и теплоаэродинамические характеристики трубного пучка.
1. Выберем тип поверхности теплообмена.
Биметаллические ребристые трубы с накатным оребрением размерами d0xhxsxA = 25x14x2,8x0,6 мм. Ребристая оболочка - алюминиевая, несущая труба - стальная. Трубы данного типа отличаются наивысшей тепловой эффективностью и продолжительным сроком службы в кислой атмосфере лесосушильных камер. Компоновка пучка - шахматная, равносторонняя; S1 = S' = 60 мм. Схема движения воды - многоходовая, перекрестная, с расположением ходов в плоскости, перпендикулярной направлению движения воздуха.
2. Рассчитаем геометрические характеристики БРТ и трубного пучка.
Коэффициент оребрения
, 2h(d0 + h + Д) , 2 • 14(26 +14 + 0,6)
ф = 1 + —-= 1 +-i-'—L = 16,62.
d 0 s 26 • 2,8
Коэффициент увеличения поверхности
V _ 16,62 •26 _ 20,57. ё1 21
Площадь внутреннего проходного сечения трубы
П^2 3,14 • 0,0212
/ =—^ =-= 3,464 • 10
4 4
Удельная площадь наружной поверхности трубы
/2 = лф^0 = 3,14 • 16,62 • 0,026 = 1,358 м2/м
Коэффициент сжатия потока в пучке
, ё0 + 2кД / * 26 + 2 • 14 • 0,6/2,8
X = 1 —0-= 1----— = 0,4667.
^ 5 60
Коэффициент омывания поверхности
ш _ й _ Р.4667 • 0,060 _
/2 1,358
3. Определим параметры теплоносителей и их теплофизические свойства.
Параметры теплоносителя: средняя температура воздуха
, _ _ 50 + 74 _ 67°С.
сР2 _ 2 _ 2 _62 С;
средняя температура воды
, _ Щ _ 70 +150 _ 110 °с 431 2 2 110 С; температура стенки в зоне контакта ребристой оболочки с несущей трубой [5]
¿к = 0,5(^1 ср+ ¿2ср) + 0,25Г ¿1ср - ¿2ср) = 0,5(110 + 62) + 0,25(110 - 62) = 98 °С;
средний температурный напор в воздухонагревателе при перекрестном токе [4]
Atср = AtР - 0,6- о,5д/2 = -12) - о,б(^; - - 0,5(2' -1')= = (150 -50)-0,6(150 - 70)-0,5(74 -50)= 40 ° С.
Физические свойства сухого воздуха при температуре /ср2= 62 °С: кинематическая вязкость
V 2 =(13,28 + 0,09/2)' 10-6 =(13,28 + 0,09 • 62)-10-6 = 18,86 • 10-6 м2/с; теплопроводность X2 =(2,43 + 0,008/2)' 10-2 =(2,43 + 0,008 • 62)-10-2 = 2,926 -10-2 Вт/(м-К); плотность
р 2 = 1,293—--Д-= 1,293-760-1-= 1,054 кг/м3,
Рб 1 + / 2/273 760 1 + 62273
объемная теплоемкость
ср2 = 1,005р2 = 1,005 • 1,054 = 1,059 кДж/(кг-К).
Физические свойства воды при средней температуре (/ср1= 110 °С):
кинематическая вязкость v1 = 2,679 -10-7 м2/с;
теплопроводность Х1 = 0,6813 Вт/(м-К);
плотность р1 = 951,0 кг/м3;
удельная теплоемкость с р1 = 4,230 кДж/(кг-К);
критерий Прандтля Рг = 1,582 . Термическое сопротивление в зоне контакта БРТ [5] Як = 0,22 + 0,002(/к - 82) = 0,22 + 0,002(98 - 82) = 0,256 м2-К/кВт. 4. Выберем критериальные и расчетные формулы и определим их упрощенные аналоги.
Коэффициент теплоотдачи от воды к внутренней стенке трубки аь Вт/(м2-К), для приближенных расчетов
а! «(1600 +12'5t!)w10'7d10'2 =(1600 +12,5 • 110)0,0210,2 = 6442<'8, где w1 - скорость воды, м/с.
Коэффициент полной приведенной теплоотдачи от ребристой трубы к воздуху а2, Вт/(м2К), найдем из формулы [2]
Ки, = = 0,36 г -' £ д! ' ^ а 0 где г - число рядов;
Х 2
V £ 2 и
V 2 У
Л С. 0,125
п - параметр, учитывающий влияние числа рядов, п = 0,6 • г ; w2 - скорость воздуха, м/с.
При г = 4 и п = 0,6 • 40125 = 0,7135 имеем
а 2 = 0,36 г
Г 81 0,25 Гй >"
V 8 2 к
20
V,
V 2 У
Я 2 й 0
= 0,36 г-
60 0,6 51,96 14
Г • 0,026 ^
15,98 • 10-
0,7172
0,0267 0,026
= 34,09г-0'7172 ^20,7172 = 12,7^7172.
В первом приближении при г = 4 примем а 2 = 12^° . Аэродинамическое сопротивление трубного пучка с накатным ореб-рением при учете динамического напора потока воздуха [5]
Гй V0-28
ДР2 = Ю,9С7СфС8
2 'г ф 8
Щ й 0
V У 2 У
Р 2 W0(г + 1),
где Сг - поправка на число рядов, Сг = 1 + 0,01(6 - г)2; Сф - поправка на оребрение, Сф=(к + 5)/й0 ;
С8 - поправка на компоновку трубок в пучке, С8 =
(й0 + 2Н )М3
810'5 82033
После подстановки геометрических данных и физических констант получим аэродинамическое сопротивление, Па,
ДР2 = 1,00w2•72 (г +1).
Соотношение скоростей теплоносителей при условии, что коэффициент теплоотдачи со стороны воды превышает коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха в 2,5 раза (а! = 2,5уа2 w1 = 0,05^2) составит w1 = 0,05^2.
Коэффициент теплопередачи в БРТ со стальной несущей трубой и накатной алюминиевой ребристой оболочкой, Вт/(м°-К),
1
к = -
1
— + у
1 8с 5Я
— + Дз + Дк + — + —
V а1 ^с ^а
Л •
При сопряженных значениях скоростей ^1= 0,05^2 из условия
0,5
а1 = 2,5 уа2 получим к = 10 w
Число поперечных рядов в пучке, необходимое для нагрева воздуха на Дг2 при его средней скорости w2 = 10 м/с,
Дг 2
с 2 Дг 2 г = юw0-^ —» 6,9-
к Дгср Дг ср
Длина пути воды в трубах, необходимая для ее охлаждения на Дг1 при средней скорости 0,5 м/с,
/ с л.л 0,0003464 4,236 хЬ = pw1 ——--1--- = 951 • 0,5 —------- = 16,6- 1
/2 к Дгср
Здесь х - число ходов; Ь - длина трубы.
1,358
31 Д с
п
0,25
0,7172
а
2
На втором этапе проектирования проведем конструкторский расчет размеров калорифера и конфигурации его пучка.
1. Число поперечных рядов в пучке
А/2 24 г = 6,9—^ = 6,9— = 4,14 . А/ср 40
Примем г = 4.
2. Скорость воздуха в сжатом сечении трубного пучка при ограничении общего напора вентилятора
w, =
/ \0,58 / \ 0,58
( Ар V ( 240 V
1,22(г + 1)У V 1,22(4 +1) 3. Коэффициент теплопередачи
= 8,46 м/с.
к = 10w20'5 = 10 • 8,4605 = 29,1 Вт/(м2-К).
4. Площадь поверхности теплообмена калорифера из условий теплопередачи
„ о2УА2 1059 • 10 • 0,63 2
Гт =-=-= 229,1 м .
т к А/Ср 29,1
5. Длина пути охлаждения воды
А/,
хЬ = 16,6—^ = 16,6 • 2 = 33,2 м. А/ср
Примем х = 8; Ь = 4,2 м.
6. Число ребристых труб в пучке
229,1
п = —^ =-^— = 40,2 шт.
/2Ь 1,358 • 4,2
Примем п = 40, как величину, кратную числу рядов (г = 4) и числу ходов (х = 8).
На третьем этапе проектирования проведем поверочный тепловой расчет калорифера с размерами пучка Ь = 4,2 м и конфигурацией х = 8, г = 4, п = 40.
1. Фронтальное сечение пучка
£ ф = Ь^г = 4,2 • 0,060 -10 = 2,52 м2.
2. Скорость воздуха в сжатом фронтальном сечении
У 10 ,
w, =-=-= 8,51 м/с.
2 х£ф 0,466 • 2,52
3. Коэффициент теплоотдачи от трубки к воздуху
а2 = 12^2°,7172 = 12,7 • 8,5 10,7172 = 59,8 Вт/(м2-К).
4. Коэффициент теплоотдачи от воды к внутренней стенке трубки
а, = 6442w10'8 = 6442 • 0,4530,8 = 3415 Вт/(м2-К).
5. Скорость воды в трубах
Gx Qx c2 At 2V
Pifin PificiAti ciAtiPifin 1059•24•10•8
= 0,453 м/с.
4230•80•951 • 0,0003464•40
6. Коэффициент теплопередачи
, Г 1 U 1 2 0,256 0,002 0,001
k = -+ 20,571-+ —7 + , + —-+ —-
59,8 ^ 3415 1 04 1 03 4 0 200
7. Расход греющей воды
= 30,7 Вт/(м2К).
G = =caAtaV = 1059 •24'10 = 0,752 кг/с.
cjAtj CjAtj 4230 • 80
8. Действительный подогрев воздуха [1]
/ \-1 / \-1 „ 1/ „ 1/ Л А«П 1 А 1 А«П 1 А \
At2 = Atp
c2V c2V 2 + 0,6—— + 0,5
ч
= 100| + 0,6 1059 40 + 0,5 | = 25,1 °С.
30,7 • 233 4230 • 0,752
kF c1G
Калорифер с указанными размерами трубного пучка обеспечивает необходимый подогрев воздуха с запасом (25,1 - 22,0) • 100 % / 22 = 14 %, что превышает погрешность коэффициента теплопередачи, равную 10 %, и гарантирует надежную работу аппарата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пиир, А.Э. Новая методика конструкторского и поверочного расчетов воздухоподогревателей [Текст] / А.Э. Пиир, В.Б. Кунтыш // Вестник междунар. академии холода. - 1998. - Вып. 3-4.- С. 36-40.
2. Пиир, А. Э. Обобщенная критериальная формула для расчета приведенной теплоотдачи в теплообменниках из биметаллических ребристых труб с накатным оребрением [Текст] / А.Э. Пиир // Совершенствование энергетических систем и технологического оборудования: сб. науч. тр. -Архангельск, 2002. - С. 132-136.
3. Пиир, А. Э. Основы проектирования высокоэффективных воздухонагревателей [Текст]: учеб. пособие / А.Э. Пиир. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 1998. - 79 с.
4. Пиир, А.Э. Расчет температурного напора при перекрестном токе [Текст] / А.Э. Пиир, В.Б. Кунтыш // Лесн. журн. - № 5. - 1999. - С. 126-129. - (Изв. высш. учеб. заведений).
5. Пиир, А.Э. Результаты исследований воздухонагревателей из биметаллических ребристых труб [Текст] / А.Э. Пиир, В.Б. Кунтыш // Наука - северному региону: сб. науч. тр. - Архангельск, 2004. - С. 240-251.
Поступила 24.01.08
A.E. Piir1, A. Yu. Vereshchagin1, V.B. Kuntysh2 Arkhangelsk State Technical University 2Belarusian State Technological University
Technique of Design and Calculation of Heat Transfer in Heaters of Timber Drying Kilns Made of Bimetallic Ribbed Pipes
The simplified model of designing heaters of timber-drying kilns made of bimetallic ribbed pipes is presented.
Keywords: heaters, heat transfer, aerodynamic resistance, pipe bunches, design and checking calculations.
