CC BY
60
УДК 62-69
Н. В. ОБОЛЕНСКИЙ, Е. Б. МИРОНОВ, С. Б. КРАСИКОВ
ОРЕБРЕНИЕ ИНДУКТОРА И ЦЕНТРАЛЬНОГО КАНАЛА - ПУТЬ СНИЖЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОТЕКАНИЮ ВОДЫ В ИНЖС
Ключевые слова: индукционный нагреватель жидких сред (ИНЖС), индуктор, оребрение, теплоотдающая поверхность, гидравлическое сопротивление.
Аннотация. Предложено оребрение индуктора и центрального цилиндрического канала, обеспечивающее максимальный теплообмен при снижении массы и гидравлического сопротивления индукционного нагревателя жидких сред.
Авторы изобретения «Устройство индукционного нагрева жидких сред» [1] утверждают, что оно решает техническую задачу максимального теплообмена, обеспечивающего быстрый и стабильный нагрев большого объема жидких сред.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство, рис.1, содержащее цилиндрический корпус 1 с крышкой 2 и днищем 3, кольцо 4 с прорезями, центральный цилиндрический канал 5, индуктор 6, обмотку 7, входной 8 и выходной 9 патрубки, дополнительно снабжено двумя цилиндрами 10 и 11, коаксиально установленными и смонтированными с образованием кольцевых каналов
© Оболенский Н. В., Миронов Е. Б., Красиков С. Б.
для циркуляции нагреваемой жидкой среды, а также тремя кольцами 12, 13, 14 с прорезями, два из которых служат упорами для дополнительных цилиндров, а третье - для ограничения верхних частей этих цилиндров.
Рисунок 1 - Схема существующего устройства ИНЖС Устройство, рис.1, имеет существенные недостатки: высокую трудоёмкость изготовления из-за сложности сборки и плотного соединения цилиндрических элементов с кольцами, большой расход металла на изготовление; значительное гидравлическое сопротивление протеканию жидкой среды из-за многократных резких поворотов, приводящее к увеличению расхода электроэнергии на прокачку, а значит, как следствие, повышенные стоимость изделия и его эксплуатационные расходы.
Устранение указанных недостатков возможно при использовании в ИНЖС оребрения наружных поверхностей индуктора и центрального цилиндрического канала вместо трудоёмких в сборке и имеющих значительную массу двух промежуточных цилиндров и трёх колец.
На рис. 2 представлена схема модернизированного авторами устройства ИНЖС, содержащего цилиндрический корпус 1 с крышкой 2 и днищем 3, центральный цилиндрический канал 4, оснащённый винтовыми рёбрами 5, индуктор 6, выполненный в виде цилиндра, оснащенный винтовыми рёбрами 7, смонтированный на днище 3 и имеющий обмотку 8, герметично запрессованную связующим диэлектрическим материалом, входной 9 и выходной 10 патрубки.
Прототип, рис.1, имеет повторяющиеся конструкционные элементы, создающие гидравлические сопротивления (рис. 3.. .5).
Рисунок 3 - Внезапное расширение с резким поворотом на 90 °, резкий поворот на 90 ° с внезапными сужениями и расширениями
Рисунок 4 - Внезапное сужение и расширение с резкими поворотами на 180 °
Рисунок 5 - Внезапные сужения и расширения с резкими поворотами на 90 °, внезапное сужение с резким поворотом 90 °
Суммарный коэффициент гидравлического сопротивления прототипа составляет, Па:
= пСі + П^2 + пСз + П^4 + пСз , где С1 - коэффициент сопротивления при внезапном расширении; £2 - коэффициент сопротивления при повороте на 90 °; £э - коэффициент сопротивления при прохождении через сужения (отверстия); С,4 - коэффициент сопротивления при повороте на 180 °; £5 - коэффициент сопротивления при внезапном сужении.
1. Внезапное расширение струи (рис. 3) создает наибольшие потери напора. В этом случае скорость частиц среды тратится на образование завихрений, перемешивание среды, нагревание ее и т. д.
Приближенная зависимость коэффициента местного сопротивления от соотношения площади сечения трубы (полости подогревателя) до расширения / и площади сечения этих элементов после расширения Г потока выражается формулой
г2
С =11 - Г
где Ср - коэффициент сопротивления, отнесенный к
скорости среды до расширения.
Учитывая, что / = лВ12:4, а Г = п022:4, получаем:
, 2
С =
\ - ОНл о ,2
V 2 У
£= 0,93,
где Б1 - диаметр входного патрубка нагревателя, Б2 - диаметр корпуса нагревателя.
2. Поворот без скругления (угол 90 ° и 180 °) рис. 3, 4, 5. При изменении направления потока появляются центробежные силы, направленные от центра кривизны к внешней стенке трубы.
Давление в пределах поворота у внешней стенки больше, чем у внутренней. Соответственно скорости у внешней стенки меньше, чем у внутренней. Вследствие этого вдоль боковых стенок трубы, вблизи поверхности которых скорость невелика, будет происходить движение жидкости от внешней стенки к внутренней, т. е. возникает поперечная циркуляция в потоке. В результате образуется парный (двойной) вихрь, который накладывается на поступательное движение; линии потока становятся винто-
образными. Происходит отрыв потока от обеих стенок, образуются водоворотные области с обратными направлениями линии тока в них у стенок трубы.
Повышенная пульсация скоростей и интенсивное перемешивание частиц наряду с затратами энергии потока на поддержание водоворотных областей на поворотах приводят к увеличенным потерям напора на повороте по сравнению с потерями на прямолинейных участках.
Согласно [2] при повороте без скругления для гладких стенок труб при Яе > 2-105 коэффициент сопротивления £2 при угле поворота 90 ° будет равен 1,19. Коэффициент сопротивления (4 при угле поворота 180° будет равен 3.
При движении жидкости через нагреватель встречается два поворота с углом 90° и четыре поворота с углом 180°.
3. Коэффициент сопротивления при прохождении через сужения (отверстия) £з-
Коэффициент сопротивления сужения при круглом концентрическом отверстии, зависит от отношения площади отверстия / к площади сечения Г (п = //Г).
При протекании через отверстия поток суживается до площади отверстия /, за отверстием образуется транзитная струя, которая сначала испытывает сжатие, а затем расширяется до размеров сечения трубы. Происходит отрыв потока от стенок, между струёй и стенками образуется водоворотная зона. Граница раздела между водоворотной областью и транзитной струёй неустойчива, пульсирует. На поверхности струи происходит интенсивное вихреобра-зование. Согласно [2] коэффициент сопротивления при Яе > 105 и п = 0,9 будет равен Сз = 0,13.
Однако следует учесть, что это значение характерно для одного отверстия и при однократном прохождении. Согласно [1] количество отверстий в первом контуре на-
грева 32, а во втором контуре 28. Общее количество отверстий - 184.
Следует отметить, что в зависимости от мощности водонагревателя меняются его габаритные размеры, в том числе и его диаметр. Это приводит к тому, что приходится увеличивать количество отверстий в кольце, что создаёт повышение гидравлических сопротивлений.
4. Коэффициент сопротивления при внезапном сужении £5 . При внезапном сужении, как и при внезапном расширении, за их кромкой поток отрывается от твёрдой стенки и образуется транзитная струя, которая сначала испытывает сжатие, а потом расширение. Между твёрдой стенкой и поверхностью транзитной струи образуется водоворотная зона, вихри, которые в результате обмена жидкостью между водоворотной зоной и транзитной струёй проникают в поток, где гасятся трением.
При числах Яе > 104 коэффициент сопротивления зависит только от отношения ¥//. Устройство содержит несколько ступеней. Согласно [2] суммарный коэффициент сопротивления при ¥// = 0,6 £5 = 0,25. Согласно [1] таких переходов 3, а также один переход с Г// = 0,4 £5 = 0,34.
Суммарный коэффициент гидравлического сопротивления прототипа равен:
= 1 0,93 + 2 1,19+ 1840,13 + 43 + (3 0,25+1 0,34)=40,32.
При расчёте гидравлического сопротивления модернизированного ИНЖС (рис. 2) разделяем его на отдельные конструкционные элементы, суммарный коэффициент гидравлического сопротивления которых равен:
^ + п£ ,
где £1 - коэффициент сопротивления при плавном повороте; £2 - коэффициент сопротивления при внезапном сужении.
1. Коэффициент сопротивления при плавном повороте Этот коэффициент при плавном повороте и
Яе > 2-105 находят по формуле:
6 = АВ.
Согласно [3] значение А при угле поворота на 180 ° рано 1,4. При модернизации ИНЖС мы приняли площадь поперечного сечения входного патрубка равной площади сечения канала между витками, а диаметры входного и выходного патрубка равными диаметру входного и выходного патрубка прототипа, а площади их поперечного сечения равными 803,8 мм . При высоте модернизированного ИНЖС 1000 мм количество витков спирального оребрения получилось равным 12 на оба контура при шаге между рёбрами 160 мм. Таким образом, количество поворотов на 180 ° получилось равным 24.
Параметр В учитывает влияние относительного радиуса закругления Я0/ё, где
Яо - радиус закругления,
ё - ширина канала (диаметр трубы).
Значения В определяется по графикам [3], в соответствии с которыми в первом контуре при Я(/ё=14,5 В[ =
0,05, а во втором - при Я0/ё=8,9В2 = 0,07.
Суммарный коэффициент сопротивления при плавном повороте на 180 ° в первом и во втором контуре составил:
& = А1В1 = 1,40,05=0,070.
С2 = А2В2 = 1,40,07=0,098.
2. Коэффициент сопротивления при внезапном сужении £2. В модернизированном ИНЖС имеются схожие гидравлические сопротивления, связанные с входом в центральный канал 10 (рис. 2). Здесь имеется один переход с ¥// = 0,4, поэтому коэффициент сопротивления при внезапном сужении составит, как и в расчёте прототипа,
&= 0,34.
Суммарный коэффициент гидравлического сопротивления модернизированного ИНЖС равен:
YZ = 120,07+120,098+0,34=2,36.
Из приведённых расчетов коэффициентов гидравлического сопротивления прототипа и модернизированный ИНЖС следует, что у первого он почти в 17 раз больше, а это обусловливает необходимость применения более мощного насоса для прокачки жидкой среды и, как следствие, большие эксплуатационные расходы.
Кроме того, оребрение индуктора и центрального канала позволяет избавиться от массивных колец и дополнительных цилиндров, что делает модернизированного ИНЖС менее металлоёмким и, как следствие, снижает его стоимость.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 2423802 РФ. МПК Н05В6/10. Устройство индукционного нагрева жидких сред / Д. Х. Ким,
А. В. Слободян. №2009140080/07; заявл. 30.10.09; опубл. 10.07.2011.
2. Оболенский Н. В. Электронагрев в сельскохозяйственных обрабатывающих и перерабатывающих производствах: монография / Н. В. Оболенский. Н. Новгород: Изд-во НГСХА, 2007. 352 с.
3. Штеренлихт Д. В. Гидравлика / Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: КолосС, 2004. 656 с.
RIDGENING OF THE INDUCTORAND THE CENTRAL CHANNEL ISTHE WAY OF DECREASING HYDRAULIC RESISTANCETO COURSE OF WATER IN THE INDUCTION HEATER OF LIQUID ENVIRONMENTS
Keywords: an induction heater of liquid environments, inductor, ridgening, a heatgiven surface, hydraulic resistance.
Annotatio. It is has been suggested ridgening of inductor and the central cylindrical channel, providing the maximal heat exchange at decrease in weight and hydraulic resistance of an induction heater of liquid environments.
ОБОЛЕНСКИЙ НИКОЛАЙ ВАСИЛЬЕВИЧ - доктор техничн-ских наук, профессор,зав.кафедрой «Механика и сельскохозяйствен- ные машины» ГБОУ ВПО НГИЭИ, Россия, Княгинино, (osnovsh@yandex.ru)
МИРОНОВ ЕВГЕНИЙ БОРИСОВИЧ — аспирант, преподаватель кафедры «Технический сервис» ГБОУ ВПО НГИЭИ, Россия, Княгинино, (osnovsh@yandex.ru)
КРАСИКОВ СЕРГЕЙ БОРИСОВИЧ — аспирант кафедры «Механика и сельскохозяйственные машины» ГБОУ ВПО НГИЭИ, Россия, Княгинино (osnovsh@yandex.ru)
Obolenskiy Nikolay Vasilevich — the doctor of technical sciences, the professor, the manager of the chair «Technical service» of fhe Nfchmy Novgorod state engineering-economic institute, Russia, Knyaginino, (osnovsh@yandex.ru)
Mironov Evgeniy Borisovich — the post-graduate student, the senior teacher of the chair «Technical service» of the Nihhniy Novgorod state engineering-economic institute, Russia, Knyaginino, (osnovsh@yandex.ru)
Krasikov Sergei Borisovich — the post-graduate student of mechanics and agricultural cars of the Nihhniy Novgorod state engineering-economic institute, Russia, Knyaginino, (osnovsh@yandex.ru)
