CC BY
47
ЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИИ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
УДК 621.181.123:621.184.64 Петриков С.А., Попов B.C., Хованов Н.Н.
ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБОПРОВОДНЫХ КАНАЛАХ ТЕПЛОВЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК
Основываясь на механизме зарождения турбулентности в пограничных слоях потоков теплэносителгй [1-3], учитывая исследования отечественных и зарубежных авторов и производственный опыт энергомашиностроительных заводов, поставлена цель работы - разработка оптимальных конструкций энергоэффективных по теплопередаче конвективных труб и технологических процессов ихизготовления с решением следующих задач:
- создание конструкций энергоэффективных по теплообмену труб с системой многозаходных, спиралевидно расположенных канавок и выступов на теплообменных поверхностях трубы;
- разработка технологического решения по изго-
товлению теплообменной трубы с расположением на ее наружной поверхности стальных дисков, соединение которых с трубой обеспечивается с помощью пластически формируемых выступов;
- создание труб конвективного теплообмена с системой выступов и лунок на теплообменных поверхностях;
- исследования силовых характеристик процесса формообразования теплопередающих поверхностей в трубах для определения конструктивных и прочностных характеристик технологических устройств и инструментов;
- изыскание путей по уменьшению разрушающего действия низкотемпературной коррозии на металл трубного газожда.
Анализ тепловых и гидравлических параметров, полученных расчетным путем с помощью программы «Ио%У1-зюп», позволил разработать формы и геометрические размеры теплообменных поверхностей в трубах в виде мно-гозаждных спиралевидно расположен-ныхканавоки выступов (рис. 1, 2).
Установлено, что шаг закрутки спиралевидных неровностей на теплообменной поверхности трубы должен быть в интервале 1,0-1,4 относительного шага накатки, а глубина полусферического или трапецеидального профиля канавки в пределах 0,5-1,0 мм. При этом форму профиля канавки необж-димо выполнять в виде радиусного сопряжения или сопряжения двух лучей с углом между ними > 90° [4], что приводит не только к разрыву сплошности пограничного слоя и его закручивания, но и к заметному смещению теплоносителя из периферийного слоя к оси трубопроводного канала.
В качестве оборудования для разработки технологических процессов изготовления теплообменных поверхностей в длинномерных трубах приняты станки токарной группы с механизмами кинематической и силовой связи заготовки и формообразующих инструментов. Отличительной особенностью выбранной схемы обработки (рис. 3) является фор-
Рис. 1. Конвективная труба с системой многозаходных, спиралевидно расположенных канавок во внутренней полости
Рис. 2. Конвективная труба с системой многозаходных, спиралевидно расположенных канавок во внутренней полости и ответных выступов на наружной поверхности
1 - токарно-винторезный станок; 2 - разжимная оправка; 3 - тяга; 4 -инструментальная головка; 5 - труба; 6 - выносной люнет
мообразование теплообменных поверхностей за пределами габаритныхразмеров станка.
При исследовании и разработке технологических процессов формирования теплообменных поверхностей в трубах применялись специально спроектированные плавающие инструментальные головки, конструктивное исполнение которых позволяло стабилизировать условия пластической деформации, контролировать износ инструментов и выдерживать размеры обработанных поверхностей.
Для исследования силовых параметров деформирующей обработки применен ряд аналитических и экспериментальных методов. При этом составляющие силы, действующие в процессе обработки (тянущее усилие и крутящий момент), определялись с использованием механического динамометра, который крепился как промежуточное звено между тянущей оправкой и резцедержателем станка, а также электромагнитным методом с использованием сконструированного датчика из пермаллоя 10000 (78% N1; Ге; Мо).
Расчетные значения главной составляющей силы деформирования Р2 для глубин профилей Ь=0,1-0,5 мм при формировании трехзаждной теплообменной поверхности давильным инструментом с радиусом рабочей поверхности гш = 2; 4 и 5 мм представлены графически на рис. 4. Увеличение радиуса с 2 до 5 мм при равных значениях глубины обрабатываемого профиля приводит к увеличению Р2 приблизительно в 1,7 раза, а радиальное усилие возрастает в 2,6 раза.
Характер изменения осевой и радиальной сил в зависимо -сти от угла подъема витка ю обрабатываемых канавок в пределах от 15 до 45° практически одинаков (рис. 5).
Равномерное повышение сил деформирования металла на -блюдается при увеличении толщины стенки от 1 до 2 мм, после чего рост усилия происходит в значительно меньшей степени, что объясняется уменьшением доли упругих деформаций.
Превышение расчетных данных над экспериментальными при определении сил деформирования достигали 12-15°%, что допустимо для определения требуемой мощности оборудования и проведения прочностных расчетов конструктивных элементов технологической оснастки и инструмента.
Существенным резервом повышения эффективности теплопередачи, снижения металлоемкости и габаритныхразмеров теп-
лообменных аппаратов является увеличение плошдди наружной поверхности конвективной трубы путем ее оребрения металлической лентой или дисками. В работе технологически разработан и практически апробирован способ изготовления теплообменных труб с наружными дисками [5], соединенными между собой с использованием формообразования спиралевидно напр авленных выступо в.
Оребрение трубы осуществляется на токарновинторезном станке в следующей последовательности (рис. 6) [5]. Трубную заготовку 3 с размещенными на ней металлическими дисками 4 устанавливают в ложемент гребенки 5, обеспечивающей осевую фиксацию стальных дисков вдоль оси трубной заготовки 3 с шагом 1. Гребенка 5 закреплена на станине токарновинторезного станка. Трубная заготовка 3 через разрезную втулку 2, имеющую кольцевой буртик для предотвращения осевого сдвига трубы в процессе оребрения,
Ст аль 10 (і=2мм)
Ст аль 20 (і=2мм)
08 Х18Н10Т (г=2мм)
Ст аль 10 (і=4мм)
Ст аль 20 (і=4мм)
08 Х18Н10Т (і=4мм)
Ст аль 10 (і=5 мм)
Ст аль 20 (і=5 мм)
08 Х18Н10Т (і=5мм)
РуН
В" ’ , ^ .А
А" * в -- - -А-. -В ° -
А- * - -А ■ " .-в _ „ 9 ■ " , О
□—
10 20 30 40 5 0 60
-л--08Х18Н10Ц1=5,Ь=0,3) Сгаль 20(г=5,1=0,3)
■ О--08Х18Н10Цг=4,Ь=0,3) Сгаль 20(г=4,Ь=0,3)
■ о- -Сталь 10(1=4,11=03) С8Х18Н10Т(г=2,1]=03)
—Сталь 20(1=2,1=0,3) “6— Сгаль 10(г=2,1=),3)
Рис.. 5. Расчетные изменения
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Рис. 4. Расчетные зависимости сил деформирования Рг от глубины и радиуса составляющих сил деформирования от
канавки угла подъема витка канавки
[23 4
І 6 Т Ї 9
/ Г /
■Ь'; таа МЇ, і, іщі^шіїгїіі.пї г у ЩИ І і II Г.ТІ ІШСТітІ 11ІІІІІI ш _________________________________________
Рис. 6. Технологическая схема оребрения трубы металлическими дискам
500
0
п
лунок ал и выпоров ав на единице длины трубы, скоро-
тепл.внугр* Ттепл. внешн?
гео-
Рис. 7. Устройство для ударного формообразования каверн и выступов на теплообменных поверхностях тонкостенных труб
стей потоков теплоносителей V метрических форм лунки и выпора Гл и Гб, глубины профиля лунки Ь и высоты выпора Ь на внутренней поверхности трубы.
о=/(у
ТЗПЛ. шугр5
ал, Гл, Ь + V-
тепл. внеш5
ав¥в, Ь}.
Рис. 8. Вид трубы с лунками и выпорами и фазы обтекания лунок газовым теплоносителем
крепится в патроне 1 токарно-винторезного станка и поддерживается люнетом 8. Внутрь трубной заготовки вводят со стороны задней бабки станка оправку 9, соединенную с раскатной головкой 6, оснащенной давильным инструментом с формообразующими телами сферической формы 7, выставленными на размер требуемой величины канавок и выпоров в стенке трубной заготовки. Другой конец оправки 9 крепится в резцедержателе 11 станка.
Трубной заготовке 3 сообщают вращение п„б, согласованное с осевой подачей 8 оправки 9 от ходового винта 10 токарного станка. Формообразующие тела 7 раскатной головки 6 формируют многозаходные спирально видно направленные канавки во внутренней полости трубы и спиральные выпоры на ее наружной поверхности, закрепляющие металлические диски 4.
Проведенные оптимизационные расчетно-теоретические исследования с использованием пакета «Ио%У1-sion» показали - эффективность разрушения ламинарного пограничного слоя и создание условий для турбу-лизации потоков теплоносителей в теплообменных аппаратах, оснащенных трубами, при использовании в качестве возмущающего фактора лунок различной геометрической формы, расположенных на внешней поверхности трубы, и выпоров на внутренней поверхности существенно зависят от количества и расположения
Формирование на теплообменных поверхностях труб с толщинами стенки менее 1 мм каверн и выпоров различной формы, плотности, осевого или винтообразного расположения осуществлялось с помощью разработанного приспособления (рис. 7) [6, 7]. На рис. 8 представлены вид обработанной трубы и выявленные схемы фаз процесса обтекания сферической лунки газовым теплоносителем.
Устройство содержит наружную обойму 1, закрепленную в патроне токарно-винторезного станка, в полости которой через подшипник 2 размещена неподвижная внутренняя обойма 3. Обойма 3 в круговом и осевом направлении фиксируется с помощью размещенной на станине станка стойки 4.
В наружной обойме 1 находятся нажимные штифты 5, радиальное положение которых фиксируется гайками 6, а в обойме 3 - формообразующие бойки 7, удерживаемые в расточках с помощью резьбовых втулок 8. Бойки 7 при работе взаимодействуют с тарельчатыми пружинами 9.
В расточке обоймы 1 размещена бронзовая втулка 10, обеспечивающая центрирование трубы при ее продольном перемещении, а также радиальную жесткость при формировании каверн.
Работа с использованием разработанного приспособления осуществляется следующим образом.
Приспособление крепится в патроне токарновинторезного станка. Пропущенная через полый шпиндель станка обрабатываемая труба передним концом закрепляется в резцедержателе станка посредством разрезной втулки 11. Шпинделю станка сообщают вращение с числом оборотов п, а трубе сообщают продольную подачу 8,р с учетом зависимости 8,р = п1, где 1 -шаг располэжения лунок, мм.
При вращении обоймы 1 нажимной штифт 5 набегает своей плоской частью на сферическую поверхность формирующего бойка 7, сообщая ему радиальную подачу внедрения в трубу с формированием лунки заданной геометрической формы, соответствующей геометрической форме рабочей части бойка 7. В зависимости от количества расположенных по окружности обоймы 2 формообразующих бойков 7 и нажимных штифтов 5 в обойме 1 число рядов каверн и выступов на теплообменных поверхностях трубы в сечении может быть 2, 3, 4, 5 и больше.
При малой инерционности формообразующего бойка, большой кинетической энергии удара и высокой скорости деформации обеспечиваются условия, при которых минимизируются возможные деформации трубы в ее сечениях.
Время контакта формообразующего бойка с трубой составляет в зависимости от скорости вращения наружной обоймы 0,0001-0,006 с.
Штучное время изготовления одной трехметровой теплообменной трубы 016х(0,2-1,0) мм с кавернами и выпорами составляет не более 3 мин.
Для формирования каверн и выпоров на толстостенных трубных заготовках 042-6Ох 2,5-3,5 мм (рис. 9) создан штамп, позволяющий одновременно формировать 10 каверн и выпоров с послгдующей переустановкой трубы и проведения следующей операции по выдавливанию. В конструкции штампа предусмотрено варьирование геометрических размеров каверны, их количество и расположение, а также глубины вдавливания.
Для защиты металла в местах запрессовки труб в трубную доску от разрушающего действия коррозионных процессов, протекающих в момент запуска в эксплуатацию, например водогрейного котла, разработана конструкция соединительного узла (рис 10) [8], состоящая из двух концентрично расположенных отрезков толстостенной 2 и тонкостенной 1 труб. На внутренней поверхности толстостенной трубы имеются многоза-ходные канавки 3 со спиралевидным направлением, а на ее наружной поверхности спиралевидно расположены выступы 5, образующие с внутренней поверхностью тонкостенной трубы 1 воздушные карманы 6. На торцовых участках толстостенной трубы и по ее длине дополнительно выполнены кольцевые канавки 4 и выступы для добавочного разделения воздушных карманов.
Воздушные карманы, образованные при сочленении двух труб, термоизолируют конец толстостенной трубы в момент запуска котлоагрегата, т.е. в начальный период прохождения газообразного теплоносителя, что позволяет интенсивно ее прогреть до температуры выше точки росы и снизить время действия низкотемпературной коррозии, а многозаходное рифление на внутренней поверхности толстостенной трубы в виде спиралевидных и кольцевых канавок способствует созданию вихревых потоков газового теплоносителя, которые содействуют турбулизации и разрушению пристеночных ламинарных зон, что, в
Список литературы
1. Prandtl L. Gesammelte Abhandlungen zur angewanten Mechanic, Hydro- und Aerodynami c, T1 1-3, B, 1961.
2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо C.A., Воронин Г.И., Дубровский Е.В. Закономерности изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции: Открытие №242 по заявке № ОТ-9357 от 11.10.76г. с приоритетом: 05.1958 г. - в части теоретического обоснования; 04.1964г. - в части экспериментального подтверждения.
3. Михеев М.А., Михеева И.Н. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1978.
4. Пат. 2197683 РФ, МПК 7 F 22 B 9/00, F 28 F 13/02. Дымогарная труба теплообменного аппарата / Петриков С.А., Серов Н.Б., Хованов Н.Н., Петров В.В.
5. Пат. 2182052 РФ, МПК F22B. Способ изготовления оребренной конвективной трубы теплообменного аппарата / Петриков С.А, Серов Н.Б., Хованов Н.Н., Черный АП., КурмаевР.К.
6. Пат. 71417 РФ, МПК F28F 1/00 (2006/01). Устройство для ударного формирования каверн и выпоров на теплообменных поверхностях тонкостенной трубы / Петриков С.А., Попов B.C., Спильник Е.Р., Хованов Н.Н.
7. Технологический процесс и оснастка для ударного формирования дискретных неровностей на поверхностях теплообменных труб / Хованов Н.Н., Ефимов В.М., Попов B.C., Петриков С.А. // Машиностроение и инженерное образование. 2007. № 2. С. 29-33.
8. Пат. 2269717 РФ, МПК F22B 37/06. Дымогарная конвективная труба стального жаротрубного водогрейного котла и способ ее изготовления / Петриков С.А., Петров В.В., Бережной В.Л., Хованов Н.Н.
I
Рис. 9. Вид теплообменной трубы 0 60х3,б мм с кавернами и выпорами на теплопередающих поверхностях
Рис. 10. Вид заделки конвективной трубы в трубную доску
свою очередь, приводит к существенно большему увеличению теплоотдачи от одного теплоносителя к другому.
Заключение
Улучшение эксплуатационных характеристик тепловых энергоустановок, теплообменных аппаратов, снижение их материалоемкости и габаритных размеров являются существенными факторами повышения конкурентоспособности отечественного машиностроения.
List of literature
1. Prandtl L. Gesammelte Abhandlungen zur angewanten Mechani c, Hydro- und Aerodynami c, T1 1-3, B, 1961.
2. Kalinin E.K., Dreitser G.A., Yarkho S.A., Voronin G.I., Dubrovsky E.V. The regularities of the heat transfer fluctuations on the canal walls with discrete stream turbulization at the necessary convection: Open № 242 according to request № OT-9357 dated 11.10.76. with priority: 0б.19бВ - theoretical explanations, 04.1964 - experimental proof.
3. Mikheev M.A., Mikheeva I.N. The principles of heat transfer. M.: Energy, 197В.
4. Pat.21976В3 RF, MPK 7 F 22 V 9/00, F 2В F13/02. Smoke tube pipe of the heat exchanging device / Petrov S.A., Serov N.B., Khovanov N.N., Petrov V.V.
б. Pat.21В20Б2 RF, MPK F22V. The way of producing ribbed
convection pipe of the heat exchanging device / Petrikov
S.A., Serov N.B., Khovanov N.N., Shernyi A.P., Kurmaev R.K.
6. Pat. 71417 RF, MPK F2eF 1/00 (2006/01). The device for percussive formation of the cavities and vents on the heat exchanging surfaces of the thin-wall pipe / Petrikov S.A., Popov V.S., Spilnik E.R., Khovanov N.N.
7. The technological process and equipment for percussive formation of the discrete inequalities on the surface of heat exchanging pipes / Khovanov N.N., Efimov V.M., Popov V.S., Petrikov S.A. // Machine building and engineering education. 2007. № 2. P. 29-33.
В. Pat. 2269717 RF, MPK F22V 37/06. Smoke tube pipe of the
steel water-heating shell boiler and its production way / Petrikov S.A, Petrov V.V., Berezhnoi V.L., Khovanov N.N.
