CC BY
14
УДК 621.774:621.7.06:536.2:669.14:669.2/8
РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТРУБ ДЛЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Н.Н. Хованов, канд. техн. наук (ОАО НПО «ЦНИИТМАШ, e-mail: nichov@yandex.ru)
Дана оценка теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при турбулентном течении теплоносителей в трубах теплофикационных аппаратов. Исследованы характеристики теплообмена для различных конфигураций теплопередающих поверхностей и типоразмеров труб. Приведены технологии и оснастка для изготовления турбулизирующих поверхностей в теплопередающих трубах.
Ключевые слова: труба, теплообмен, турбулентные течения, расчетно-теорети-ческие исследования, развитые теплообменные поверхности, потери трения, эффективность, технология, изготовление, оснастка.
Development and Design of an Improved Technology for Production of Energy Effective Tubes for Heat-Exchange Apparatus. N.N. Khovanov.
Convective heat exchange and pressure losses in the case of turbulent flow of heat-transfer agents in power-and-heat generation apparatus tubes are estimated. Heat exchange characteristics for a variety of heat-transfer surface configurations and standard sizes of tubes have been investigated. Technologies and accessories for manufacture of surfaces creating turbulence in heat-transfer tubes are shown.
Key words: tube, heat exchange, turbulent flows, design and theoretical investigations, developed heat exchange surfaces, friction losses, effectiveness, technology, manufacture, accessories.
Введение
Базовым узлом теплообменных аппаратов различного назначения с принудительной и естественной циркуляцией теплоносителей является трубная система, состоящая из соединенных в единый тракт труб, трубчатых змеевиков и спиралей. Исследованы и разработаны энергоэффективные по теплопередаче трубы с винтовой накаткой, кавернами и оребрением для интенсификации теплообмена. Созданы новые технические и технологические решения с последующей разработкой индустриальных технологий их производства с использованием функционально развитого оборудования, которые отвечают принципам, изложенным в работе [1].
Методика исследований и использованное оборудование
В качестве объектов исследований и испытаний приняты трубы с размерами 0 3x0,75 мм;
0 42х(1,5-3,5) мм; 0 60х(2-4) мм, длиной 0,4-15 м, изготовленные из сталей 10, 20, 08Х18Н10Т и цветных сплавов Л62, МНЖМц30-0,8-1,0. Рассмотрены альтернативные конфигурации теплопередающих поверхностей в них.
Использовали средства деформационной обработки - токарно-винторезные станки ДИП-500 и 16К25, прессы П472А и Т\мпМайс.
Теоретические исследования интенсивности теплообменных процессов и гидравлических потерь в трубах с различной топографией теплопередающих поверхностей проводили на ЭВМ с использованием лицензионной программы Р1о\мУ1вюп.
Экспериментальную проверку эффективности теплоснабжающих установок осуществляли на испытательных стендах, изготовленных на базе водогрейных котлов с оснащением их разработанными видами теплообменных труб.
Основные конструктивные и технологические требования,
предъявляемые к эксплуатационным параметрам теплообменных труб
Теплообменные трубы обладают конструктивными особенностями, которые зависят от их назначения, направления движения рабочих сред, компоновки теплообменной поверхности, градиента температур теплоносителей, материала, из которого они изготовлены, от конфигурации теплообменной поверхности, а также от диаметра проходного сечения и толщины стенки.
Основными требованиями к конструкциям теплообменных труб являются:
- технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т.д.;
- обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении;
- компактность и наименьший расход материала;
- надежность и герметичность в сочетании с доступностью поверхности теплообмена для механической очистки от загрязнений.
В общем случае при создании новых, более эффективных теплообменных аппаратов стремятся уменьшить удельные затраты материалов, труда, средств и расходуемой при работе энергии по сравнению с теми же показателями существующих теплообменников. Удельными затратами для теплообменных аппаратов называются затраты, отнесен-
ные к тепловой производительности в заданных условиях.
Основы разработки новых конструктивных форм теплообменных труб связаны с открытием № 242, сделанным советскими учеными и инженерами [2].
Результаты моделирования процессов теплопередачи и гидравлических сопротивлений в конвективных и экранных трубах с развитыми поверхностями теплообмена
Определение и сравнение тепловых и гидравлических сопротивлений в трубах (традиционных и с развитыми поверхностями теплообмена) выполняли с использованием расчетных моделей (рис. 1), состоящих из трех областей: горячий газ 1; теплообменные трубы с разными формами накатки 2; нагреваемый теплоноситель 3.
Для ввода данных в расчетный комплекс Р^У1вюп проводили расчеты приращений площадей усложненных теплообменных поверхностей, изменения объемов и проходных сечений в рассматриваемых трубах [3, 4].
Сравнительные расчеты для дымогарных труб с гладкой теплообменной поверхностью и труб с профильной спиралевидной накаткой, экранных труб с кавернами и выпорами позволили оценить распределение тепловых потоков и гидродинамических сопротивлений и определить значительное увеличение интенсивности теплообмена с несущественным повышением гидравлического сопротивления.
Рис. 1. Расчетные модели к исследованию процессов теплообмена и гидравлических сопротивлений в гладкоствольной трубе (а), в трубе с многозаходной спиралевидной накаткой (б), в трубе с хордовым расположением канавок (в)
Интегральные результаты расчетно-теоре-тических исследований приведены в таблице.
По проведенным расчетам выявлен оптимальный шаг эффективно действующих дискретных неровностей, равный 1-1,25 в отношении к диаметру проходного канала трубы. Оптимальная глубина турбулизирующих канавок [2, 4] находится в пределах 0,3-1 мм.
На основе результатов проведенных расчетных исследований по распределению температур и гидравлических сопротивлений разработаны виды топографий теплопереда-ющих поверхностей в трубах с защитой разработанных решений патентами РФ [5-14]. Базовые виды теплопередающих поверхностей в трубах показаны на рис. 2.
Интегральные результаты расчетов
Относительный шаг 1=э/С 0 0,75 1 1,25 2 3 3,5
Коэффициент эффективности теплообмена к, Вт/(м2-К) 30,84 36,20 35,98 35,51 33,45 31,32 31,03
Гидравлические потери й, Па 0,1937 0,2123 0,2050 0,2018 0,1972 0,1947 0,1945
Относительная эффективностьтепло-обмена к отн 1,000 1,174 1,167 1,151 1,085 1,016 1,006
Относительное гидравлическое сопротивление 1 отн 1,000 1,096 1,059 1,042 1,018 1,005 1,004
Коэффициент энергетической эффективности 1 1,000 1,071 1,102 1,105 1,065 1,010 1,002
Рис. 2. Компьютерное построение изображений энергоэффективных по теплопередаче труб:
а - гофрированная форма трубной стенки; б - с внутренней многозаходной системой спиралевидно направленных канавок; в - с внутренней многозаходной системой спиралевидно направленных канавок и ответной системой наружных выступов; г - с оребрением наружной поверхности труб металлическими дисками; д - с рядным расположением каверн и выпоров; е - с хордовым расположением канавок и выступов
Разработка технологических процессов, инструментов и оснастки для изготовления теплопередающих поверхностей в теплообменных трубах
Технологическая схема деформационного изготовления накаткой однозаходной винтовой поверхности в трубах 0 3x0,75 мм представлена на рис. 3, а, а на рис. 3, б -конструктивный вариант приспособления, закрепляемого в трехкулачковом патроне токар-но-винторезного станка.
п=15-20 об/мин; Б=3 мм/об; глубина про-давливания t=0,05-0,8 мм; СОЖ - трансформаторное масло 20.
Конструкция приспособления для обработки одно-, двух- и трехзаходных спиралевидных поверхностей в трубах 0 10х0,8х 2000 мм и 0 (18-24)х(1,0-2,0) х3000 мм приведена на рис. 4 и состоит из цилиндрической оправки 2 с центральным отверстием под обрабатываемую трубу 4 и трех микрометрических болтов 1, один из которых несет
Рис. 3. Технологическая схема (а) и оснастка (б) для изготовления однозаходной спиралевидной накатки в трубах 0 3x0,75 мм
Накатной инструмент выполнен в виде пластины 2 с рабочей поверхностью в виде R- или П-образных форм.
Установка на глубину обработки осуществляется микрометрическим болтом 4, а выставка инструментальной пластины на угол подъема обрабатываемой спиралевидной канавки реализуется наличием пазов во втулке 3.
Обрабатываемая труба проходит через шпиндельную полость токарного станка и втулки приспособления 1 и закрепляется в резцедержателе станка с использованием вставляемого штыря 5.
Режимы деформационной обработки:
давильный инструмент с запрессованным шариком 3, два других болта осуществляют центрирование и опору трубной заготовки. Функциональное сочетание исполнительных органов может быть другим - с двумя или тремя давильными инструментами.
Рис. 4. Оснастка для накатки одно-, двух- или трехзаходных спиралевидных поверхностей в теплообменных трубах диаметром до 24 мм и с толщиной стенки до 2 мм
Режимы обработки: n=20-30 об/мин; подачи при обработке однозаходной накатки S=4-6 мм/об; двухзаходной S=8-12 мм/об; трехзаходной S=16-36 мм/об.
Как известно, работа в процессе накатки затрачивается в основном на пластическую деформацию и на преодоления трения между инструментом и обрабатываемым материалом. Поэтому во всех разрабатываемых процессах рекомендуется применять СОЖ на масляной основе.
Образцы изготовленных для водоподогре-вателей теплообменных труб из латуни Л62 показаны на рис. 5.
гт
Рис. 5. Вид изготовленных труб 0 20x1,5x1500 мм из латуни Л62 для оснащения водоподогревателей
Элемент разработанной конструкторской документации специальных теплообменных труб 0 18 мм представлен на рис. 6.
Рис. 6. Общий вид приспособления для формирования на токарно-винторезных станках трехзаходных турбулизирующих поверхностей в теплообменных трубах
Применительно к производству оснастки для изготовления спиралевидных поверхностей на толстостенных (i=4,5-6 мм) трубах разработано другое приспособление (рис. 7). Вид изготовленных образцов дан на рис. 8.
Изготовление гофрированных труб из обычных гладких труб путем обкатки или прокатки последних на специализированных устройствах или на разработанном в данной работе приспособлении к токарному станку (рис. 9)
Рис. 7. Приспособление для формирования спиралевидных поверхностей на толстостенных трубах
б
Рис. 8. Образцы изготовленных теплообменных труб с толщиной стенки 2,5 мм (а) и 7 мм (б)
является перспективным как для области современной теплотехники, так и для создания сепаративных устройств нового поколения.
Вид изготовленных гофрированных труб представлен на рис. 10.
Применение в теплообменном оборудовании труб с выпукло-вогнутыми многозаходны-ми витыми оболочками, изготовленными из трубных заготовок квадратного сечения, позволило создать принципиально новую конструкцию [8] воздухоподогревателя (рис. 11), что обеспечило следующие преимущества:
- сокращение металлоемкости воздухоподогревателей за счет отсутствия трубных решеток и промежуточных гребенок;
Рис. 9. Устройство, монтируемое на планшайбе токарно-винторезного станка ДИП-500, для формообразования гофрированных труб диаметром от 16 до 60 мм
Рис. 10. Виды гофрированных труб с 2-, 3-, 4-, 5-, 6- и 12-заходными гофрами
Рис. 11. Технология блочной сборки воздухоподогревателей, изготовленных из гофрированных труб
- снижение трудоемкости сборки за счет упрощения траектории сварки;
- увеличение по необходимости тепловой мощности аппаратов за счет сотовой сборки блоков.
Изготовление в теплообменных трубах мно-гозаходных спиралевидно направленных канавок, глубина которых соизмерима с пристенными слоями теплоносителей [2, 3], осуществляли на токарно-винторезных станках с удлиненной станиной (рис. 12). Отличительной особенностью технологии является вынос зоны обработки за пределы станка, что
связано с удлинением заготовки в процессе изготовления.
Штучное время изготовления 3-заход-ной спиралевидной поверхности в трубе 0 42x2,5x3500 мм при п=20 об/мин, Б=60 мм/об составляет не более 10 мин. Вид изготовленной трубы показан на рис. 13.
Рис. 12. Схема изготовления радиусных турбулизирую-щих канавок на внутренней поверхности трубы и вид технологической оснастки
h\\\um ил - ï.
Рис. 13. Трубы с многозаходной системой спиралевидно направленных канавок и выступов на внутренней и наружной поверхностях теплообмена
Технологические следы на наружной поверхности трубы в виде выпоров, образованных от процесса формообразования спиралевидных поверхностей на внутренней поверхности трубы, позволяют использовать их для запрессовки расположенных и зафиксированных в осевом направлении металлических дисков, внутренний диаметр которых равен номинальному диаметру наружной поверхности трубной заготовки. Схема операции по оребрению трубы, защищенная патентом ЦНИИТМАШ [9], показана на рис. 14, а вид изготовленной трубы - на рис. 15.
Прочность соединения дисков с трубной заготовкой обеспечивается геометрическими размерами спиралевидного выпора, сбо-
Рис. 14. Схема операции по оребрению трубы металлическими дисками
Рис. 15. Вид изготовленной теплообменной трубы с внутренней и наружной спиралевидными поверхностями и с оребрением наружной поверхности металлическими дисками
рочным зазором между сопрягаемыми деталями и соотношением посадочной ширины металлического диска и величины хорды полусферического выпора. Как показал проведенный расчет, достигнута достаточная прочность соединения оребреного узла. Например, для трубы 0 42x3 мм с диаметральными размерами выступа 0 42,7 мм, с закрепляемым металлическим диском 0 42,1 мм при
Формирование на теплообменных поверхностях труб с толщиной стенки менее 1 мм каверн и выпоров различной формы и плотности, осевого или винтообразного расположения рекомендовано осуществлять с помощью разработанного устройства (рис. 16) к токар-но-винторезному станку [13]. Плотность расположения каверн зависит от количества ударных бойков в наружной обойме устройства.
Время контакта формообразующего бойка с трубой в зависимости от скорости вращения наружной обоймы составляет 0,00010,006 с.
Штучное время изготовления двухметровой теплообменной трубы 0 16х(0,075-0,5)х2000 мм с турбулизирующими кавернами и выступами находится в пределах 3 мин.
Рис. 16. Чертеж «облуненной» трубы и устройство для формирования каверн и выступов на тонкостенных трубных заготовках
числе заходов канавок п=6 осевое усилие сдвига составляет 1,5-2,0 кН.
Эффективность требуемого разрушения ламинарного потока в пограничных слоях теплоносителей с созданием условий для их турбу-лизации [2-4] при использовании в качестве возмущающего фактора каверн, расположенных на внешней поверхности теплообменной трубы и выступов на внутренней поверхности, существенно возрастает. Ниже приведены данные по технологии изготовления каверн и выступов на трубных заготовках.
Обработка каверн и выступов на толстостенных трубных заготовках осуществлялась на разработанном штампе к прессу П472А (рис. 17) с пошаговой переустановкой заготовки.
В трубных змеевиках регенеративных пароперегревателей низкого и высокого давления, в паровых и водогрейных котлах большой мощности используются теплообменные трубы длиной шесть и более метров. Следовательно, применение технологических процессов по изготовлению спиралевидных канавок
Рис. 17. Технологическая оснастка и штамп к прессу (а) для формирования каверн на толстостенных трубах и вид изготовленного изделия (б)
во внутренних полостях труб технологичес- ранных трубах выполнять в виде хордового ки невозможно. Рекомендовано топогра- расположения канавок и выступов (рис. 18, фию теплопередающих поверхностей в эк- 19) [12].
Рис. 18. Конструктивные варианты исполнения теплообменных поверхностей в трубах:
а - с 2-хордовым расположением канавок; б - с 4-хордовым расположением канавок; в - с шахматным расположением канавок
Технологический процесс деформационного формирования канавок на теплообмен-ной поверхности трубы (например, труба 0 3x300 мм) осуществляется при шаговой переустановке трубной заготовки на прессе в специально спроектированной кассете (рис. 20, а) многорядным инструментом вилочной формы (рис. 20, б) с заборной частью с углом 30°.
Выводы
1. На основе результатов математического и экспериментального моделирования процессов теплопередачи и гидравлических сопротивлений на поверхностях теплообмена в конвективных и экранных трубах выделен оптимальный по энергетической эффективности диапазон изменения относительного к диаметру трубы шага турбулизирующей накатки, а также оптимальный шаг накатки дискретных неровностей, равный от 1 до 1,25 в отношении к диаметру проходного канала трубы. Оптимальные глубины турбулизирую-щих канавок находятся в пределах 0,3-1 мм.
2. Разработаны технологические процессы деформационного формирования на трубных заготовках:
- одно- и многозаходных спиралевидно направленных поверхностей различного профиля;
- рядного расположения каверн и выступов;
- хордового расположения канавок и выступов;
- витых гофрированных оболочек.
3. Разработана конструкторская документация на технологическое обеспечение производства энергоэффективных по теплопередаче специальных сложнопрофильных труб диаметром от 3 до 60 мм с толщинами стенок от 75 мкм до 6 мм и длиной до 24 м.
Разработанные специализированные устройства к стандартному оборудованию обеспечивают реализацию технологических процессов путем накатки, обкатки и вдавливания.
4. В результате осуществленного комплекса теоретических, экспериментальных и технологических исследований предложено оснащать теплофикационные агрегаты, паровые и водогрейные котлы теплообменными трубами с разработанными в данной работе энергоэффективными по теплопередаче поверхностями. Мониторинг эксплуатации водогрейных котлов, оснащенных энергоэффективными по теплопередаче трубами,показал значительное снижение температуры отработанных газов, уменьшение скорости загрязнения теплообменных поверхностей продуктами сгорания, интенсивный вынос твердых частиц за пределы аппаратов, повышение к.п.д. и экономию условного топлива в среднем на 2,7 кг при выработке 1 Гкал тепла.
Рис. 20. Приспособление для базирования трубы 0 3x300 мм при обработке хордовых канавок (а) и вид инструмента (б)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бережной В.Л., Хованов Н.Н., Петриков С.А.
О прогрессивном направлении функционального развития деформационных технологий// Технология легких сплавов. 2011. № 3. С. 5968.
2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А., 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 11.10.1976 с приоритетом: 05.1958 - в части теоретического обоснования; 04.1964 - в части экспериментального подтверждения.
3. Волков А.В., Петриков С.А., Попов В.С., Хованов Н.Н.Разработка методов интенсификации теплопередачи в трубных пучках водогрейных котлов и теплообменных аппаратах//Тяжелое машиностроение. 2009. № 6. С. 12-15.
4. Петриков С.А., Попов В.С., Хованов Н.Н. Пути интенсификации теплообмена в трубопроводных каналах тепловых энергоустановок //Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2008. № 4. С. 28-30.
5. Пат. 2076786 РФ. МКИ 6 В21 Н 3/04. Накатная головка/Хованов Н.Н., Черный А.П., Веял-ков А.К., Лычагин В.Р. Опубл. 10.04.97. Бюл. № 10.
6. Пат. 2179085 РФ. МКИ В 21 Н 3/12. Способ формообразования многозаходной вогнуто-выпуклой поверхности теплообменных труб/ Островский В.М., Петриков С.А., Хованов Н.Н. и др. Опубл. 10.02.2002.
7. Пат. 2269717 РФ. МКИ Р22В 37/06. Дымогарная конвективная труба стального жаротрубно-
го водогрейного котла и способ ее изготовления/Петриков С.А., Петров В.В., Бережной В.Л., Хованов Н.Н. Опубл. 20.11.2006. Бюл. № 4.
8. Пат. 2157494 РФ. МКИ 7 Р 28 О 3/04. Сотовый теплообменный аппарат/Петриков С.А., Хованов Н.Н., Черный А.П. и др. Опубл. 10.10.2000. Бюл. № 28.
9. Пат. 2182052 РФ. МКИ В21 С37/24, В21О 53/ 06, В23 Р15/26. Способ изготовления оребре-ной конвективной трубы теплообменного аппарата/Петриков С.А., Серов Н.Б., Хованов Н.Н. и др. Опубл. 10.05.2002.
10. Пат. 2197683 РФ. МКИ 7 Р 22 В 9/00, Р 28 Р 13/02. Дымогарная труба теплообменного аппарата/Петриков С.А., Серов Н.Б., Хованов Н.Н., Петров В.В. Опубл. 27.01.2003. Бюл. № 3.
11. Пат. 2269402 РФ. МПК В23К 31/02, 1/00. Способ изготовления крупногабаритной плиты охладителя/Хованов Н.Н., Ефимов В.М., Петров В.В., Черный А.П. Опубл. 10.02.2006. Бюл. № 4.
12. Пат. на полезную модель 83718 РФ. МПК В21С 37/15, 37/22. Конвективная труба/Петриков С.А., Попов В.С., Ефимов В.М. и др. Опубл. 20.06.2008. Бюл. № 17.
13. Пат. на полезную модель 71417 РФ. МПК Р28 Р 1/00. Устройство для ударного формообразования каверн и выпоров на теплообменных поверхностях тонкостенной трубы/Петриков С.А., Попов В.С., Спильник Е.Р., Хованов Н.Н. Опубл. 10.03.2008. Бюл. № 7.
14. Пат. на полезную модель 108818 РФ МПК Р22В37/06. Дымогарная теплообменная тру-ба/Хованов Н.Н., Петриков С.А., Прокопенко А.С. Опубл. 27.09.2011. Бюл. № 27.
* * *
Замеченная опечатка
В журнале № 3, 2011 в статье «О прогрессивном направлении функционального развития деформационных технологий» в списке литературы поз. 20 следует читать: А. с. СССР № 795697 (с приор. 4.01.1976). Способ выдавливания полых изделий/Охрименко Я.М., Щерба В.Л., Батурин А.И., Татарников Г.В., Желтков В.В., Гусев А.В., Бережной В.Л., Пылаев Б.В.//БИ. 1981. № 2.
