Теоретическое обоснование параметров оребрения индукционного источника теплоты Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аграрная наука Евро-Северо-Востока, № 1 (32), 2013 г. УДК 62-69

Теоретическое обоснование параметров оребрения индукционного источника теплоты

Анатолий Евгеньевич Шамин, доктор экон. наук, профессор, ректор, Сергей Борисович Красиков,* директор, Евгений Борисович Миронов, преподаватель

ГБОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, г. Княгинино Нижегородской обл., Россия, *ГБОУ СПО «Нижегородский техникум отраслевых технологий», г. Нижний Новгород, Россия

E-mail: [email protected]

Обосновывается оребрение индуктора и центрального цилиндрического канала, обеспечивающее максимальный теплообмен при снижении массы и гидравлического сопротивления индукционного нагревателя жидких сред.

Ключевые слова: индукционный нагреватель жидких сред (ИНЖС), индуктор, оребрение, теплоот-дающая поверхность

ИНЖС «SAV» 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 её прокачку и, как следствие, повышению стоимости изделия и его эксплуатационных расходов.

Цель исследований - снизить гидравлическое сопротивление путем оребрения наружных поверхностей индуктора и центрального цилиндрического канала для уменьшения энергопотребления и себестоимости ИНЖС.

Устранение указанных недостатков возможно при использовании в ИНЖС вместо имеющих значительную массу двух промежуточных цилиндров и четырёх колец оребрения наружных поверхностей индуктора и центрального цилиндрического канала (рис. 2). ИНЖС, содержащий 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

Всё большее применение в сельском хозяйстве находят индукционные нагреватели жидких сред (ИНЖС), имеющие различное назначение. Например, индукционный электронагреватель «SAV» (рис. 1) предназначен для нагрева воды или смеси воды и этиленгликоля в замкнутых системах теплоснабжения с принудительной циркуляцией (отопления, горячего водоснабжения жилых помещений) [1].

Рис. 1. Индукционный электрокотёл «БЛУ»: 1 - цилиндрический корпус; 2 - крышка; 3 - днище; 4, 12, 13, 14 - кольца с прорезями; 5 - центральный цилиндрический канал; 6 - индуктор; 7 - обмотка; 8 - входной патрубок; 9 - выходной патрубок; 10, 11 - цилиндры

9 и выходной 10 патрубки, используется следующим образом.

Рис. 2. Схема предложенного устройства ИНЖС

Обмотку индуктора 6, соединенную с днищем 3, подключают к сети. Питание может осуществляться от сети как трехфазного, так и однофазного переменного тока. Количество витков и сечение провода катушки рассчитаны таким образом, что при прохождении нагреваемой жидкости обеспечивается оптимальный нагрев при заданном объёме воды. Нагрев воды осуществляется по принципу, основанному на свойстве индукции электромагнитного поля, создаваемого обмоткой 8, герметично изолированной диэлектрическим материалом и расположенной внутри индуктора 6. При необходимости в верхней части устройства может быть установлен кран Маевского, который обеспечит удаление воздуха из устройства на начальной стадии его работы.

Поток нагреваемой жидкости через входной патрубок 8, расположенный у днища 3, поступает в межрёберное пространство индуктора 6, по которому движется в направлении снизу вверх, при этом, пересекая силовые линии электромагнитного поля, он нагревается.

В верхней части устройства поток жидкости поступает в межрёберное пространство канала 4, по которому движется в направлении сверху вниз, дополнительно

нагревается и поступает в канал 4, а далее через выходной патрубок 10 поступает к потребителю.

Модернизированный ИНЖС может использоваться для отопления и горячего водоснабжения жилых помещений, промышленных зданий, животноводческих ферм и т.д.

Вопросу развития теплоотдающей поверхности посвящены многочисленные работы. В частности, в работе [2] представлены теоретические и экспериментальные исследования оребрения трубчатых электронагревателей (ТЭН), а также разработки ребристого электронагревателя - РЭН, конструкция которого идентична конструкции индуктора ИНЖС.

Математическую модель проектного решения оребрённого индуктора (ОИ) на основании данных работы [2] можно представить в виде:

у = /X, и), (1)

где X, у, и - соответственно векторы входных и выходных параметров, а также параметров управления, а схематическое изображение объекта оптимизации представлено на рисунке 3.

Элементы векторов и управления и выходных параметров у ограничены наименьшими и наибольшими значениями

ишш — и — umax, (2)

Утш — У — Утах- (3)

Математическая модель проектного решения ОИ выделяет множество и = {и \и (Х1, хт )} допустимых вариантов проектных решений. Выбор из этого множества наилучшего варианта осуществляется с помощью критерия оптимизации I, в качестве которого могут быть выбраны его себестоимость, приведенные затраты при эксплуатации или долговечность изделия. Задача оптимизации ОИ заключается в нахождении такого управления и , которое удовлетворяет уравнению (1), ограничениям (2) и (3) и условию

1(и*) = тт |1(м)}. ыеЦ

(4)

Рассмотрим структуру фазовых переменных (х, у) и управления и ОИ.

Вектор входных параметров X

Xi

m

Вектор выходных параметров y

Уп

Вектор управляющих параметров й Рис. 3. Схематическое изображение объекта оптимизации

Выходными параметрами объекта управления являются мощность РОИ, его активная поверхность толщина оболочки (стенки индуктора) 5об и теплопроводность её материала X об. К числу параметров управления относятся: материал и геометрические параметры оребрения (высота ребра hp, толщина его основания <5р, диаметр округления ребер dp, шаг между ребрами зр).

Выходными параметрами объекта оптимизации являются температура конструкционных элементов тг; выбранный критерий оптимизации I.

Ограничения данной задачи подразделяются на конструкционные (геометрические размеры оребрения) и технологические температуры конструкционных элементов. Конструкционные ограничения:

- диаметр впадин Д,п min<Am<Am max;

- высота ребра 0 < кр < кр max;

- толщина ребра у основания 8р min<4><^max;

- шаг между ребрами Зр mж<Sp< р max;

Технологические ограничения:

- температура поверхности оболочки

^об<^об max.

В соответствии с изложенным выше применительно к ОИ задача оптимизации имеет вид:

' y = M (X,u); конструкционные и (5) технологич еские огр аничения где M(X,u) - математическая модель задачи, которая включает в себя систему уравнений для расчета выходных параметров объекта управления, включая критерий оптимизации.

X = Arg min

I(u)

Результаты анализа структуры фазовых переменных объекта управления и сформулированную задачу оптимизации ОИ можно использовать для нахождения оптимальных (или близких к ним) значений конструкционных и технологических (материал и способ оребрения) параметров ОИ. В качестве критерия оптимизации выбраны минимальные массогабаритные характеристики. Найденные таким образом наилучшие значения параметров управления использованы при проектировании модели ОИ.

Одной из проблем при конструировании ОИ с поперечно-винтовым оребрением является выбор оптимального варианта теп-лоотдающей поверхности.

С целью уменьшения массы металла, расходуемого на образование ребристых поверхностей, работающих в газообразных средах, ребра целесообразно делать утончающимися по высоте (рис. 4).

Расчеты конструкционных параметров РЭН [2] показывают, что такое ребро, имеющее по высоте треугольное сечение при одинаковой теплоотдаче и прочих равных условиях, у своего основания толще прямоугольного на 31%, а отношение соответствующих площадей поперечного сечения равно 1,00:1,44.

Оптимальность оребренной теплоот-дающей поверхности характеризуется коэффициентом эффективности оребрения (в), величина которого при оребрении прямоугольными по периметру ребрами может быть в пределах 0,99...0,35. При этом ореб-рение тем эффективнее, чем величина в ближе к 1.

а) б)

Рис. 4. Схема теплопередачи: а) - НЭРТ; б) - РЭН; Г], Гп - площади теплоотдачи периклаза и оболочки ТЭН; х - расстояние; а - коэффициенты теплоотдачи поверхностей и сред; д - толщины конструкционных элементов; £ - температуры теплоотдающих конструкционных элементов и нагреваемых сред; кР - высота ребра

Для расчета s прямоугольных по периметру ребер пользуются данными нижеприведённой таблицы [2].

Коэффициент эффективности оребрения s является величиной, показывающей уменьшение температурного напора от ребристой поверхности к нагреваемой среде в зависимости от hP и m (постоянная величина). В работе [2] доказано. что

m

2а,

., м-1, (6)

У Ар 5 P

где а2 - коэффициент теплоотдачи поверхности ребра, Вт/(м2 -°С); Л

- коэффициент

теплопроводности материала ребра, Вт/(м • оС); ôp- толщина ребра, м.

Исходя из конструкционно-технологических соображений оребрение элементов ИНЖС должно быть выполнено из

стальной ленты толщиной до 0,001 м с Лр = 34...55 Вт/(м • оС).

Ребро из стальной ленты можно рассматривать как плоскую стенку, а2 которой в соответствии с [2] выражается уравнением (по Нуссельту)

а2 = 9,75 + 0,07^ - ¿ж),

(7)

где £р - допустимая температура поверхности ребра, оС (определяется свойством нагреваемой жидкости и может быть в пределах от 110оС при нагреве вязких нефтепродуктов до 500оС при нагреве воды). Таким образом, а2 может быть в пределах 0,98.37,75 Вт/(м2 • оС).

Исходя из названных величин др, Хр и а2 значения т соответственно будут равны в пределах от 7,59 до 37,05 м-1.

Таблица

Значения коэффициента эффективности оребрения s

mhj, £ mhj, £ mhT, £ mhT, £

0,1 0,997 0,8 0,830 1,5 0,603 2,2 0,4435

0,2 0,987 0,9 0,796 1,6 0,576 2,3 0,4260

0,3 0,971 1,0 0,762 1,7 0,550 2,4 0,4100

0,4 0,950 1,1 0,728 1,8 0,526 2,5 0,3950

0,5 0,924 1,2 0,695 1,9 0,503 2,6 0,3800

0,6 0,895 1,3 0,667 2,0 0,482 2,7 0,3670

0,7 0,863 1,4 0,632 2,1 0,462 2,8 0,3545

При сохранении внешних размеров индукционного электрокотла «SAV», а также его индуктора и центральной трубы высота рёбер может быть не более 0,0085 м, т.е. величины mhP могут быть 0,065...0,315, для которых в в таблице равняется 0,997.0,971, а это величины близкие к 1, т.е. предлагаемые параметры оребрения обеспечивают эффективную теплопередачу.

Выводы. На основании проведённых теоретических исследований и из конструкционно-технологических соображений для оребрения конструкционных элементов ИНЖС (рис.2) принята схема, представленная на рисунке 4,а (рёбра из стальной ленты толщиной 0,001 и высотой 0,0085 м, приваренные к индуктору 6 и центральному цилиндрическому каналу 4).

Исходя из обеспечения минимального гидравлического сопротивления протеканию

жидкой среды через ИНЖС шаг между рёбрами принят равным 95 мм.

Применение оребрения на ИНЖС с вышеизложенными конструкционными параметрами позволит не только снизить гидравлическое сопротивление при протекании теплоносителя через него, но и с увеличением площади контакта с греющей поверхностью повысить и скорость его нагрева.

Список литературы

1. Индукционные котлы SAV [Электронный ресурс] // Индукционные технологии: [сайт]. [2011]. URL: http://www.sav-energy.ru/ info/patents.

2. Оболенский Н.В. Электронагрев в сельскохозяйственных обрабатывающих и перерабатывающих производствах. Н.Новгород: НГСХА, 2007. 352 с.

Theoretical background of parameters of ridgering of the induction source of heat

Shamin A., Krasikov S., Mironov E.

In the article 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 is proved.

Key words: an induction heater of liquid environments, inductor, ridgening, heat given

surface

УДК 664.011

Исследование влияния пульсационной обработки на процесс разделения гетерогенной пищевой среды

Губейдулла Сибятуллович Юнусов, доктор техн. наук, профессор, Надежда Ананьевна Кислицына, аспирант ФГБОУ ВПО « Марийский государственный университет», г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл, Россия

[email protected]

Статья посвящена проблеме разделения жидкостных гетерогенных систем. Рассмотрено устройство пульсационного аппарата и представлены результаты экспериментального исследования пульсационного способа разделения гетерогенной системы.

Ключевые слова: методы разделения, неоднородная гетерогенная система, граница раздела фаз, частота и продолжительность пульсаций

В пищевом производстве часто возникает необходимость разделения неоднородных систем на составные части. Например, в пивоваренном производстве -обработка солодового молока, осахаренно-го затора с выделением солодовой дробины и пивного сусла; в спиртовом произ-

водстве на стадии водоподготовки, очистки основного продукта, послеспиртовой барды; в производстве вина - осветление; другие производства нуждаются в способах, улавливающих газы во избежание уноса ценных продуктов и загрязнения окружающей среды.