Интенсификация теплоотдачи пластическим расчленением накатных алюминиевых ребер биметаллических труб в потоке воздуха Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»
Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Кунтыш Владимир Борисович, Сухоцкий Альберт Борисович
Приведены результаты экспериментального исследования средней приведенной теплоотдачи и аэродинамического сопротивления шестирядного шахматного пучка из труб с накатными спиральными рассеченными на короткие пластинки алюминиевыми ребрами. Трубный пучок снаружи обтекается вынужденным перпендикулярным потоком воздуха. Ребра накатаны на стальной несущей трубе диаметром 25 мм, наружный диаметр ребра 56 мм, коэффициент оребрения 15,23. Подобные трубы применяются в калориферах лесосушильных камер , в воздухонагревателях сушильной части бумагои картоноделательных машин, в аппаратах воздушного охлаждения химической, нефтехимической промышленности. Ребристые трубы расположены в решетках по вершинам равностороннего треугольника с шагом 58 мм. Для интенсификации теплоотдачи применен способ разрушения пограничного слоя воздуха на ребрах с созданием вихревого режима его движения в межреберных каналах. Реализация способа осуществлена радиальной рассечкой каждого ребра на высоту 4,5 мм дисковой фрезой с углом заточки зубьев 30°. В результате образовались короткие пластинки дугообразной формы, равномерно расположенные по окружности ребра. Средняя теплоотдача пучка из труб с интенсифицированными ребрами увеличилась по сравнению с пучком со сплошными ребрами на 13% при опережающем росте аэродинамического сопротивления на 28%. Опыты проведены в интервале числа Рейнольдса от 4500 до 25 000.
Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Кунтыш Владимир Борисович, Сухоцкий Альберт Борисович
INTENSIFICATION OF THE CONVECTIVE HEAT EXCHANGE BY THE PLASTIC DISMEMBERING OF ROLLING ALUMINIUM RIBS OF BIMETALLIC TUBES IN AIR STREAM
The results of an experimental research of the average resulted convective heat exchange and aerodynamic resistance of a six-row chess bunch of tubes with rolling spiral divided into short plates aluminium ribs are provided. The tube bunch is outside flowed round by the forced perpendicular stream of air. Ribs are rolled on a steel bearing pipe of 25 mm in diameter, the outside diameter of a rib is 56 mm, ribed factor is 15.23. Similar tubes are applied in hot-air heaters wood-dryer chambers, in hot-blast stoves dryer parts paper and cardboard machines, in apparatuses of air cooling in chemical, petrochemical industris. Ribbed tubes are in lattices on apexes of an equilateral triangle with step of 58 mm. The way of destruction of a boundary layer of air is applied to ribs with creation of an eddy flow of its traffic in intercostal channelsa to intensif convective heat exchange. The implementation of the way is carried out by the radial cut of each rib at the hight on altitude of 4.5 mm by a side milling cutter with an angle of rounding-off shoulder of teeths of 30°. As a result the short plates of the bow-shaped form which has been in regular intervals had on a round of a rib were formed. The average convective heat exchange of a bunch of pipes with the intensified ribs increased in comparison with a bunch with continuous ribs by 13% at the leading growth of an aerodynamic resistance on 28%. Experiences are spent in the interval Reynolds number from 4,500 to 25,000.
Текст научной работы на тему «Интенсификация теплоотдачи пластическим расчленением накатных алюминиевых ребер биметаллических труб в потоке воздуха»
ОБЩЕИНЖЕНЕРНЫЕ ВОПРОСЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
В. Б. Кунтыш, А. Б. Сухоцкий
Белорусский государственный технологический университет
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООТДАЧИ ПЛАСТИЧЕСКИМ РАСЧЛЕНЕНИЕМ НАКАТНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ РЕБЕР БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ
В ПОТОКЕ ВОЗДУХА
Приведены результаты экспериментального исследования средней приведенной теплоотдачи и аэродинамического сопротивления шестирядного шахматного пучка из труб с накатными спиральными рассеченными на короткие пластинки алюминиевыми ребрами. Трубный пучок снаружи обтекается вынужденным перпендикулярным потоком воздуха. Ребра накатаны на стальной несущей трубе диаметром 25 мм, наружный диаметр ребра - 56 мм, коэффициент оребрения - 15,23. Подобные трубы применяются в калориферах лесосушильных камер, в воздухонагревателях сушильной части бумаго- и картоноделательных машин, в аппаратах воздушного охлаждения химической, нефтехимической промышленности. Ребристые трубы расположены в решетках по вершинам равностороннего треугольника с шагом 58 мм.
Для интенсификации теплоотдачи применен способ разрушения пограничного слоя воздуха на ребрах с созданием вихревого режима его движения в межреберных каналах. Реализация способа осуществлена радиальной рассечкой каждого ребра на высоту 4,5 мм дисковой фрезой с углом заточки зубьев 30°. В результате образовались короткие пластинки дугообразной формы, равномерно расположенные по окружности ребра.
Средняя теплоотдача пучка из труб с интенсифицированными ребрами увеличилась по сравнению с пучком со сплошными ребрами на 13% при опережающем росте аэродинамического сопротивления на 28%. Опыты проведены в интервале числа Рейнольдса от 4500 до 25 000.
Ключевые слова: биметаллическая труба, алюминиевое спиральное ребро, нагрев воздуха, теплоотдача, аэродинамическое сопротивление, шахматный пучок.
V. B. Kuntysh, А. B. Sukhotskiy
Belarusian State Technological University
INTENSIFICATION OF THE CONVECTIVE HEAT EXCHANGE BY THE PLASTIC DISMEMBERING OF ROLLING ALUMINIUM RIBS OF BIMETALLIC TUBES IN AIR STREAM
The results of an experimental research of the average resulted convective heat exchange and aerodynamic resistance of a six-row chess bunch of tubes with rolling spiral divided into short plates aluminium ribs are provided. The tube bunch is outside flowed round by the forced perpendicular stream of air. Ribs are rolled on a steel bearing pipe of 25 mm in diameter, the outside diameter of a rib is 56 mm, ribed factor is 15.23. Similar tubes are applied in hot-air heaters wood-dryer chambers, in hot-blast stoves dryer parts paper and cardboard machines, in apparatuses of air cooling in chemical, petrochemical industris. Ribbed tubes are in lattices on apexes of an equilateral triangle with step of 58 mm.
The way of destruction of a boundary layer of air is applied to ribs with creation of an eddy flow of its traffic in intercostal channelsa to intensif convective heat exchange . The implementation of the way is carried out by the radial cut of each rib at the hight on altitude of 4.5 mm by a side milling cutter with an angle of rounding-off shoulder of teeths of 30°. As a result the short plates of the bow-shaped form which has been in regular intervals had on a round of a rib were formed.
The average convective heat exchange of a bunch of pipes with the intensified ribs increased in comparison with a bunch with continuous ribs by 13% at the leading growth of an aerodynamic resistance on 28%. Experiences are spent in the interval Reynolds number from 4,500 to 25,000.
Keywords: bimetallic tube, aluminium spiral rib, air heating, convective heat exchange, aerodynamic resistance, chess bunch.
Введение. Биметаллические ребристые трубы (БРТ) с накатными алюминиевыми ребрами, обтекаемые снаружи поперечным потоком воздуха, применяются в калориферах лесо-сушильных камер, сушильной части бумаго- и картоноделательных машин, в устройствах для сушки обоев и иных теплотехнологических установках. Отдельная область применения БРТ -это аппараты воздушного охлаждения (АВО) технологических продуктов химической, нефтехимической, газовой промышленности, на выпуск и ремонт которых расходуется свыше полутора миллиона метров таких труб [1] ежегодно.
Основные достоинства БРТ - технологичность в серийном изготовлении, коррозионная стойкость алюминия к воздействию внешней среды, возможность получения ребра в широком диапазоне изменения геометрических параметров. Общим недостатком теплообменников, трубные пучки которых состоят из БРТ, является низкий коэффициент теплоотдачи а
30-90 Вт/(м2 • К) по воздушной стороне, что предопределяет их значительные габариты и металлоемкость. Основным способом улучшения массогабаритных характеристик является интенсификация конвективного теплообмена, обеспечивающая повышение тепловой эффективности БРТ, выражающееся в росте коэффициента теплоотдачи при неизменных затратах мощности на прокачку потока воздуха через трубный пучок.
Для интенсификации теплоотдачи попереч-нообтекаемых пучков из БРТ наибольшее применение получил метод разрушения и обновления пограничного слоя воздуха на боковой поверхности ребра, его турбулизации и непрерывного вихреобразования в межреберных каналах [2]. Для практической реализации метода применено пластическое расчленение ребра на всю высоту [2-5] по окружности с образованием отдельных коротких пластинок (лепестков) в форме знака «интеграл». Концы каждого лепестка отогнуты в противоположные стороны. При такой рассечке не происходит удаление металла ребра, как это имело место в [6]. Линия расчленения ребер располагалась как вдоль продольной оси трубы и составляла с плоскостью поперечных ребер угол у = 90°, так и винтообразно с углом у < 90°. Отогнутые относительно боковой плоскости ребра концы лепестков играют роль турбулизаторов потока воздуха с образованием отрывной области сзади них. На рассеченных ребрах сплошность пограничного слоя нарушается, он вновь формируется и обновляется, а также турбулизиру-ется. В межреберных полостях наблюдается непрерывное вихреобразование. Количественные эффекты интенсификации теплоотдачи и изменения аэродинамического сопротивления
пучков с рассеченными (разрезными) ребрами различны и зависят от геометрических параметров пластинок, пространственной ориентации пластинки [7] и ее отогнутых концов [8] относительно межреберной полости, формы пластинок. Но общим для всех исследованных на первом этапе пучков из БРТ явилось расчленение на полную высоту каждого сплошного ребра с образованием отдельных элементов.
Анализ течения потока в межреберных каналах выявил, что при полном расчленении ребра не достигается энергетически эффективная интенсификация теплоотдачи. В трубах происходит полное загромождение межреберных полостей отогнутыми торцами пластинок, при этом оно возрастает к основанию межреберных каналов, в которых скорость потока заметно ниже по сравнению со скоростью у вершин ребер. Перекрытые межреберные полости ограничивают движение вихрей и уменьшают воздействие их на пристеночную структуру потока. Перекрытые межреберные полости труб также являются источниками повышенной за-соряемости частицами пыли, находящейся в воздухе, и уменьшают свободное сечение для движения, что вызывает дополнительный рост аэродинамического сопротивления.
Существенным технологическим недостатком явилась невозможность расчленения ребер на высоту более 5 мм [9] в серийном промышленном производстве. Исследование [10] показало, что аналогичный эффект достигается мелкой насечкой ребра на высоту кр
2-4 мм по винтовой линии с углом у = 30-45°. Результаты работы [8, 11] подтвердили достигнутые эффекты интенсификации. Рассечка (насечка) ребер только периферийной части способствует созданию высокотурбулизированного [12] потока воздуха в межреберных полостях труб при минимальном их загромождении. Применение периферийной насечки ребер устранило основное препятствие по внедрению этих труб в промышленное аппаратостроение, так как был разработан инструмент [13] для выполнения этой операции. Он представлял цилиндрическую кольцевую фрезу с зубьями-резцами [11], устанавливаемую на оси (валке) станов ХПРТ [14], несущей накатные диски. Операция насечки совмещена с операцией накатки ребер, не требует дополнительных затрат времени, поэтому производительность станов остается неизменной.
С учетом изложенного на Таллиннском машиностроительном заводе была разработана конструкция БРТ (рис. 1) с новыми рассеченными ребрами, в которых устранена явно выраженная отогнутость концов лепестков как нежелательный элемент. При этом лепесткам при насечки ребер придается слабоизогнутая форма.
Рис. 1. Теплообменнаятруба с рассеченными спиральными ребрами
Цель работы - опытное исследование тепло-аэродинамических характеристик труб с новой формой рассеченных ребер для оценки энергетической эффективности возникшего интенсифицированного конвективного теплообмена.
Основная часть. В качестве объекта исследования были выбраны стандартные БРТ АВО, ребра которых подвергнуты насечке (рис. 1) машинным способом на стане ХПРТ. Геометрические параметры ребер и трубы, мм: наружный диаметр ребра й = 56; высота, шаг и средняя толщина ребра к = 14, 5 = 3, А = 0,75; диаметр трубы у основания й0 = й - 2к = 28; высота рассечки кр = 4,5; количество рассечек на окружности ребра = 12; угол заточки зубьев-резцов фрезой в = 30°; угол наклона плоскости рассечек к плоскости ребра у = 45°. Ребра накатаны на несущей гладкой стальной трубе с наружным диаметром йн = 25 мм и толщиной стенки 2 мм. Коэффициент оребрения трубы ф = 15,23. Значение ф вычислены по параметрам гладкого сплошного ребра.
Из труб собирался шахматный шестиряд-ный пучок, моделирующий теплообменные секции АВО. Высота оребренной части трубы 400 мм. В решетках пучка трубы располагались в вершинах равностороннего треугольника с шагами: поперечным 51 = 58 мм; продольным = 50,2 мм и среднедиагональным «2' = 58 мм. Выбранные шаги соответствовали промышленным значениям для изучаемого типоразмера труб. Экспериментальное исследование пучка проводилось в аэродинамической трубе разомкнутого типа 400x400 мм [15] в перпендикулярном потоке воздуха. Обработка результатов наблюдений является общепринятой и изложена в [14].
Теплоотдача исследовалась локальным тепловым моделированием посредством парожид-костного калориметра кипящего типа. Труба-калориметр размещалась в середине первого, третьего и пятого поперечного ряда пучка. Опытные данные наблюдений обрабатывались в числах подобия Нуссельта (Ки7), Рейнольдса (Яе), Эйлера (Ей), значения которых вычислялись как №. = а й0 / X, Яе = сой0 / V, Ей =Ар / (рю2), где а7 — приведенный коэффициент теплоотдачи,
отнесенный к полной теплоотдающей площади поверхности оребрения калориметра 7-го ряда, Вт/(м2 • К); X - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м • К); с - скорость воздуха в сжатом поперечном сечении пучка, м/с; V - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с; Ар - перепад статического давления воздуха в пучке, Па; р - плотность воздуха, кг/м3. Физические параметры воздуха X, V, р определялись по его средней температуре в пучке.
Результаты опытов экспериментальными точками приведены на рис. 2. В верхней части -теплоотдача 7-х рядов, в нижней части - аэродинамическое сопротивление шести рядов пучка. Здесь же штрихпунктирными линиями нанесены соответствующие характеристики этого пучка до рассечки ребер [15].