Рис. 1. Схема привода с планетарным редуктором на коаксиальных валах

Автор: К.В. Ефанов (АО ПО «СЕВЕРНЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №10/2018

В настоящей работе показана возможность повышения эффективности и снижения металлоемкости аппаратов воздушного охлаждения за счет применения вентилятора с соосными колесами противоположного вращения

В статье на основе совместного прочтения уравнений теплового баланса и теплопередачи найден единственно верный способ повышения эффективности секции аппарата воздушного охлаждения путем интенсификации процесса теплообмена повышением расхода охлаждающего воздуха. Предложенный способ реализуется за счет применения вентилятора с кратно увеличенной мощностью при сохранении размеров диффузора вентилятора и габаритов аппарата. Конечным результатом является конструктивное решение, позволяющее проектировать аппараты с минимальной металлоемкостью и максимальной эффективностью секции. Показана возможность увеличения расхода воздуха для вентилятора применением компоновки с двумя соосными колесами противоположного вращения, аналогично авиационной технике. Такая компоновка исключает закручивание потока воздуха на выходе и за счет этого позволяет повысить КПД и тягу и в результате повысить эффективность АВО. Приведены два варианта схемы конструктивной компоновки привода аппарата.

В настоящее время основным направлением исследования повышения эффективности процесса теплообмена являются тематика, связанная с оребренными трубами и некоторыми другими элементами конструкции аппарата. Однако вопрос об интенсификации процесса теплообмена путем увеличения расхода охлаждающего воздуха за счет кратного повышения мощности вентилятора установленного диаметра без увеличения его диаметра и металлоемкости секции ранее не рассматривался.

При совместном прочтении уравнений теплового баланса и теплопередачи из теплового расчета аппаратов воздушного охлаждения [1], можно записать

Q = GвC(tв.н – tв.к) = KFdt,

где Q – количество отведенной теплоты; Gв – массовый расход охлаждающего воздуха; tв.н, tв.к – температуры охлаждающего воздуха на входе и выходе; K – коэффициент теплопередачи; F – площадь поверхности теплообмена (ореберенных труб); dt – температурный напор.

Выбрав аппарат минимальной металлоемкости, превышение тепловой нагрузки можно обеспечить увеличением площади поверхности оребренных труб или повышением расхода охлаждающего воздуха, как видно из уравнений в представленной форме.

При увеличении площади поверхности теплообмена для удовлетворения условию минимальной металлоемкости аппарата увеличивают длину оребренных труб, как показано в работе [2]. Такое решение обусловлено тем, что 40% удельного веса приходится на трубы, остальное на трубные решетки, коллекторы, металлоконструкцию, вентиляторное оборудование и другие элементы аппарата. Тепловая эффективность трубного пучка не изменится, так как плотность теплового потока на единицу массы трубы не изменится с ростом длины труб при неизменных конструктивных характеристиках секции.

В работе [3] приведены результаты сравнения конструкций аппаратов с одним и восьмью ходами секции по затратам на охлаждение. Согласно представленным данным, оптимальным является одноходовой теплообменник, для которого энергетический коэффициент равен единице, для восьми ходов коэффициент меньше. Следует отметить, что для уменьшения металлоемкости одноходовой секции, которая выше, чем для восьмиходовой, необходимо интенсифицировать теплообмен увеличением расхода охлаждающего воздуха.

Таким образом, тепловую эффективность секции аппарата воздушного охлаждения следует повысить за счет расхода охлаждающего воздуха, значительно превышающего значения, которые обеспечивают существующие вентиляторы установленных диаметров.

В конструкции существующих АВО, например по каталогу [4], применяются вентиляторы с одиночными колесами и различным числом лопастей для обеспечения мощности в интервале от минимального до максимального значения, соответствующих определенному диаметру колеса. При необеспечении требуемой мощности колесом заданного диаметра с максимальным числом лопастей увеличивают число вентиляторов или используют колесу следующего большего диаметра (с минимальным числом лопастей). Применение обоих вариантов вызывает рост размеров и металлоемкости аппарата.

В работе [5] указано о целесообразности применения соосной схемы воздушных винтов противоположного вращения взамен одиночного винта с числом лопастей, начиная от 5 и больше, что позволит превысить предел максимально возможной мощности одиночного колеса. Конструкции вентияляторных устройств с двумя соосными колесами известны и, по данным работы [6], обеспечивают в 2 раза большие значения расхода и давления.

Применение соосной комбинации противоположного вращения за счет возникающего синергетического эффекта позволит получить КПД и тягу, превышающие суммарный КПД и тягу для двух составляющих винтов и КПД для одиночного колеса такой же мощности, как показано для воздушных винтов в работе [7]. Тягу соосных колес можно приближенно рассчитывать как суммарную тягу двух составляющих колес, как показано для воздушных винтов в работе [8], при этом угол установки лопастей заднего колеса должен быть на 1…1,5 градуса меньше для обеспечения равной мощности на соосных колесах.

Рис. 1. Схема привода с планетарным редуктором на коаксиальных валах
Рис. 1. Схема привода с планетарным редуктором на коаксиальных валах

К оценке эффективности вентилятора можно применить теорию идеального винта, приведенную в работе [9], согласно которой потеря КПД происходит за счет закручивания потока и трения на лопастях. В работе [10] отмечена потеря КПД осевых вентиляторов вследствие закручивания потока на выходе. Для соосной комбинации колес противоположного вращения закручивание потока на выходе будет отсутствовать, как отмечено для воздушных винтов в работе [11]. За счет этого узел соосной комбинации колес по значению КПД приблизится к идеальному винту, что важно, так как вентиляторное устройство с атмосферой образуют открытую систему.

Закручивание (поворот) воздуха после колеса является фактором, ухудшающим процесс охлаждения для АВО с рециркуляцией [12]. Неравномерное смешение холодного и нагретого воздуха в диффузоре и последующий поворот воздуха на угол до 78 градусов вызывают несимметричное относительно оси аппарата поле температур. Для соосной комбинации перемешивание воздуха в диффузоре будет существенно лучше, кроме того, исключается его поворот на выходе.

Рис. 2. Схема привода с применением для каждого из коаксиальных валов отдельного мотор-редуктора
Рис. 2. Схема привода с применением для каждого из коаксиальных валов отдельного мотор-редуктора

Конструктивное оформление привода с двумя соосными колесами противоположного вращения может быть выполнено принципиально по двум схемам: с раздачей крутящего момента на коаксиальные валы колес вентилятора от одного электродвигателя через планетарный редуктор (рис. 1) или по схеме использования для каждого вала отдельного мотора-редуктора (рис. 2). Первый вариант при соответствующей настройке редуктора позволяет передавать крутящий момент на валы неравномерно в заданном отношении. Второй вариант обеспечивает возможность в процессе работы аппарата независимо друг от друга регулировать частоту вращения коаксиальных валов и при необходимости выключить из работы одно из колес вентилятора, а затем вновь запустить в работу.

Список литературы

  1. Кунтыш В.Б. Тепловой и аэродинамический расчеты оребренных теплообменников воздушного охлаждения. СПб.: Энергоатомиздат, 1992. 280 с.
  2. Бессонный А.Н. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения. Справочник. СПб.: Недра, 1996. 512 с.
  3. Бахмат Г.В. Аппараты воздушного охлаждения газа на компрессорных станциях. СПб.: Недра, 1994. 102 с.
  4. Шмеркович В.М. Стандартизованные аппараты воздушного охлаждения общего назначения. Каталог. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1979. 18 с.
  5. Келдыш В.В. Проектирование и аэродинамический расчет воздушных винтов. Труды ЦАГИ ¹588. 1946. С. 1–53.
  6. Брусиловский И.В. Аэродинамические схемы и характеристики осевых вентиляторов ЦАГИ. М.: Недра, 1988. 198 с.
  7. Майкапар Г.И. Соосные воздушные винты. Технические отчеты ЦАГИ ¹25. 1944. С. 1–12.
  8. Бас-Дубов С.Ш. Экспериментальное исследование соосных винтов. Труды ЦАГИ ¹559. 1944. С. 33–56.
  9. Мельников А.П. Теория и расчет лопастей винта. Ч. I. Аэродинамика. Л.: ЛКВВИА. 1947. 153 с.
  10. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов. М.: Машиностроеине, 1986. 288 с.
  11. Майкапар Г.И. Соосные воздушные винты. Труды ЦАГИ ¹559. 1944. С. 1–32.
  12. Драник С.П. Создание высокоэффективных аппаратов воздушного охлаждения газа//Газовая промышленность. 2011. ¹11. С. 47–50.