ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2013
УДК 536.248
© 2013 г. Стулов В.В.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ
КАЛОРИФЕРОВ1
Разработана и испытана новая конструкция высокоэффективного электрокалорифера, состоящая из 9 секций термосифонов. Исследован теплообмен теплопере-дающей оребренной поверхности труб с продуктивным воздухом при задаваемой электрической мощности. Калорифер предназначен для использования в сушильной установке.
В настоящее время в энергоемких отраслях промышленности, в частности при работе калориферов сушильных установок, актуальным является увеличение их эффективности. На это направлены работы по госпрограмме "Энергосбережение и повышение энергоэффективности на период до 2020 г." (п. 6.3. "Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в промышленности").
В [1] отмечается, что большая разница в энергоемкости валового внутреннего продукта (ВВП) России и Европейского Союза (ЕС) объясняется, в частности, недостаточно высокой эффективностью промышленных установок, физическим и моральным старением оборудования и технологических процессов.
Основные недостатки существующих в настоящее время сушильных установок, содержащих электрокалорифер и паровой калорифер, следующие: сравнительно низкий срок службы трубчатых электрических нагревателей (ТЭН) по причине возможного их перегрева и перегорания; окисление поверхностного слоя металла ТЭН при их температуре 400—600°, увеличивающее термическое сопротивление передачи тепла и снижающее эффективность работы всего калорифера до 10—20%; недостаточная поверхность теплообмена ТЭН и, как результат, сравнительно низкая эффективность передачи подведенной электрической энергии в тепловую.
Для парового калорифера: большая длина паропроводов от котельной к калориферу и значительные затраты на их обслуживание; потери тепла пара более 10% в зимний период.
Обоснование проектных параметров секций термосифонов и калорифера в целом не позволяет учесть все особенности конструкции, поэтому необходимы экспериментальные исследования для определения влияния на теплообмен всех факторов.
Цель настоящей работы — получить экспериментальные данные по теплообмену в калорифере при определенном количестве секций термосифонов и подведенной электрической мощности при режиме течения (число Рейнольдса Яе = 1300) и параметре Ь2/йу = 25 (Ь2 — высота оребренной трубы термосифона; — ее внутренний диаметр). Принцип работы и конструкции термосифонов описываются в [2].
В процессе изготовления электрического калорифера для нагревания воздуха в сушильных установках [3, 4] проведено исследование работы отдельной секции термосифона, изготовленной из оребренных труб, при продольном обдувании ее воздухом.
1 При изготовлении и испытании конструкции принимали участие инженеры Государственного технического университета (Комсомольск-на-Амуре) Мыльников А.Л., Шубенцев А.В., Цыганок С.В.
Рис. 1
Параметры секции из 10 оребренных труб на рис. 1 следующие, мм: й1 = 28; й2 = 32; й3 = 40; й4 = 50; й5 = 28; к = 5; 8Р = 1; Ь1 = 5,3; ¡у = 600; 12 = 700; = 60; Ь = 590; В = 90; Н = 800; Ь2 = 110.
На рис. 1, а (главный вид) в нагревательном блоке 1 совместно с теплоносителем (вода) находится нагревательное устройство с регулируемой мощностью 11,5 кВт. На наружную поверхность стальных труб 2 напрессовано алюминиевое оребрение 3. Все трубы 2 в верхней части объединены в коллекторе 4. Подача охлаждающего воздуха от вентилятора осуществляется в пространстве между стенками кожуха 5 и трубами 2 с оребрением 3 на рис. 1, б (вид сбоку).
Предварительно перед выключением вентилятора и подачей охлаждающего воздуха производится включение электрического нагревательного устройства с разогревом блока 1 и труб 2 с оребрением 3 до определенной температуры.
В процессе испытания секции с электрическим нагревательным устройством проводится измерение температуры поверхности в верхней части труб по ходу воздуха, температуры поверхности нагревательного блока, температуры охлаждающего воздуха и температуры алюминиевого оребрения. Измерение температуры поверхности труб и блока осуществляется с помощью бесконтактного термометра (СЕМ ДТ-8812 с погрешностью ±2%), а температуры воздуха — лабораторным термометром ТЛ 2 с пределом измерения 0—150° и ценой деления 1°. Измерение температуры алюминиевого оребрения осуществляется оптическим пирометром ППТ-142 (АПИР-С) с пределом измерения 30—300° и вторичном приборе ПВ-6122.
В случае секции из 9 оребренных труб и мощности электрических нагревателей 11,5 кВт через т = 9 мин после включения вентилятора и предварительного разогрева секции температура охлаждающего воздуха достигает 114°, а поверхности труб № 1, 9 и нагревательного блока достигает значений 180, 185 и 202° (кривые 1, 2, 3, 4 на рис. 2). Расхождение значений температур поверхностей труб и нагревательного блока не превышает 7—12°.
Для описания теплообмена оребренных труб секции с воздухом необходимо знать, в первую очередь, скорость воздуха. Массовый секундный расход воздуха т можно определить из уравнения баланса тепла Q = с • т • Л?Ь, где с — теплоемкость воздуха,
Рис. 2. Зависимости температур поверхности труб предварительно разогретой секции из 9 труб и температуры выходящего воздуха от времени при мощности электрических нагревателей 11,5 кВт: 1 — температура поверхности в верхней части трубы № 9; 2 — температура поверхности нагревательного блока; 3 — температура поверхности в верхней части трубы № 1 по ходу воздуха; 4 — температура охлаждающего воздуха
Т ■ 60-, с
Atb = ?2 — — перепад температуры входящего и выходящего ?2 из кожуха воздуха, Q — количество отводимого в единицу времени тепла.
При Q = 11,5 кВт и температуре воздуха ?2 (кривая 4, рис. 2), С = 1000 Дж/(кг ■ К) определим значение т. Принимаем значение I2 = 60°. Тогда при = 16° значение А? = 46° и т = 0,25 кг/с. Объемный секундный расход воздуха [5] при плотности воздуха р = 1,166 кг/м3 равняется V = 0,2144 м3/с = 772 м3/час. С учетом параметров оребренной трубы 2 и кожуха 5 (рис. 1, б) площадь проходного сечения воздуха Г = 5,6 ■ 10-2 м2. Из выражения V = ю ■ Г определим скорость воздуха ю. Для принятых исходных данных получаем ю = 3,83 м/с.
При внешнем обдувании воздухом оребренных труб в секции теплообмен описывается критерием Нуссельта [6]
-К.Т тч т / г/»\-0,54,. ., ч—0,14
Ш = с ■ Яе •(й/Ь) (к/Ь) ,
где Ми = а ■ Ь/Х — критерий Нуссельта; Яе = ю ■ Ь^ — критерий Рейнольдса; Ь = Ь1 — шаг ребер; d = С3 — наружный диаметр трубы; к = 1/2(0 — С) = 1/2(С4 — d3) — высота ребра; с и т — постоянные. Для коридорных пучков труб с круглыми ребрами значения с = 0,104 и т = 0,72, ю — средняя скорость воздуха в узком сечении пучка труб, С4 — диаметр оребрения, а — коэффициент теплоотдачи, Х и V — соответственно коэффициенты теплопроводности и кинематической вязкости воздуха.
Теплофизические свойства воздуха выбираются согласно [5]: Х = 2,65 ■ 10-2 Вт/(м ■ К), V = 15,61 ■ 10-6 м2/с.
После подстановки исходных данных получаем Яе = 1300, Ми = 7,52, а = 37,6 Вт/(м2 ■ К). При температуре алюминиевого оребрения ^ = 170°, средней температуре воздуха I в = 37° и площади оребренной поверхности одной трубы Г0 = 0,22 м2 по выражению Q1 = а ■ Г0 ■ (?0 — I в) определим значение теплового потока, отводимого с поверхности 1 оребренной трубой. Согласно исходным данным получаем Q1 = 1100 Вт. При этом тепловой поток, отводимый воздухом с поверхности всех 9 труб секции, составляет Q9 = 9900 Вт. Сравнение полученного значения 9900 Вт с мощностью всех электрических нагревателей 11500 Вт с коэффициентом полезного действия 12% показы-
t, град 170
140
110
80
50
20
t, град 180
140 -
100 -
60 Н
20
т ■ 60-, с
т ■ 60-, с
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 3. Секции № 1—9 — по 4,5 кВт; 1, 2 — секция № 9; 3, 4 — секция № 8; 5, 6 — секция № 4; 7, 8 — секция № 1; 1, 3, 5, 7 — температура нагревательных блоков; 2, 4, 6, 8 — температура трубы в верхней части секции; 9 — температура выходящего воздуха; 10 — температура входящего воздуха Рис. 4. Секции № 1—5 — по 6,5 кВт; секции № 6—9 — по 4,5 кВтТ; 1, 2 — секция № 9; 3, 4 — секция № 8; 5, 6 — секция № 4; 7, 8 — секция № 1; 1, 3, 5, 7 — температура трубы в верхней части секции; 2, 4, 6, 8 — температура нагревательных блоков; 9 — температура выходящего воздуха; 10 — температура входящего воздуха
вает, что расхождение не превышает 2,2% и определяется неучтенными тепловыми потерями при охлаждении воздухом наружной поверхности нагревательного блока.
После испытания работы одной секции собирается электрокалорифер из 9 секций, установленных в шахматном порядке. На рис. 3 приведены зависимости температур оребренных труб, нагревательных блоков секций электрокалорифера мощностью
40,5 кВт и температуры входящего воздуха с расходом (V = 1496 м3/час) от времени при одновременном включении нагревательных блоков секций и вентилятора. Из рис. 3 видно, что при одинаковой электрической мощности и нагревательных блоков 4,5 кВт температура нагревательных блоков и оребренных труб секций возрастает от первой по девятую секцию. Время выхода секций на стационарный установившийся режим работы также не одинаково и равняется т = 20 мин (для первой по ходу воздуха секции) на кривой 8, т = 30 мин (для четвертой секции) на кривой 6, т = 50 мин (для восьмой секции) на кривой 4, т = 65 мин (для девятой секции) на кривой 2. Для всех четырех исследуемых секций № 1, 4, 8 и 9 температура нагревательных блоков на 2—8° превышает температуру оребренной трубы в верхней части секции. Причем минимальное расхождение температуры нагревательного блока и температуры оребренной трубы в верхней части секции. Минимальное расхождение температуры нагревательного блока и температуры оребренной трубы Лt = 2—5° наблюдается на последних секциях (№ 8 и 9) электрокалорифера, что связано с увеличением температуры продуваемого воздуха. Максимальное расхождение между температурами труб в первой tl = 80° и девятой Ц = 160° секциях составляет Лt = 80°. Максимальное значение температуры выходящего из электрокалорифера воздуха равняется ^ах = 105° (на кривой 9) и
достигает
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.