CC BY
29
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 227 1972
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ СЖАТОГО ВОЗДУХА В КОМПРЕССОРАХ
В. Ф. КУЦЕПАЛЕНКО, А. Н. КАБАКОВ, Б. А. ТИХОНОВ
(Представлена научным семинаром кафедры охраны труда)
Сжатый в'оздух, как источник энергии, находит широкое применение в промышленности. Для производства пневматической энергия в СССР по 'состоянию на 1964 г. находилось в эксплуатации около 250 тыс. компрессоров с суммарной мощностью привода около 13 млн. кет.
В области пневматики до 'настоящего времени остается актуальной задача повышения эффективности процессов получения сжатого воздуха в компрессорах. Одним из путей решения этой задачи является совершенствование способа охлаждения сжатого воздуха.
В компрессорных установках охлаждение воздуха (промежуточное и концевое) осуществляется, как правило, аппаратами кожухо-трубно-го типа (рис. 1,а). Названные аппараты имеют ряд неустранимых недо-
Рис. 1. Конструктивные схемы аппаратов для охлаждения сжатого воздуха в компрессорах
статков, наиоолее существенными из которых являются следующие: образование отложений на рабочих поверхностях аппаратов, недостаточное охлаждение сжатого воздуха и повышенное содержание в нем паров влаги и масла. Эти недостатки отрицательно влияют на качество и повышают опасность использования пневматической энергии (возможность гидравлических ударов и внутреннего обмерзания в пневматических сетях, возможность взрывов и пожаров).
В результате поисков улучшения способа охлаждения сжатого воздуха у нас был разработан аппарат барботажно-распылительного типа [1, 2]. В данном аппарате (рис. 1,6) охлаждение осуществляется на новом принципе—на непосредственном контакте горячего сжатого воздуха и охлаждающей воды.
Изготовленный в кафедральной мастерской образец аппарата подвергался исследованиям в лаборатории, а в 1968 г.— и в полупромышленных условиях (на Томском электромеханическом заводе). Целью исследования являлось изучение процесса теплообмена и определение основных характеристик охлаждающего аппарата — коэффициента теплопередачи, степени охлаждения, гидравлического сопротивления прохождению сжатого воздуха, расхода охлаждающей воды и других показателей.
Процесс охлаждения в названном аппарате, как и в любом теплообменнике, зависит от ряда переменных физических величин, характеризующих взаимодействующие компоненты (воздух—вода) и параметры аппарата (эффективное сечение, высота водовоздушного слоя). Анализ размерностей этих величин позволил получить расчетное критериальное уравнение для коэффициента теплопередачи, а именно:
ы^А^у. ^у. (1)
После опытного определения коэффициента А и показателей степени В и С уравнение (1) приводится к виду
0,93 #0,07
К = 2,6 __(2)
где К— коэффициент теплопередачи (вт1м2град);
X— коэффициент теплопроводности воздуха (вт/мград)\ со — скорость движения воздуха ъ аппарате (м/сек)\ ¡гв_в— высота водовоздушного слоя в аппарате (м)\ йэ— эквивалентный диаметр полезного сечения аппарата (м)'г V — коэффициент кинематической вязкости (м2/сек).
Уравнение (2) выражает условия подобия охлаждающих аппаратов и позволяет построить для них параметрический ряд.
Коэффициент теплопередачи вычислялся также по формуле Ньютона — Рихмана
<2 = КБМ ср г, (3)
где С1 — количество тепла, отнятого водой от воздуха (вт. ч); 5— эффективное сечение аппарата (м2); А ¿ср— средняя разность температур между воздухом и водой (°С);
~— длительность теплообмена (час).
В формуле (3) все величины определялись опытным путем.
Сравнение величин коэффициента Кполученных из выражений (2) и (3), показало, что максимальное отклонение опытных данных от расчетных не превышает 10%.
Исследование работы аппарата барботажно-распылительного типа проводилось в виде нескольких групп опытов, для каждой из которых устанавливались и поддерживались неизменными параметры сжатого воздуха и охлаждающей воды (скорость, давление, температура и влажность воздуха, весовой расход воды и ее температура на входе), а также высота водовоздушного слоя в аппарате. Измерения необходимых величин производились через 8—10 мин после начала опытов, в течение которых в аппарате стабилизировался режим теплообмена.
После обработки опытных данных были построены графические зависимости, показанные на рис. 2, 3 и 4. В приведенной ниже таблице даны некоторые характеристики 'испытанного образца аппарата, а также результаты,'полученные путем расчетов на основании уравнения теплового баланса и с использованием данных опыта.
Таблица
Исходные (заданные) величины
наименование
значение
Производительность
компрессора Абсолютное давление воздуха па входе в компрессор Температура воздуха на входе в компрессор
Температура охлаждающей воды на входе в аппарат Показатель степени политропы Теплоемкость воздуха при постоянном объеме
То же при постоянном
давлении Температура воздуха на входе в аппарат
1 к г ¡сек
9 бар 25°С
16°С
Величины, полученные расчетом и опытами
наименование
значение
720
1,3
кдж кг. град
1005— „ — 110°С
Удельный расход охлаждающей воды Температура охлажденного воздуха
Температура охлаждающей воды на выходе из аппарата Потери давления воздуха в аппарате
Коэффициент теплопередачи
Высо[а водовоздушного слоя в аппарате
Эквивалентный диаметр
аппарата Площадь сечения конструкции аппарата Вес аппарата
1920
7 aJM3 24,5°С
19,5°С
0,1 бар вт
м2 град 0,4 м
0,568 м
0,942 м2 820 кг
17°С; 100 - 125°С;
2 — 6°С
В опытах, поставленных на компрессорной установке Томского электромеханического завода, аппарат использовался в качестве промежуточного холодильника компрессора типа 160В-20/8 при следующих начальных условиях:
температура воздуха на входе в компрессор ......
то же на входе в аппарат температура охлаждающей воды на
входе в аппарат .....
количество воздуха, охлаждаемого в аппарате ......до 180 мг\яас
После охлаждения в аппарате температура воздуха понижалась до 6—12°С, а температура воды составляла 5—7°С. При этом разность температур между водой и воздухом на выходе аппарата находилась в пределах 1—5°С, тогда как в кожухотрубном холодильнике, которым оснащен указанный компрессор, она была 20—25СС.
Глубину охлаждения воздуха в аппарате можно оценить следующим соотношением:
(4)
где ¿2 — температура воздуха на входе и выходе из аппарата.
Величина т1() в физическом отношении представляет степень охлаждения воздуха и находится в пределах 0<7]0<1- Экстремальные значения степени соответствуют случаям полного отсутствия охлаждения (t2 = t1) или полного охлаждения (^2 = 0).
Степень охлаждения является важной характеристикой теплооб-менного аппарата. Она отражает уровень его совершенства как в отношении способа охлаждения, так и конструкции.
Используя результаты опытов, находим, что в аппарате барботаж-но-распылительного типа степень охлаждения составляет около 0,8.
Разность 1—т]0 будет определять величину недоохлаждения воздуха. Эту величину можно характеризовать также разностью выходных температур воздуха и воды. Идеальному случаю будет соответствовать равенство данных температур, т. е. когда тепловые потенциалы контактирующих сред выравниваются.
Величина недоохлаждения, а следовательно, и степень охлаждения зависят в основном от скорости движения воздуха и высоты водовоздушного слоя. Как видно из рис. 2, при Нв_в = 400 мм величина
Рис. 2. Зависимость разности температур воздуха и воды на выходе из аппарата от высоты водовоздушного слоя
Ъ =
^ Л Ь Л
и
недоохлаждения для данной конструкции аппарата будет одинаковой для любой скорости движения воздуха.
Рассматривая график на рис. 3, устанавливаем, что по условиям гидравлического сопротивления высота водовоздушного слоя в 400 мм представляет его верхний допустимый предел. С превышением этого предела область работы аппарата не является рациональной, так как невозможно осуществить движение воздуха с достаточной скоростью и при приемлемых значениях гидравлического сопротивления. И хотя увеличение скорости вызывает (благоприятное изменение коэффициента теплопередачи (рис. 4), однако верхнее значение скорости следует все же принимать с учетом влияния ее на величину гидравлического сопротивления аппарата и на брызгоунос при барботаже в нем воздуха.
Рис. 3. Зависимость потерь давления сжатого водуха от его скорости в аппарате
0,25 0,50 0,75 /,0 25 1,50 1,75 2,0
С наростд £оз духа, т/оем
Рис. 4. Влияние скорости воздуха в аппарате на коэффициент теплопередачи
от воздуха к воде
В заключение отметим, что охлаждение сжатого воздуха на принципе непосредственного контакта в значительной мере устраняет недостатки, свойственные кожухотрубным холодильникам, и имеет перед последними другие преимущества, а именно: в несколько раз больший коэффициент теплопередачи, почти в два раза меньшее гидравлическое сопротивление, большую (на 15—20%) степень охлаждения воздуха, проще по конструкции.
Только по удельному расходу охлаждающей воды (7 л/ж3) предлагаемый аппарат уступает кожухотрубному, у которого этот расход составляет 4 л/ж3.
Для эффективного применения барботажно-распылительных аппаратов на компрессорных установках необходимо дополнительно решить некоторые вопросы, как автоматизация регулирования высоты водо-воздушного слоя, совершенствование конструкции аппарата и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. Н. Кабаков. Охлаждение сжатого воздуха в компрессорных установках. Изв. ТПИ, т. 162, 1967.
2. Официальный бюллетень Комитета по делам изобретений и открытий при
Совмине СССР, № 36, стр. 31, «Теплообменник», 1968.
