ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПРОЦЕССА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ С СЕТОЧНЫМ ОРЕБРЕНИЕМ

В компрессорных установках (КУ) для охлаждения масла и газа применяются водяные и воздушные рекуперативные теплообменники (ТО). В передвижных КУ применяют, как правило, воздушные теплообменники, обеспечивающие автономность работы установки. Стремление к уменьшению габаритов и массы КУ обуславливает применение теплообменников с максимально возможным коэффициентом теплопередачи. В применяемых в настоящее время рекуперативных ТО наибольшие коэффициенты теплопередачи, использования массы, объема и компактности имеют пластинчато-ребристые теплообменники (ПРТ) [1,2]. При этом оптимальное сочетание указанных коэффициентов имеют пластинчато-ребристые ТО из алюминиевых сплавов.

Однако производство ТО необходимо оценивать не только по их тепловой эффективности, но и по технологичности и стоимости. В работе [3] установлено, что применение тонких лент из прочных нержавеющих сталей для формирования рабочих каналов ПРТ позволяет приблизить значения коэффициентов объема и компактности стальных и алюминиевых ПРТ. При этом стоимость алюминиевых ПРТ выше стоимости стальных.

Повышение тепловой эффективности стальных ПРТ в большой степени зависит от рационального оребрения рабочих и воздушных каналов. Анализ гидродинамических параметров в масляных каналах ПРТ показывает, что во всем диапазоне режимных параметров теплоносителей (чисел Рейнольдса и температур) наблюдается ярко выраженный ламинарный режим движения масла. В этом случае, в гладких прямых каналах, толщина пограничного слоя по длине канала растет, а теплоотдача уменьшается. Повысить теплоотдачу при ламинарном режиме движения масла можно прерыванием пограничного слоя путем создания различного рода просечек в гладких гофрированных насадках. Для турбулизации потока применяют оребрение (насадку), штампованную из металлической ленты с образованием гладких прямых, непрерывных, волнистых и перфорированных ребер. В них могут выполняться перфорация или прорези с отогнутыми перемычками, образующими жалюзи разной формы [1,2]. Перфорация и жалюзи на гладкой поверхности ребер эффективно повышают теплообмен, особенно при охлаждении вязкой среды, в частности масла. Однако для формирования такой насадки необходимы сложные штампы, при этом штамповка насадки из прочной и вязкой стальной ленты трудно выполнима. Следует отметить и весьма низкую производительность процесса штамповки насадки. Высокопроизводительным процессом является формирование гладкой насадки прокаткой ленты между профильными роликами.

Представляет интерес применение проволочной тканой сетки для формирования гофрированной насадки прокаткой роликами [4,5]. Перспективным является применение гофрированных насадок из сетки, изготовленной из тонкой проволоки (~03…0,4 мм), что позволяет получить пограничный слой небольшой толщины. Кроме того, в сеточных насадках при числах Рейнольдса Re>5 (что практически всегда имеет место в маслоохладителях) наблюдается отрыв ламинарного пограничного слоя и образование вихрей за кормовой частью проволоки. Малый диаметр проволоки, на которой образуется тонкий пограничный слой, отрыв пограничного слоя с образованием вихрей обусловливают высокую теплоотдачу сеточных насадок. С ростом числа Рейнольдса вихри периодически отрываются от проволоки и уносятся потоком жидкости, что также интенсифицирует теплоотдачу гофрированных насадок из сетки. Кроме того, изготовление насадки из сетки имеет существенные технологические и конструктивные преимущества. Сетка изготавливается с ячейками разного размера и из проволоки разного диаметра из углеродистой и нержавеющей стали, что позволяет осуществить рациональный выбор конструкции ПРТ. Наряду с этим сетка — технологичный материал для формирования насадки требуемых размеров для разных сред.

В работе [5] приведены данные о сравнительных испытаниях ПРТ с различными типами насадки и установлено преимущество сеточной насадки в сравнении с гладкой. Однако сведений о теплотехнических и гидравлических характеристиках сеточного оребрения недостаточно для расчета и конструирования ПРТ.

Известны исследования применения сетки в качестве свободной насадки для интенсификации теплообмена в градирнях, ректификационных колоннах [6]. Сведений об особенностях теплообмена в ПРТ с насадкой из сетки в литературе нет.

При изготовлении стальных ПРТ соединение деталей выполняется с помощью высокотемпературной пайки. Наличие протяженных закрытых соединений насадки и листов рабочих каналов обусловливает предпочтительность выполнения пайки в вакуумных печах. Сведений об особенностях пайки насадки из сетки, о прочности соединения и прочности каналов с сеточной насадкой в литературе не найдено.

В связи с этим были исследованы особенности пайки сеточного оребрения, зависимость механических свойств соединения от параметров процесса пайки и от геометрических размеров оребрения. Были выполнены также гидродинамические и теплотехнические исследования опытных ПРТ с разной геометрией сеточного оребрения.

Для определения возможности применения насадки из сетки в полости рабочего канала теплообменника необходимы сведения о прочности такого канала при рабочем давлении. В технической литературе нет данных, по которым можно было бы проводить прочностной расчет теплообменников с каналами указанной конструкции. Поэтому были проведены исследования прочности канала , в частности прочности паяного соединения насадки из сетки с металлом оболочки канала, применительно к маслоохладителям систем охлаждения винтовых компрессоров.

Исследовали насадку из сетки, накатанную на роликах с треугольным профилем зуба высотой h = 3,0 мм и шагом s = 5,8 мм по направлению проволок сетки.

Конструкция плетеной сетки не позволяет точно передать профиль зуба накатных роликов, поэтому реально профиль насадки из сетки имеет не прямые линии сторон, а плавно переходящие друг в друга радиусные кривые. При этом радиус на вершинах гофр составляет не менее 5 мм.

Для определения максимального давления среды в рабочем канале проводили испытания образцов в виде макета, моделирующего рабочий канал маслоохладителя с фиксированием давления начала деформации макета и полного его разрушения. Испытания проводили на грузопоршневом прессе МП-600 с контролем по манометру МТИ.

Макет (рис. 1.) состоит из основания со штуцером, ограничительного кольца и диска из испытываемой стали. Внутри кольца укладывали насадку из сетки. Между слоями основание – кольцо с сеткой – испытываемый лист размещали припой в виде медной фольги толщиной 0,03 мм. Для фиксирования паяемых деталей при пайке сверху на лист укладывали груз. Образец паяли в вакуумной печи по следующему температурному режиму: нагрев до 1120 0С, выдержка 10 мин., охлаждение в печи.

Испытывали насадку из сетки из стали1218Н9 с квадратными ячейками с размером стороны 1,2 мм и диаметром проволоки 0,32 мм.

Листы рабочих каналов изготавливали из ленты 2013 толщиной 0,15 мм.

Гидравлические испытания проводили плавным повышением давления масла во внутренней полости макета с фиксированием по манометру начала деформации листа и полного разрушения макета. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Начало деформации определяли по резкому снижению давления без разрушения образца. После этого продолжали увеличивать нагрузку до полного разрушения. После разрушения от образца отделяли диск с припаянной сеткой для исследований на оптическом микроскопе МБС-9.

В целом процесс нагрузки и разрушения испытываемых макетов происходит в несколько последовательных этапов:

1. Изгиб листа между гребнями сетки-насадки;

2. Спрямление нитей сетки с частичным разрушением паяных соединений в местах переплетения проволок;

3. Разрыв проволок сетки;

4. Деформация листа;

5. Разрушение листа.

Для сравнения провели пайку контрольных макетов без насадки (табл. 2).

Для определения прочности паяного соединения насадки из сетки проводили испытания моделей, имитирующих паяное соединение. Модель (рис. 2) состоит из верхнего 1 и нижнего 2 оснований диаметром 48 мм, подкладок 3, и насадки 4. Подкладки припаивали к основанию и насадке медным припоем 5 в виде фольги толщиной 0,03 мм. Пайку выполняли в вакуумной печи при температуре Тп = 1120 0С и разрежении 1.10-1Па. Для определения влияния параметров режима пайки образцы паяли с выдержкой при температуре пайки 15, 30 и 45 мин. После пайки проводили испытания на растяжение на испытательной машине ZD-10/90. Результаты испытаний приведены в табл.3.

Использование сетки из нержавеющей стали в теплообменниках систем охлаждения винтовых компрессоров обусловлено необходимостью обеспечения коррозионной стойкости, так как в масле после разделения сжатой масловоздушной смеси присутствует остаточная влага. Поэтому разработка технологических приемов повышающих, прочность паяных соединений переплетений проволок сетки, позволит существенно увеличить уровень прочности теплообменников. Учитывая, что давление масла в маслоохладителях винтовых компрессоров, как правило, не превышает 1,3 МПа, прочность сетчатой насадки из стали 12Х18Н9 достаточна для применения в масляных каналах.

Представляет интерес применение сетчатой насадки из стали 12Х13 с точки зрения возможности изготовления необходимого профиля насадки и пайки, но имеющей гораздо более высокие прочностные свойства по сравнению со сталями типа 12Х18Н9.

Для ПРТ, охлаждающих масло в системах охлаждения двигателей, применение сетки из низкоуглеродистой стали предпочтительнее в связи с более высокой прочностью, теплопроводностью и значительно меньшей стоимостью.

Следует отметить, что при определении прочности комбинации лист 20Х13 – сетка не учитывали, что в реальном маслоохладителе масляный канал оребрен насадкой воздушного канала и имеет более высокую жесткость. В этой конструкции канал следует рассчитывать на прочность как армированную пластину.

Исследования теплопередачи и гидравлического сопротивления водяных маслоохладителей с различными насадками из гофрированной сетки в масляных каналах проводили на опытной установке, принципиальная схема которой представлена на рис.4.

Анализ графиков показывает, что теплопередача в маслоохладителях с гофрами, расположенными в каналах поперек потока масла, выше, а потеря давления масла больше, чем в маслоохладителях с гофрами, расположенными в каналах вдоль потока масла. При расположении гофр вдоль потока образуются коридоры, в которых основной поток масла движется, не обтекая гофры, а ядро потока масла удалено от поверхности гофр, и значение теплового потока, передаваемого при ламинарном режиме движения теплопроводностью, невелико. Гофры, образующие коридоры, с увеличением расстояния от входа в маслоохладитель обтекаются более холодным маслом, что приводит к снижению разности температур между маслом и поверхностью гофр и к уменьшению теплового потока. Часть проволоки сетчатой насадки, с гофрами, расположенными вдоль потока масла, обтекается продольно и имеет более низкую теплоотдачу по сравнению с остальной поверхностью. Небольшое гидравлическое сопротивление каналов с гофрами, расположенными вдоль потока масла, также обусловлено недостаточным обтеканием основным потоком масла поверхности гофр. С уменьшением шага гофр увеличивается площадь их поверхности и уменьшается свободное сечение потоку масла в каналах, что приводит к увеличению теплопередачи и гидравлического сопротивления. Уменьшение шага гофр оказывает более значительное влияние на гидравлическое сопротивление, чем на теплопередачу. В каналах, имеющих насадки с гофрами, расположенными поперек потоку масла, масляный поток в большей мере рассекается проволочными ребрами. Ребра в стенках гофр, расположенных по ходу движения масла, сдвинуты относительно предыдущих ребер, что исключает образование коридоров, в которых масляный поток охлаждается за счет теплопроводности. Все ребра в таких каналах обтекаются поперек с высокой интенсивностью теплоотдачи. Поэтому установка в каналах насадок с гофрами, расположенными поперек потоку масла, обусловливает высокую теплопередачу и одновременно увеличение гидравлического сопротивления в маслоохладителях. Уменьшение шага гофр в сетчатой насадке увеличивает площадь поверхности теплообмена, в результате чего должны вырасти теплопередача и гидравлическое сопротивление. Однако эксперименты не подтвердили данное предположение.

В опытах с насадкой с гофрами, расположенными поперек потока масла установлено, что с уменьшением шага гофр теплопередача не изменилась при заметном увеличении потери давления масла. Объяснение обнаруженной особенности требует дополнительных исследований.

Полученные результаты исследований позволяют считать, что для повышения эффективности теплопередачи предпочтительнее применение насадок с гофрами, расположенными поперек потока масла. Однако выбор конкретного способа расположения гофр относительно потока масла и их шага определяется требованиями к тепловым и гидравлическим параметрам маслоохладителей.

На основании проведенных исследований спроектированы и изготовлены опытные водяные масляные радиаторы (ЖМР) для проведения комплексных испытаний применительно к работе в составе дизельного двигателя. ЖМР прошел испытание на прочность при давлении масла на входе в теплообменник 2 МПа в течение 30 мин. Кроме того, было проведено испытание на сопротивление пульсации давления с циклическим изменением нагрузки (от 0 до 3 МПа) с частотой цикла 1,25 Гц и базовым количеством циклов 100 000.

Для проведения стендовых и натурных испытаний в составе винтовых компрессорных установок изготовлены воздушные охладители масла (рис.7 ).

Сетчатая насадка с гофрами, расположенными в каналах поперек потока масла как наиболее эффективная по теплопередаче была применена в маслоохладителе с встроенным коллектором с воздушным охлаждением, выполненным из стали 20Х13 для компрессорной установки УКВШ-5/7 (рис. 8). В воздушных каналах применена катаная гладкая насадка треугольной формы.

Проведены сравнительные испытания такого стального маслоохладителя с сеточной насадкой в масляных каналах и маслоохладителя, выполненного из алюминиевого сплава, в масляных каналах которого применена насадка с просечными ребрами, а в воздушных - с гладкими волнистыми ребрами.

Масса стального маслоохладителя составляла 53,35кг, объем ПРТ – 0,0228 м3; масса алюминиевого маслоохладителя – 21,1 кг, объём ПРТ – 0,0277 м3.

Результаты сравнительных испытаний приведены в виде графиков зависимости удельного теплового потока от расхода охлаждающего воздуха при одинаковом расходе масла (1 кг/с) на рис.9. Удельный тепловой поток определяли как отношение теплового потока к разности входных температур масла и воздуха и объему ПРТ теплообменников.

Анализ графиков показывает, что при одинаковом расходе масла и равном аэродинамическом сопротивлении, стальной маслоохладитель с встроенным коллектором и сетчатой насадкой с гофрами, расположенными поперек потока масла, и гладкой насадкой в воздушных каналах имеет больший удельный тепловой поток, чем алюминиевый маслоохладитель с просечной насадкой на стороне масла и гладкой насадкой с волнистыми ребрами на стороне воздуха.

Выполненная работа показывает перспективность применения ПРТ с сетчатой насадкой и позволяет приступить к организации их серийного изготовления.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004