Московская обл., г. Балашиха, ул. Пушкинская д. 7-1, здание АО "НПП Криосервис"
Телефон: +7 (903) 974-26-65
Почта: elchinov@mail.ru

Новые маслоохладители мох: сочетание эффективности и технологичности, журнал "Холодильная техника, №3, 2000.

Канд. техн. наук Н.В.ТОВАРАС, ООО НПФ«Химхолодсервис»,

канд. техн. наук В.П.ЕЛЬЧИНОВ, канд. техн. наук А. Л.ШУЯКОВ, ОАО«Криогенмаш»

Научно-производственная фирма «Химхолодсервис» совместно с фирмами HOWDEN и SES International организует сборочное производство аммиачных винтовых компрессорных агрегатов. При этом фирма «Химхолодсервис» будет изготовлять значительную часть комплектующих (маслоохладители, маслосепараторы, маслонасосы, фильтры и т.д.).

Естественно, их конструкция и технические характеристики должны отвечать мировому уровню. На энергетические характеристики и ресурс винтового хо­лодильного агрегата существенно влияет эффективность ра­боты маслоохладителя. Основная функция этого аппарата - поддержание в заданном интервале значений температуры масла, от которой напрямую зависят его вязкость, а следова­тельно, смазывающие и уплотняющие свойства.

Специфика теплоносителей, участвующих в теплообмене в маслоохладителе (с одной стороны, вода, которая имеет вы­сокую теплопроводность и может загрязнять поверхность теп­лообмена из-за отложений твердой фазы, с другой стороны, масло - вязкая жидкость с небольшой теплопроводностью), предъявляет противоречивые требования к конструкции эф­фективных теплообменных аппаратов этого класса. Первое требование - разреженность теплообменного пространства, что связано с необходимостью очистки поверхности аппара­та по воде, второе - высокая компактность поверхности в со­четании с сильными интенсифицирующими воздействиями на теплоотдачу при движении масла.

Традиционно применяемые для этой цели кожухотрубные аппараты с сегментными перегородками не вполне отвечают этим теплотехническим требованиям. Качество отечествен­ных систем водоподготовки не позволяет применять в этих аппаратах трубы с внутренним диаметром менее 15 мм. Сле­довательно, габариты таких аппаратов велики. Кроме того, они имеют ряд конструкционных недостатков. Наличие зазо­ров между трубами и перегородками, перегородками и кожу­хом приводит к байпасным перетечкам масла, что ухудшает его теплоотдачу. Так, технологические зазоры между труба­ми и перегородками в 1 мм снижают интенсивность теплоот­дачи в 1,6 раза по сравнению с теплоотдачей при «плотно по­саженном» пучке труб. На практике же и такой зазор не вы­держивается. Попытки решить эту проблему нетрадиционным способом, путем использования пластмассовых сегментных перегородок, привели к массовым отказам - «оплавлению» перегородок и выходу аппаратов из строя. На наш взгляд, теп- логидравлические возможности этих теплообменников исчер­паны. Для дальнейшего снижения массы и габаритных раз­меров требуются более эффективные технические решения.

Исходя из вышесказанного научно-производственной фир­мой «Химхолодсервис» освоено производство нового масло­охладителя МОХ, где сегментные перегородки заменены си­стемой каналов с развитой поверхностью теплообмена для движения масла.

Теплообменные элементы маслоохладителя МОХ (рис.1) представляют собой коаксиально расположенные трубы, об­разующие кольцевые каналы [1]. Каналы заполнены насад­кой (развитая поверхность  теплообмена),играющей роль оребрения и турбулизатора. Плотное прилегание насадки к трубам обеспечено натягом. Движение теплоносителей пря- моточно-противоточное (масло - между трубами по насадке, вода - внутри внутренних труб и снаружи наружных).

Для создания новой конструкции маслоохладителя потре­бовалось провести экспериментальные исследования тепло­отдачи и гидродинамического сопротивления его теплооб­менных элементов при движении вязкой жидкости (масла) с целью получения обобщенных зависимостей, необходимых для расчета работы аппаратов на различных режимных пара­метрах, оценки влияния контактного термического сопротив­ления соединения «насадка - труба» и схемы движения теп­лоносителей.

Экспериментальная установка представляла собой замк­нутый циркуляционный контур. В качестве горячего теплоно­сителя использовали смесь турбинного Тп-22 и компрессор­ного Кп масел, в качестве холодного - воду.

Теплофизические свойства смеси масел вычисляли соглас­но закону аддитивности (кроме вязкости). Они описываются следующими зависимостями: удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) Ср —1851+3,628f; плотность, кг/м3 р = 891,665-0,666f; теплопроводность, Вт/(м-К) Х = 0,1432-0,715-10Л гдеt- температура, °С.

Коэффициент кинематической вязкости определяли экспери­ментально при различных температурах в интервале 25. ..80 °С. Он описывается зависимостью, м2/с: v= (72,052 - 1,83791 + 1,331 • 10 3f2) • 10~6.

Опытные модели маслоохладителя представляли собой ко­жухотрубные теплообменники «труба в трубе». Они состояли из трех коаксиальных труб диаметром 18x1,5; 34x2 и 70x2 мм длиной по 1500 мм каждая. Масло проходило по кольцевому пространству между первой и второй трубами, заполненно­му насадкой. Исследовали две модели с различной степенью натяга насадки (100 и 3000 Н). Каждую модель исследовали при трех вариантах подвода охлаждающего теплоносителя (воды):

  • внутри внутренней трубы;
  • снаружи наружной трубы;
  • снаружи наружной трубы, а затем внутри внутренней.

 

Теплоотдачу исследовали методом энтальпий. По измерен­ным режимным параметрам (расходы масла и воды, темпе­ратуры масла и воды на входе и выходе) вычисляли коэффи­циенты теплопередачи моделей, которые (при неизменных параметрах воды на входе в модель) позволяли судить о вли­янии на теплообмен термического сопротивления места кон­такта и схемы подвода охлаждающего теплоносителя. Коэф­фициенты теплоотдачи со стороны масла, которые необходи­мы для получения обобщенных зависимостей, определяли численно. При этом теплоотдачу со стороны воды вычисляли по известным зависимостям (например [2], для течения в круглой трубе и кольцевом канале). Коэффициенты гидроди­намического сопротивления находили на основании измерен­ных перепадов давлений на моделях.

Значения коэффициентов теплопередачи, отнесенные к единице длины исследованных моделей, представлены на рис.2. Во всех случаях расход и температура воды на входе были неизменными.

Для модели с силой натяга 100 Н («слабый натяг») схема движения теплоносителей играет значительную роль (рис.2, а). Подвод охлаждающего теплоносителя (воды) снаружи позво­ляет увеличить коэффициент теплопередачи в 2-3 раза. На наш взгляд, это объясняется двумя причинами: во-первых, снижением термического сопротивления из-за уменьшения зазоров между насадкой и наружной трубой (так, в случае, ког­да вода движется внутри, труба «сжимается» на 8 мкм отно­сительно насадки, что приводит к ухудшению теплопереда­чи, при подаче воды снаружи наружная труба «сжимается» на 13 мкм, обжимая насадку, что приводит к улучшению тепло­передачи); во-вторых, увеличением примерно в 2 раза основ­ной поверхности теплообмена. При движении воды внутри и снаружи коэффициент теплопередачи возрастает еще в 1,4- 1,6 раза. Очевидно, что вклад в это вносят увеличение основ­ной поверхности теплообмена за счет внутренней трубы, а также КПД ребра, так как его высота уменьшается вдвое.

Для модели с силой натяга 3000 Н («сильный натяг») влия­ние схемы движения теплоносителей не столь значительно (рис. 2, б). Все три кривые, характеризующие зависимость ко­эффициента теплопередачи от массового расхода масла, рас­полагаются в доверительном интервале ± 25%. Таким обра­зом, сила натяга играет важнейшую роль в теплопередаче и должна быть обеспечена технологически.

Данные по теплопередаче показывают, что при среднем температурном напоре, равном 20 °С, и объемном расходе масла 3,3 л/мин (параметры, характерные для работы мас­лоохладителей винтовых агрегатов) теплообменный элемент длиной 1 м обеспечивает тепловой поток более 2000 Вт, что является высоким показателем.

Данные по гидравлическому сопротивлению в исследован­ных моделях представлены на рис. 3. Расхождение опытных данных для различных моделей и схем движения теплоноси­телей незначительно и объясняется просто: чем интенсивнее

теплопередача в модели, тем ниже средневзвешенная тем­пература масла, а следовательно, больше его вязкость и со­противление.

На основании вышеприведенных опытных данных были по­лучены и численно аппроксимированы обобщенные коэффи­циенты теплоотдачи и гидравлического сопротивления со сто­роны масла, которые были положены в основу алгоритма и программы PROGMOXрасчета аппаратов на любые режим­ные параметры, которая учитывает в том числе различные значения термического сопротивления загрязнений в зави­симости от качества систем водоподготовки у заказчика.

Результаты исследований и расчетов были использованы при создании маслоохладителей МОХ на 120 и 90 кВт (табл. 1, рис. 4).

Маслоохладитель МОХ представляет собой трехпоточный кожухотрубный теплообменник. Движение теплоносителей прямоточно-противоточное. Аппараты, одноходовые по мас­лу и двухходовые по воде, имеют четыре трубные решетки, две масляные и три водяные полости. Диаметр условного прохода внутренних труб теплообменных элементов состав­ляет 15 мм, что позволяет легко осуществлять их очистку. Межтрубное пространство достаточно разреженное (экви­валентный диаметр проходов от 20 до 40 мм), что обеспечи­вает длительную эксплуатацию их без очистки. Сборка теп­лообменных элементов маслоохладителей МОХ селективная - тщательно контролируется величина натяга насадки меж­ду трубами, определяющего термическое сопротивление контакта. Требования к сборке «криогенные» - аргонно-ду- говая сварка с предварительной развальцовкой труб в труб­ных решетках. Особые требования к чистоте - предваритель­ная обработка труб и корпусов (обезжиривание, протирка), что исключает попадание механических примесей и грязи в масляные полости.

Сравнение маслоохладителей МОХ с кожухотрубными ана­логами, имеющими сегментные перегородки, показывает, что при одинаковых режимных параметрах габариты и масса раз-работанных маслоохладителей примерно в 2 раза меньше. В 5 раз меньше вместимость по маслу, что является их преиму¬ществом.

Результаты научно-исследовательских и опытно-конструк-торских работ позволяют сделать вывод о высокой эффектив-ности маслоохладителей МОХ. Однако окончательное суж¬дение об этом, а также об эксплуатационной надежности их тепловых и гидравлических показателей могли бы дать толь¬ко долговременные испытания в составе действующих вин¬товых компрессорных агрегатов.

Промышленные испытания маслоохладителей сотрудники НПФ «Химхолодсервис» провели на штатных аммиачных ком-прессорных агрегатах 21А410-7-3 на Московском рыбоком¬бинате - ЗАО "Меридиан" (первый опытный двухпоточный маслоохладитель) и 21А280-7-3 на Санкт-Петербургском хла-докомбинате N° 7 (трехпоточный маслоохладитель МОХ, вы-пускаемый в настоящее время).
Конструкция первого маслоохладителя, испытанного на ЗАО "Меридиан", отличалась от окончательной конструкции МОХ, показанной на рис. 4. Дело в том, что его конструирова¬ние и изготовление были начаты на ранней стадии экспери¬ментальных исследований, когда основные результаты еще не были получены. Поэтому наш первый опытный маслоохла¬дитель был двухпоточным, без кожуха, содержал 56 теплооб- менных элементов (труб) и, естественно, имел большие га¬бариты и массу. В дальнейшем, в связи с появлением более рациональных конструктивных идей, эта конструкция не была запущена в серию.

В ходе промышленных испытаний регистрировали расхо­ды масла и воды (соответственнотурбинный расходомер ППТ- 32/6,4, кл. точности 0,25, с вторичным прибором ВП-1 и тур­бинный расходомер ППО 40-0,6СУ, кл. точности 0,25), вход­ные и выходные температуры масла и воды (цифровые элек­тронные термометры ТМТ7-3, кл. А, с вторичным прибором Щ-455, лабораторные

термометры ТЛ-4 с ценой деления 0,1 °С), давления и перепады давлений по маслу и воде (образ­цовые манометры МТИ-1218-16кгс/см2 -0,6 и МТИ-1218- Юкгс/см2 -0,6).

В табл. 2 представлены результаты нескольких серий ис­пытаний маслоохладителя МОХ 36x300x1,5 на Санкт-Петер­бургском хладокомбинате № 7.

Анализ опытных данных показывает, что величина, харак­теризующая эффективность аппарата, О/Atn= к F(тепло­вой поток, приходящийся на 1 °С температурного напора) в первой серии испытаний составляла 3,8...4,0 кВт/°С, а во второй серии испытаний - 2,6...2,8 кВт/°С, т. е. пример­но на 30 % ниже. Гидравлическое сопротивление по воде увеличилось после шестимесячной эксплуатации в 2,6 раза. Все это объясняется отложениями водяного камня на поверхности труб, что было подтверждено визуально после снятия крышек. Отложения на внутренних стенках труб и трубных решетках вследствие высокого содержа­ния биологических составляющих солей кальция, магния, железа представляли собой рыхлую массу толщиной 1,5...2 мм с многочисленными пирамидальными шипами высотой 4...6 мм.

Однократная химическая очистка водяной полости МОХ ра­створом очистителя «BRITEBOWLPLUS» 10%-ной концентра­ции в течение 8 ч с последующей промывкой водой позволи­ла восстановить первоначальные тепловые и гидравлические характеристики маслоохладителя.

Вместе с тем увеличения гидравлического сопротивления масляной полости после шестимесячной эксплуатации не об­наружено, что подтвердило сделанный до испытаний вывод о том, что насадка не является объектом для твердых отложе­ний из масла.

Как видно из табл. 2, маслоохладитель испытывали в усло­виях, отличных от расчетных, - при более низких температур­ных напорах (логарифмический напорAtn~15°С) и, следова­тельно, тепловых нагрузках.

Проведем пересчет полученных опытных данных на рас­четные условия (см. табл.1). При средней температуре 70 °С вязкость масла уменьшится по сравнению с условиями испытаний вдвое (22,5-10~6 вместо 45-10~6 м2/с). Вдвое возрастет число Рейнольдса. Пропорционально Re0'33, т. е. на 27%, повысится коэффициент теплоотдачи со стороны масла, на 20% - коэффициент теплопередачи. Следова­тельно, величинаQ/Atn= к Fтакже возрастет на 20% и бу­дет равна для «чистого» маслоохладителя МОХ4,6...4,8 кВт/ °С; для загрязненного - 3,1...3,4 кВт/°С. При этом тепло­вая нагрузка составит соответственно 185... 193 и 125... 137 кВт.

Таким образом, даже в загрязненном состоянии маслоох­ладитель МОХ 36x300x1,5 в расчетном режиме будет обес­печивать минимальный тепловой поток 125 кВт, т. е. выше не­обходимого для агрегатов 21А410-7-1 (7-3, 2-1, 2-3), 2А350- 7-1 (7-3, 2-3, 2-1).

Испытания подтвердили высокую эффективность маслоох­ладителя. Аппарат имеет большой запас по тепловому потоку, способен долговременно сохранять высокую интенсивность

Монтаж на производственной базе «Нахабино» винтового компрессорного агрегата 21А410-7-3 с маслоохладителем МОХ36-300-1,5

теплообмена, поддерживать малое сопротивление по маслу и воде, несмотря на значительные отложения водяного камня.

В результате исследовательских и опытно-конструкторских работ создан теплообменный аппарат - маслоохладитель, не уступающий по массогабаритным показателям зарубежным об­разцам

Конструкция теплообменных элементов имеет потен­циальную возможность для дальнейшего повышения эффектив­ности. Исследования в этом направлении продолжаются.

Конструкция теплообменных элементов позволяет компоно­вать аппараты не только по кожухотрубной схеме, но и непос­редственно как «труба в трубе», что расширяет их функциональ­ные возможности. Применение аппаратов не ограничивается функцией маслоохладителя, но их можно использовать также при других различных сочетаниях жидких и газообразных сред (например, вода-фреон - получение «ледяной» воды, вода- воздух - концевые холодильники компрессоров и т.д.).

В настоящее время НПФ "Химхолодсервис" оснащает мас­лоохладителями МОХ аммиачные и фреоновые винтовые хо­лодильные агрегаты и машины, выпускаемые на производ­ственной базе Нахабино.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Ас. №1702146 СССР.
  2. Исаченко В.И., Осипова В.А., Сукомел А.С.Теплопередача,- М.: Энер­гия. 1975