RU2716362C1

RU2716362C1 - Method for increasing aerodynamic efficiency of air cooling devices and device for implementation thereof

Info

Publication number: RU2716362C1
Application number: RU2019106085A
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Лифанов; Николай Владимирович Макаров; Артём Юрьевич Матеров; Владимир Николаевич Макаров; Александр Викторович Угольников; Илья Вадимович Свердлов
Original assignee: Николай Владимирович Макаров; Александр Викторович Лифанов
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2020-03-11

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to a method of increasing aerodynamic efficiency of air cooling devices (ACD) and device for its implementation, that is to ACD used for cooling natural gas compressor stations of main gas pipelines, and can be used in them, thereby significantly increasing their aerodynamic efficiency. Method for increasing aerodynamic efficiency of air cooling apparatus includes supplying cooling air in contact with suction surface, to inlet of collector of suction surface due to rarefaction created by blades of fan impellers, which convert mechanical energy of their rotation into potential and kinetic energy of cooling air movement through collectors of suction surface into fan housings, diffusers, and further to heat exchange sections formed by bundles of finned tubes with cooled gas moved therethrough, enthalpy of which is reduced as a result of heat transfer from gas to air. At that, cooling air velocity at suction surface collectors is equal to its speed at heat exchange sections. Also disclosed is an air cooling apparatus which realizes the method according to the invention.

EFFECT: invention increases aerodynamic efficiency of ACD.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к способам повышения аэродинамической эффективности аппаратов воздушного охлаждения (АВО) и устройствам для их реализации, то есть к АВО, применяемым для охлаждения природного газа компрессорных станций магистральных газопроводов и может использоваться в них, способствуя существенному увеличению их аэродинамической эффективности за счет уменьшения потерь потенциальной энергии, создаваемой лопатками рабочих колес вентиляторов, преобразующих механическую энергию их вращения в потенциальную и кинетическую энергию движения охлаждающего воздуха через коллектора в корпуса вентиляторов, и далее на вход в теплообменные секции, путем уменьшения скорости и сопротивления движению охлаждающего воздуха, обеспечения симметрии его течения на входе в коллектора поверхности всасывания за счет подобия периметра поверхности всасывания АВО и периметров коллекторов плавного входа прямоугольному поперечному сечению теплообменных секций и равенства суммарной площади коллекторов площади поверхности всасывания АВО, что приводит к увеличению потенциальной энергии и количества поступающего на теплообменные поверхности охлаждающего воздуха, как результат - снижение энтальпии охлаждаемого газа за счет повышению теплоотдачи от газа воздуху.The invention relates to methods for increasing the aerodynamic efficiency of air cooling apparatuses and devices for their implementation, that is, to ABOs used for cooling natural gas of compressor stations of gas mains and can be used in them, contributing to a significant increase in their aerodynamic efficiency by reducing potential losses energy generated by the blades of the impellers of the fans, converting the mechanical energy of their rotation into potential and kinetic energy the movement of cooling air through the collector into the fan housings, and then to the entrance to the heat exchange sections, by reducing the speed and resistance to the movement of cooling air, ensuring the symmetry of its flow at the inlet to the suction surface manifold due to the similarity of the perimeter of the suction surface of the air cooler and the perimeter of the smooth entry manifold to a rectangular the cross section of the heat exchange sections and the equality of the total area of the collectors of the surface area of the suction air cooler, which leads to an increase in potential energy and the amount of cooling air supplied to the heat exchange surfaces, as a result - a decrease in the enthalpy of the cooled gas due to increased heat transfer from the gas to the air.

АВО компрессорных станций магистральных газопроводов, как правило, включает в себя от двух до шести коллекторов, образующих поверхность всасывания охлаждающего воздуха, ограниченную ее периметром в форме замкнутой линии, огибающей коллектора. АВО характеризуются низкой аэродинамической эффективностью, то есть большими затратами энергии на вращение рабочих колес вентилятора, преобразующих механическую энергию их вращения в потенциальную и кинетическую энергию движения охлаждающего воздуха через коллектора поверхности всасывания в корпуса вентиляторов, диффузоры, и далее на теплообменные секции, обусловленной потерями энергии на вихреобразование на входе в коллектора поверхности всасывания за счет того, что скорость охлаждающего воздуха на входе в коллектора больше его скорости на поверхности всасывания АВО, поскольку суммарная площадь коллекторов меньше поверхности всасывания АВО, и высоким сопротивлением в зоне движения охлаждающего воздуха из диффузоров в теплообменные секции, включая сопротивление пучков оребренных труб.ABO of compressor stations of gas pipelines, as a rule, includes from two to six collectors that form the surface of the intake of cooling air, limited by its perimeter in the form of a closed line enveloping the collector. ABOs are characterized by low aerodynamic efficiency, that is, high energy costs for rotation of the fan impellers, converting the mechanical energy of their rotation into potential and kinetic energy of cooling air movement through the collector of the suction surface into the fan housings, diffusers, and then on the heat exchange sections, due to energy losses on vortex formation at the inlet to the collector of the suction surface due to the fact that the cooling air velocity at the inlet to the collector is greater than scab on ABO suction surface, since the total area of the reservoir is less than the ABO suction surface and the high resistance of air flow in the cooling zone of the cones in the heat exchange section including resistance bundles of finned tubes.

Для существенного повышения аэродинамической эффективности АВО, то есть снижения энергозатрат на преобразование механической энергии их вращения в потенциальную и кинетическую энергию движения охлаждающего воздуха через коллектора поверхности всасывания в корпуса вентиляторов, диффузоры и далее на теплообменные секции, и как результат - понижение энтальпии охлаждаемого газа, необходимо устранить потери потенциальной энергии на вихреобразование при движении охлаждающего воздуха с поверхности всасывания на вход в коллектора и сопротивление в зоне движения охлаждающего воздуха из диффузоров в теплообменные секции, включая сопротивление пучков оребренных труб.In order to significantly increase the aerodynamic efficiency of the air cooling system, that is, to reduce the energy consumption for converting the mechanical energy of their rotation into the potential and kinetic energy of the movement of cooling air through the collector of the suction surface into the fan housings, diffusers and further to the heat exchange sections, and as a result, a decrease in the enthalpy of the cooled gas is necessary eliminate potential energy losses due to vortex formation when cooling air moves from the suction surface to the collector inlet and tance in the cooling air flow area of the diffuser to the heat exchange section including resistance bundles of finned tubes.

Известен способ повышения аэродинамической эффективности, реализуемый в АВО природного газа 2АВГ-75(100), предназначенном для охлаждения газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов, состоящем из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа, собранных из оребренных труб, которые обдуваются потоком воздуха, нагнетаемого снизу осевыми вентиляторами с приводами от тихоходных электродвигателей. Теплообменные секции включают камеры подвода и отвода охлаждаемого газа, содержащие трубные доски с отверстиями, в которые заделаны концы оребренных теплообменных труб. [1]A known method of increasing aerodynamic efficiency, implemented in the ABO of natural gas 2AVG-75 (100), designed to cool gas at compressor stations of gas pipelines, consisting of horizontally located collector-type heat-exchange sections, assembled from finned tubes that are blown by a stream of air pumped from below by axial fans driven by low-speed motors. Heat-exchange sections include chilled gas supply and exhaust chambers containing tube boards with holes in which the ends of finned heat-exchange tubes are sealed. [1]

Однако, большое энергопотребление, высокое аэродинамическое сопротивление движению воздуха через пучок оребренных теплообменных труб, существенная неравномерность скоростного поля охлаждающего воздуха, низкая скорость воздуха на выходе из теплообменных секций, способствующая возникновению рециркуляции, то есть обратному движению охлаждающего воздуха в зону разрежения на входе в коллектора поверхности всасывания, высокая скорость и сопротивление движению охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания и потери энергии на вихреобразование на поверхности всасывания приводят к существенному снижению потенциальной энергии охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции, недостаточной эффективности снижения энтальпии охлаждаемого газа как результат недостаточной аэродинамической эффективности.However, high energy consumption, high aerodynamic resistance to air movement through a bundle of finned heat exchange tubes, significant non-uniformity of the velocity field of the cooling air, low air velocity at the outlet of the heat exchange sections, which contributes to the occurrence of recirculation, i.e., the reverse movement of cooling air to the rarefaction zone at the entrance to the surface collector suction, high speed and resistance to movement of cooling air at the inlet to the suction surface manifold and loss nergii on vortex formation on the suction surface substantially reduce the potential energy of the cooling air flowing in the heat transfer section, lack of effectiveness reduction of the enthalpy of the cooled gas as a result of lack of aerodynamic efficiency.

Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу повышения аэродинамической эффективности АВО путем снижения аэродинамического сопротивления охлаждающего воздуха при его движении по диффузору и теплообменным секциям, и тем самым частичного снижения аэродинамических потерь и неравномерности поступления охлаждающего воздуха на теплообменные секции, является способ повышения аэродинамической эффективности, реализуемый в АВО, состоящем из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа, снабженных продольными обтекателями-вытеснителями в виде протяженных выступов, и устройства для подачи охлаждающего воздуха на теплообменные секции, содержащего диффузоры, примыкающие к теплообменным секциям прямоугольного поперечного сечения, вентиляторы и коллектора плавного входа переменной кривизны в продольном сечении с конфигурацией по лемнискате и круглыми в плане, образующими поверхность всасывания АВО, ограниченную ее периметром в форме замкнутой линии, огибающей коллектора, причем диаметр входа в диффузоры равен 0,6-0,95 ширины теплообменных секций, а суммарная площадь коллекторов находится в диапазоне: 0,42-0,9 суммарной площади диффузоров 4 на выходе и 0,51±11,5% площади теплообменных секций в плоскости аэродинамического затенения, создаваемого верхним рядом пучка теплообменных труб.The closest in execution to the proposed method of increasing the aerodynamic efficiency of the air cooling system by reducing the aerodynamic resistance of the cooling air when it moves along the diffuser and heat-exchange sections, and thereby partially reduce the aerodynamic losses and uneven flow of cooling air to the heat-exchange sections, is a method of increasing aerodynamic efficiency, implemented in ABO, consisting of horizontally located collector-type heat-exchange sections, equipped with a longitudinal expanders in the form of extended protrusions, and a device for supplying cooling air to the heat exchange sections containing diffusers adjacent to the heat exchange sections of a rectangular cross section, fans and a smooth entry manifold of variable curvature in longitudinal section with a lemniscate configuration and round in plan, forming ABO suction surface limited by its perimeter in the form of a closed line enveloping the collector, and the diameter of the entrance to the diffusers is 0.6-0.95 of the width of the heat exchange sections, and the total area of the collectors is in the range: 0.42-0.9 of the total area of the diffusers 4 at the outlet and 0.51 ± 11.5% of the area of the heat-exchange sections in the plane of aerodynamic shading created by the upper row of the bundle of heat-exchange pipes.

Данный способ повышения аэродинамической эффективности АВО обеспечивает улучшение аэродинамики движения охлаждающего воздуха в вентиляторе, диффузоре и теплообменных секциях, устраняет застойные вихревые зоны, в том числе и в пристенных областях диффузора и теплообменных секциях, повысить адаптивность к сезонным изменениям внешней среды и масс охлаждающего газа, пропускаемого через пучок теплообменных труб, за счет оптимизации параметров проходных сечений устройства, включающего коллектора, вентиляторы, диффузоры и всего АВО в целом, что увеличивает потенциальную энергию и эффективность расхода воздуха для охлаждения газа за счет уменьшения аэродинамических потерь при движении охлаждающего воздуха по диффузору и теплообменным секциям.This method of increasing the aerodynamic efficiency of ABO provides improved aerodynamics of the movement of cooling air in the fan, diffuser and heat-exchange sections, eliminates stagnant vortex zones, including in the near-wall regions of the diffuser and heat-exchange sections, to increase adaptability to seasonal changes in the external environment and the mass of cooling gas passed through a bundle of heat exchange pipes, by optimizing the parameters of the flow sections of the device, including the collector, fans, diffusers and the entire ABO in whole m, which increases the potential energy and the efficiency of gas flow for cooling air by reducing the aerodynamic losses of the cooling air flows along the diffuser and the heat exchange sections.

Однако, вышеуказанный способ не в полной мере обеспечивает требуемую аэродинамическую эффективность АВО, поскольку не устраняет большие аэродинамические потери на вихреобразование и высокую скорость охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания, так как суммарная площадь коллекторов существенно меньше площади поверхности всасывания, с которой контактирует охлаждающий воздух, поступающий к ней за счет разряжения, создаваемого вращением лопаток рабочих колес вентиляторов. Аэродинамические потери охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания АВО, реализующего данный способ повышения его эффективности, снижают объем охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции и его потенциальную энергию, то есть статическое давление, что не позволяет существенно повысить аэродинамическую эффективность АВО, поскольку не достигается требуемая величина теплоотдачи теплообменных секций. По этой причине способ, реализуемый в данной конструкции АВО, не позволяет существенно улучшить аэродинамическое качество АВО.However, the above method does not fully provide the required aerodynamic efficiency of the ABO, since it does not eliminate the large aerodynamic losses due to vortex formation and the high cooling air velocity at the inlet to the suction surface collector, since the total collector area is much smaller than the suction surface area with which the cooling air contacts coming to it due to the vacuum created by the rotation of the blades of the impellers of the fans. The aerodynamic losses of cooling air at the inlet to the collector of the ABO suction surface, which implements this method of increasing its efficiency, reduce the amount of cooling air entering the heat exchange sections and its potential energy, that is, static pressure, which does not significantly increase the aerodynamic efficiency of the ABO, since it is not achieved the required amount of heat transfer from the heat exchange sections. For this reason, the method implemented in this ABO design does not significantly improve the aerodynamic quality of the ABO.

Таким образом, недостаточная аэродинамическая эффективность данного способа, реализуемого вышеуказанной конструкцией, заключается в том, что скорость охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания, существенно больше скорости на поверхности всасывания АВО, так суммарная площадь коллекторов существенно меньше площади поверхности всасывания, с которой контактирует охлаждающий воздух, поступающий к ней за счет разряжения, создаваемого вращением лопаток рабочих колес вентиляторов. При этом высокая скорость охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания приводит к необратимой диссипации части энергии охлаждающего воздуха, то есть потерям на вихреобразование в области на поверхности всасывания АВО вне коллекторов, снижая потенциальную энергию и количество охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции.Thus, the insufficient aerodynamic efficiency of this method, implemented by the above design, lies in the fact that the cooling air velocity at the inlet to the suction surface manifold is significantly greater than the speed on the suction surface of the air cooler, so the total area of the collectors is significantly less than the surface area of the suction with which the cooling contact air entering it due to the vacuum created by the rotation of the blades of the impellers of the fans. At the same time, the high cooling air velocity at the inlet to the collector of the suction surface leads to irreversible dissipation of part of the energy of the cooling air, i.e., vortex losses in the region on the suction surface of the air cooler outside the collectors, reducing the potential energy and the amount of cooling air entering the heat exchange sections.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении минимальных потер потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания АВО путем обеспечения равенства скорости охлаждающего воздуха, подаваемого в коллектора поверхности всасывания за счет разряжения, создаваемого взаимным влиянием в совокупности всеми вращающимися рабочими колесами вентиляторов, его скорости на теплообменных секциях, устранения потерь на вихреобразование и максимального уменьшения скорости потока охлаждающего воздуха на входе в коллектора.The essence of the invention is to achieve minimal loss of potential energy of cooling air at the inlet to the collector of the suction surface of the air cooler by ensuring equality of the speed of cooling air supplied to the collector of the suction surface due to the vacuum created by the mutual influence of all the rotating impellers of the fans, its speed on the heat exchange sections, eliminating vortex loss and maximizing the cooling air flow rate ear at the entrance to the collector.

Задачей изобретения является увеличение аэродинамической эффективности АВО. Это достигается тем, что предлагаемый способ позволяет обеспечить поступление в вентиляторы, диффузоры и на теплообменные секции АВО, реализующего данный способ, охлаждающего воздуха со скоростью на входе в коллектора поверхности всасывания равной егоскорости на теплообменных секциях. Механизм уменьшения потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора, реализуемый предлагаемым способом повышения аэродинамической эффективности АВО и величина снижения этих потерь, может быть представлена в следующем виде. [3]The objective of the invention is to increase the aerodynamic efficiency of ABO. This is achieved by the fact that the proposed method allows for the supply of cooling air with a velocity at the inlet of the intake surface equal to its velocity at the heat exchange sections to the fans, diffusers and heat exchanging sections of the air cooler, which implements this method. The mechanism for reducing the loss of potential energy of cooling air at the inlet to the collector, implemented by the proposed method for increasing the aerodynamic efficiency of the ABO and the amount of reduction of these losses, can be represented in the following form. [3]

При диаметре коллектора АВО, реализующего способ прототипа, равном D_K, количестве коллекторов n=6, площадь поверхности всасывания равна

. Площадь поверхности всасывания АВО, реализующего предлагаемый способ повышения его эффективности с поверхностью всасывания, состоящей из коллекторов в форме квадрата, то есть при а-b (см. фиг. 2 )

. Таким образом, суммарная площадь области вихреобразования, то есть части поверхности всасывания АВО с которой контактирует охлаждающий воздух, но не поступает на вход в коллектора и далее через вентиляторы и диффузоры к теплообменным секциям, равна

. Коэффициент увеличения скорости на входе в коллектора АВО, реализующего способ прототипа К_v=1,28. Для коллекторов, выполненных по лемнискате, устройства, реализующего предлагаемое изобретение, то есть с суммарной площадью, равной площади поверхности всасывания, коэффициент потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора

. Для коллекторов, реализующих способ прототипа, коэффициент потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания АВО,

.When the diameter of the collector ABO, implementing the prototype method equal to D _K , the number of collectors n = 6, the suction surface area is

. The suction surface area of the ABO, which implements the proposed method of increasing its efficiency with the suction surface, consisting of collectors in the form of a square, that is, when a-b (see Fig. 2)

. Thus, the total area of the vortex formation region, that is, the part of the ABO suction surface with which the cooling air contacts, but does not enter the collector inlet and then through the fans and diffusers to the heat exchange sections, is

. The rate of increase in speed at the entrance to the collector ABO, which implements the prototype method K _v = 1.28. For collectors made according to the lemniscate, a device that implements the invention, that is, with a total area equal to the suction surface area, the coefficient of potential energy loss of cooling air at the inlet to the collector

. For collectors that implement the prototype method, the loss coefficient of potential energy of cooling air at the inlet to the collector of the suction surface of the ABO,

.

Таким образом, при

коэффициент потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора на поверхности всасывания АВО, реализующего способ прототипа

то есть в случае квадратной формы поверхности всасывания одного коллектора имеет место четырехкратное снижение коэффициента потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектор квадратной формы по отношению к коллектору круглой формы в плане.Thus, with

loss coefficient of potential energy of cooling air at the inlet to the collector on the suction surface of the air cooler that implements the prototype method

that is, in the case of a square shape of the suction surface of one collector, there is a fourfold decrease in the loss coefficient of potential energy of cooling air at the entrance to the square collector with respect to the circular collector in plan.

В случае если поверхность всасывания одного коллектора имеет прямоугольную форму в плане со сторонами а×b (см. фиг. 2) дополнительное увеличение коэффициента потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора устройства, реализующего способ прототипа, определяется по формуле,

.If the suction surface of one collector has a rectangular shape in plan with the sides a × b (see Fig. 2), an additional increase in the loss coefficient of potential energy of cooling air at the inlet to the collector of a device that implements the prototype method is determined by the formula,

.

Таким образом, чем больше отношение длин сторон на поверхности всасывания АВО, тем больше снижается коэффициент потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора АВО, реализующего данный способ, то есть повышение его аэродинамического качества.Thus, the greater the ratio of the lengths of the sides on the suction surface of the ABO, the more the loss coefficient of potential energy of cooling air decreases at the inlet to the ABO collector that implements this method, that is, an increase in its aerodynamic quality.

Повышение аэродинамического качества поверхности всасывания АВО, реализующего предлагаемый способ, то есть снижение аэродинамических потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха на входе в коллектора, увеличивает статическое давление и количество охлаждающего воздуха, поступающего через вентиляторы и диффузоры на теплообменные секции, увеличивая их теплоотдачу, и как результат -повышая аэродинамическую эффективность АВО.The increase in the aerodynamic quality of the suction surface of the ABO, which implements the proposed method, that is, the reduction of the aerodynamic losses of the potential energy of the cooling air at the inlet to the collector, increases the static pressure and the amount of cooling air supplied through the fans and diffusers to the heat exchange sections, increasing their heat transfer, and as a result - increasing aerodynamic efficiency of ABO.

Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является:The technical result of the use of the invention is:

- повышение потенциальной энергии охлаждающего воздуха, и как результат - увеличение статического давления охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции, то есть повышение теплоотдачи теплообменных секций;- an increase in the potential energy of the cooling air, and as a result, an increase in the static pressure of the cooling air supplied to the heat exchange sections, that is, an increase in the heat transfer of the heat exchange sections;

- снижение аэродинамических потерь на входе в коллектора, образующие поверхность всасывания, и как результат - увеличение потенциальной энергии охлаждающего воздуха, перемещаемого по вентиляторам и диффузорам к теплообменным секциям;- reduction of aerodynamic losses at the inlet to the collector, forming the suction surface, and as a result - an increase in the potential energy of the cooling air transported through the fans and diffusers to the heat exchange sections;

- снижение металлоемкости и габаритов АВО, реализующего данный способ;- reduction of metal consumption and dimensions of the ABO that implements this method;

- снижение уровня шума за счет устранения вихреобразование на входе в коллектора поверхности всасывания.- reducing noise due to the elimination of vortex formation at the inlet to the collector of the suction surface.

Задача изобретения решается, а технический результат достигается за счет того, что в способе повышения аэродинамической эффективности АВО, включающем в себя подачу охлаждающего воздуха, контактирующего с поверхностью всасывания, на вход в коллектора поверхности всасывания за счет разряжения, создаваемого лопатками рабочих колес вентиляторов, преобразующих механическую энергию их вращения в потенциальную и кинетическую энергию движения охлаждающего воздуха через коллектора в корпуса вентиляторов, диффузоры, и далее на теплообменные секции, образованные пучками оребренных труб с перемещаемым по ним охлаждаемым газом, энтальпия которого снижается в результате передачи тепла от газа воздуху, согласно изобретению, скорость охлаждающего воздуха на входе в коллектора поверхности всасывания равна его скорости на теплообменных секциях, при этом периметр поверхности всасывания прямоугольной формы и прямоугольные сечения коллекторов плавного входа выполнены подобными прямоугольному поперечному сечению теплообменных секций, суммарной площадью коллекторов, равной площади поверхности всасывания и площади теплообменных секций, а коллектора выполнены переменной кривизны с конфигурацией по лемнискате в продольных взаимоперпендикулярных сечениях по периметру поверхности всасывания. Равенство скоростей охлаждающего воздуха на входе и выходе АВО, реализующего данный способ, обеспечивает максимально возможный рост потенциальной энергии, то есть статического давления охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции, и как результат - максимальное снижение энтальпии охлаждаемого газа, то есть рост аэродинамической эффективности АВО.The objective of the invention is solved, and the technical result is achieved due to the fact that in the method of increasing the aerodynamic efficiency of the air cooler, which includes supplying cooling air in contact with the suction surface to the inlet of the suction surface collector due to the vacuum created by the blades of the impellers of the fans that convert the mechanical the energy of their rotation into the potential and kinetic energy of the movement of cooling air through the collector into the fan housings, diffusers, and then to heat exchangers sections formed by bundles of finned tubes with cooled gas moving along them, the enthalpy of which decreases as a result of heat transfer from gas to air, according to the invention, the cooling air velocity at the inlet to the suction surface collector is equal to its speed on the heat exchange sections, while the perimeter of the suction surface is rectangular in shape and rectangular sections of the smooth entry collectors are made similar to the rectangular cross section of the heat exchange sections, with a total collector area equal to For the suction surface and the area of the heat-exchange sections, and the collector is made of variable curvature with a lemniscate configuration in longitudinal mutually perpendicular sections along the perimeter of the suction surface. The equality of the cooling air velocities at the inlet and outlet of the ABO implementing this method provides the maximum possible increase in potential energy, i.e., the static pressure of the cooling air supplied to the heat exchange sections, and as a result, the maximum decrease in the enthalpy of the cooled gas, i.e., the increase in the aerodynamic efficiency of the ABO.

На фиг. 1 изображен АВО, реализующий предложенный способ повышения аэродинамической эффективности АВО.In FIG. 1 shows the ABO, implementing the proposed method of increasing the aerodynamic efficiency of the ABO.

На фиг. 2 изображен вид А со стороны теплообменных секций АВО, реализующего предложенный способ повышения аэродинамической эффективности АВО.In FIG. 2 shows a view from the side of the heat-exchange sections of the air cooler, realizing the proposed method of increasing the aerodynamic efficiency of the air cooler.

На фиг. 3 изображено вид Б со стороны поверхности всасывания АВО, реализующего предложенный способ повышения аэродинамической эффективности АВО.In FIG. 3 shows a view B from the side of the suction surface of the ABO, which implements the proposed method for increasing the aerodynamic efficiency of the ABO.

АВО газа 1 состоит из горизонтально расположенных теплообменных секций коллекторного типа прямоугольного сечения 2, снабженных продольными обтекателями-вытеснителями в виде протяженных выступов, и устройства 3 для подачи охлаждающего воздуха на теплообменные секции 2, содержащего диффузоры 4, примыкающие к теплообменным секциям 2, с диаметром входа 5 равным D_Д=(0,6-0,95) ширины с теплообменных секций 2, вентиляторы 6, включающие рабочие колеса 7 с лопатками 8 и коллектора плавного входа 9 прямоугольного сечения со сторонами а и Ь, подобного прямоугольному сечению теплообменных секций 2, переменной кривизны в продольном диаметральном сечении с конфигурацией по лемнискате, образующие поверхность всасывания 10, ограниченную ее периметром прямоугольной формы 11, образованным замкнутой линией, огибающей коллектора 9, с суммарной площадью, находящейся в диапазоне: 0,42-0,9 суммарной площади диффузоров 4 на выходе и 0,51±11,5% площади теплообменных секций 2 в плоскости аэродинамического затенения, создаваемого верхним рядом 12 пучка теплообменных труб и равной площади поверхности всасывания 10.ABO of gas 1 consists of horizontally located collector-type heat-exchanging sections of rectangular cross section 2, equipped with longitudinal displacer fairings in the form of extended protrusions, and a device 3 for supplying cooling air to the heat-exchange sections 2, containing diffusers 4 adjacent to the heat-exchange sections 2, with an inlet diameter 5 equal to D _D = (0.6-0.95) width from the heat exchange sections 2, fans 6, including impellers 7 with blades 8 and a smooth entry manifold 9 of rectangular cross section with sides a and b, similar directly coal section of heat exchange sections 2, of variable curvature in a longitudinal diametrical section with a lemniscate configuration, forming a suction surface 10 limited by its rectangular perimeter 11 formed by a closed line enveloping the collector 9, with a total area in the range of 0.42-0 , 9 of the total area of the diffusers 4 at the outlet and 0.51 ± 11.5% of the area of the heat exchange sections 2 in the plane of aerodynamic shading created by the upper row 12 of the heat exchange tube bundle and equal to the suction surface area 10.

В зависимости от количества m секций при n вентиляторах 6, площади одного коллектора 9 S_K=ab и периметре одного коллектора 9 P_K=2(a+b), площадь поверхности всасывания 10 АВО 1 равна S_ПВ=nab, периметр поверхности всасывания 10 АВО 1 равен Р_ПВ=2(ma+nb/m).Depending on the number of m sections with n fans 6, the area of one collector 9 S _K = ab and the perimeter of one collector 9 P _K = 2 (a + b), the suction surface area 10 ABO 1 is equal to S _PV = nab, the perimeter of the suction surface 10 ABO 1 is equal to P _PV = 2 (ma + nb / m).

Вращение лопаток 8 рабочих колес 7 вентиляторов 6, преобразующих механическую энергию их вращения в потенциальную и кинетическую энергию охлаждающего воздуха за счет циркуляции охлаждающего воздуха, возникающей вокруг лопаток 8, создает разрежение, то есть область пониженного давления на поверхности всасывания 10, ограниченной периметром 11 прямоугольной формы, образованным замкнутой линией, огибающей коллектора 9, вызывая движение охлаждающего воздуха из атмосферы к поверхности всасывания 10 АВО 1, согласно уравнению Бернулли [3] за счет градиента давления между атмосферой и поверхностью всасывания 10 АВО 1 с учетом взаимного влияния разрежения, создаваемого в области коллекторов 9, взаимосвязанных поверхностью всасывания, контактирование его с входами в коллектора 9, площадь которых равна площади поверхности всасывания 10, что исключает необходимость преодоления аэродинамических препятствий, то есть потерю потенциальной энергии на преодоление сопротивления на пути движения охлаждающего воздуха, обеспечивая плавный, безотрывный вход охлаждающего воздуха в коллектора 9. Отсутствие зон вихреобразования, равенство скорости охлаждающего воздуха на входе в коллектора 9 поверхности всасывания 10 скорости на теплообменных секциях 2, в следствии того, что коллектора 9 в поперечном сечении имеют форму, подобную поверхности всасывания 10, а суммарная площадь коллекторов 9 равна площади поверхности всасывания 10 и площади теплообменных секций 2, обеспечивает высокое аэродинамическое качество устройства 3 для подачи охлаждающего воздуха на входе в него.The rotation of the blades 8 of the impellers 7 of the fans 6, converting the mechanical energy of their rotation into the potential and kinetic energy of the cooling air due to the circulation of cooling air arising around the blades 8, creates a vacuum, that is, an area of reduced pressure on the suction surface 10, limited by the perimeter 11 of a rectangular shape formed by a closed line envelope of the collector 9, causing the movement of cooling air from the atmosphere to the suction surface 10 ABO 1, according to the Bernoulli equation [3] due to g the pressure ratio between the atmosphere and the suction surface 10 ABO 1 taking into account the mutual influence of the vacuum generated in the area of the collectors 9, interconnected by the suction surface, contacting it with the inlets of the manifold 9, the area of which is equal to the surface area of the suction 10, which eliminates the need to overcome aerodynamic obstacles, there is a loss of potential energy to overcome the resistance in the path of movement of cooling air, providing a smooth, continuous input of cooling air into the collector 9. the absence of vortex formation zones, the equality of the cooling air velocity at the inlet to the collector 9 of the suction surface 10 of the velocity on the heat exchange sections 2, due to the fact that the collectors 9 in cross section have a shape similar to the suction surface 10, and the total area of the collectors 9 is equal to the surface area of the suction 10 and the area of the heat exchange sections 2, provides high aerodynamic quality of the device 3 for supplying cooling air at the entrance to it.

Подобие поперечных прямоугольных сечений коллекторов 9 и периметра 11 поверхности всасывания 10 АВО 1 прямоугольному сечению теплообменных секций 2, способствуя снижению конвективных ускорений, согласно принципу Гельмгольца [4], дополнительно уменьшает потери потенциальной энергии при движении воздуха в устройстве 3 от поверхности всасывания 10 через коллектора 9, корпуса вентиляторов 6, диффузоры 4 на теплообменные секции 2, способствует снижению аэродинамических потерь, и как результат - увеличению потенциальной энергии и подачи охлаждающего воздуха на теплообменные секции 2.The similarity of the transverse rectangular sections of the collectors 9 and the perimeter 11 of the suction surface 10 ABO 1 to the rectangular section of the heat exchange sections 2, helping to reduce convective accelerations, according to the Helmholtz principle [4], further reduces the potential energy loss when the air moves in the device 3 from the suction surface 10 through the collector 9 , fan housings 6, diffusers 4 on the heat exchange sections 2, helps to reduce aerodynamic losses, and as a result - increase potential energy and coolant flow its air to the heat exchange sections 2.

Существенное снижение потерь потенциальной энергии, равенство скорости охлаждающего воздуха на входе в коллектора 9 поверхности всасывания 10 скорости на теплообменных секциях 2, в следствии того, что коллектора 9 в поперечном сечении имеют форму, подобную поверхности всасывания 10, а суммарная площадь коллекторов 9 равна площади поверхности всасывания 10 и площади теплообменных секций 2, способствует росту потенциальной энергии охлаждающего воздуха при его движении в корпусах вентиляторов 6, диффузоров 4 на теплообменные секции 2, а так же его количества. Взаимодействие охлаждающего воздуха с увеличенной потенциальной энергией и расходом с теплообменными секциями 2, образованными пучками оребренных труб с перемещаемым по ним охлаждаемым газом, приводит к существенному снижению энтальпии охлаждаемого газа в результате более эффективной передачи тепла от газа воздуху.A significant reduction in potential energy losses, the equality of the cooling air velocity at the inlet to the collector 9 of the suction surface 10 of the speed on the heat exchange sections 2, due to the fact that the collectors 9 in cross section have a shape similar to the suction surface 10, and the total area of the collectors 9 is equal to the surface area suction 10 and the area of the heat exchange sections 2, contributes to the growth of potential energy of cooling air when it moves in the bodies of the fans 6, diffusers 4 on the heat exchange sections 2, as well as th quantity. The interaction of cooling air with increased potential energy and flow rate with heat exchange sections 2 formed by bundles of finned tubes with cooled gas moving through them leads to a significant decrease in the enthalpy of the cooled gas as a result of more efficient heat transfer from gas to air.

Достижение в АВО, реализующем данное изобретение, равенства скоростей охлаждающего воздуха на входе в коллектора 9 поверхности всасывания 10 АВО 1 и на входе в теплообменные секции 2 обеспечивает максимально возможный рост статического давления охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменные секции 2, в соответствие с вышеуказанным принципом Гамильтона [4]. Указанное достигается равенством суммарной площади коллекторов 9 площади поверхности всасывания 10 АВО 1 и площади теплообменных секций 2.The achievement in the ABO that implements this invention, the equality of the cooling air velocities at the inlet to the collector 9 of the suction surface 10 ABO 1 and at the entrance to the heat exchange sections 2 provides the maximum possible increase in the static pressure of the cooling air supplied to the heat exchange sections 2, in accordance with the above Hamilton principle [4]. This is achieved by equality of the total area of the collectors 9 of the suction surface area 10 ABO 1 and the area of the heat exchange sections 2.

Таким образом, предложенный способ, реализуемый в конкретной конструкции АВО 1, позволяет за счет снижения потерь потенциальной энергии на входе в коллектора 9, равенство скорости охлаждающего воздуха на входе в коллектора 9 поверхности всасывания 10 его скорости на теплообменных секциях 2, исключения негативного взаимного влияния разряжения, создаваемого вращением лопаток 8 рабочего колеса 7 вентилятора 6, обеспечения осесимметричности, плавного разделения потока от входа в устройство 3 в коллекторах 9, вентиляторах 6 и диффузорах 4, теплообменных секциях 2, повысить аэродинамическую эффективность АВО за счет повышения аэродинамического качества устройства 3 для подачи охлаждающего воздуха к теплообменным секциям 2, повысив тем самым эффективность АВО в целом.Thus, the proposed method implemented in the specific design of ABO 1 allows, by reducing the loss of potential energy at the inlet to the collector 9, the equality of the cooling air velocity at the inlet to the collector 9 of the suction surface 10 of its speed on the heat exchange sections 2, eliminating the negative mutual influence of the vacuum created by the rotation of the blades 8 of the impeller 7 of the fan 6, to ensure axisymmetry, smooth separation of the flow from the entrance to the device 3 in the collectors 9, fans 6 and diffusers 4, heat variables sections 2, to improve aerodynamic efficiency by increasing the ABO 3 aerodynamic qualities device for supplying cooling air to the heat exchange section 2, thereby increasing the efficiency of ABO in general.

Результаты испытаний АВО вышеуказанной конструкции с входными коллекторами прямоугольной формы с отношением

подтверждают снижение коэффициента аэродинамического сопротивления на входе в АВО в 3,3 раза с величины

до величины

снижение скорости охлаждающего воздуха на входе на 35% с величины

до

При этом потенциальная энергия, то есть статическое давление охлаждающего газа на теплообменные поверхности увеличилось на 8% по сравнению с АВО с АВО фирмы «ГЕА» (Германия).ABO test results of the above design with rectangular input manifolds with the ratio

confirm a decrease in the aerodynamic drag coefficient at the entrance to the ABO by 3.3 times from

up to

35% reduction in cooling air inlet velocity from a value

before

In this case, the potential energy, that is, the static pressure of the cooling gas on the heat-exchange surfaces, increased by 8% compared with the air cooler with the air heater of the company "GEA" (Germany).

Данные результаты получены при испытании моделей АВО с учетом критериев подобия и статистического метода линейного планирования эксперимента при обеспечении геометрическими параметрами диффузора и периферийного направляющего лопаточного аппарата активного типа равенства моментов количества движения циркуляционных потоков.These results were obtained when testing ABO models taking into account the similarity criteria and the statistical method of linear design of the experiment, while ensuring the geometric parameters of the diffuser and the peripheral guide vanes of the active type of equality of the moments of momentum of circulation flows.

Таким образом, применение данного способа повышения аэротермодинамической эффективности АВО на базе предложенных технических решений, учитывающих специфику конструкции и условий их эксплуатации, позволяет поднять на качественно новый уровень аэротермодинамической эффективности АВО, дополнительно способствуя снижению их габаритов, материалоемкости и снижению уровня шума.Thus, the use of this method of increasing the aerothermodynamic efficiency of the ABO on the basis of the proposed technical solutions that take into account the specifics of the design and conditions of their operation, allows to raise to a qualitatively new level of aerothermodynamic efficiency of the ABO, further contributing to the reduction of their dimensions, material consumption and noise level.

1. В.Б. Кунтыш, А.Н. Бессонный и др. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения. - С/П: Недра, 1996, с. 84-85, рис. 2.37;1. V. B. Kuntysh, A.N. Sleepless and others. Fundamentals of calculation and design of air-cooled heat exchangers. - S / P: Nedra, 1996, p. 84-85, fig. 2.37;

2. Патент №2266488 «Теплообменный аппарат типа аппарата воздушного охлаждения газа»;2. Patent No. 2266488 "Heat exchanger type apparatus for air gas cooling";

3. Идельчик И.Е. Аэродинамика технологических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1986. - 280 с. ;3. Idelchik I.E. Aerodynamics of technological devices. - M.: Mechanical Engineering, 1986. - 280 p. ;

4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Учебник для вузов. - 7-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2003. - 840 с.4. Loitsyansky L.G. Mechanics of fluid and gas. Textbook for high schools. - 7th ed., Rev. - M.: Bustard, 2003 .-- 840 p.

Claims

1. A method of increasing the aerodynamic efficiency of an air cooling apparatus, comprising supplying cooling air in contact with the suction surface to the inlet of the suction surface manifold due to the vacuum created by the blades of the impellers of the fans, converting the mechanical energy of their rotation into potential and kinetic energy of movement of the cooling air through the collectors of the suction surface to the fan housings, diffusers, and then to the heat exchange sections formed by beams of pipe tubes with cooled gas moving along them, the enthalpy of which decreases as a result of heat transfer from gas to air, characterized in that the cooling air velocity at the inlet to the suction surface manifolds is equal to its speed on the heat exchange sections.

2. An air cooling apparatus, consisting of horizontally arranged collector-type heat-exchanging sections of rectangular cross-section, equipped with longitudinal fairing-propellers in the adjoining region in the form of extended protrusions and a device for supplying cooling air to heat-exchanging sections containing diffusers with an inlet diameter of 0, 6-0.95 widths of heat-exchange sections, fans, including impellers with blades and collectors of smooth entry of variable curvature in a longitudinal diametrical section AI with a lemniscate configuration, forming an ABO suction surface bounded by its perimeter in the form of a closed line enveloping them, with a total area in the range: 0.42-0.9 of the total area of the diffusers at the outlet and 0.51 ± 11.5% of the area heat-exchange sections in the plane of aerodynamic shading created by the upper row of the heat-exchange tube bundle, characterized in that the perimeter of the suction surface is rectangular in shape and the rectangular sections of the smooth entry collectors are made similar to the rectangular cross-section of the heat variables sections, the total area of the collectors, of equal area and the area of the suction surface of the heat exchange sections and manifolds are made variable curvature configuration of the lemniscate in mutually perpendicular longitudinal sections of the suction surface perimeter.