RU2751679C1

RU2751679C1 - Air cooling apparatus

Info

Publication number: RU2751679C1
Application number: RU2020128683A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Макаров; Николай Николаевич Таланкин; Александр Викторович Лифанов; Николай Владимирович Макаров; Захар Сергеевич Панфилов; Артем Юрьевич Матеров; Азамат Альфизович Арсланов
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2021-07-15

Abstract

FIELD: heat engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of heat engineering and can be used in air cooling apparatuses (ACA). In an air cooling apparatus consisting of a heat exchanger unit, a fan with a drive, and supports, wherein frames with a mesh and a filtering sheet are installed between said supports, axes are fixed on the inner side of the mesh, whereon valve curtains made of an air-impermeable material are installed, wherein the axes are fixed vertically on the inner side mesh.EFFECT: stabilisation of the pressure and flow of the cooling air jet along the entire perimeter of the working structure, reduced losses for throttling of air (gas) in the system, as well as increased heat exchange efficiency.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к аппаратам охлаждения газов, в частности к аппаратам воздушного охлаждения, и может быть использовано в нефтегазовой, металлургической, химической промышленностях и на газокомпрессорных станциях магистральных газопроводов.The invention relates to gas cooling devices, in particular to air cooling devices, and can be used in the oil and gas, metallurgical, chemical industries and at gas compressor stations of main gas pipelines.

Известен аппарат воздушного охлаждения (АВО), включающий в себя теплообменник воздушного охлаждения, вентилятор с приводом, опоры, рамы с сеткой и фильтрующее полотно, улавливающее органические и неорганические частицы охлаждающего воздуха, движущегося к теплообменников воздушного охлаждения под действием вентилятора с приводом.An air cooling apparatus (AVO) is known, which includes an air cooling heat exchanger, a fan with a drive, supports, frames with a mesh and a filter cloth that traps organic and inorganic particles of cooling air moving to the air cooling heat exchangers under the action of a driven fan.

Однако данные АВО обладают недостаточной эффективностью, то есть интенсивностью теплоотдачи, охлаждения газа за счет охлаждающего воздуха, принудительное перемещение которого осуществляет вентилятор. Это обусловлено тем, что в данной конструкции не используется энергия скоростного напора движения воздушных масс охлаждающего воздуха (энергия ветра) в силу того, что воздух проходит через фильтрующие элементы как с наветренной, так и с подветренной стороны.However, these AVOs have insufficient efficiency, that is, the intensity of heat transfer, gas cooling due to the cooling air, the forced movement of which is carried out by the fan. This is due to the fact that this design does not use the energy of the high-speed pressure of the movement of air masses of the cooling air (wind energy) due to the fact that the air passes through the filter elements from both the windward and leeward sides.

Наиболее близким по достижению технического эффекта является аппарат воздушного охлаждения, состоящий из блока теплообменников воздушного охлаждения, вентилятора с приводом, опоры, рам с сеткой, фильтрующего полотна и завес-клапанов из воздухонепроницаемого материала. The closest to achieving the technical effect is an air cooling apparatus consisting of a block of air-cooled heat exchangers, a fan with a drive, a support, frames with a mesh, a filter cloth and curtain-valves made of an airtight material.

Данное устройство за счет клапанов-завесов способствует преобразованию энергии скоростного напора атмосферного воздуха в дополнительное статическое давление в области под теплообменниками воздушного охлаждения, тем самым в соответствии с уравнением Бернулли дополнительно к энергии сообщаемой охлаждающему воздуху вентилятором увеличивает его скорость относительно оребренных труб теплообменника, то есть согласно критерию Нуссельта и Рейнольдса усиливает интенсивность теплоотдачи, повышая эффективность аппарата воздушного охлаждения.This device, due to the curtain valves, helps to convert the energy of the high-speed pressure of atmospheric air into additional static pressure in the area under the air-cooled heat exchangers, thereby, in accordance with the Bernoulli equation, in addition to the energy supplied to the cooling air by the fan, it increases its speed relative to the finned tubes of the heat exchanger, that is, according to the Nusselt and Reynolds criterion increases the intensity of heat transfer, increasing the efficiency of the air cooler.

Однако, поскольку в указанном устройстве завесы-клапаны приподнимаются под действием скоростного напора охлаждающего воздуха в соответствии с уравнением Бернулли на это расходуется часть статического давления охлаждающего воздуха. Это обусловлено тем, что клапан-завес, обладая определенной массой при его открывании за счет скоростного напора охлаждающего воздуха создает реактивный момент, препятствующий движению охлаждающего воздуху, вызывая его торможение и безвозвратные потери энергии, т.е. части статического давления. В соответствии с уравнениями Бернулли и Эйлера, потери статического давления при отклонении клапана-завеса с горизонтальной осью по вертикали на угол ϕ определяются по формуле: However, since in the specified device the curtains-valves are lifted under the action of the high-speed pressure of the cooling air in accordance with the Bernoulli equation, a part of the static pressure of the cooling air is consumed. This is due to the fact that the curtain valve, having a certain mass when it is opened due to the high-speed pressure of the cooling air, creates a reactive moment that prevents the movement of the cooling air, causing it to brake and irreversible energy losses, i.e. parts of the static pressure. In accordance with the equations of Bernoulli and Euler, the static pressure loss due to deflection of a curtain valve with a horizontal axis along the vertical axis by an angle ϕ is determined by the formula:

где:where:

G, S - вес и площадь клапана-завесы соответственно.G, S - weight and area of the curtain damper, respectively.

Формулу (1) можно также представить в виде:Formula (1) can also be represented as:

где:where:

l - длина клапана-заслонки.l is the length of the damper valve.

Таким образом вышеуказанное устройство не в полной мере обеспечивает требуемую аэродинамическую эффективность АВО, поскольку не устраняет большие аэродинамические потери охлаждающего воздуха, то есть потери его потенциальной энергии. Thus, the above device does not fully provide the required aerodynamic efficiency of the air cooling system, since it does not eliminate large aerodynamic losses of the cooling air, that is, the loss of its potential energy.

С учетом формулы (1) уменьшение скорости охлаждающего воздуха, обусловленное потерями потенциальной энергии ветра на поддержание в открытом положении клапана-завеса с горизонтальной осью, определяется по формуле Taking into account formula (1), the decrease in the speed of the cooling air caused by the loss of potential wind energy to maintain the curtain valve with a horizontal axis in the open position is determined by the formula

где:where:

ε - коэффициент аэродинамического сопротивления оребренных труб АВО.ε is the aerodynamic drag coefficient of the AVO finned tubes.

Уменьшение потенциальной энергии ветра в соответствии с уравнением Бернулли, снижение скорости охлаждающего воздуха, согласно формуле (2) и, как результат, его объема, поступающего на оребренные трубы теплообменника, не позволяет существенно повысить аэродинамическую эффективность АВО, поскольку не может быть достигнута необходимая величина теплоотдачи теплообменника.A decrease in the potential wind energy in accordance with the Bernoulli equation, a decrease in the speed of the cooling air, according to formula (2) and, as a result, its volume supplied to the finned tubes of the heat exchanger, does not significantly increase the aerodynamic efficiency of the AVO, since the required amount of heat transfer cannot be achieved heat exchanger.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении минимальных потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха в виде скоростного напора ветра на входе в теплообменник путем устранения потерь статического давления охлаждающего воздуха на поддержание клапанов-завесов в открытом положении.The essence of the proposed invention is to achieve minimum potential energy losses of the cooling air in the form of a high-speed wind pressure at the inlet to the heat exchanger by eliminating the static pressure losses of the cooling air to maintain the curtain valves in the open position.

Задачей изобретения является увеличение аэродинамической эффективности АВО, то есть повышения интенсивности теплоотдачи от газа в оребренных трубах теплообменника охлаждаемому воздуху. Это достигается тем, что предлагаемое устройство полностью исключает потери потенциальной энергии охлаждающего воздуха, обусловленного ветром на поддержание клапанов-завес в открытом положении. Механизм уменьшения потерь потенциальной энергии охлаждающего воздуха-ветра на входе в оребренные трубы теплообменника реализуемы предлагаемым устройством, и величина снижения этих потерь может быть представлена в следующем виде:The objective of the invention is to increase the aerodynamic efficiency of the AVO, that is, to increase the intensity of heat transfer from the gas in the finned tubes of the heat exchanger to the cooled air. This is achieved by the fact that the proposed device completely eliminates the loss of potential energy of the cooling air caused by the wind to maintain the curtain valves in the open position. The mechanism for reducing the potential energy losses of the cooling air-wind at the entrance to the finned tubes of the heat exchanger is implemented by the proposed device, and the value of reducing these losses can be represented as follows:

В предлагаемом устройстве АВО ось вращения клапана-завесы закреплена вертикально с внутренней стороны сетки. Таким образом при повороте клапана-завеса на угол ϕ в горизонтальной плоскости под действием скоростного напора ветра его центр тяжести не меняет значение по высоте, следовательно, не создает противодействующего скоростному напору ветра реактивного момента Δz=0 и, следовательно, Δp=0 согласно формуле (1).In the proposed AVO device, the axis of rotation of the curtain valve is fixed vertically on the inner side of the mesh. Thus, when the curtain valve is turned through an angle ϕ in the horizontal plane under the action of the high-speed wind pressure, its center of gravity does not change its height, therefore, it does not create a reactive moment Δz = 0 opposing the high-speed wind pressure and, therefore, Δp = 0 according to the formula ( one).

С учетом формулы (1), в данном случае отсутствуют потери потенциальной энергии скоростного напора ветра и, как результат, на эту величину возрастает скорость охлаждающего воздуха, определяемая по формуле (2), поступающего на оребренные трубы блока теплообменников.Taking into account formula (1), in this case there are no losses of potential energy of the high-speed wind pressure and, as a result, the speed of the cooling air, determined by formula (2), entering the finned tubes of the heat exchanger block increases by this value.

Таким образом, при закреплении оси, на которой поворачивается клапан-завеса вертикально с внутренней стороны сетки, отсутствуют потери потенциальной энергии, т.е. скоростного напора ветра на поддержание клапан-завес в открытом положении. Скоростной напор ветра в данном случае является дополнительной потенциальной энергией, которая в соответствии с уравнением Бернулли увеличивает скорость и расход охлаждающего воздуха, поступающего на оребренные трубы теплообменника, повышая термодинамическую эффективность и интенсивность теплоотдачи АВО.Thus, when fixing the axis on which the curtain valve turns vertically from the inner side of the grid, there are no potential energy losses, i.e. high-speed wind pressure to maintain the curtain valve in the open position. The velocity head of the wind in this case is an additional potential energy, which, in accordance with the Bernoulli equation, increases the speed and flow rate of the cooling air supplied to the finned tubes of the heat exchanger, increasing the thermodynamic efficiency and the intensity of heat transfer of the AVO.

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

- повышение аэродинамической эффективности и интенсивности теплоотдачи аппарата воздушного охлаждения за счет повышения потенциальной энергии охлаждающего воздуха скоростным напором ветра.- increasing the aerodynamic efficiency and the intensity of heat transfer of the air cooler by increasing the potential energy of the cooling air by the high-speed wind pressure.

- снижение аэродинамических потерь на клапанах-завесах аппарата воздушного охлаждения, и как результат - увеличение потенциальной энергии охлаждающего воздуха.- reduction of aerodynamic losses on the curtain valves of the air cooler, and as a result - an increase in the potential energy of the cooling air.

- снижение уровня шума за счет устранения вихреобразования на клапанах-завесах.- reduction of the noise level due to elimination of vortex formation on the curtain valves.

Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в аппарате воздушного охлаждения, состоящем из блока теплообменников, вентилятора с приводом и опор, между которыми установлены рамы с сеткой и фильтрующим полотном, на внутренней стороны сетки закреплены оси, на которых установлены клапаны завесы из воздухонепроницаемого материала.The problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that in the air cooling apparatus, consisting of a block of heat exchangers, a fan with a drive and supports, between which frames with a mesh and a filter cloth are installed, axles are fixed on the inner side of the mesh, on which the curtain valves are installed made of airtight material.

Согласно изобретению оси, на которых вращаются клапана-завесы закреплены вертикально на внутренней стороне сетки. Закрепление оси, на которой поворачиваются завесы-клапаны вертикально, обеспечивает максимально возможный рост потенциальной энергии и скорости охлаждающего воздуха, поступающего на теплообменники и, как результат - увеличение расхода охлаждающего воздуха, повышение интенсивности теплоотдачи и повышение аэродинамической эффективности АВО.According to the invention, the axes on which the curtain valves rotate are fixed vertically on the inner side of the mesh. Fixing the axis on which the curtain-valves rotate vertically ensures the maximum possible increase in the potential energy and speed of the cooling air supplied to the heat exchangers and, as a result, an increase in the consumption of cooling air, an increase in the intensity of heat transfer and an increase in the aerodynamic efficiency of the AVO.

Результаты испытаний АВО предложенной конструкции с осями, на которых поворачивается завесы-клапаны, закрепленными вертикально при скорости ветра 10 м/с получено дополнительное статическое давление 35 Па при полном давлении создаваемом вентилятором с приводом 210 Па, т.е. прирост статического давления составил 17%. При этом расход воздуха увеличился на 11%, а интенсивность теплообмена - коэффициент теплоотдачи увеличился на 8%. Данные результаты получены при испытании модели АВО с учетом критериев подобия: критерия теплоотдачи Нуссельта, критерия динамического подобия Рейнольдса, критерия, характеризующего физические свойства газов (Прандтля). Таким образом, применение данного устройства повышает аэродинамическую эффективность АВО, дополнительно способствуя снижению уровня шума.The results of testing the AVO of the proposed design with axes on which the curtain-valves rotate, fixed vertically at a wind speed of 10 m / s, an additional static pressure of 35 Pa was obtained at a total pressure created by a fan with a drive of 210 Pa, i.e. the increase in static pressure was 17%. At the same time, the air consumption increased by 11%, and the intensity of heat transfer - the heat transfer coefficient - increased by 8%. These results were obtained when testing the AVO model taking into account the similarity criteria: the Nusselt heat transfer criterion, the Reynolds dynamic similarity criterion, the criterion characterizing the physical properties of gases (Prandtl). Thus, the use of this device increases the aerodynamic efficiency of the AVO, further contributing to the reduction of the noise level.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен аппарат воздушного охлаждения. В сечении А-А показан вид А с клапанами-завесами в открытом положении, В сечении Б-Б показан вид Б с клапанами-завесами в закрытом положении.FIG. 1 shows an air cooler. Section A-A shows view A with the curtain valves in the open position, Section B-B shows view B with the curtain valves in the closed position.

Аппарат воздушного охлаждения содержит блок теплообменников (1), вентилятор (2) с приводом (3), опоры (4), рамы с сеткой (5), фильтрующее полотно (6), завесы-клапаны с осями (7).The air cooling device contains a block of heat exchangers (1), a fan (2) with a drive (3), supports (4), frames with a mesh (5), a filter cloth (6), curtains-valves with axles (7).

Предложенная конструкция аппарата воздушного охлаждения работает следующим образом. При включении вентилятора (2) с электродвигателем (3) происходит интенсификация охлаждения природного газа в блоке теплообменников (1), благодаря обтеканию их воздушным потоком, имеющим меньшую температуру, чем сжатый природный газ. При отсутствии ветра и включенном вентиляторе (1), воздух, проходя со всех сторон между опорами (4) через фильтрующее полотно (6) с сеткой 5, приподнимая вертикальные завесы-клапаны (7) с вертикальной осью без потерь потенциальной энергии воздушного потока очищается от органических и неорганических примесей, благодаря чему существенно уменьшается загрязнение теплообменных труб, что ведет к сохранению теплоотдачи во времени. Сетка (5), например, металлическая, к которой подвешены на вертикальной оси завесы-клапаны (7), обеспечивает одностороннее (внутрь) открывание завес-клапанов без смещения по вертикали их центра тяжести и, следовательно, снижение усилия воздушного потока на фильтрующее полотно, воспринимая напор воздуха на себя.The proposed design of the air cooler works as follows. When the fan (2) with the electric motor (3) is turned on, the natural gas cooling in the heat exchanger unit (1) is intensified due to the air flow around them, which has a lower temperature than compressed natural gas. In the absence of wind and the fan (1) is on, the air, passing from all sides between the supports (4) through the filter cloth (6) with a mesh 5, lifting the vertical curtain-valves (7) with a vertical axis without loss of potential energy of the air flow is cleaned from organic and inorganic impurities, due to which the pollution of the heat exchange tubes is significantly reduced, which leads to the preservation of heat transfer over time. The mesh (5), for example, metal, to which the curtain-valves (7) are suspended on the vertical axis of the curtain, provides one-way (inward) opening of the curtain-valves without displacing their center of gravity vertically and, consequently, reducing the force of the air flow on the filtering cloth, perceiving the pressure of air on themselves.

Вертикальные завесы-клапаны в динамическом режиме, то есть, в случае наличия ветровой нагрузки, разделяют среду молекул газа и рабочих стенок, которые граничат друг с другом по площади некоторых проемов через создание плоской струи воздуха. В результате горизонтального течения потока воздуха в системе, его струя не ослабевает в проеме, где скорость входящего холодного воздуха является максимальной. В результате того что струя воздуха по всей длине имеет практически одинаковый напор, потери давления при работе АВО также минимизируются.Vertical curtain-valves in a dynamic mode, that is, in the presence of a wind load, separate the medium of gas molecules and working walls, which adjoin each other in the area of some openings through the creation of a flat air stream. As a result of the horizontal flow of the air flow in the system, its flow does not weaken in the opening, where the speed of the incoming cold air is maximum. As a result of the fact that the air jet along the entire length has practically the same pressure, pressure losses during the operation of the AVO are also minimized.

В итоге, данное изобретение позволяет провести акселерацию процесса охлаждения природного газа в аппаратах воздушного охлаждения за счет улучшения компоновки завес-клапанов, стабилизировать давление и поток струи охлаждающего воздуха по всему периметру рабочей конструкции, а следовательно, получить техническую и экономическую выгоду и снижение себестоимости транспорта газа.As a result, this invention makes it possible to accelerate the natural gas cooling process in air-cooled devices by improving the arrangement of the curtain-valves, to stabilize the pressure and flow of the cooling air stream around the entire perimeter of the working structure, and, consequently, to obtain technical and economic benefits and reduce the cost of gas transportation. ...

Claims

An air cooling apparatus consisting of a block of heat exchangers, a fan with a drive and supports, between which frames with a mesh and a filtering cloth are installed, axles are fixed on the inner side of the mesh, on which curtain-valves made of airtight material are installed, characterized in that the axles are fixed vertically on the inside of the net.