New MOX oil coolers: combination of efficiency and manufacturability

Abstract

The research and production company "Khimholodservis" together with the companies HOWDEN and SES International organizes the assembly production of ammonia screw compressor units. At the same time, Khimholodservis will manufacture a significant part of the components (oil coolers, oil separators, oil pumps, filters, etc.).
Naturally, their design and technical characteristics must meet world standards.

Full Text

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 безопасным перетечкам масла, что ухудшает его теплоотдачу. Так, технологические зазоры междутрубами и перегородками в 1 мм снижают интенсивность теплоотдачи в 1,6 раза по сравнению с теплоотдачей при «плотно по саженном» 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, теплогидравлические 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 масло охладителя МОХ, где сегментные перегородки заменены системой каналов с развитой поверхностью теплообмена для движения масла.

Рис. 1. Теплообменный элемент маслоохладителя

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

Для создания новой конструкции маслоохладителя потребовалось провести экспериментальные исследования тепло отдачи и гидродинамического сопротивления его теплообменных элементов при движении вязкой жидкости (масла) с целью получения обобщенных зависимостей, необходимых для расчета работы аппаратов на различных режимных пара метрах, 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) с р= 1851+3,628; плотность, кг/м3 р = 891,665 - 0,666; теплопроводность, Вт/(м-К) X = 0,1432-0,715-10 3t, где t - температура, °C.

Коэффициент кинематической вязкости определяли экспериментально при различных температурах в интервале 25...80 °C.

Он описывается зависимостью, м2/с: v = (72,052 - 1,8379Г + 1,331 • 10 Y ) • 10 6.

Опытные модели маслоохладителя представляли собой кожухотрубные теплообменники «труба в трубе». Они состояли из трех коаксиальных труб диаметром 18х 1,5; 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 кон такта 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.

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопередачи Kt от массового расхода масла G в маслоохладителях с силой натяга 100 Н (а) и 3000 Н (б): 1 — вода внутри: 2 — вода снаружи; 3 вода внутри и снаружи

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 тепло передачи); во-вторых, увеличением примерно в 2 раза основ ной 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. 2,6). Все три кривые, характеризующие зависимость коэффициента теплопередачи от массового расхода масла, рас полагаются 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 °C, 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 со противление.

Рис. 3. Зависимость гидравлического сопротивления Др маслоохладителей от массового расхода масла 6 и при различных силах натяга и схемах движения воды (обозначения схем см. рис. 2): о 100 Н (схема 1); + — 100 Н (схема 2); □ — 100 Н (схема 3); • - 300 Н (схема 1); х — 3000 Н (схема 2) ; V - 3000 П (схема 3)

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

Таблица 1

Параметры	МОХ 36-300-1,5 (для А350)	МОХ 18-200-2,0 (для А280)
Режимные параметры
Объемный расход, л/мин масла воды	120 225	90 180
Температура, °C масла на входе на выходе волы на входе	85 55 25	85 55 25
Давление. МПа масла (max) волы (max)	4 2	4 2
Перепад давлений по маслу (max). МПа	0,05	0,08
Тепловой поток, кВт	120	90
Конструктивные параметры
Диаметр, мм	325	219
Длина, м	2,1	2,6
Число труб	36	18
Диаметр под соединительных патрубков, мм	40	40
Масса, кг	280	180

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

Рис. 4. Маслоохладитель МОХЗб-З00-1,5

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.

Стенд для испытании первого опытного двухпоточного маслоохладителя на Московском рыбокомбинате — ЗАО «Меридиан»

Стенд для испытаний трехпоточного маслоохтдителя МОХ 36-300- 1,5 на Санкт-Петербургском хладокомбинате № 7

Межтрубное пространство достаточно разреженное (эквивалентный диаметр проходов от 20 до 40 мм), что обеспечивает длительную эксплуатацию их без очистки. Сборка теплобменных элементов маслоохладителей МОХ селективная - тщательно контролируется величина натяга насадки между трубами, определяющего термическое сопротивление контакта. Требования к сборке «криогенные» - аргонно-дуговая 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 разработанных маслоохладителей примерно в 2 раза меньше. В 5 раз меньше вместимость по маслу, что является их преимуществом.

Результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ позволяют сделать вывод о высокой эффективности маслоохладителей МОХ. Однако окончательное суждение об этом, а также об эксплуатационной надежности их тепловых и гидравлических показателей могли бы дать толь ко долговременные испытания в составе действующих винтовых компрессорных агрегатов.

Промышленные испытания маслоохладителей сотрудники НПФ «Химхолодсервис» провели на штатных аммиачных компрессорных агрегатах 21А410-7-3 на Московском рыбокомбинате - ЗАО “Меридиан” (первый опытный двухпоточный маслоохладитель) и 21А280-7-3 на Санкт-Петербургском хладокомбинате № 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 конструирование и изготовление были начаты на ранней стадии экспериментальных исследований, когда основные результаты еще не были получены. Поэтому наш первый опытный маслоохладитель был двухпоточным, без кожуха, содержал 56 теплообменных 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 (соответственно турбинный 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 °C), 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.

Таблица2 

Режим	Объемный расход, л/мин		Темпера­тура*, °C		Давление*. МПа		Перепад давлений, МПа		Давление, МПа
	масла	воды	масла	Воды	масла	Воды	масла	Воды	нагне­тания	всасывания
Первая серия испытаний (сразу после установки маслоохладителя)
1	124	168	48,4 33,8	24,1 29,9	1.53 1,50	1,20 0,175	0,03	0,025	0,84	0,04
2	123	155	50,4 34,5	24,5 30,2	1,53 1,50	0,20 0,175	0,03	0,025	0,86	0,04
3	123	154	35,6	24,8 30,7	1,54 1,51	0,20 0,175	0,03	0,025	0,88	0,04
4	123	157	52,6 36,8	214 31,9	1,54 1,51	0,20 0,175	0,03	0,025	0,90	0,04
Вторая серия испытаний (после эксплуатации в течение 6 мес)
1	136	169	46,8 36,0	21,4 28,0	1,39 1,35	0,18 0,15	0,04	0,065	0,72	0,09
2	136	168	46,9 36,2	23,7 28,2	1,38 1,34	0,18 0,15	0,04	0,065	0,72	0,09
3	136	170	41,7 36,8	21,2 28,8	1,39 1,35	0,18 0,15	0,04	0,065	0,72	0,09
*В числителе — на входе в маслоохладитель, в знаменателе — на выходе из него.

Анализ опытных данных показывает, что величина, характеризующая эффективность аппарата, Q/ Atn = к F (тепло вой поток, приходящийся на 1 °C 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 содержа ния 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 ра створом очистителя «BRITE BOWL PLUS» 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 напор АГп ~ 15 °C) и, следовательно, тепловых нагрузках.

Проведем пересчет полученных опытных данных на расчётные условия (см. табл.1). При средней температуре 70 °C вязкость масла уменьшится по сравнению с условиями испытаний вдвое (2 2 ,5 -10*G вместо 45*10 6 м2/с). Вдвое возрастет число Рейнольдса. Пропорционально Re033, т. е. на 27%, повысится коэффициент теплоотдачи со стороны масла, на 20% - коэффициент теплопередачи. Следовательно, величина О /Л/.= к F также возрастет на 20% и будет равна для «чистого» маслоохладителя МОХ 4,6...4,8 кВт/ °C; для загрязненного - 3,1...3,4 к В т /°C. 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 не обходимого для агрегатов 2 1А410-7-1 (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 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.