Moscow, Russian Federation
UDK 621.7.04 Способы обработки давлением, способы формообразования и формоизменения
UDK 621.91 Обработка резанием
UDK 621.565.93 Открытые теплообменники (с прямым контактом теплоносителя)
UDK 621.565.94 Закрытые теплообменники
UDK 621.565.95 Теплообменники по типу проводящих и излучающих элементов
The analysis of existing methods of surface enhancing for in-tube intensification of heat-exchange processes is presented. Approved variants of using the method of deformational cutting for the increasing the inner surface of heat-exchange tubes are proposed, including principles, schemes of realization, designs of tools and attachments. Photos of macrostructured surfaces and heat exchange intensifiers obtained inside the tubes to increase the efficiency of convective, condensing and boiling heat transfer is presented.
DEFORMATIONAL CUTTING, HEAT TRANSFER ENHANCEMENT, INNER TUBE FINNING, ENHANCED HEAT TRANSFER SURFACES
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Интенсификация теплообмена для теплообменных аппаратов на основе труб достигается развитием их теплообменных поверхностей или созданием интенсификаторов теплообменных процессов. На практике наибольшее распространение получило развитие наружной поверхности теплообменных труб за счет оребрения. Однако, увеличение площади наружной теплообменной поверхности, при гладкой внутренней поверхности, например, в 10 раз, приводит к увеличению коэффициента теплопередачи менее, чем в два раза. Аналогичного повышения тепловой эффективности можно достичь, увеличивая одновременно в два раза площадь как наружной, так и внутренней поверхности. Внутреннее развитие поверхности труб или создание на ней интенсификаторов теплообмена является перспективным направлением повышения эффективности теплообменных аппаратов и снижения их металлоемкости, однако является сложной технологической задачей [1].
Макро- или микрорельеф на внутренней поверхности труб позволяет повысить компактность и эффективность теплообменных аппаратов. Его использование целесообразно в теплообменных аппаратах промышленных холодильных, кондиционирующих и криогенных установок, теплообменниках для химической промышленности и тепловых станций, воздухонагревателей, конденсаторов погружного охлаждения электронной техники и т.п.
Ведущие зарубежные производители теплообменной аппаратуры применяют в своих изделиях теплообменные трубы с внутренним рифлением с количеством спиральных ребер (канавок) по окружности от 2-х до 60 и углом наклона канавок к оси до 60˚. Высота макрорельефа составляет обычно десятые доли миллиметра, что не позволяет увеличивать площадь внутренней теплообменной поверхности более, чем на десятки процентов. Основной целью создания такого макрорельефа является интенсификация теплообмена за счет разрушения пристеночного слоя при закручивании потока, проходящего через винтовые выступы.
Существует ограниченное количество методов получения внутреннего макрорельефа, которые можно отнести к обработке резанием и обработке давлением.
Развитие поверхности в виде оребрения методами лезвийной обработки используется крайне редко, ввиду невысокой производительности, наличию отходов в виде стружки и малым диапазоном типоразмеров получаемого внутреннего рельефа.
Получение труб с внутренним макрорельефом из лент основано на предварительной накатке макрорельефа на ленте рифлеными роликами или гофрировании ленты. В дальнейшем из ленты формируется трубная заготовка с последующей прямой или спиральной шовной сваркой. Получение труб из ленточных заготовок можно условно отнести к сборочным методам. На практике используются способы по патентам США [2-4] и др.
Для получения макрорельефа на внутренней поверхности труб в подавляющем большинстве случаев используются высокопроизводительные методы обработки давлением, однако, это обуславливает необходимость применения специализированного дорогостоящего оборудования.
При получении канавок на уже готовой трубе известно использование дорнования. Рифления на формообразующей поверхности дорна продавливают канавки на внутренней поверхности трубы. Дорн устанавливается на штанге и вытягивается из трубы.
Оригинальным является формирование внутреннего рельефа “плавающим” дорном, не требующим штанги для удержания дорна внутри трубы [5]. Дорн состоит из двух частей (рис. 1). Отсутствие осевого перемещения дорна при протягивании трубной заготовки обеспечивается гладкой частью 1 и фильерой 3, редуцирующими трубу. Рифленая часть дорна 2 совместно с фильерой 4 формирует канавки на внутренней поверхности трубы.
3 |
4 |
1 |
2 |
Рисунок 1 – Формирование внутреннего макрорельефа “плавающим” дорном |
Силы, необходимые для протягивания трубы значительны, что требует обильной смазки. Имеются модификации этого метода, для снижения силы волочения, когда вместо фильер 3 и 4 используется обкатка шариками или роликами, расположенными в обойме. В силу ряда технологических проблем, часто приводящих к разрыву трубной заготовки, метод используется ограниченно.
Наибольшее распространение получило создание ребер на внутренней поверхности уже готовых бесшовных труб одновременно с формированием наружного оребрения. Используется метод накатки наружных ребер блоком дисковых роликов при обжатии трубы на внутреннюю оправку, имеющую винтовые углубления (рис. 2). Наиболее характерными являются способы, отраженные в патентах [6, 7].
Рисунок 2 ‒ Схема одновременного структурирования наружной и внутренней поверхности теплообменной трубы (а) и примеры получаемых рельефов (б) [8]
|
a
|
б
|
Также применяется прессование трубной заготовки пропусканием через фильеру с формированием продольных, реже спиральных внутренних ребер (рис. 3). Метод применим только для труб из алюминиевых сплавов [9].
Рисунок 3 ‒ Внутреннее оребрение алюминиевых труб, полученное экструдированием [9]
|
Трубы с волнистыми спиральными поверхностями формируются блоком наружных роликов [10]. Примеры спирально-профильных труб приведены на рис. 4.
Рисунок 4 ‒ Спирально-профильные трубы
|
Наружные и внутренние спиральные выступы способствуют завихрению потока, ведущего к разрушению пограничного слоя, что уменьшает тепловое сопротивление и повышает коэффициент теплоотдачи [11]. Увеличение площади внутренней поверхности также повышает коэффициент теплоотдачи [12, 13].
Технологией, позволяющей варьировать параметрами получаемого макрорельефа в широком диапазоне типоразмеров, является технология деформирующего резания (ДР). Метод ДР успешно используется для наружного развития поверхности труб теплообменных аппаратов. МГТУ им. Н.Э. Баумана поставляло и поставляет монометаллические оребренные трубы из меди, титана, коррозионностойких и низколегированных сталей, мельхиора и алюминиевых сплавов десяткам предприятий, производящим теплообменную аппаратуру. Целью настоящего исследования является анализ возможностей использования метода деформирующего резания для получения теплообменного макрорельефа на внутренней поверхности теплообменных труб, а также проработка вариантов технической реализации, включающей схемы, инструмент и технологическую оснастку для осуществления предлагаемых методов.
2 Материалы и методы
Получение макрорельефов на внутренних поверхностях теплообменных труб с использованием метода ДР возможно по следующим вариантам:
2.1 Получение поперечного оребрения внутри трубы с использованием классической схемы ДР с подрезанием поверхностного слоя и его пластического деформирования в объем ранее образованной канавки. Возможности получения типоразмеров полученного оребрения будут практически соответствовать возможностям мелкошагового наружного оребрения, получаемого методом ДР [14]. Для внутреннего поперечного оребрения технологическими проблемами являются нежесткость инструмента, расположенного внутри трубы, и нерешенность технической реализации ввода и вывода инструмента на заданную глубину резания в процессе обработки внутренней поверхности для получения неоребренных участков в начале и конце трубы.
2.2 Использование метода ДР для получения продольного или спирального многозаходного оребрения внутри труб. В этом случае классический вариант использования метода ДР требует многозубого инструмента в виде протяжки. Количество режуще-деформирующих зубьев с геометрическими параметрами инструмента для ДР должно соответствовать требуемому количеству продольных канавок по длине окружности внутреннего диаметра. Проблемой также является возможность получения неоребренных участков а начале и конце трубы, а также большие осевые усилия на инструмент и заготовку от воздействия одновременно работающих режуще-деформирующих зубьев.
2.3 Формирование методом пластического деформирования неглубоких продольных рисок с последующим формированием поперечного оребрения внутри трубы. Неглубокие риски глубиной около 0,1 мм являются концентраторами напряжения, что приводит в процессе ДР к разрыву ребра по его длине с формированием теплообменной поверхности в виде штырьков. Штырьковые структуры перспективны как для интенсификации конвективного теплообмена, так и для повышения коэффициента теплоотдачи при конденсации на них паров теплоносителя.
2.4 Формирование методом пластического деформирования выступов с последующим формированием методом ДР поперечного оребрения внутри трубы, что приводит к формообразованию полноценной штырьковой структуры.
2.5 Использование ленты, оребренной методом ДР для последующего формирования герметичной трубы с внутренним микрорельефом.
2.6 Формирование одного или нескольких винтовых выступов-нарезов принудительно вращающимся или самовращающимся инструментом для ДР.
3 Результаты исследований
Рассмотрим более подробно технические особенности реализации вышеозначенных пунктов.
Получение поперечного внутреннего оребрения методом ДР по пункту 2.1 имеет ограниченное практическое значение для конвективного теплообмена, поскольку достаточно узкий межреберный зазор расположен перпендикулярно течению теплоносителя, который физически не может огибать боковые стороны ребер. Однако, в случае использования такой поверхности для внутритрубного кипения, поперечное оребрение может дать существенные преимущества, в первую очередь, связанные с многократным увеличением площади поверхности кипения и деформацией паровых пузырей в узком межреберном зазоре, значительно увеличивая коэффициент теплоотдачи и критические плотности теплового потока.
Этот вариант достаточно прост в реализации как для одно-, так и для многовершинного инструмента при ДР с получением одно- или многозаходного оребрения. Особенности получения многозаходного наружного оребрения описаны в работе [15]. На рис. 5 представлены варианты одно-, двух- и четырехвершинного инструмента для получения внутреннего поперечного оребрения. Каждая из вершин режуще-деформирующей пластины заточена с геометрией инструмента для ДР. В качестве заготовок для заточки инструмента предлагается использовать стандартные сменные многогранные твердосплавные пластины. Э
Рисунок 5 ‒ Одно-, двух- и четырехвершинный инструмент ДР для внутреннего поперечного оребрения
|
Технически поперечное внутреннее оребрение для коротких трубных заготовок может быть реализовано при вращении трубной заготовки в шпинделе токарного станка и закреплении штанги с инструментом для ДР в пиноли задней бабки. Движение подачи инструмента осуществляется продольным суппортом, отодвигающим незакрепленную заднюю бабку.
Для длинномерных труб целесообразно движение подачи осуществлять трубной заготовкой при вращательном движении штанги с инструментом. На рис. 6 представлена такая схема реализации получения поперечного однозаходного оребрения 1 внутри трубной заготовки 2 одновершинным инструментом 3. Трубная заготовка 2 получает поступательное движение от ведущих роликов 4. Инструмент 3 для ДР имеет вращательное движение через штангу 5 от отдельного привода с регулируемым числом оборотов. Опорная втулка 6 со скользящей посадкой по внутреннему диаметру трубной заготовки компенсирует радиальные усилия при ДР, обеспечивая постоянство глубины ДР.
Рисунок 6 ‒ Схема получения поперечного внутреннего оребрения внутри трубы. .
|
4 |
2 |
5 |
1 |
3 |
6 |
Проработана принципиальная схема устройства подачи трубной заготовки с двумя парами металлических обрезиненных роликов, представленная на рис. 7. Привод состоит из электродвигателя 1, червячного редуктора 2, двух пар роликов 3 и двух пневмоцилиндров 4 осуществляющих сжатие роликами трубной заготовки.
|
|
|
3 |
1 |
2 |
4 |
а
|
б |
1 ‒ электродвигатель; 2 ‒ червячный редуктор;
3 ‒ обрезиненные ролики; 4 ‒ пневмоцилиндры
Рисунок 7 ‒ Устройство подачи трубной заготовки с двумя парами металлических обрезиненных роликов: а – функциональная схема; б – реализация
Фотографии внутриоребренной трубы и срезов поперечного внутреннего однозаходного оребрения представлены на рис. 8. Увеличение площади внутренней теплообменной поверхности после обработки составило 5,9 (рис. 8, б) и 5,3 раза (рис. 8, в).
а ‒ наружный диаметр трубы 19,0 мм, шаг оребрения 0,5 мм, Рисунок 8 ‒ Срезы внутреннего поперечного оребрения, полученные
|
в |
б |
г |
а |
Для интенсификации пузырькового кипения перспективным является использование оребрения с внутренними подповерхностными полостями [16, 17]. Принципы получения подповерхностных полостей методом ДР описаны в [18]. Одним из вариантов является их получение инструментом со ступенчатой режущей кромкой. Вариант внутреннего оребрения использования такого инструмента для получения подповерхностных полостей представлен на рис. 9.
Для получения внутри трубы продольных или спиральных ребер методом ДР по пункту 2.2 предлагается использовать сборную многозубую режуще-дефомирующую протяжку (рис. 10) с геометрическими параметрами режущего клина инструмента для ДР. В качестве заготовок для заточки резцовых частей протяжки предложено также использование стандартных четырехгранных твердосплавных пластин. Основой данного инструмента является сборка четырехзубых пластин, закрепленных на оправке. Все режущие элементы в данном инструменте имеют идентичную геометрию и повернуты на один и тот же угол относительно друг друга. Таким образом, обеспечивается равномерность распределения получаемых ребер по внутренней поверхности трубы.
Медь М1. Начальная толщина стенки трубной заготовки 1,2 мм Рисунок 9 ‒ Подповерхностные паровые полости для интенсификации пузырькового кипения на внутренней стороне трубы [18]
|
Апробирована протяжка из 12 режуще-деформирующих четырехзубых пластин, которая позволяет получать на внутренней поверхности трубы с 48 ребрами по длине окружности при одноразовом осевом перемещении протяжки внутри трубы.
а – модель и реальный режуще-деформирующий элемент протяжки; б – блок режуще-деформирующих элементов протяжки в сборе; в – формирование продольных ребер внутри трубы протяжкой
Рисунок 10 ‒ Протяжка для получения продольных или спиральных ребер внутри трубы |
а
|
б
|
в
|
Движение протяжки внутри трубы предлагается осуществлять тросом, пропущенным внутри трубы. Схема обработки показана на рис. 11. Установка выполнена на базе токарного станка и использует большую часть его элементов. Данный выбор был сделан ввиду широкой распространенности токарных станков, как вида оборудования и отсутствия необходимости кардинальной переделки токарного станка для использования его в качестве основы для установки внутреннего оребрения труб.
1 – трубная заготовка; 2 – трос; 3 – привод барабана; 4 – намоточный барабан;
Рисунок 11 ‒ Принципиальная схема устройства для получения продольных или спиральных внутренних ребер режуще-деформирующей протяжкой
|
Трубная заготовка 1 закрепляется в цанговом зажиме 7, установленном в шпинделе станка. Цанговый зажим приводится в действие пневмоцилиндром 6. Для более надежной фиксации может использоваться второй пневматический цанговый зажим, расположенный на противоположном от шпинделя конце направляющих станка. При обработке длинномерных труб (больше 4 метров), необходимо использовать стойку 8, которая предотвратит изгиб трубной заготовки под действием собственного веса. С левой стороны передней бабки крепится привод 3, состоящий из электромотора, редуктора и намоточного барабана 4.
Метод ДР по пункту 2.3, сочетающий формирование продольных рисок и последующее деформирующее резание запатентован в США [19] и других странах. Риски, являясь концентраторами напряжений приводят к разрывам по длине образующегося при ДР ребра, формируя штырьковую структуру. Техническая сущность способа и инструментарий для его реализации поясняется на рис. 12.