Анотація до роботи:

Гоголь М.І. Удосконалення теплообмінних апаратів і систем для конденсації і охолодження технологічних потоків. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.14 – “Холодильна і кріогенна техніка, системи кондиціонування”

У дисертації подано результати експериментальних досліджень процесів теплообміну в апаратах технологічних процесів промислових виробництв. Процеси конденсації насиченої па-ри аміаку всередині горизонтальних труб досліджені при значеннях масових швидкостей аміаку у трубі 0,66…18,0 кг/(м²с), повітря в живому перерізі реберної трубки 3,0...15,0 кг/(м²с), температур повітря 12,0...29С, тисків аміаку 0,8 ...1,5 МПа, щільностей теплового потоку, віднесе-них до внутрішньої поверхні 800...22000 Вт/м² і трьох значень гідравличного діаметру (l/d) – 254; 103; 75. За натурну модель прийнято реберну трубку з коефіцієнтом оребрення 28,1, що склала з випарником, трубами і витратоміром внутрішній контур експериментальної установки. Зовнішній контур установки (вентилятор, дифузор, шиберний пристрій) побудовано за умов рівномірної подачі повітря в експериментальний вузол. Експериментальні дослідження підтвердили висновки про зменшення коефіцієнтів тепловіддачі при зростанні щільності теплового потоку, але темп падіння менший, ніж у інших авторів.Тому залежності для коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації аміаку в повітряних конденсаторах подано у формі, що визначає переважну їх залежність від гідравлічного діаметра і зручна для практичного використання. Досліджені теплові та аеродинамічні характеристики пучків реберних труб з удосконаленою формою ребер методом повного моделювання в інтервалі зміни значень теплового потоку 2,0…9,3 кВт, температур повітря 20,6…59,2С, швидкості повітря в живому перерізі пучка 5,9...24,4 м/с, що найбільш характерно для умов експлуатації апаратів охолодження стисненого газу (повітря) в компресорних установках. Натурна модель пучка, що складена з бісегментних реберних елементів, служила експериментальним вузлом установки, побудованої за принципом замкненого циркуляційного кільця з підігрівом (електронагрівачами) і охолодженням (водою) повітря у контурі. Витрати повітря в установці регулювалися за допомогою відцентрового вентилятора з електродвигуном постійного струму. Результати досліджень оформлені у вигляді залежностей критеріїв Нусельта й Ейлера від критерія Рейнольдса. Проведено порівняння реберних теплообмінних поверхонь за двома методиками Ріса В.П. і Антуф’єва В.М., найбільш відомими в літературі. Критеріями для порівння прийняті відношення F/M; V/M; Q/N, де F - площа поверхні теплообміну апарата, м²; M – витрати повітря, кг/с; V – об’єм пучка, м³ , Q – тепловий потік; N – витрати енергії на транспортування газу (повітря). Визначені найбільш раціональні, за умов мінімальних енергетичних витрат, теплообмінні поверхні щодо використання в компресорних установках. На підставі проведених досліджень створені промислові зразки конструкцій теплообмінних апаратів (конденсатори, теплообмінники для міжступеневого та кінцевого охолодження повітря) і систем (система технологічного кондиціонування, системи утилізації). Проведені промислові випробування апаратів і систем.

1. Вперше науково-прикладну задачу підвищення ефективності теплообмінних апаратів і систем для конденсації й охолодження технологічних потоків промислових процесів вирішено

в комплексній постановці - з урахуванням тепловіддачі при конденсації аміаку в горизонтальних трубах, з одного боку, і тепловіддачі та аеродинамічного опору повітряних потоків у пучках оребрених труб, з іншого. Це забезпечило значну перспективу подальшого використання одержаних теоретичних і прикладних результатів у широкому класі апаратів із обтіканням повітрям та іншими газами, зокрема для охолодження між ступенями стискання в компресорних установках, конденсаторах аміачних холодильних установок тощо.

2. Вперше встановлено, що в теплообмінних апаратах із конденсацією в горизонтальних трубах і зовнішнім обтіканням потоком повітря в діапазонах масових швидкостей аміаку 0,66...18,0 кг/(м²с) і повітря 3,0...15,0 кг/(м²с) переважає режим кільцевої течії, для якого коефіцієнт тепловіддачі є функцією тільки гідравлічного діаметру (l/d). Режими течії характеризуються значною нестабільністю внаслідок малих перепадів температур в апаратах.

3. Обґрунтовано, що мінімальні витрати енергії на обтікання пучків оребрених поверхонь потоком повітря мають місце для ребра у вигляді бісегментного елементу з геометричною структурою, найбільш наближеною до форми ребра з мінімальним об’ємом.

4. Вперше виявлено закономірності процесів конденсації аміаку в горизонтальних трубах апаратів із зовнішнім обтіканням поверхні потоком повітря. Встановлено, що інтенсивність зниження коефіцієнтів тепловіддачі _а при конденсації аміаку підтверджує висновки ряду авторів щодо падіння _а при збільшенні щільності теплового потоку. Однак інтенсивність падіння коефіцієнта тепловіддачі _а зі збільшенням щільності теплового потоку при охолодженні повітрям значно менша, ніж при охолодженні водою, що свідчить про наявність меншої товщини конденсатної плівки на поверхні конденсації. Середні значення коефіцієнтів тепловіддачі на 12…14 % більші, ніж при охолоджені зовнішньої поверхні водою.

5. Вперше встановлено, що оптимальні значення параметру l/d аміачних повітряних конденсаторів знаходяться в діапазоні 200…260. Для апарата з труб 25 х 2,5 оптимальна довжина труби становить 4...6 м.

6. Вперше одержано критеріальні залежності для визначення коефіцієнтів тепловіддачі та аеродинамічного опору пучків реберних труб із бісегментною формою поверхні в розширеному діапазоні 2000 Re 40000.

7. Встановлено, що значення приведених коефіцієнтів тепловіддачі _пр (Nu_пр) бісегментних поверхонь у діапазоні 800 Re 13000, які отримані при використанні методу локального моделювання, перевищують відповідні величини, одержані за методом повного моделювання, на 25...30 %. Тобто одержане кількісне підтвердження висновків раніше виконаних досліджень відносно характеру співвідношення даних, отриманих за обома методами моделювання. Встановлено, що значення приведених коефіцієнтів тепловіддачі бісегментних поверхонь у діапазоні чисел Re = (35...40)10³, одержаних в умовах локального і повного моделювання, співпадають. При великих масових швидкостях повітря збільшується турбулізація течії повітря, яка наближує значення коефіцієнтів тепловіддачі за двома методами.

8. Встановлено, що розширення діапазону значень швидкості повітря в живому перерізі пучка з 1,5... 8,0 до 1,5...28,0 кг/(м² с) не призводить до зміни характеру залежності Eu/ z =f (Re). Зменшення кроку бісегментного оребрення з 5 до 4 мм призводить до збільшення аеродинамічного опору пучка на 25...30 %. Коефіцієнт тепловіддачі при цьому збільшується лише на 11...14 %.

9. Виходячи зі встановлених закономірностей, розроблено рекомендації з раціонального проектування трубчастих пучків: глибокі пучки (з більшим числом труб по ходу потоку) необхідно компонувати реберними елементами з більшим кроком.

10. Встановлено, що мінімальна металоємність реберних пучків у відношенні до трубних пучків без оребрення з зовнішнім обтіканням потоком повітря забезпечується використанням у конструкціях апаратів раціонального коефіцієнта ребрення поверхонь, який для ребер із алюмінію і алюмінієвого сплаву знаходиться в діапазоні значень 13,0...17,0. Тому бісегментні поверхні, що мають близькі характеристики, рекомендуються саме для апаратів компресорних установок.

11. Порівняння теплообмінних поверхонь проведено за масовими, об’ємними та енергетичними показниками. Незалежними перемінними у рівняннях вибрано втрати опору в пучках та питомі витрати енергії на транспортування повітря. Порівняння виконано за відомими методиками з доповненнями характеристик термічного опору стінки труби і розширенням значень параметрів. Визначено найбільш раціональну та ефективну для використання в конструкціях теплообмінників компресорних установок поверхню – бісегментну, форма та структура оребрення якої забезпечує мінімальні витрати енергії на обтікання повітрям. Найефективніша поверхня забезпечує високу надійність експлуатації (краще очищення поверхні, більший термін служби), що підтверджено експлуатацією. Переваги поверхні розповсюджуються на широкий клас апаратів із зовнішнім обтіканням потоком повітря. Промислові випробування апаратів конденсації та теплообмінників міжступеневого охолодження повітря в компресорних установках підтвердили результати теоретичних і експериментальних досліджень, показали, що використання теплообмінних поверхонь на основі литих біметалевих поверхонь у конструкціях апаратів забезпечує зменшення витрат енергії при експлуатації.

12. Розроблено ряд конструктивних рішень теплообмінних апаратів перспективних систем утилізації, технологічного кондиціонування, хімічної технології, холодильної техніки.

Основні результати дисертації опубліковані в наукових спеціалізованих виданнях:

1. Гоголь Н.И., Лагутин А.Е., Коляда Н.А., Гоголь А.Н. Сравнение конструкций теплообменных поверхностей охладителей газов компрессорных установок // Холодильна техніка і технологія. – 2005.– № 1(93). – С. 7 – 14.

2. Гоголь Н.И., Лагутин А.Е., Чепурненко В.П. Исследование процессов конденсации аммиака внутри труб // Холодильна техніка і технологія. – 2004. – № 6(92). – С. 7 – 14.

3. Гоголь Н.И., Лагутин А.Е., Чепурненко В.П. Исследование пучков ребристых труб компрессорных установок // Холодильна техніка і технологія. – 2004.– № 5(91). – С. 25 – 30.

4. Гоголь А.Н., Гоголь Н.И. Влияние коэффициента оребрения на металлоемкость пуч

ков аппаратов // Холодильна техніка і технологія. – 2005. – № 4 (96). – C.49-52.

5. Chepurnenko V., Gogol N.,Omar Batal, Study of Processes in Drain Lines and Development of Rational Designs for Condenser Systems Arrangement // Collection works 21-th IIR, International Congress of Refrigeration, August 17-23, 2003, Washington.

6. Chepurnenko V. P., Lagoutine A. E., Shauning A.X., Gogol N. Investigation of thermal re sistans contact in bimetal exchange surfaces // 19-th International Congress of Refrigeration. The Hague the Netherlands, August, August 20-25, 1995. – P. 62-66.

7. Chepurnenko V. P., Lagoutine A. E., Вatal O. N., Gogol N.І. Capacity of refrigerating unit condensers when different conclusions of connecting circuit are used // CFCs, The Day AFTER Inter-

national conference. University of Padua, Italy , joint MEETING OF COMMIS STONS B1, B2, E1

and E2, September 21-23, 1994, – P. 659-666.

8. Chepurnenko V. P., Lagoutine A. E., Gogol N.І. An investigation of heat exchange while ammonia condensing a pipe at little densities of heat flow // Energy efficiency in refrigeration and global warming impact/ May 12-14, 1993/ University of GHENT, Belgium, – P. 243-251

9. Chepurnenko V. P., Lagoutine A. E., Gogol N.І. Recherchee dans le domaine d’tchange thermiqueet d’aerodynamique des feisceoux de tubes ailettees a une forme perfectionnee des ailettes // Presete dans le carde du XV111 Congres international du froid Written for the XV111-^th International Congress of Refrigeration. Palais des Congres de Montreal. Mjntreal Quebec, Canada/ 10-17 aot/ 1991, – P. 213 - 221.

10. Лагутин А. Е., Чепурненко В. П., Гоголь Н.И. Экспериментальное исследование теплоотдачи и аэродинамического сопротивления пучков труб с поперечными ребрами бисегментной формы // Холодильна техніка і технологія, вып. 47, 1988 г. –C.61-63.

11. Чепурненко В. П., Лагутин А. Е., Пархоменко А. Л., Гоголь Н.И. Исследование теплоотдачи и аэродинамического сопротивления пучков труб с ребрами переменного профиля // Химическое и нефтяное машиностроение. – № 7.– 1988.– C. 7-9.

12. Чепурненко В. П., Лагутин А. Е., Пархоменко А. Л., Гоголь Н.И. Экспериментальное исследование теплообмена и аэродинамики пучков труб с эллиптическим оребрением // Xолодильная Техніка и технология, вып. 42, Киев, «Технiка», 1986 г.- C. 13-17.

13. Чепурненко В. П., Лагутин А. Е., Пархоменко А. Л., Гоголь Н.И. Экспериментальное исследование теплоотдачи и сопротивления пучков аппаратов воздушного охлаждения из биметаллических высокоребристых труб // Холодильна техніка і технологія, вып. 42, Киев, «Технiка» –1986. – C. 8-13.

Основні публікації, в яких додатково викладено зміст дисертації:

14. Уменьшение металлоемкости теплообменников при использовании трубчато-ребристых поверхностей // Збірник наукових праць ХI науково-методичної конференції „Людина і навколишнє середовище – проблеми безперевної екологічної освіти в вузах” Одеса - Ізмаїл, Україна, 17-24 травня 2005 р. – С.45 - 47.

15. Гоголь Н.И.,Чепурненко В.П., Лагутин А.Е. Энергосбережение в промышленных установках // Збірник праць Міжнародної науково-технічної конференціїї “Енергоефективність 2004” ( додаток до журналу „Холодильна техніка і технологія”) , 13-16 жовтня 2004 р., м. Оде

са, Україна. – С. 76-80.

16. Ржепишевский Ф.П., Гоголь Н.И., Русов Е.Х., Яковлев Ю.А. Оценка энергетической єффективности эксплуатации холодильных установок: // Збірник праць Міжнародної науково-технічної конференціїї Енергоефективність 2004 ( додаток до журналу „Холодильна техніка і технологія”), 13-16 жовтня 2004 р., м. Одеса, Україна. – С. 188-190.

17. Денисов Ю.П., Гоголь Н.И. О расчете утилизаторов тепла перегретого пара холодильных установок: //Сборник научных трудов 3 Международной научно-технической конференции «Современные проблемы холодильной техники и технологии», 17-19 сентября 2003 г., Одесса. – С. 5-8.

18. Чепурненко В.П., Батал О.Х., Гоголь Н.И. К вопросу о выборе параметров уравнительных линий в конденсаторных системах холодильных установок // Сб. науч. трудов 2-ой Междунар. научно-техн. конф. «Современные проблемы холодильной техники и технологии». – Одесса: ОГАХ. – 2002 . – С.10.

19.Чепурненко В.П., Батал О.Х.,Гоголь Н.И.,Лагутин А.Е. Элементы схем конденсаторных систем: Информационный листок о научно-техническом достижении № 076-97. – Одесса: ОЦНТИ, 1997. – 4 с.

20.Чепурненко В.П., Батал О.Х.,Гоголь Н.И.,Лагутин А.Е. Схемы компановки узла конденсатор – линейный ресивер: Информационный листок о научно-техническом достижении № 076-97. – Одесса: ОЦНТИ, 1997. – 4 с.

21. А. С. 1752797 СССР, МКИ С 22 В 3/02. Установка для получения экстракционной фосфорной кислоты / Ю.А. Колпаков, Н. И. Гоголь, А. С. Ахметов, В. И. Левин В.И., К. Байжанов (СССР). – № 4787178; Заявлено 29.01.90; Опубл. 07.08.92, Бюл. № 29. – 4 с.

22. А. С. 1773024 СССР, МКИ С 01 В 25/22 Способ получения экстракционной фосфорной кислоты / Ю. А. Колпаков, Н. И. Гоголь, А. С. Ахметов, К. Байжанов и др.(СССР). – № 4773234; Заявлено 25.12.89; Зарегистр. 01.07.92. – (Опубл. 07.08.92. Бюл. № 29 –) – 5 с.

23. Чепурненко В. П., Мирончук Ю. А. Гоголь Н.И. Оптимизация температурных режи

мов теплообмена с промежуточным теплоносителем // Химическая промышленность – № 10. –––1992. - C. 27-30.

24. Чепурненко В. П., Мирончук Ю. А. Гоголь Н.И. Оптимизация систем утилизации тепла с промежуточным теплоносителем // Тезисы докладов межреспубликанской научно-прак-тической конференции Краснодарский дом науки и техники. –1992 г. – С.

25. Грандов А.А., Гоголь Н.И., Кологривов М. М., Бельченко В.М. Теплообменная аппаратура установок для переработки и хранения сельскохозяйственной продукции // Тезисы докладов Российской научно-практ. конф. с междунар. участием «Проблемы ресурсосберегающих и природоохранных технологий и оборудование для переработки и хранения сельскохозяйственного сырья». – Краснодар. – Изд. КДНТ. –1993 г. – С. 47.

26. А. С. 1553814 СССР, МКИ³ F 28 D 7/06. Теплообменник с воздушным охлаждением. /

В. П. Чепурненко, А. Е. Лагутин, Н. И. Гоголь, О. Ш. Хмаладзе, П. И. Мельников (СССР). – № 4423085; Заявлено 15.03.88; Опубл. 30.03.90, Бюл. № 12. – 3 с.

27. M.R.Mendoza, V.P.Chepurnenko, A.E.Lagutin, Gogol N.I. L’Optimisation des installation

prigori-fi-ques sur la base danal-vse thermoeconomigue // I conferencia international de refrigeracion

climatizacion y energia no convential, Junio de 1990, Cuba.

28. Мягких В. С., Вознесенский Р. Н., Демидов А. Е., Гоголь Н.И., Чепурненко В. П., Лагутин А. Е., Петров Н. Н. Разработка и испытания усовершенствованной конструкции межступенчатого теплообменника компрессорных установок» // Химическая промышленность. – № 6.

1990. – С.38(358) – 40(360).

29. Гоголь Н.И., Мельников П. И., Кабанова М. Н. Исследование конденсации аммиака внутри горизонтальных труб, охлаждаемых воздухом // Тезисы док ладов Республ. Конф. «Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических производств». - Одесса. – 1989. – С. 15.

30. А. c. 1345047 CCCP, МКИ^З F 28 Д 7/1. Пучок труб аппарата воздушного охлаждения /

В П. Чепурненко, А. Е. Лагутин, Н. И. Гоголь (СССР). – № 3924049; Заявлено 05.05.1985; Опубл. 15.10.87, Бюл. № 38. –4 с.

31. А.С. 1399632 СССР, МКИ^З F 28 Д 7/16. Теплообменник / В. П. Чепурненко, А. Е. Ла-

гутин, Н. И. Гоголь и др. (СССР). – № 4146564; Заявлено 12.11.86; Опубл. 30.05.88, Бюл. № 38. – 4 с.

32. Чепурненко В. П., Лагутин А. Е., Гоголь Н.И., Пархоменко А. Исследование процессов теплообмена в воздушных конденсаторах аммиака. Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции «Интенсификация производства и применения искусственного холода», г. Ленинград. –1986г. –С.

33. Чепурненко В. П., Хмаладзе О. Ш., Гоголь Н.И. Усовершенствованный технологиче-ский процесс опытно-промышленного производства биметаллических теплообменных оребренных труб: Информационный листок о научно-техническом достижении.– Одесса, ОЦНТИ, 1983 г.– 4 с.