Д.т.н. Н.Н. Зубков, нач. лаборатории

№ 3 НИИКМ и ТП МГТУим. Н.Э. Баумана

Широкими возможностями по повышению эффективности теплоотдачи наружной поверхности теплообменных труб (ТОТ) обладают способы, основанные на сборке ребер с теплообменной трубой. Сборка осуществляется пайкой, сваркой, развальцовкой или навивкой с натягом ленты, выполняющей роль оребрения. Стоимость таких оребренных труб велика в силу низкой технологичности их изготовления и малой производительности операции оребрения. Практически единственным производительным методом развития наружной поверхности ТОТ в настоящее время является метод накатки ребер роликами. Однако, для этого метода существует ряд ограничений как по материалу трубной заготовки, так и по типоразмерам получаемого оребрения. В России нет технологий накатки, позволяющей оребрять медно-никелевые трубы, трубы из титана или сталей. Для меди максимально достижимое увеличение площади наружной теплообменной поверхности не превышает 2,5-3,5 раза.

В МГТУ им. Н.Э. Баумана активно ведутся исследования нового метода формообразования, основой которого являются одновременно как процесс резания, так и пластического деформирования. Метод основан на подрезании и отгибке поверхностных слоев трубной заготовки и получил название «деформирующее резание» (ДР). Метод ДР и инструмент для его реализации запатентованы в России, Украине, США и восьми странах Европы. Метод дважды удостаивался золотых медалей и дипломов выставки и салона изобретений в Брюсселе и Женеве.

При наружном оребрении ТОТ метод ДР может быть реализован как на обычных токарных станках, так и на специальной установке большой производительности. теплоотдача труба оребрение медь

На токарных станках возможно получение оребрения с шагами от 0,2 до 2,5 мм. Максимальная высота ребер при обработке меди составляет 4 мм. Высота ребер ограничивается также исходной толщиной стенки трубы и не может быть больше ее значения. Ширина межреберного зазора легко регулируется в диапазоне 5-65% (обычно 50%) от величины шага оребрения. Внешний вид медной ТОТ с оребрением, полученным методом ДР, показан на рис. 1. Максимальное развитие (увеличение) площади наружной поверхности медной трубы после обработки составляет до 14 раз. Стружки при обработке не образуется. При обработке цветных сплавов (в т.ч. титана) и сталей максимальная высота ребер составляет 3-5 шагов оребрения.

Использование токарных станков позволяет легко перенастраиваться для получения оребрения различных типоразмеров на заготовках диаметром от 6 мм и более (рис. 2) с исходной толщиной стенки от 0,5 мм. Для длинномерных трубных заготовок их диаметр ограничен только размером отверстия шпинделя станка. Минимальная остаточная толщина стенки трубы после оребрения составляет 0,15 мм и ограничивается, в первую очередь, допуском на внутренний диаметр трубы. Внутренний диаметр трубы после получения на ней ребер не изменяется.

Труба после обработки удлиняется незначительно. Удлинение в наибольшей степени зависит от остаточной толщины стенки трубы. При остаточной толщине стенки трубы 0,5 мм наблюдается удлинение до 1 %. При значениях остаточной толщины стенки более 1 мм удлинения трубы практически не наблюдается (не более 0,1%).

Диаметр оребренной трубы по вершинам ребер больше исходного диаметра трубной заготовки на величину, примерно равную высоте полученных ребер.

Смазочно-охлаждающие жидкости при обработке методом ДР не требуются. Это является дополнительным преимуществом по сравнению с накаткой роликами, поскольку не требуется экологически вредная очистка труб в химических растворах.

Производительность при обработке на токарных станках зависит от шага оребрения и составляет 0,3-1,0 погонных метров оребренной трубы в минуту.

Для реализации процесса ДР могут быть использованы токарные станки как с ручным, так и с программным управлением. При наличии автоматического патрона, станки с ЧПУ обеспечивают возможность перестановки длинной трубы в автоматическом цикле.

При использовании токарных станков возможно получение ребер с разрывами по их вершинам или шипов.

Стоимость инструмента для ДР невысока, поскольку он изготавливается из стандартных твердосплавных пластин путем их несложной заточки.

Существенно повысить производительность оребрения позволяет многоинструментальная схема реализации метода ДР при вращательном движении инструментов вокруг трубной заготовки, которая была нами реализована в установке оребрения труб, выполненной на базе станины и шпиндельного узла токарного станка. Установка содержит инструментальный блок, устройство подачи трубной заготовки и компенсации крутящего момента, устройство перемещения инструментов на заданную глубину резания и устройств поддержки трубной заготовки и оребренной трубы.

По сравнению с однорезцовой обработкой, инструментальный блок с тремя резцами позволяет в несколько раз повысить производительность процесса оребрения. Оребрение получается трехзаходным.

Наиболее удачная конструкция инструментального блока была выполнена на базе стандартного клинового автоматического патрона, на кулачках которого закреплены твердосплавные инструменты для ДР. Производительность установки при шаге оребрения 0,7 мм составляет 4 погонных метра оребренной трубы в минуту.

Наиболее эффективно использование оребрения, полученного методом ДР, для интенсификации конденсационно-испарительного теплообмена, т.е. в тех случаях, когда наиболее целесообразно использование мелкошагового оребрения. Производственные испытания труб с наружным оребрением доказали возможность сокращения материалоемкости по меди и габаритов теплообменных аппаратов на 30-50% при сохранении их характеристик по сравнению с аналогичными на основе труб, оребренных методом накатки роликами.

На основе труб, оребренных методом ДР, разработана технология изготовления змееви-ковых радиаторов. После оребрения труб их навивка в змеевик производится на том же токарном станке. Это становится возможным, поскольку высокие ребра выполняют функцию бандажей и препятствуют сплющиванию трубы при ее навивке. Суммарная длина труб двуслойного радиатора 7 м (рис. 3). Площадь поверхности теплообмена по оребрению -1,2 м².

Метод ДР позволил реализовать конструкцию микрощелевого теплообменника (ТО) (рис. 4). Оба контура ТО содержат по 400 щелевых микроканалов сечением 0,5x4 мм и длиной 70 мм. Разбиение теплоносителей на множество параллельных микропотоков обеспечивает высокую тепловую эффективность ТО при его низком гидравлическом сопротивлении. Цилиндрический корпус дает возможность работы с большими давлениями теплоносителей. По коэффициенту компактности (отношение площади тепло-обменной поверхности к габаритам) данный тип ТО превосходит известные. ТО предназначен для чистых сред и может быть использован также в качестве конденсатора или испарителя. По результатам испытаний, проведенных в МЭИ, тепловая мощность микрощелевого ТО (вода-вода) составляет:

где G_Х (кг/с) - расход охлаждающей воды; At (K) - средний температурный напор между теплоносителями.

Производственные испытания ТО при охлаждении масла гидросистемы выдувного автомата ВЭВП-40 водопроводной водой при среднем температурном напоре между теплоносителями 25 K показали снимаемую ТО тепловую мощность 3 кВт.

Общая эффективность ТОТ зависит не только от коэффициента теплоотдачи снаружи, но и внутри трубы. Даже если интенсифицировать теплоотдачу снаружи трубы в 10 раз, то общее повышение ее эффективности будет меньше, чем у трубы с одновременным повышением коэффициента теплоотдачи всего в 2 раза, но, как снаружи, так и внутри трубы. Отсюда следует вывод, что необходимо интенсифицировать также теплообменные процессы внутри трубы, в первую очередь за счет развития ее внутренней поверхности. К сожалению, технологий внутреннего оребрения в России не существует (исключение - алюминиевые экструдированные трубы).

Метод ДР может быть также использован для развития внутренней поверхности ТОТ. На фотографии (рис. 5) показаны первые образцы таких труб с макрорельефом в виде шипов, высотой до 1 мм. В перспективе планируется создание установки, позволяющей одновременно многократно развивать как наружную, так и внутреннюю поверхность ТОТ.

Размещено на Allbest.ru