автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Интенсификация теплообмена в криволинейных каналах теплоэнергетических установок

На правах рукописи

МАХДИ Яхья Юсиф

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В КРИВОЛИНЕЙНЫХ КАНАЛАХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005536357

з 1 окт г013

Воронеж-2013

005536357

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет"

Научный руководитель Бараков Александр Валентинович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Мозговой Николай Васильевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический

университет" / кафедра промышленной экологии и безопасности

жизнедеятельности, заведующий;

Чаплин Денис Вячеславович кандидат технических наук ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный университет

инженерных технологий" / кафедра промышленной энергетики, доцент

Ведущая организация ФГБОУ ВПО "Воронежский

государственный архитектурно-

строительный университет"

Защита диссертации состоится «28» ноября 2013 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической1 библиотеке ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет". Автореферат диссертации размещен на официальном сайте министерства образования и науки РФ и официальном сайте ВГТУ.

Автореферат разослан <¿2 Ж» октября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета " .—— Дахин C.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Теплообменные аппараты и устройства широко применяются в энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, холодильной и других отраслях промышленности.

Во многих теплообменниках интенсивность конвективного теплообмена со стороны теплоносителей существенно различна, например, в газожидкостных аппаратах со стороны газа она составляет десятки, а со стороны жидкости - сотни и даже тысячи Вт/м2 К. Поэтому возникает задача интенсификации теплообмена со стороны газообразного теплоносителя.

Одним из известних способов интенсификации конвективного теплообмена является использование криволинейных (спиральных) поверхностей теплообмена. Воздействие центробежных сил приводит к более ранней потери устойчивости потока и переходу к турбулентному течению в пограничном слое. Интенсивность теплообмена в таком канале рассчитывается по формулам для прямого канала с учетом поправочного коэффициента. Одним из первых формулу для поправочного коэффициента получил'экспериментально Еш-ке и опубликовал ее еще в 1925 году.

Другим способом интенсификации конвективного теплообмена является использование кольцевых турбулизаторов. Исследованию конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления в прямолинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ Калинина Э.К., Дрейцера Г.А, Ярхо С.А., Исаева С.А., Леонтьева А.И., Олимпиева В.В., Кикнадзе Г.И. и др. Произведено обобщение большого количества данных и получены эмпирические соотношения, которые приведены в монографии Калинина Э.К., Дрейцера Г. А. и др. "Эффективные поверхности теплообмена".

Вместе с тем существует ограниченное количество работ, в которых два эти способа интенсификации используются одновременно, а известные эмпирические соотношения для кольцевого канала с кольцевыми турбулизаторами носят частный характер. Поэтому продолжение теоретических и экспериментальных исследований теплообмена и гидравлического сопротивления таких каналов и разработка методики их расчета являются актуальными.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический универ-

ситет» "Физико-технические проблемы энергетики" по теме ГБ 2007.12 (№ Гос. регистрации 01.2.00409970) и при поддержке ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, ГК № 14.740.11.0152 от 13 сентября 2010 г.

Цель работы - интенсификация конвективного теплообмена за счет использования криволинейных каналов с кольцевыми турбули-заторами и разработка методики расчета таких каналов.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1) разработка математической модели, позволяющей рассчитывать поля температур, давлений и скоростей в исследуемых каналах для определения интенсивности теплообмена и гидравлического сопротивления;

2) численная реализация математической модели с использованием програмного комплекса АКБУБ-СРХ и получение эмпирических зависимостей для определения безразмерного коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления;

" 3) экспериментальные исследования гидродинамики и теплоотдачи в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами, определение влияния режимных параметров на гидравлическое сопротивление и теплоотдачу;

4) оптимизация геометрических и режимных параметров криволинейных каналов с кольцевыми турбулизаторами;

5) разработка методики инженерного расчета теплообменников с поверхностью теплообмена в виде криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать поля температур, давлении и скорости в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами, отличающаяся учётом их геометрических размеров.

2. Получены новые эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления и коэффициентов теплоотдачи в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами.

3. Проведены экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в криволинейном канале с кольцевыми турбулизаторами, подтверждающие адекватность разработанной математической модели.

4. Даны рекомендации по определению оптимальных геометрических размеров криволинейного канала с кольцевыми турбулизато-рами.

5. Разработана методика расчета теплообменников с поверхностью теплообмена в виде криволинейного канала с кольцевыми тур-булизаторами.

Практическая значимость работы. Полученные в работе эмпирические соотношения для расчета коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления, а также рекомендации по определению оптимальных геометрических размеров криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами явились научной базой для разработки методики инженерного расчета теплообменного аппарата с поверхностью теплообмена в виде криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами. Полученные результаты могут использоваться на предприятиях при проектировании, модернизации и исследовании теплообменной аппаратуры, а также в учебном процессе.

Достоверность результатов. Потверждается использованием фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена при разработке математической модели, современными надежными и эффективными методиками теоретических и экспериментальных исследований, а также качественным и количественным согласованием результатов моделирования с экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 13-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов "Энергетики и металлурги настоящему и будущему России" (Магнитогорск, 2012); XIII и XIV Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов "Авиакосмические технологии" (Воронеж, 2012, 2013); научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергосбережения" (Воронеж, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце авторе-

3

ферата, лично соискателю принадлежат: [1,2,6,7,8] - разработка и реализация математических моделей, получение эмпирических критериальных зависимостей; [3,9] - разработка экспериментальной установки, проведение экспериментов, обработка полученных данных; [4] - выбор и обоснование целевой функции, выполнение вариативных расчетов, анализ полученных результатов.

Подано две заявки на изобретение № 2012139996 "Теплообмен-ный элемент" и № 2012139997 "Способ повышения эффективности теплообменного элемента". Зарегистрировано в ФИПС.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложение, списка литературы из 101 наименования. Основная часть работы изложена на 133 страницах, содержит 67 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, с формулированы цель и задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится аналитический обзор литературы по теме диссертации. Рассмотрены конструкции теплообменных аппаратов с криволинейными каналами для течения теплоносителей, дана критическая оценка различных методов интенсификации кон-вкентивного теплообмена. Выполнен анализ теоретических и экспериментальных работ по исследованию гидравлического сопротивления и теплообмена. Проведенный обзор научно-технической литературы позволил сформулировать цель и задачи настоящего исследования.

Вторая глава посвящена математическому моделированию гидродинамики и теплообмена в криволинейном канале с кольцевыми турбулизаторами. При разработке математической модели приняты следующие допущения:

- рабочий агент считается вязкой несжимаемой средой;

- теплофизические свойства потока и твердого тела принимаются постоянными и равными средним значениям в исследуемом интервале температур;

- на входе в расчетную область имеется полностью развитое течение с изотропной турбулентностью;

- течение газа в трубе трехмерное стационарное;

- принимаем, что температура стенки по толщине не меняется, так как ее толщина мала.

Исходными уравнениями для описания движения вязкой несжимаемой жидкости являются:

- уравнение Рейнольдса:

рс!и/Ж=&ххЦр) + [р + р1]-У2и, (1)

- уравнение турбулентной кинетической энергии:

дк

дх,

(2)

• уравнение диссипации турбулентной кинетической энергии:

д ( \ д / \ д ( р.

-уравнение энергии:

, /

И(рЕ) + —и (рЕ+р) 1 = — ЭЛ ' дх,1>КИ дх,

де

ах,

+С1РБС-С2Р-

Nа

дТ дх.

<я

к +

-/=+5«>

(3)

(4)

Записанные уравнения образуют систему, замыкание которой происходит уравнением связи турбулентной вязкости с диссипацией энергии и турбулентной кинетической энергией:

И, -р С -к Iе.

(5)

Для решения данной системы уравнений приняты следующие граничные условия:

- на входе в расчетную область задается постоянный расход и температура: V (г)=Г0, Т (г) = Г0, степень начальной турбулентности 5 %; - на всех боковых поверхностях задаются условия прилипания: м( (Р) = дТ (г)/дп = 0; - предполагаем равенство нулю турбулентной энергии и нормальной производной скорости диссипации на стенках канала: к = де/дп = 0.

Применение численных методов для решения различных проблем значительно облегчается благодаря созданию специализированных расчетных комплексов, предназначенных для численного интегрирования уравнений движения жидкости в заданной пользователем расчетной области. Модели были построены с использова-

нием программ SolidWorks. Среди подобных расчетных комплексов (CFD-пакетов) ANSYS наибольшую популярность имеют Fluent. Star-CD, CFX. Flow3D и некоторые другие. Модельные константы по данным известных полуэмпирических и экспериментальных результатов Л. Прандтля, А.Н. Колмогорова, Ф. Клаузера, Т. Кармана, Т. Ши имеют следующие характерные значения Си «1,44, С, =1,9, = 1,0, 1,2, которые применимы для исследуемых режимов течения. Для построения регулярной сетки для данной задачи был использован автоматический генератор сеток программы MESH-ANSYS.

Рассматривалась трехмерная постановка задачи, т.е. считалось, что физические параметры, такие как скорость, давление и температура, изменяются по длине, ширине и высоте канала.

В качестве тестовой задачи исследовалась интенсивность конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления в гладком кольцевом и прямолинейных каналах с кольцевыми турбулиза-торами.

Дальнейшие исследования проводились в канале, общий вид . которого показан на рис. 1, геометрические размеры - в таблице.

Геометрические параметры змеевика с кольцевыми турбулиза-

торами

DH. ми D, мм dH. мм d. ми 1, ми R. мч И, ми

16 14 15,5 13 7 170 1

Рис. 1. Расчетная область змеевика с кольцевыми турбулизаторами

На рис. 2, 3 показано поле распределения температуры воздуха на входе и выходе из расчетной области. Распределение давления, температуры, скорости при течении воздуха и воды в криволинейном канале с турбулизаторами было получено для различных скоростей (и« 7...27 м/с).

Рис. 2. Поле распределения температуры на входе в расчетную область

Рис. 3. Поле распределения температуры на выходе из расчетной области

В результате аппроксимации данных численного эксперимента получено следующее эмпирическое соотношение для безразмерных коэффициентов теплоотдачи в криволинейном канале с кольцевыми турбулизаторами:

ЛЬ

Ш7.

- I +

2

Яе0^"

Г

\ 0,13

V* ■ *>/

Л'и

Ли.

Кс

0,37

I +

18

I Ы

Л о у

0.13

(6)

и коэффициента гидравлического сопротивления

! а

.0.13

Л

- I +

1.575

Ис- 3,6

Я DJ

(7)

где

О 4 6

0,05 4 — £ 0,25 ; 10 £ Ке й 10 .

«

Л

I а

0, 4 2 — 5 0, б . 0,85 5 — 5 0,98

/> ' О

На рис. 4, 5 приведены отдельные результаты моделирования и расчета интенсивности конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления, которые отличаются не более чем на 5 %.

Рис. 4. Интенсивность конвективного теплообмена в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами • - расчет по (6), - результаты моделирования

м

1.9 17

;15 и

«I 04

Рис. 5. Гидравлического сопротивления в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами • - расчёт по (7); - результаты моделирования

» 10 1$ >0 »

Расчет гидравлического сопротивления и интенсивности теплообмена в гладком канале производился по известным соотношениям А.Д. Альтшуля и М. А. Михеева.

Третья глава диссертации посвещена экспериментальному исследованию гидродинамики и теплообмена в криволинейном канале с кольцевыми турбулизаторами. Эти исследования проводились с целью проверки адекватности разработанной математической модели и эмпирических соотношений, полученных на ей основе.

Эксперименты проводились на установке, общий вид которой показан на рис. 6, а принципиальная схема - на рис. 7.

Рис. 6. Общий вид экспериментальной установки

Рис. 7. Принципиальная схема экспериментальной установки: I- компрессор; 2-термостат; 3-устройство измерения давления ЦТЦ240/М4-I; 4 - термоэлектрический преобразователь ОВЕН-ТРМ148; 5- тер-моанемомегр ТТМ-2/4 -06; 6-ноутбук; 7- емкость; 8-змеевик с кольцевым я турбулнха-торами;9-клапан

Перед началом экспериментов был произведен расчет максимальных систематических ошибок измерений параметров исследуемых процессов, а для снижения влияния случайных ошибок было определено необходимое число измерений каждого параметра.

Исследование проводилось в следующей последовательности. Включался термостат 2 и задавалась определенная температура воды в емкости 7. Затем включался компрессор 1 и задавалась скорость воздуха внутри змеевика. Отдельная серия экспериментов была посвящена исследованию процесса выхода устаноЕКИ на стационарный режим. Характерная зависимость температурь воды в емкости, а также температуры воздуха на входе и выходе из змеевика от времени показана на рис. 9. После установления стационарного режима измеряли температуру воздуха на входе и выходе из змеевика, температуру воды в емкости и перепад давления воздуха между его входом и выходом из змеевика. В общей сложности было измерено

Отдельные результаты опытных данных, рассчитанных по формулам 6 и 7, приведены на рис. 10,11.

• » м я я в «••«»>

Рис. 10. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами -

по формуле (7),---экспериментальные данные

/

I

и--- — | — —

» » 1» в » «

Рис. 11. Зависимость числа Нус-

сельта в криволинейных каналах с

кольцевыми турбулизаторами

- по формуле (6),

----экспериментальные данные

Среднеквадратичное отклонение опытных и расчетных данных составляет 7 %. Хорошее совпадение опытных и расчетных данных подтверждает адекватность разработанной математической модели и позволяет рекомендовать соотношения (б), (7) для практического использования.

Анализ полученных теоретических и экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что исследуемый способ интенсификации конвективного теплообмена позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи Ыи/Ыи,, = 1,45...2,50, при этом гидравлическое сопротивление канала возрастет 1...1.80.

Соотношения этих параметров в зависимости от режима течения теплоносителя приведены на рис.12.

Ыи/Ыимт

о

о

10

«•чом

Рис. 12.-------Зависимость числа Нуссельта и

коэффици

ента гидравлического сопротивления в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами от режима течение теплоносителя

В четвертой главе диссертации разработана методика инженерного расчета рекуперативного теплообменного аппарата с поверхностью теплообмена в виде криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами. Теплогидродинамические показатели такого теплообменника могут быть существенно улучшены за счёт оптимизации геометрических параметров канала.

В качестве целевой функции для такой задачи широкое распространение получил теплогидродинамический показатель, а в качестве параметров оптимизации являются относительная высота и шаг расположения турбулизаторов, и относительный диаметр змеевика. Величина теплогидрадинамического показателя может быть определена из соотношения

Количество теплоты, переданного в теплообменнике, определялось по уравнению Ньютона-Рихмана с использованием (6), а мощность, затраченная на прокачку теплоносителя, по формуле

с использованием (7).

Оптимальное значение параметра оптимизации, соответствующее максимальному значению целевой функции, определялось методом вариативных расчетов. Отдельные результаты расчетов приведены на рис. 13-15.

(8)

N = V ар

(9)

Рис. 13. Зависимость теплогид-родинамического показателя от относительно высоты диаметров; Яс=15700,1=7 мм. 170мм. /=2700мм

Рис. 14. Зависимость теплогидро-динамического показателя от относительного шага и диаметра; 1*е= 15700. Я = 170мм, /=2700мм

Рис. 15. Зависимость теп логид род и нам и че-ского показателя от относительно диаметра;

Яе=15700,1=7 мм, /=2700мм

Анализ полученных графиков показал, что относительная высота турбулизатора практически не влияет на величину теплогидроди-намического показателя, относительный шаг должен находиться в пределах от 0,25 до 1,00, а относительный радиус змеевика должен быть меньше 0,1.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований явились научной базой для разработки инженерной методики теплового и гидравлического конструктивного расчета рекуперативного теплообменного аппарата с поверхностью теплообмена в виде криволинейного (змсевнкового) канала с кольцевыми ту рбулизаторами.

Основные условные обозначения

С/, С2 - константы; Ср— теплоемкость, Дж/(кг К); Сп - характер деформации осредненного потока и турбулентности; О — внутренний диаметр трубы, м; Ои - наружный диаметр трубы, м; £>0 -наружный диаметр кольцевого канала, м; й - диаметр диафрагм, м; <1и — диаметр кольцевых канавок, м; с1з — эквивалентный диаметр кольцевого канала, м; V - объемный расход, м3/с; ы, - компонента скорости, Ск - турбулентная кинетическая энергия; 1 = 1, 2, 3, м/с; А - глубина канавки, высота кольцевого выступа, м; к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К); к- эффективный коэффициент теплопроводности; / - длина участка теплообмена, м; Ш - число Нус-сельта; Р - давление, Па; АР - перепад давления, Па; Q -тепловой поток, Вт; Я - радиус кривизны поверхности, м; И.е -число Рейнольдса; Бь 8е - источники определяемые пользователем; Т - температура, К; / - шаг размещения турбулизаторов, м; / -время, с; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); Л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); £ - коэффициент гидравлического сопротивления; ц - динамическая вязкость, Па. с; V - кинематическая вязкость, м2/с; р - плотность, кг/м3; к — кинетическая энергия турбулентных пульсаций, м2/с2; е - диссипация энергии турбулентности, м2/с3; Е - полная энергия, Дж.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана, верифицирована и реализована математическая модель, позволяющая получить распределение температуры, давления и скорости теплоносителя в криволинейном канале с кольцевыми турбулизаторами.

2. Произведен вычислительный эксперимент с использованием програмного комплекса АЫБУБ - СРХ. Результаты исследования аппроксимированны с помощью безразмерных эмпирических соотношений для коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления.

3. Выполнено экспериментальное исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в криволинейном канале с кольцевыми турбулизаторами. Подтверждена адекватность математической модели. Расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 7 %.

4. Для криволинейных каналов с кольцевыми турбулизаторами соотношения теплоотдачи и гидравлического сопротивления лежат в следующих диапазонах: Nu/Nuin = 1,45...2,50; =1,11.» 1-80.

5. Проведена оптимизация геометрических параметров криволинейного (змеевикового) канала с кольцевыми турбулизаторами. Показано, что относительная высота турбулизатора практически не влияет на величину теплогидродинамического показателя, а относительный шаг лежит в пределах от 0,25 до 0,50. Относительный диаметр змеевика выбирается из конструктивных особенностей тепло-обменного аппарата, но наибольший эффект будет достигнут, если относительный радиус змеевика меньше 0,1.

6. Разработана методика конструктивного расчёта реку-перавтивного теплообменника с поверхностью теплообмена в виде змеевика с кольцевыми турбулизаторами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Моделирование конвективного теплообмена в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами /Я.Ю. Махди, Д.П. Шматов, И.Г. Дроздов, A.B. Бараков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 5. - С. 88-91.

2. Махди, Я.Ю. Моделирование гидравлического сопротивления в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами / Я.Ю. Махди, A.B. Бараков, И.Г. Дроздов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 7.1. -С. 106-110.

3. Махди, Я.Ю. Экспериментальное исследование конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления в криволинейном канале с кольцевыми турбулизаторами / Я.Ю. Махди, A.B. Бараков, Е.И. Бокарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 1. -С. 85-87.

4. Махди, Я.Ю. Оптимизация теплообменных аппаратов с кольцевыми турбулизаторами в криволинейных каналах / Я.Ю. Махди, A.B. Бараков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 3.1. - С. 53-55.

Статьи и материалы конференций

5. Махди, Я.Ю. К определению оптимальной геометрии турбу-лизаторов кольцевого типа / Я.Ю. Махди, Ю.А. Козлова // Физико-технические проблемы энергетики: труды науч. - техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2011. - Вып. 13. - С.48-50.

6. К расчету конвективного теплообмена в криволинейных каналах энергетических установок / Я.Ю. Махди, Ю.С. Гречко, A.B. Бараков, И.Г. Дроздов // Физико-технические проблемы энергетики: труды науч. - техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2011. - Вып. 13. - С.87-93.

7. Махди, Я.Ю. Моделирование теплообмена в криволинейных каналах энергетических установок /Я.Ю. Махди, A.B. Бараков // Авиакосмические технологии: Всерос. науч. - техн. конф. и школа молодых ученых, аспирантов и студентов, XIII - Воронеж: ВГТУ, 2012. - С.92-94.

8. Махди, Я.Ю. интенсификация конвективного теплообмена в криволинейных каналах энергетических установок / Я.Ю. Махди, Ю.С. Гречко, Д.П. Шматов //Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы): тринадцатая Всерос. науч. - практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов. - Магнитогорск: 2012. - С. 117-120.

9. Махди, Я.Ю. К расчету теплообменных аппаратов с кольцевыми турбулизаторами в криволинейных каналах /Я.Ю. Махди, A.B. Бараков // Авиакосмические технологии: Всерос. науч. - техн. конф. и школа молодых ученых, аспирантов и студентов., XIV - Воронеж: ВГТУ, 2013.-С.106-107.

Подписано в печать 18.10.2013 Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Зак. №20/ ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

/

ФГБОУ ВПО

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201365039

МАХДИ ЯХЬЯ ЮСИФ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В КРИВОЛИНЕЙНЫХ КАНАЛАХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель д.т.н., профессор, А.В. Бараков

Воронеж 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ_4

ВВЕДЕНИЕ _6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ_10

1.1 .Конструкции теплообменных ппаратов_10

1.2. Пути интенсификации теплообмена_20

1.3. Способы интенсификации теплообмена в трубах,

их эффективность_39

1.4. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в криволинейных каналах _41

1.5. Выводы и задачи исследования_61

2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В КРИВОЛИНЕЙНЫХ КАНАЛАХ С КОЛЬЦЕВЫМИ ТУРБУЛИЗАТОРАМИ_63

2.1. Теоретические основания_63

2.2. Формулировка задачи_76

2.3. Численные методы к решению задачи_77

2.4 Численный расчет теплообмена и гидравлического сопротивления в

криволинейных каналах теплоэнергетических установок_80

2.5. Анализирование результатов численного моделирования _85

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В КРИВОЛИНЕЙНЫХ КАНАЛАХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК _93

3.1. Экспериментальная установка_93

3.2. Модели, задействованные в ходе эксперимента_96

3.3. Этапы проведения эксперимента, метод обработки данных, полученных опытным путем_97

3.4. Основные результаты экспериментальных исследований._102

3.5. Оценка ошибок измерений_107

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА, ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА_109

4.1. Условия для применения оптимизационных методов_109

4.2. Методика оптимизация теплообмена и гидравлического сопротивления в криволинейных каналах теплоэнергетических установок_

4.3. Результаты оптимизации

4.4. Методика расчета теплообменного аппарата ВЫВОДЫ_

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК ПРИЛОЖЕНИЕ

110 112 114

119

120 131

Основные обозначения и сокращения

ср - теплоемкость, Дж/кг К;

£> - Внутренний диаметр трубы, м;

Вн - наружный диаметр трубы, м;

Д ) - наружный диаметр кольцевого канала, м;

с1 - Диаметр диафрагм, м;

с1н - диаметр кольцевых канавок, м;

¿4 - эквивалентный диаметр кольцевого канала, м;

Л

V - объемный расход, м /с; С - массовый расход, кг/с;

и - вектор скорости движения, м/с; щ - компонента скорости / = 1, 2, 3, м/с; к - глубина канавки, высота кольцевого выступа, м; к - коэффициент теплопередачи,

Вт/м К;

/ - длина участка теплообмена, м;

Ми - число Нуссельта;

Р - давление, Па;

АР - потеря давления, Па;

Рг - число Прандпя;

^-тепловой поток, Вт;

q - удельный тепловой поток, Вт/м ;

Я - радиус кривизны поверхности, м;

□

Л - газовая постоянная, Дж/кг К;. Яе - число Рейнольдса; Т— температура, К;

? - шаг размещения турбулизаторов, м;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м К;

X - коэффициент теплопроводности, Вт/м К;

С- коэффициент гидравлического сопротивления; /и- динамический коэффициент вязкости, Н-с/м ;

V- кинематический коэффициент вязкости, м /с; р - плотность, кг/м3

к - кинетическая энергия турбулентных пульсаций, м /с ;

2 о

£ - диссипация энергии турбулентности, м /с ; Е - полная энергия, Дж;

— отношение числа Нуссельта в трубе с турбулизаторами и в гладкой

трубе при одинаковых числах Яе;

р

— -отношение коэффициентов гидравлического сопротивления для трубы

^гл

с турбулизаторами и для гладкой трубы при одинаковых числах Яе.

Введение

Теплообменные аппараты и устройства широко применяются в энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, холодильной и других отраслях промышленности.

Во многих теплообменниках интенсивность конвективного теплообмена со стороны теплоносителей существенно различна, например, в газожидкостных аппаратах со стороны газа она составляет десятки, а со

л

стороны жидкости - сотни и даже тысячи Вт/м К. Поэтому возникает задача интенсификации теплообмена со стороны газообразного теплоносителя.

Одним из известних способов интенсификации конвективного теплообмена является использование криволинейных (спиральных) поверхностей теплообмена. Воздействие центробежных сил приводит к более ранней потери устойчивости потока и переходу к турбулентному течению в пограничном слое. Интенсивность теплообмена в таком канале рассчитывается по формулам для прямого канала с учетом поправочного коэффициента. Одним из первых формулу для поправочного коэффициента получил экспериментально Ешке и опубликовал ее еще в 1925 году.

Другим способом интенсификации конвентивного теплообмена является использование кольцевых турбулизаторов. Исследованию конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления в прямолинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами посвящено большое количество теоретических и экспериментальных работ Калинина Э.К., Дрейцера Г.А, Ярхо С.А., Исаева С.А., Леонтьева А.И., Олимпиева В.В., Кикнадзе Г.И. и др. Произведено обобщение большого количества данных и получены эмпирические соотношения, которые приведены в монографии Калинина Э.К., Дрейцера Г. А. и др. "Эффективные поверхности теплообмена".

Вместе с тем существует ограниченное количество работ, в которых два эти способа интенсификации используются одновременно, а известные эмпирические соотношения для кольцевого канала с кольцевыми

турбулизаторами носят частный характер. Поэтому продолжение теоретических и экспериментальных исследований теплообмена и гидравлического сопротивления таких каналов и разработка методики их расчета являются актуальными.

Работа выполнена в соответствии с научным направлением ФГБОУ ВПО « Воронежский государственный технический университет » "Физико-технические проблемы энергетики" по теме ГБ 2007.12 (№ Гос. регистрации 01.2.00409970) и при поддержке ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, ГК № 14.740.11.0152 от 13 сентября 2010 г.

Цель работы - интенсификация конвентивного теплообмена за счет использования криволинейных каналов с кольцевыми турбулизаторами и разработка методики расчета таких каналов.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1) разработка математической модели, позволяющей рассчитывать поля температур, давлений и скоростей в исследуемых каналах для определения интенсивности теплообмена и гидравлического сопротивления;

2) численная реализация математической модели с использованием програмного комплекса АЫ8У8-СРХ и получение эмпирических зависимостей для определения безразмерного коэффициента теплообмена и гидравлического сопротивления;

3) экспериментальные исследования гидродинамики и теплоотдачи в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами, определение влияния режимных параметров на гидравлическое сопротивление и теплоотдачу;

4)оптимизация геометрических и режимных параметров криволинейных каналов с кольцевыми турбулизаторами;

5) разработка методики инженерного расчета теплообменников с поверхностью теплообмена в виде криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать поля температур, давлении и скорости в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами, отличающаяся учётом их геометрических размеров.

2. Получены новые эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления и коэффициентов теплоотдачи в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами.

3. Проведены экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена в криволинейном канале с кольцевыми турбулизатор-ами, подтверждающие адекватность разработанной математической модели.

4. Даны рекомендации по определению оптимальных геометрических размеров криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами.

5. Разрабона методика расчета теплообменников с поверхностью теплообмена в виде криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами.

Практическая значимость работы. Полученные в работе эмпирические соотношения для расчета коэффициента теплоотдачи и гидравлического сопротивления, а также рекомендации по определению оптимальных геометрических размеров криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами явились научной базой для разработки методики инженерного расчета теплообменного аппарата с поверхностью теплообмена в виде криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами. Полученные результаты могут использоваться на предприятиях при проектировании, модернизации и исследовании теплообменной аппаратуры, а также в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на Российских и Международных конференциях:

- Труды научно-технической конференции / молодых ученых, аспирантов и студентов / ВГТУ, Воронеж, 2011 г;

XIII Международная научно-техническая конференция «Авиакосмические технологии», Воронеж, 2012 г.;

- Тринадцатая Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и специалистов, Магнитогорск 2012;

XIV Международная научно-техническая конференция « Авиакосмические технологии», Воронеж, 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Подано две заявки на изобретение № 2012139996 "Теплообменный элемент" и № 2012139997 "Способ повышения эффективности теплообменного элемента". Зарегистрировано в ФИПС.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,

четырех глав, вьюодов, приложение, списка литературы из 101 наименования. Основная часть работы изложена на 133 страницах, содержит 67 рисунков и 14 таблиц.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Конструкции теплообменных аппаратов

Рассмотрим основные конструкции рекуперативных теплообменных аппаратов со змеевиковыми поверхностями теплообмена.

Теплопередающая поверхность таких аппаратов образована изогнутыми каналами, чаще всего поперечного круглого сечения. С одной стороны, эта поверхность омывается жидким теплоносителем, скорость которого невелика, так как коэффициент теплоотдачи от поверхности к жидкости имеет большое значение. Если возникнить необходимость интенсифицировать этот теплообмен, то змеевик помещают в обегайке (на рис. 1.1 она не показана). Жидкость движется между стенками корпуса и обегайки, что увеличивает скорость движения и интенсифицирует теплообмен.

Поскольку технология изготовления змеевиков довольно сложна, то поверхность теплообмена выполняют из прямых труб, соединенных изогнутыми подтрубками рис. 1.1 в.

Рис. 1.1 Аппараты с погружными теплообменниками: а- с одним спиральным змеевиком; б- несколькими спиральными змеевиками; в- с прямыми трубами; 1- погружные трубы; 2- корпуса; I и II - теплоносители.

Помимо простоты изготавления такие поверхности теплообмена обладают низкой стоимостью и обеспечивают возможность профилактических работ, в том числе чистку внутренней поверхности. Недостатком таких аппаратов является малая удельная поверхность теплообмена [1].

Змеевики можно изготавливать из любых подходящих труб, которым можно придать необходимую форму. В последнее время в условиях, когда требуется высокая коррозионная стойкость, с успехом используется многотрубнын змеевик из тефлона [2].

В настоящее время широко используются кожухорубные теплообменных аппаратов с оребренными трубками и трубками некруглого сечения. Эти аппараты применяют в случаях значительной разницы коэффициентов теплоотдачи или при повышенных гидравлических сопротивлениях теплоносителей. На рисунке 1.2 представлен змеевиковый теплообменных аппаратов для охлаждения воздуха высокого давления [3].

Рис. 1.2. Змеевиковый воздухоохладитель

В рекуперавтивном теплообменнике, показанном на рис. 1.3 газообразный теплоноситель движется по кольцевому каналу 1, образованному из труб диаметром от 15 75 мм, а жидкий теплоноситель движется в корпусе 2 теплообменника. Поскольку скорость движения жидкости невелика, то и коэффициент теплоотдачи от змеевика к жидкости будет мал. Для интенсификации теплоотдачи в корпусе размещена цилиндрическая поверхность 3. Большой объем жидкости в корпусе аппарата обеспечивает стационарную работу при колебаниях расходе теплоносителей. Поверхность теплообмена крепится на конструкции 4.

Интенсивность теплоотдачи от наружной поверхности змеевика к жидкому теплоносителю обычно невелика, так как происходит в основном за счет естественной конвекции. Поэтому такие аппараты применяют при малых тепловых потоках. Однако они просты в изготовлении, имеют невысокую стоимость, а также могут работать при высоких давлениях теплоносителей и в агрессивных средах. Поверхность теплообмена таких аппаратов составляет от 10 до 15 м [4].

Как показывает опыт эксплуатации змеевиковых теплообменников, в случае использования в качестве греющего теплоносителя насыщенного водяного пара, то соотношения геометрических размеров змеевика должны лежать в определенных пределах. Например, при давлении греющего пара от 2.105 до 5.105 Па соотношение длины змеевика к его длине не должно превышать 200 275. При несоблюдении этого условия в нижней части корпуса будет скапливаться жидкость, что уменьшит коэффициент теплопередачи в теплообменнике и увеличит его гидравлическое сопротивление [4].

Рис. 1.3. Змеевиковый теплообменник: Спиральный змеевик; 2- корпус аппарата; 3- внутренний стакан; 4- конструкция для креления змеевика

Другим примером использования змеевиковой поверхности теплообмена являются выпарные аппараты и конвективные поверхности котлоагрегатов.

В установках первого типа в корпусе выпарной установки происходит движение раствора с небольшой скоростью. Движение обусловленно разностью плотностей более или менее нагретого раствора. Вследствии малой скорости движения раствора коэффициенты теплоотдачи невелики. Поскольку поверхность теплообмена также мала, но такие устройства применяются при небольшой производительности, когда выпариваются специфические растворы в химических и нефтехимических производствах. Возникает необходимость очистки поверхности теплообмена с применением механических устройств.

Принципиальная схема одной из конструкций выпарной установки с большой удельной поверхностью теплообмена приведена на рис. 1.4. Внутри цилиндрической обегайки расположены кольцевые каналы 2, а на выходе из корпуса установлен отделитель капель 3. При движении теплоноситель изменяет направление, что приводит к сепарации капель

Поверхность теплобмена компануется из отдельных секций, что позволяет изменять площадь поверхности теплообмена при изменении производительности аппарата.

Кроме того такая конструкция имеет меньшие габариты и более высокие значения коэффициентов теплообмена. В качестве недостатков следует отметить сложность ремонта такой поверхности.

[4].

Hext ра

[Упаренный I раствор

Рис. 1.4. Змеевиковый выпарной аппарат: Корпус; 2- паровые змеевики; 3- брызгоуловитель.

Разновидностью таких конструкций являются устройства, в которых в вертикальном корпусе распологается горизонтальный трубный пучок рис. 1.5 [4].

Горизонтальный трубный пучок 2 расположен в нижней части аппарата. В трубы подается греющейся пар и отводится конденсат. В верхней части горизонтального корпуса 1 находится отделитель капель 3.

камерой и вертикальным цилиндрическим корпусом: Корпус; 2-нагревательия камера; 3- сепартор.

Применение выпарной установки с горизонтальнорасположенным корпусом позволяет уменьшить уровень жидкости, что снижает потери теплоты в окружающую среду. Кроме того аппараты такой конструкции имеют большей объем корпуса, что позволяет выпаривать растворы, образующие пену. Однако по сравнению с горизонтальными установками эти большие габариты сложны в очистке и обеспечивают небольшую эффективность теплообмена. Перечисленные недостатки объясняют причину замены этих конструкций винтовыми подогревателями рис. 1.6

[4].

Винтовые теплообменники на тепловых электрических станция получили распространение для нагрева воды паром. Нагреваемая вода поднимается по нескольким параллельно включенным змеевикам, а пар идет противотоком по спиральному каналу, образованному винтовыми перегородками. Оба теплоносителя движутся с большой скоростью, благодаря чему достигается интенсификаация теплообмена [5].

Рис. 1.6. Винтовой подогреватель. 1-патрубок для отвода конденсата; 2- днище; 3- нижние коллекторы; ,4- ниппельные соединения; 5- фланец; 6- донышко; 7,8- концентрические

трубы; 9- корпус; 10- разборные винтовые перегородки; 11- анкерные тяги; 12- опоры; 13- крышка; 14- патрубок для вход воды; 15- патрубок для выхода воды; 16-донышко; 17- верхние коллек�