автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Экспериментальное исследование тепловых и гидродинамических характеристик спиральных трубных змеевиков

московский государственный открытый университет

На правах рукописи ЭЛЬ-САИЕД ХУССЕЙН МУХАМЕД ФАРАГ

УДК 621.18.02

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СПИРАЛЬНЫХ ТРУБНЫХ ЗМЕЕВИКОВ

05.14.04 - промышленная теплоэнергетика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена на кафедре "Теплотехника и котельныэ установки" Московского Государственного Строительного Университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Пермяков Б. А. Официальные оппоненты - д. т. н., Шварц А. Л.

к. т. н., Смородин А. И.

Ведущая организация - ТООП Энергобумпром г. Москва Защита состоится дд4 Г0Да в "45"часов в на

заседании специализированного совета К053. 20. 01. Московского государственного открытого университета. ^^ * 2. М

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатыэ учреждения, просим направлять по адресу: 129278, г, Москва, ул. П.Корчагина. 22, С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

1994 года. Антонов А. Я.

Автореферат разослан Ученый секретарь специализированного Совета канд. техн. наук, доцент.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в различных отраслях промышленности и .в первую очередь в энергетике, широко применяются различные теплообиенные аппараты. С ростом энергетических мощностей все более увеличивается габариты применяемых теплообменников, поэтому создание компактных теплообменник аппаратов может обеспечить значительную экономно материальных и трудовых затрат. Разработка точных методов теплового и гидравлического расчетов позволит более рационально выбирать марки применяемых металлов и иметь меньший запас по поверхности нагрева.

Все это требует не только совершенствования существующих, но разработки новых элементов оборудования на всех стадиях не только использования органического топлива; но и при производстве, передаче и рациональном использовании тепловой энергии.

Как известно, энергетическая эффективность теплообмениой поверхности определяется тепловыми и гидравлическими характеристиками ее элементов, а также организацией течения рабочей среды.

Среди различных конструкций, значительное место занимают теплообменники рекуперативного типа с теплообмениой поверхностью из спирально изогнутых труб. Это связано прежде всего с их компактностью и высокой устойчивостью к термомеханическим напряжениям. Наряду с этим винтовое движение теплоносителя в спиральном змеевиковом канале оказывает существенное влияние на характер внутренней теплоотдачи.

Имеющиеся в литературе зависимости для расчета теплоотдачи носят противоречивый характер и дают в отдельных случаях результаты при расчетах, отличающиеся друг от друга в несколько раз. Это объясняется тем, что все формулы получены исключительно экспериментальным путем, без серьезного анализа происходящих процессов, на уэкоспецифических установках, в небольшом диапазоне изменения конструктивных параметров

змеевиков. Все это в комплексе с особенностями методики проведения опытов и объясняет значительный разброс в результатах расчетов по различным рекомендуемым в литературе формулам.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научной и практической задачи разработки надежной методики инженерного расчета теплообмена и гидравлических сопротивлений в спиральной трубном змеевике.

В данной работе проведен комплекс исследований теплообмена и гидравлических характеристик в спиральных трубных змеевиках при протекании внутри труб нагреваемой воды в качестве рабочей среды, при различных конструктивных параметрах змеевиков.

Целью работы было экспериментальное исследование теплообмена в спиральных трубных змеевиках в достаточно широком диапазоне конструктивных и наиболее используемой в эксплуатации области режимных парметров и получение аналитических зависимостей для расчета теплоотдачи и гидравлических сопротивлений. Разработка на основании анализа и математической обработки опытных данных и сопоставление с опубликованными литературными данными инженерного метода теплового и гидравлического расчетов теплообменников такой конструкции.

Научная новизна работы. На основании анализа результатов опубликованных ранее работ по исследованиям теплообмена и гидравлики в спиральных змеевиках определены недостатки в методике проведения исследований. С учетом этого разработана и изготовлена экспериментальная установка', оригинальная схема и методика исследования средних и локальных значений теплообмена по длине и периметру трубы змеевика. Впервые получепы экспериментальные данные по величине теплообмена на наружной, средней и внутренней образующих трубы змеевика.

Предложены зависимости для расчета тепловых и гидравлических характеристик и температурного режима трубы спирального змеевика.

Практическая ценность. Представленные в диссертации результаты могут быть использованы при конструировании высокоэффективных теплообменников из спиральных труб в

теплоэнергетике и других отраслях промышленности, и в первую очередь для установок, работающих в условиях больших тепловых нагрузок (экранные и др. поверхности нагрева).

Разработана инженерная методика теплотехнических и гидравлических расчетов4 теплобменников со спиральными змеевиками, которая передана для использования в ряд проектных организаций (ГнпроНИИстройдормаш, ТООП Энергобумпром, ВТИ).

Достоверность основных научных результатов и выводов, полученных в работе, обеспечивается правильностью и корректностью постановки задачи, обоснованием выбора методов исследования и конструкцией разработанной и использованной в опытах лабораторной установки и основывается на достаточно большом объеме экспериментальных исследований. Степень достоверности основных результатов опытов и расчетных формул контролировалось путем сопоставления их с теоретическими н экспериментальными данными, известными из литературы и подтвердилась сопоставлениями с результатами промышленных испытаний.

Личный вклад автора заключается в непосредственном формировании концепции работы, разработке конструкции и изготовлении лабороторной конструкции и изготовлении лабораторной установки, выборе методики исследований и обработки опытных данных и получении расчетных зависимостей для определения коэффициентов теплообмена и гидравлического сопротивления.

На закату выносятся

- методика и результаты лабораторных и теоретических исследований тепловых характеристик спиральных трубных змеевиков:

методика и результаты исследования гидравлических характеристик спирально изогнутых труб;

расчетные формулы для определения теплоотдачи.

у

гидравлических сопротивлений и локальных значений температур металла трубы змеевика.

Апробация ра^оты^ Материалы, отдельные разделы и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на

научно-методических семинарах кафедры Теплотехники и котельных установок Московского государственного строительного Университета (1992-1994 гг), кафедры теплотехники Тверского Политехнического института (1993 г), научно-технической конференции в Университете Эль-Мануфия (Египет, 1993 г) и семинаре кафедры теплоэнергетических установок Московского государственного открытого университета (1994 г. ).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 статей, подготовлена и принята к печати статья в журнале "Водоснабжение и санитарная техника".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит страниц машинописного текста, рисунков, список использованной литературы,

включающий 89 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актальность темы, дана общая характеристика работы, обоснована необходимость комплексного исследования тепловых и гидродинамических характеристик спиральных трубных змеевиков при протекании в них нагреваемой воды.

В первой главе выполнен обхор опубликованных работ по исследованиям теплообмена и гидравлических сопротивлений в спиральных трубчатых поверхностях нагрева при протекании внутри различных рабочих сред (вода, масло, пар и т.п.). Предложена классификация существующих конструкций теплообменников. Выполнен анализ надежности результатов, получаемых при расчетах по аналитический зависимостям, предлагаемым различными авторами. Показано, что разброс получаемых величин при различных числах составляет 300-600'/.. На основании

выполненного обзора были сделаны выводы:

- одним из способов увеличения коэффициента теплоотдачи и создания компактного технологически легко изготавливаемого теплообменника является конструкция поверхностей пагрева из спирально изогнутых труб.

- расхождение в результатах по различным формулам вызывает необходимость детального изучения тепловых и гидравлических характеристик теплообменников такого типа в достаточно широком диапазоне изменения 0/(1 и областей чисел Яе наиболее употребительных в промышленных теплообменниках.

Полученные выводы позволили сформулировать цели и задачи исследования:

- провести комплекс экпериментальных исследований в широком диапазоне различных конструктивных, геометрических и режимных параметров спиральных змеевиков и получить расчетные зависимости для определения величины теплообмена и гидравлических сопротивлений в виде

N1/ = Г Рг, (1/0, 1/(1, )

Еи= Г (Яе, <1/0, Ш, 1/й, )

сравнить полученные результаты с результатами аналогичных исследований других авторов;

изучить распределение локальных коэффициентов теплоотдачи по длине и периметру спирального змеевика;

- оценить экспериментальным и расчетным путем влияние неравномерности теплоотдачи по периметру трубы на минимальнуо температуру стенки;

- предложить аналитические зависимости и разработать методику расчета тепловых и гидравлических характеристик теплообменников со спиральными трубами.

Вторая глава посвящена описаний изготовленной автором экспериментальной установки, конструктивных характеристик изучаемых трубных змеевиков, а также использованной методике проведения экспериментов и обработки результатов исследований.

Исследования теплообмена и гидродравлическнх характеристик спирального трубчатого змеевика проводились на лабораторной установке, в которой экспериментальный участок стенда представлял собой прямую трубу или спирально изогнутый змеевик, изготовленный из нержавеющей стали марки 1Х18Н10Т. Обогрев змеевика осуществлялся путем непосредственного пропускания электрического тока по стенке трубы змеевика. Расход воды через змеевик регулировался вентилем и определялся объемным методом.

Поверхностные термопары, измеряющие температуру стенки трубы, были установлены по всей длине экспериментального змеевика и периметру трубы (змеевика). Во время опытов также измерялась температура воды на входе и выходе экспериментального участка.

. Измерение температуры на наружной, внутренней и средней образующих трубы позволило оценивать влияние центробежных сил отнимающих поток жидкости в изогнутой трубе к внешней стенке и возникновение "вторичных течений" на теплообмен и гидродинамику в спирально изогнутом трубном змеевике.

Для учета возможного влияния примесей в водопроводной воде и его исключения были проведены опыты с дистиллятом. Не было выявлено никакой разницы в результатах опытов с дистиллятом и водопроводной водой. На ней и проводились в дальнейшем опыты. Выполнен анализ погрешностей определения основных опытных и расчетных данных.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований тепловых и гидравлических характеристик 10 различных спиральных трубных змеевиков и 3 прямых труб.

Геометрические характеристики исследованных спиральных змеевиков приведены в ннжеслудующей таблице.

Геометрические характеристики исследованных теплообменников

№ Диаметр Диаметр Число Расстоя- Длина Соотно - Область

трубы, спирали витков ние меж- трубы, шение изменения

<1 /й н вн 0, мм п, вгт ду витка 1, мм О/Л «е

мм ми Л, мм

1 6. 2/4. 0 прямая - - 1800 - 4240-18360

2 6. 2/4. 0 120 5.5 20 1895 30 3700-17360

3 6. 2/4.0 120 5.5 45 1895 30 3650-14900

4 6.2/4. 0 85 8.0 20 1895 21.25 3200-16450

5 6. 2/4.0 85 8.0 45 1895 ■21.25 2120-14400

6 6. 2/4. 0 60 10.0 20 1895 15.0 3005-12730

7 6. 2/4. 0 БО 10.0 45 1895 15.0 4015-13900

8 8. 0/5. 7 прямая - - 1600 - 5870-19545

9 8. 0/5. 7 175 2.9 20 1600 30.7 6105-17635

10 8.0/5.7 120 4.23 20 1600 21.05 6320-18490

11 8.0/5. 7 85.5 5.95 20 1600 15.0 6340-20400

12 12/10 прямая - - 1800 - -

13 12/10 230 2.5 20 1800 23.0 983-16340

Все спиральные змеевики исследовались в одинаковых условиях, по единой методике на одной экспериментальной установке. Это обеспечило тождественность условий и возможность сопоставления полученных опытных данных. В ходе всех опытов температура воды на входе в змеевик колебалась в пределах от 24 до 29. 95°С, на выходе (нагретая вода) от 42.8 до 51.95°С, число Рсйнольдса от 2120 до 20400, внутренний диаметр трубы от 4.0 до 10.0 мм, относительный диаметр змеевика D/d от 15 до 31.

Опыты показали значительные расхождения в интенсивности теплообмена по периметру трубы спирального змеевика независимо от вида течения яидкости в трубе (ламинарное, переходное, турбулентное). Отношение коэффициентов теплоотдачи на наружной и внутренней образующих «¡/«вн составляет при D/d = 21 для различных видов течения от 1.9 до 2.7: а при D/d = 15 - от 2.28 до 2.8. Чем больше число Рейнольдса, тем меньше соотношение «j/o^,,- С увеличением крутизны гиба (D/d -*0) соотношение aj/<*BH увеличивается за счет большего влияния центробежного эффекта. При числе /?е = 8000 - 10000 для внутренних образующих трубы спирального змеевика у всех труб наблюдался излом кривых а и tfu, характерный для областей переходного режима от ламинарного к турбулентному,

В ходе опытов исследовалось изменение амплитуды колебания температур стенки трубы по длине змеевика X = x/L в виде:

Í - £'

ñ - ст *вода

°ст--Г"-- I' —

вода вода

Как показали опыты, в прямой трубе происходит быстрая стабилизация температурного поля, при течении жидкости в змеевике амплитуда температурных колебаний возрастает и зависит от D/d (с уменьшением кривизны амплитуда температурных колебаний уменьшается) и от числа Рейнольдса (увеличением R£ расстояние от входа в змеевик до полного развития температурных полей увеличиваются). Полное развитие течения н стабилизация температурного поля происходит в диапазоне 0. 4 з X s 0. 8.

Некоторые характерные опытные зависимости, полученные в опытах, представлены на рис. 1 и рис. 2.

Во время опытов было также выявлено незначительной влияние

Рис. I Распределение локальных значений теплоотдачи по периметру (X = 100 мм) для змеевика р /d = 21,05 <п - £е ■ б320? (2) - ße. = 8770; (3) - Ht - 15040; (4) - ¿в 18490

Рис. 2 Амплитуда колебания температур

поверхности по направлению оси ° для змеевика ( Т>/с1 = 30;

шага между вятками змеевика (?) = 20 и 45 нм) при малых числах Рейнольдса (/?е< 10000) до 10-15Х. При больших числах Рейнольдса влияние величины шага на теплообмен практически отсутствует.

Для рречетна теплообмена на различных образующих по периметру трубы спирального змеевика на основании обработки опытных данных получен» следующие аналитические зависимости: для наружной образующей поверхности:

Ни = 0.84-Яе10-64(<,/0) ]Шй)1'0 [С3^г/Ргст/-25] для средней образующей поверхности:

Пи « 0.355'Ее10'63<а/1)) '(ё/О)0'* [СЭ(Р^РгсУ 2"] для внутренней образующей поверхности: -0.4Э

Ни = 119 .Це10-21<](^>^[р°г-;3(ргк/ргс/-35]

Характерные экспериментальные кривиз, построенные по опытным дайны», приведены на рис.3. Для определения расхождения в значениях, полученных а опытах и при расчетах по предложенным аналитическим зависимостям были построены графики, типа

приведенного на ряс. 3, в айда 0 = Ни/ 0'25 ^ Как

хорошо иллюстрируют данные графика расхождение не превышает ±57,. Для выполнения в дальнейшем анализа влияния парметра 0/й и числа Рейнольдса на йовышоние интенсивности а теплообменнике со спиральными трубами по сравнению с прямыми была с помощью ЭВМ проведена обработха даиния в вида /*'и„,,//>'и = 2 + 3

п п см 1Ш

где 3 * Л!^(с!/0)п

Получены следующие зависимости:

наружная образующая

-[<0.2 - 0.00'Шд/й)] 1.8

средняя образующая

5 ~ 630-Яе (В/й)

-[ 0.09 + 0.02(0/(1)] -2А 5 = 0.0185-^ (й/ё)

g Nu 22 2,0

опыт

ЩУр

асч.

4,0 4,2 eg Re

Рис. 3 Зависимость/Уц = £ ( ) для змеевика Р /с^ = 120/4 = 20 (1} наружная образующая поверхность (?) средняя образующая поверхность

Рис. 4 Сопоставление опытных и расчетных значений 0©-D/d . 120/4; • V>/j ' » 85/4; хх - Dfj = 60/4; iô - D/cf = 175/5,7 VV -D/d » 120/5*7;®-® -D /J • 85,5/5,7

для средней образующей поверхности трубы.

внутренняя образующая

{0.69 - 0.026(D/d)J -4.9 3 = -3.8-10B-Re (D/d)

Были получены также и расчетные зависимости для расчета коэффициента сопротивления о виде

Расхождение между опытными и расчетными значениями по данной формуле составляет ±3%.

В четвертой главе приведены результаты анализа получен»ых экспериментальных данных и оценки эффективности применения теплообменных поверхностей ггэ спиральных труб. Выполненные расчеты и зависимости представленные на рис.5 и рис. ß., достаточно убедительно иллюстрируют факт, что чем выше скорость потока воды в зкеавкхэ, тем меньше составляющая обратной циркуляции. Скорость ггэ наружной образующей из-за влияния числа Kg выше, чем у внутренней. С уменьшением относительного диаметра змеевика отрицательное влияниэ числа R£ выше (это хорошо характеризует угол наклона кривых на рис.6), При D/d £30 зависимость от числа Л'и_,./'/и__ от числа /L незначительна и

ЗМ II р v

составляет при изменении числа РеГшольдса от 3 до 20 тысяч Есего 14%. IIa внутренней образующем, при уменьшении D/d заметно более сильное влияниэ числа на теплообмен.

Выполненная оценка эффективности спиральных змеевиков по сравнению с прямыми трубами по методике предложенной

Дукаускасом A.A. с помощью комплексов Е = G1R^/cu,Re3. Величина

Е представляет собой отношение теплоотдачи к составляемой

мощности, расходуемой на передвигение теплоносителя. Оценивая

энергетическую эффективность, как £„,/£„_ было выявлено, что с

зм нр

ростом числа Rß и крутизны змеевика (уменьшение D/d) эффективность спиральных труб возрастает от 40 до 907,. Была выполнена расчетная оценка разности температур стенки в конкретных промышленных установках (котел П-1/9Г и пароводяной теплообменник). Разность между опытными и расчетными значениями не превышает 2-3%, а разница между температурами на наружной и внутренней образющих может составлять от 15 до 43°С.

Все вышеизложенное позволило автору разработать и предложить методику теплового н гидравлического расчетов

О)

СЙ

«

о Б

V

х

О

к ф

и о

ш я

Р5 О к о с

о,ч

-0,6

1

о- --- ------

1 .....1 ш - *

15 го 15 30 щ

Относительная диал-стр з:.-.о-2г::кл

Рис. 5 Зависимость поваэателеР степени у числа Рейдольдса в.приращении теплообмена по сравнению с прямо!» трубоя. О О - наручная образующая; XX - внутренняя образующая,- ♦ • - средняя образующая

ОМ

0,2

— '30 "ЪЦ г 15

*— А ^

~ ш - — 1 С* /1

14

и

1.1

Ч О

и,ч

Рис. 6 Зависимость прироста интенсивности теплообмена от числа Рейнольдса и конструктивных параметров зиеевика £ /с/

теплообменников со спиральными трубными поверхностями нагрева. С учетом логической схемы взаимосвязи геометрических и теплотехнических характеристик разработана программа для выполнения расчета на ПЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании изучения и анализа результатов исследований, опубликованных в литературе, была предложена классификация существующих конструкций теплообменников со спиральной трубчатой поверхностью, выявлены преимущества по сравнению с прямотрубннми и сделан вывод об отсутствии единой надежной методики теплового и аэродинамического расчетов теплообменников такого типа.

2. разработана и изготовлена экспериментальная установка, на которой проведен комплекс исследований тепловых и гидродинамических характеристик спиральных трубных змеевиков в широком диапазоне изменения конструктивных 10/(1,й) и режимных (Не> параметров.

3. Получены на основании математической обработки с применением ЭВЦ опытных данных зависимости в виде

для расчета теплообмена

Ни = Й Р* Г-Ь }РШЮк

и для расчета гидравлических сопротивлений

«з»/«пр ■ ' + Сф1/«е

4. Исследованы локальные значения теплообмена по периметру трубы » длине змеевика.

5. Проведена оценка эффективности теплообменников со спиральными трубами по сравнению с прямотрубнымн.

6. Разработана уточненная иатодыхз теплового и аэродинамического расчетов с помощьо ЭВН теплообменников теплообменной поверхностью из спирально изогнутых труб.

7. Проведено сопоставление расчетных и опытных данных и показана надежность разработанной методики расчета па примерах серийно выпускаемых промышленностью котлов П-1/93 (модель МЭК-6Ж) и П-1/9Г (модель МЭК-6Г)..

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пермяков Б. А., Фараг Эль.Х. О разработке методики расчета теплообменников со спиральными трубными змеевиками. // Вопросы теплообмена в строительстве: сб. трудов. - Ростов Н/Д, 1992.

2. Пермяков Б. А., Аксенов А. К., Фараг Эль. X. Экспериментальное исследование теплообмена в змеевиковых трубчатых элементах. // сб. трудов í "Энергосбережение и повышение экологического уровня оборудования котельных установок". ТЭНЭК. М., 1992.

3. Фараг Эль. X., Аксенов А. К. Особенности внутреннего теплообмена в спиральных трубчатых каналах. // Сб. трудов "Энергосбережение и повышение экологического уровня оборудования котельных установок", ТЭНЭК. М., 1992.

4. Фараг Эль. X. Определение локальных коэффициентов теплоотдачи в спиральных змеевиках. // Сб. трудов "Энергосбережение и повышение экологического уровня оборудования котельных установок", ТЭНЭК, М., 1992.

5. Фараг Эль.Х. Исследование гидравлических сопротивлений в спиральной теплообменной трубе при протекании воды. // Сб. трудов № 2 "Энергосбережение, экология и тепломассобенные процессы в оборудовании промпредприятий, котельных и ТЭЦ", ТЭНЭК. М.. 1993.

■ 6. , Пермяков Б. А.. Аксенов А. К., Фараг Эль. X. Экспериментальные исследования теплообмена и гидравлических сопротивлений в спиральных трубчатых змеевиках// в журнале "Водоснабжение и санитарная техника" 1994 (в печати).

Подписано в печать 28.02.94г. Формат СОх84 ^16 Печать офсетная И-35 Обьем I уч.- изд.л. Т 100 Заказ 52 Бесплатно

Московский государственный строительный университет. Типография МГСУ. 129337, Москва, Ярославское ш.., 26