автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Энерго- и ресурсосбережение путем повышения тепловой и гидродинамической эффективности пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа

На правах рукописи

Мусин Ильдар Раильевич

ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПУТЕМ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ЛЕНТОЧНО-ПОТОЧНОГО ТИПА

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003069232

Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и установок» Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель

кандидат технических наук, проф Ефимов Андрей Львович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, проф Минаев Борис Николаевич

кандидат технических наук, доц Соколов Борис Александрович

Ведущая организация ОАО "Объединение ВНИПИэнергопром"

Защита диссертации состоится " 25" мая 2007 года в 17 часов 30 минут в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212 157 10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу г Москва, ул Красноказарменная, дом 17

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью ор1анизации просим направлять по адресу 111250, г Москва, ул Красноказарменная, дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)"

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Автореферат разослан "23 " апреля 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212 157 10

К Т II , доц

Попов С К

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возросшая стоимость энергоносителей и всех видов природных ресурсов диктует создание нового высокоэффективного теплообменного оборудования Один из главных путей повышения экономичности теплообменников - внедрение эффективных способов интенсификации теплообмена

Интенсификация теплообмена в настоящее время является важной специальной областью исследований и разработок оборудования для организации процессов теплообмена На сегодняшний день имеется достаточно обширный материал по экспериментальному и теоретическому исследованию теплообмена и гидродинамики в теплообменниках кожухо-трубчатого типа Вместе с тем, все большее распространение во многих отраслях промышленности, и, в первую очередь в нефтехимической, пищевой, целлюлозно-бумажной, получают пластинчатые теплообменники ленточно-поточного типа Процесс передачи тепла в таких аппаратах происходит в межпластинных каналах сложной геометрии без соприкосновения проточных частей смежных пластин Для повышения их экономичности необходимы данные по влиянию геометрии межпластинных каналов на теплогидравлическую эффективность Имеющиеся сведения по этому вопросу недостаточны для его решения Следует также отметить, что проведение теплогидравлических расчетов пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа аналитическим способом затруднительно и предпочтение отдается более надежным, но дорогостоящим экспериментальным методам исследования Поэтому на данный момент имеются в основном частные эмпирические выражения для определения теплопереноса и гидравлических потерь в таких аппаратах Они справедливы для межпластинных каналов определенной геометрии и не позволяют оптимизировать оборудование по тепловой и гидродинамической эффективности

Учитывая практическую значимость и сложность проблемы, следует признать исследование теплообмена и гидродинамики в пластинчатых теплообменниках данного типа актуальной задачей

Целью работы является повышение эффективности и получение обобщенных зависимостей для расчета теплопереноса и гидравлических потерь пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа с теплообменными пластинами волнообразной (синусоидальной) формы

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие научно-технические задачи

» экспериментальное исследование теплоотдачи, гидродинамики и

структуры потока в синусоидальных каналах, * численное моделирование турбулентного течения в канатах пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа,

■ развитие представлений о структуре потока в пристенной области,

■ определение критериев рациональной интенсификации теплообмена, оценка влияния геометрии межпластинного канала на его теплогидравлическую эффективность,

■ получение обобщенных зависимостей для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления в исследуемых теплообменниках

Научная новизна:

■ Экспериментально подтверждена нестационарная природа вихрей, генерируемых во впадинах несимметричного синусоидального канала Количественно оценены продолжительности фаз зарождения, развития и выброса среднестатистического вихря в основной поток при Яе=3000

■ Определена наиболее подходящая, адекватно описывающая процессы переноса тепла и массы в синусоидальных каналах пластинчатых теплообменников модель турбулентности Выработаны критерии правильности построения расчетной сетки

■ Численньм методом исследования установлено влияние геометрических и режимных факторов на теплогидравлическую эффективность исследуемых каналов Установлены геометрические параметры и числа Не, при которых возможно нарушение аналогии Рейнольдса в пользу переноса теплоты в диффузор-конфузорных каналах На основе анализа локальных коэффициентов переноса дано объяснение этому явлению

■ Получены универсальные зависимости в критериальной форме для расчета теплообмена и сопротивления теплообменников ленточно-поточного типа с синусоидальными гофрами в диапазоне чисел Рейнольдса Де= 103—3 104

Достоверность. Приведенные в диссертационной работе научные данные и выводы базируются на проведенных численных и экспериментальных исследованиях, а также на сопоставлении результатов исследования с результатами других авторов

Практическая ценность. Полученные в работе универсальные критериальные выражения удовлетворяют по точности инженерным требованиям, позволяют производить расчеты теплогидравлических параметров, не прибегая к затратным эмпирическим методам Результаты могут быть использованы на стадии конструирования лент очно-поточных пластинчатых теплообменников Предложенные мероприятия по повышению эффективности, е частности, пастеризационно-охладительных установок молока с потенциачом энергосбережения в отрасли ~6,6 тыс т у т в год, могут быть частично или полностью реализованы в других отраслях промышленности Результаты работы испотьз\югся при чтении курсов «Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий»,

«Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях» по направлению «Теплоэнергетика» в МЭИ (ТУ)

Основные положения, выносимые на защиту:

■ результаты экспериментального исследования теплоотдачи, гидравлического сопротивления и структуры потока в несимметричном синусоидальном канале,

■ численное моделирование турбулентного течения и теплопереноса в волнообразных каналах пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа,

* зависимости для расчета теплопереноса и гидравлических потерь в исследуемых теплообменниках,

■ результаты оценки влияния геометрических и режимных факторов на эффективность интенсификации теплообмена в синусоидальных каналах,

" мероприятия по повышению эффективности теплообменного оборудования на базе проведенного исследования Оценка энерго- и ресурсосберегающего эффекта

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на конференциях

" 11, 12-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва 2005, 2006 г

■ 6-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов Энергетики и металлурги настоящему и будущему России, Магнитогорск 2005 г

■ Второй Международной научно-практической конференции Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы), Москва 2005 г

■ Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену Интенсификация теплообмена, Москва 2006 г

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 6 опубликованных работах

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, состоящего из 70 наименований, и приложения Общий объем диссертации составляет 158 страниц, включая рлсунки, таблицы и приложения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования

В первой главе рассмотрен вопрос о теплообмене и гидравлическом сопротивлении в теплообменниках с интенсификацией теплообмена и профилированных каналах Проведен обзор литературных данных и анализ работ по проблеме исследования каналов теплообменников с интенсификацией теплообмена и методах расчета их теплогидравлических характеристик

Обзор литературы показывает, что расчет теплообмена и гидравлического сопротивления теплообменников с интенсифицированными поверхностями нагрева проводят преимущественно по эмпирическим зависимостям В подавляющем большинстве случаев рекомендуемые расчетные формулы получены по результатам экспериментов на опытных или находящихся в эксплуатации штатных установках В объектах промышленной теплоэнергетики, в частности, в нефтехимической, пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности, широко используются пластинчатые теплообменники ленточно-поточного типа с синусоидальным профилем пластин На сегодняшний момент отсутствуют данные о влиянии геометрии межпластинного канала синусоидального профиля на его теплогидравлическую эффективность Имеющиеся обобщенные зависимости для расчета теплопереноса и гидравлических потерь в таких каналах имеет разрозненный характер, неполнота информации по рациональной интенсификации теплообмена затрудняет разработку высокоэффективного оборудования такого типа В результате формируются следующие задачи исследования экспериментальное исследование теплоотдачи, гидродинамики и структуры потока в синусоидальных каналах, численное моделирование турбулентного течения в каналах пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа, развитие представлений о структуре потока в пристенной области, оценка влияния геометрии межпластинного канала на его теплогидравлическую эффективность, получение обобщенных зависимостей для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления в иссчедуемых теплообменниках

Во вт орой главе проводится экспериментальное исследование по определению коэффициентов теплоотдачи, гидравлического сопротивления и структуры потока Физический эксперимент реализовывался на дозвуковой аэродинамической установке открытого типа, работающей на нагнетание Схема установки приведена на рис 1 Объектом исследования являлись несимметричные каналы с нижней стенкой синусоидальною профиля Для оценки влияния геометрии на теплопядразлические показатели канала опыты проведены на экспериментальных рабочих участках, имеющих разные амплитуд\ 1 офров и высоту (рис 2)

Методика проведения эксперимента по определению коэффициентов теплоотдачи

Эксперимент проводен в интервале 14000</?е<25000. Для определения коэффициентов теплоотдачи в работе применен метод регулярного теплового режима, в соответствии с которым определяется темп охлаждения предварительно нагретой профилированной стенки канала (рис.3). Всего было исследовано 9 каналов. Для определения температур на поверхности использовался тепловизор Иртис-200 и соответствующее программное обеспечение.

1 - Вен'1 илягор тни-д ДВ- 1км;

2 - очистительный фильтр;

3 - гибкий шланг; - выранннвяющая камера;

5 - спрямляющая решетка; 6,7,9 - выравнивающие «тки; 8 сотовый выпрямитель потока; Ю-участок подготовки воздуха; .11 - рабочий участок; 12 - элект р ми еск и м натр ев ат ель; 15- приборы управления нагревом

Рис, 1. Экспериментальная установка

Выравнивающие сетьга! (хопейком&ы)

Л

; Рабочим участок со сменной пластиной

\ При боры упраеления } нагревом и вентиля тором

Пршяочтшн вентилятор

Рис. 2, Рабочий канал » сменные опытные образцы

I'не. 3, Теп лови знойные картины распределения температуры на синусоида ль ной Стенке :: интервалах 20 с » 40 е.

Определение потерь давления и гидравлического сопротивления

В работе были проведены экспериментальные измерения потерь давления при течении в 9 каналах, в которых также исследовалась теплоотдача. Измерения давления производились с помощью трубок Пито, которые были установлены на входе и выходе из канала. Трубки Пито бьгяй присоединены к жидкостному микроманометру ММН-24(3(5)-1,0, с помощью которого определялся перепад статических давлений на входе и выходе из канала.

На Основе сравнения полученных теплогидравличееких характеристик с аналогичными характеристиками для гладкого канала было установлено, что максимальная степень интенсификации теплообмена составила 2,16 раза, при этом гидравлическое сопротивление возросло в 5,9 раза.

Дымовая визуализация структуры потока в каналах Целью данного исследования было определение визуальной картины течения в каналах синусоидальной формы, что позволяет расширить физические представления о процессах переноса в таких каналах. Методом исследования была выбрана дымовая визуализация. Дым вдувался в канал с одновременной подачей воздуха на нагнетание. В результате удалось зафиксировать нестационарность вихревых течений и оценить количественно период существования среднестатистического вихря во впадине гофра Так, для канала с амплитудой гофра 5 мм и высотой 15 мм период существовании вихря составил -3 с при Aî=3000. Характерные этапы вихре об разован и я и выброса в основной поток представлены на рис. 4. Эпицентром зарождения вихря является пристенная область в окрестности образующей между выступом и впадиной стенки канала (см. рис. 4 при т=0 с). Зарождение и [юст вихря происходят в течение времени, составляющего -80% всего периода. К этому моменту вихревая структура имеет размеры превышающие глубину впадины гофра. Время отрыва и выбросу вихря в основной поток короче времени его зарождения и развития. Оно составляет -20% периода существования. Далее вихрь по мере его роста как бы «скатывается» по направлению основного течения, а его отрыв происходит уже на участке между впадиной и выступом.

с

1 = 1,3 с

is 3.0 с

i=C, а с

Т= 2,11 с

Рис. 4. Визуальные кяртиши течения в синусоидальном канале нрл Я(/=3000.

S третьей главе проведено численное Моделирование турбулентного течения. Алгоритм расчета основывался на неявном конечно-объемном методе решения осредненных по Рейнольд су уравнений Навье-Стокса, замкнутых с помощью уравнений моделей турбулентности. Первостепенной задачей на данном этапе работы было определение модели турбулентности, наиболее точно описывающей теплоперенос и гидравлическое сопротивление в волнообразных каналах. Так, по результатам апробации различных моделей методом сравнения результатов расчета с данными физического эксперимента и с эмпирическими данными для теплообменника Alfa Laval IMS (рис. 5) наиболее точные результаты обеспечила двухпараметрическая модель k-ш 5iST. При моделировании физического эксперимента, описанного во второй главе, максимальные погрешности Nu и | составили соответственно 15,9% и 12,3%. а при моделировании турбулентного течения в межййастинном канале Alfa Laval Р15 8% и 4,5% в интервале 2500<Г<е<30000 Отметим, что при построении расчетной сетки использовался подход пристеночного моделирования вместо традиционного использования пристеночных функций. Это потребовало качественного сеточного разрешения у стенок. Расстояние 1-го расчетного узла от стенки было принято определять соответствующим уГ si для течения в гладком канале при тех же режимных и геометрических параметрах. Поэтому координата узла >• как функция от у* имела вид:

и соответственно расстояние первого узда от стенки:

п . 5,038 П '~ХП) Re'«™

где Re = Ud3/v, z(y+)

У+ и

, U -среднемассовая скорость в канале

Турбулентная вязкость определялась по следующему соотношению

рК 1

ft =-

( 1 CIF,

(2)

где 0 = /2Q5Q,7 , П„

I +

«0 +

" 2 l^ax^ ÔX, )

—тензор напряжения a - -

pL

fia/

'R,

1 +

uco

F2 = tdnhj^max| 2

L 4k 500//V

0,09&5- ' ругсо I

i-e/с k-параметр псевдозавихренности, 1/c,

к = ~ и/и/-кинетическая энергия турбулентности, м/с, е-скорость ее

диссипации, м2/^, эмпирические постоянные а, = 0,31, Кк=6, а0 = 1/9, см = 0,09

На основании проведенной апробации, к-ш 8БТ модель турбулентности была выбрана для моделирования теплогидравлических процессов в исследованных каналах

300

Ми m

А1£»1ал!Р15 а ' tsst 350 X -1- f SUn&rt + k е PMC. О a PwC aJizîK- 25s О SA с RiM 200

Гладкий яанал lî3 » w SÇT x - It e-Snniiart t k t RMG » a tc *

» ЬА 0

- RSM

-."K.01Î5 Re*'

Глэд'-ай канал ---WJ.CID2! йг08 F?a" (■

000 toi« 1мюо :noor> зпооо

I'e

Рис. 5 Сравнение результатов численно! о моделирования теплопереноса на различных моделях турбулентности с эмпирическими данными для канана теплообменника Alfa Laval PIS и для гладкого канала

В четвертой 1.1IIнс работы методом численного моделирования был организован вычислительный эксперимент по определению Лги и £ для синусоидальных каналов переменной геометрии. При этом рассматривались два случая течения в каналах с синусоидальными стенками диффузор-кон фу зоркое и извилистое.

Решение в общем виде определялось отдельно для извилистого и диффузор-конфузорного течения в виде уравнений:

М*«/<Ке, (3)

(4)

где Л], х2 - безразмерные геометрические параметры, учитывающие влияние формы канала на законы теплоперепоса и сопротивления. Для днффу зор-конфузорных каналов: х. = 2Ык - относительная амплитуда гофров стенки; х, = Иф/И,.^ степень дросселирования канала, где а - амплитуда гофров теплообменных пластин; \ - период гофров; г/тт -минимальное расстояние между пластинами; Нтах максимальное расстояние между пластинами.

Для извилистых каналов;

х. = 2а/Л - относительная амплитуда гофров стенки; х2 = 2а/И - степень поворота потока, где Н - расстояние между теплообменники пластинами.

Всего было исследовано 9 диффузор-конфу зорных каналов в диапазонах 0.1 £ л, <0,4 и 0,3 <0,7 и 10 извилистых при 0,1 й0,4 и 0,3 <.т, <2,2 (рис.6). Йз полученных решений была составлена матрица значений с целью дальнейшей ее математической обработки и определения аппроксимирующих зависимостей для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления.

ДЬД

■ . - ^ [И

~ ■ " -¿У" .'"/-ч

ед«?! ж • • ' .. "" ^ ",г

• 4 ' ч- 4 "" ^ " "

- г* г " - ■--•

а) ®

Рис. 6. Вычислительны» эксперимент: к) диффузор-конфузорные н 5) швемнетые каналы.

На основе статистической обработки двумерной выборки решений, полученных численным методом, были определены следующие уравнения соответственно для теплообмена и сопротивления

для диффузор-конфузорных каналов

1 Рг

\1 'сп

\0 2э

Ж>„ = А Яе" Рг" '

где Л = 0,097 г£°'572 е1'81*1, п = 0,675 + 0,038 1пдг2 — 0,039 хх,т = 0,4Ъ

(б)

где В = 11 72 х}'566 531, р = 0,48+ 0,116 1плг,+0,456 1пх2, для извилистых каналов

№,„ = А Кеп Рг"

Л»

Рг

(7)

где а = 1,51 *;86 ^2-°779. я = 0,565-0,098 1п Л| + 0,041 /лх2 т = 0,43

%из=ВКе-», (8)

где В = 8,56 х«449 л2096у, - р = 0,252 + 0,344 /и - 0 209 /и ;с2

Данные зависимости позволяют производить теплогидравлический расчет пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа с волнообразной формой пластин

Оценка эффективности интенсификации теплообмена

Результаты вычислительного эксперимента позвонили определить критерии эффективной интенсификации теплообмена В качестве критерия

эффективности был использован параметр , те величина,

показывающая отношение роста теплообмена к росту гидравлического сопротивления по сравнению с гладким каналом при одинаковых числах Ке и (I, Установлено, что в диффузор-гонфузорных каналах интенсификация теплообмена является более эффективной, чем в извилистых для первого типа каналов из числа исследованных максимальное значение Лг"/ ^м/ =1,107,

минимальное 0,119, для второго соответственно 0,58 и 0,024 Отметим, что для диффузор-конфузорного канала с г = 0,1 и х2 - 0,73 при Ле=2500 чистенное исследование показало опережающий рост теплообмена (Ыи/Иигл= 2,17) по

сравнению с ростом гидравлического сопротивления =1Д07>1)

В работе дано объяснение возможности такого явления Данный профиль

межпластинных каналов рекомендован для создания высокоэффективных теплообменников В итоге определено, что факторами повышения эффективности в синусоидальных каналах являются а) уменьшение амплитуды гофров, б) в случае диффузор-конфузорного течения повышение степени дросселирования канала Я„.п /Ятах , в случае извилистого рост параметра 2а/Я в интервале 0,6 < 2а/Л <2,2 и его уменьшение в интервале 0,4 <2а/Н < 0,6, в) проведение интенсификации при более низких числах Не (рис 7, 8)

т/ш.

А'и/А'ит/

Яе=1в000

= 2я/Л

г 1=2 а/1

Рис 7. В таяние геометрического параметра хх на для а) диффузор-

/ Ь' Ьгл

конфузорных и б) извилистых каналов Л'и/Л'и- /

1

05 0,8 С,7 0,6 0,5 ОД 0.3 02 од о

ЙД»/

---- /г/ь. ,

----- Ее=2500 /

7. 1,

од

«м

а)

0£ 0$

хг = ¡Нг;

1,5 2 2.5 Ж! = 2 а/И

Рис. 8 Вчияние I еометрического параметра х2 на конфузорных и б) извилистых каналов

Ки / Ии

для а) диффузор/ ^' ъгл

В пятой главе на основе модели прерывистого ламинарного подсчоя получено решение для расчета теплообмена в гладком и синусоидальных каналах

В соотвегствии с моделью прерывистого ламинарного подслоя, при течении теплоносителя в канале в окрестности стенки формируется большое котичество

структур, аналогичных показанным сплошной и пунктирными линиями на рис 9 Их продольные периоды смещены относительно друг друга Кроме того, за каждым участком типа развивающегося квазиламинарного подслоя (за сечением, в котором этот слой теряет устойчивость) образуются зоны возвратно-рециркуляционного течения Зоны рециркуляции являются нестабильными пульсирующими областями, из которых происходит периодический выброс вихрей в турбулентное ядро Генерируемые при этом пульсации приводят к обмену импульсом, массой и энергией между подслоем и турбулентным ядром, а также между соседними периодически прерывающимися и возобновляющимися структурами в подслое Обновление подслоя характеризует параметр Яекр = щ £кр/V - критическое число Рейнольдса, учитывающее потерю устойчивости квазиламинарными участками подслоя под действием возмущающих факторов - степени турбулентности внешнего потока, градиента давления и др, щ - осредненная во времени продольная составляющая скорости на внешней границе подслоя, Ь,р - длина периода обновления подслоя

1

•—' , ^------- ч }<=

■^кр ------> 1 с <о 1

Рис. 9. Схема пристснно! о прерывистого подслоя

В работе аналитически показано, что при течении в гладком канале значение Яекр принимает значение 23931 Для каналов с интенсификацией теплообмена, в частности для каналов с волнистой формой гофра, Кекр зависит от особенностей геометрии каналов В работе на основе обработки данных численного моделирования получены следующие соотношения для определения Кедр для синусоидальных каналов - для диффузор-конфузорного течения

Яе /г, г2; = 11334 .Г4705" Т20938, (9)

- для извилистого течения

=3223 ГГ239 т2. (10)

и расчет теплообмена через характерную величину Кекр можно производить чо выражению

"-1 (11)

Ш=4 Не" Рекри^7>, J

где А* и п вычисляются как

i 5

(±+1)(-+2)2. ^

Л*=0 664 М-2-]"+1 10"+' Pr3 ,

2 J

n - 2/(l-p)-l,

где p - показатель степени при Re в выражениях (5) и (7)

Определено, что для исследованных синусоидальных каналов (рис 6) значения ReKp ниже, чем для гладких (Rev =23931), и находятся в диапазоне 151<Лехр<5195 Это говорит о том, что в профилированных поверхностях нагрева под действием возмущающих факторов - знакопеременного продольного градиента и кривизны стенок - длина безотрывного развития подслоя LKр уменьшается по сравнению с гладким каналом, т е разрушение ламинарного подслоя происходит раньше Естественно, меньшим значениям ReKpсоответствуют большие величины Nu

Таким образом, установлена связь между числом Nu и ReKp для каналов

исследуемого класса Анализ решения позволил расширить представления о структуре ламинарного подстоя и природе теплогидравлических процессов в профилированных каналах

В шестой главе показано практическое применение результатов исследования, предложены мероприятия по энерго- и ресурсосбережению

Было проведено сравнение обобщающих зависимостей (5)-(8) с эмпирическими для существующих теплообменников ленточно-поточного типа Сопоставление расчетных и эмпирических данных для теплообменников Альборн-5 и Alfa Laval PI5 подтвердили применимость выражений (5)-(8) для расчета теплопереноса и гидравлических потерь в аппаратах данного класса В диапазоне 2500<Ле<10000 по числу Nu погрешности не превышают соответственно 7,5% и 1,5%, а по £-3,2% и 4,6% Возможность расчета теплогидравлических характеристик межпластинных каналов волнообразного профиля различной геометрии придает полученным выражениям практическую ценность

Для повышения эффективности существующего отечественного теплообменного оборудования исследуемого класса предлагается использовать результаты, полученные в работе Так, для повышения эффективности противоточного регенератора пастеризационно-охладительной установки молока производства Уралхиммаш было предложено произвести компоновку теплообменника синусоидальными пластинами, образующими диффузор-конфузорные каналы повышенной эффективности (рис 10) В результате сравнительного теплогидравлического расчета установлено, что при сохранении тепловой мощности теплообменника и располагаемого напора рекомендуемая компоновка позволяет снизить число теплообменных пластин со 111 до 97 и уменьшить металлоемкость аппарата на 12% (табл 1)

Гохл

Рис.Ю. Схема потоков в пастеризационной установке с диффузор-конфузорными каналами

Г'нагр

1'охл

1'нагр

Далее произведена оценка энерго- и ресурсосбережения при использовании теплообменников повышенной эффективности на примере молочной промышленности РФ Такая оценка показала потенциал экономии топлива в отрасли ~6680 тут /год При выработке данного количества тепла водогрейными котлами до 20 Гкал/ч, работающими на природном газе, годовое снижение выбросов ЫОх составит -16,5 тонн

Табл 1 Сравнительные характеристики теплообменников

Показатель Теплообменник Уралхиммаш П-2 Теплообменник с диффузор-конфузорными каналами

Схема включения 5x11 5x11 4x12 4x12

Общее число пластин 111 97

Габаритные размеры пакетов пластин, м 1,025x0,315x0,435 1,025x0,315x0,381

Объем, занимаемый пакетами пластин (без учета опорной рамы, боковых крышек), ы3 0,14 0,123

В целях оценки снижения энергоемкости процесса изготовления теплообменников с предлагаемой конфигурацией межпластинных каналов был произведен расчет технологических топливных чисел (ТТЧ) для существующего и предлагаемого теплообменников Для этого был произведен сквозной энергетический анализ и определена технологическая цепочка изготовления, схематично изображенная на рис 11 Расчет ТТЧ производился по формуле

ТГЧ = Э\-гЭ2+Эу-ЭА, (12)

где Э| представляет химическую энергию ископаемого первичного топлива с учетом Затрат на добычу, подготовку, обогащение, транспортировку и т.д.;

Э2 -- энергий производных энергоносителей, например, пар, теплознергия. электроэнергия, сжатый воздух, кислород, веда и др., с учетом затрат на преобразование;

-Э? - скрытая энергия,, израсходованная в предшествующих технологиях и овеществленная в сырьевых исходных материалах процесса, технологическом, энергетическом и др. оборудовании, капитальных сооружениях и др.;

Э4 - энергия вторичных ресурсов. Она складывается из фактически сэкономленных энергозатрат при использовании в данном или других производствах тепловых, топливных, материальных и других ресурсов.

Каждая из этих составляющих рассчитывается из условий технологического процесса изготовления.

По результатам расчета ТТЧ теплообменника повышенной эффективности составило ТТЧ = 1006 кг у.т./т.. что ниже ТТЧ традиционного той же тепловой мощности на 12%

. прошв аде ТЕ 0:

Добыча О йог ащение Транспортир ов1С а!

Электра-

с т алетхлавилън о £ производство

¡Прокатное ;цр ОЮВОДСТЕО

I

Технологические операции по 1 изготовлению теплообменника: -уолодкая листовая штамповка; -сЗпркак т.д.

---Ш А

Рис. П. Тех но логическая цепочка изготовлении пластинчатого теплообменника

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основании проведенных численного, экспериментального и теоретического исследований в работе получены следующие результаты:

!. В результате проведенной и экспериментальной части работы дымовой визуализации потока показана нестационарная природа вихревых течений во впадине гофра несимметричного синусоидального канала и определены этапы

зарождения, развития и выброса в основной поток среднестатистического вихря при Яе=3000

2 Определено влияние геометрии каналов с синусоидальными стенками на показатель эффективности интенсификации теплообмена Так, установлено, что факторами повышения эффективности в синусоидальных каналах являются а) уменьшение амплитуды гофров, б) в случае диффузор-конфузорного течения повышение степени дросселирования канала Нтп/Нтзх , в случае извилистого рост параметра 2а/Н в интервале 0,6 < 2а/Н < 2,2 и его уменьшение в интервале 0,4 < 2а/Н <0,6, в) проведение интенсификации при более низких числах Яе

3. Численным моделированием показана возможность опережающего роста теплообмена по сравнению с гидравлическим сопротивлением в диффузор-конфузорных каналах синусоидального профиля с геометрическими характеристиками х,=2а/Л=0,1 и х2 =0,73 и /?е=2500 Показатель

/ , с составил 1,107 Дано объяснение этому явлению

/ Ъгл

4 Определены обобщенные зависимости для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа с волнообразными формами гофр Результаты сравнения с эмпирическими зависимостями показали, что в диапазоне 2500<Яе<10000 погрешности в определении Ыи и £ не превышают соответственно 7,5% и 4,6%

5 Проведение эксперимента и получение опытных данных по теплообмену и потерям давления позволили провести их сравнение с результатами численного моделирования В результате было определено, что двухпараметрическая модель турбулентности кш-ББТ наиболее точно описывает теплообмен и гидродинамику в исследованных каналах Выработана концепция построения расчетной сетки

6 На основе модели ламинарного подслоя численным методом впервые получены расчетные соотношения для синусоидальных каналов, в которых Ми и £ определены через параметр Яегр - характерную величину, показывающую длину безотрывного развития ламинарного подслоя Определено, что для гладкого канала /г<г„„=239?1 и показано, что Яекр функционально отражает степень интенсификации теплообмена

7 Предложен профиль теплообменных пластин, позволяющий повысить эффективность существующих теплообменных аппаратов Гак, использование в пастеризационно-охладительной установке межпластинных каналов диффузор-конфузорного типа позволяет сократить объем теплообменного аппарата на 12%

8 Произведена оценка энерго- и ресурсосбережения в молочной промышленности РФ при использовании теплообменников повышенной эффективности Дана эколо1 ическая оценка Так, потенциал экономии топлива в отрасли составляет ~6680 тут/год, что приводит к годовому снижению

выбросов Ж)х —16,5 тонн при выработке данного количества тепла водогрейными котлами, работающими на природном газе 9 Произведен расчет технологических тошивных чисел (ТТЧ) для теплообменника повышенной эффективности Так, ТТЧ составило 1096 кг у т /т, что ниже ТТЧ традиционного той же тепловой мощности на 12%

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Мусин И Р, Ефимов A JI Расчет теплообмена и сопротивления в профилированных каналах на основе универсального логарифмического закона и модели прерывистого подслоя // Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика Тез докл -М,2005 - т2-с 390-391

2 Мусин И Р, Ефимов A JI Численное исследование опережающего роста теплообмена в диффузор-конфузорном канале // Шестая всероссийская научно-практическая конференция студентов аспирантов и специалистов Энергетики и металлурги настоящему и будущему России Тез докл - Магнитогорск, 2005 -с 33 -34

3 Мусин И Р , Ефимов A.JI Исследование теплогидравлических характеристик каналов пластинчатых теплообменников // Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика Тез докл - М, 2006 - т 2 - с 425 - 426

4 Мусин И Р , Ефимов А Л, Овчинников Е В Исследование гидродинамики и переноса тепла в пластинчатых каналах диффузорно-конфузорного типа // Вторая международная научно-практическая конференция Современные энергосберегающие тепловые технолог ии (сушка и тепловые процессы) Труды конференции - М, 2005 - т 1 - с 179-181

5 Мусин И Р, Ефимов А Л Расчет теплогидравлических характеристик при течении жидкости в трубе на основе модели прерывистого подслоя // Вестник МЭИ 2006- №1 - с 34-39

6 Мусин И Р, Ефимов A JÍ Расчет теплогидравлических характеристик пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа // Четвертая российская национальная конференция по теплообмену Интенсификация теплообмена -М,2006 -тб-с 258 -261

Подписано в печать СУ Зак iáá/ Тир ¡С'О Пл f,X6 Полиграфический ценгр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул , д 13

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1 Состояние вопроса о теплообмене и гидравлическом сопротивлении в профилированных каналах.

1.1 Модели и методы расчета теплоотдачи и трения в каналах с интенсификацией теплообмена.

1.1.1 Теплоотдача и трение в каналах с поперечными кольцевыми выступами.

1.1.2 Теплоотдача и трение в каналах с поперечными кольцевыми канавками.

1.2 Методы расчета теплообмена и гидравлического сопротивления в волнообразных каналах пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа.

1.3 Результаты исследования теплогидравлических характеристик межпластинных каналов.

Глава 2 Экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики в несимметричных синусоидальных каналах.

2.1 Задачи исследования.

2.2 Описание экспериментальной установки.

2.3 Проведение эксперимента для определения коэффициентов теплоотдачи.

2.3.1 Описание метода регулярного теплового режима.

2.3.2 Проведение эксперимента по теплообмену и обработка полученных результатов.

2.4 Определение потерь давления и гидравлического сопротивления.

2.5 Дымовая визуализация структуры потока в каналах.

Глава 3 Численное моделирование теплообмена и гидродинамики в пластинчатых теплообменниках с волнообразными каналами.

3.1 Цели и задачи численного моделирования.

3.2 Построение расчетной сетки.

3.3 Описание математической модели турбулентного течения. К-ш-ЗБТ модель турбулентности.

3.4 Апробация различных моделей турбулентности.

Глава 4 Влияние геометрии межпластинного канала на его теплогидравлические характеристики.

4.1 Извилистое и диффузор-конфузорное течения в каналах

4.2 Алгоритм получения обобщенных уравнений.

4.3 Определение Ш и £ для синусоидальных каналов в случае диффузор-конфузорного течения.

4.4 Определение Ш и £ для синусоидальных каналов в случае извилистого течения.

4.5 Оценка эффективности интенсификации теплообмена.

4.6 Частный случай нарушения Аналогии Рейнольдса в пользу переноса тепла в диффузор-конфузорном канале.

Глава 5 Применение модели ламинарного прерывистого подслоя к описанию течения в профилированном канале.

5.1 Расчет теплогидравлических характеристик на основе модели прерывистого подслоя в турбулентном пограничном слое при развитом течении в трубе.

5.2 Вывод зависимостей по сопротивлению и теплообмену на основе модели прерывистого подслоя универсального и логарифмического профиля скоростей. ^ ^

5.3 Яекр для каналов с интенсификацией теплообмена.

Глава 6 Практическое применение результатов исследования.

6.1 Апробация полученных решений на примере реальных ПТ

6.2 Расчет пастеризационно-охладительной установки.

6.3 Оценка потенциала энерго- и ресурсосбережения на примере молочной промышленности.

6.3.1 Расчет годовой экономии топлива.

6.3.2 Расчет технологического топливного числа ^ теплообменника.

Выводы.

Современное состояние энергетики характеризуется значительно возросшей стоимостью энергоносителей и всех видов природных ресурсов, а также постоянно возрастающими трудностями охраны окружающей среды от воздействия энергоустановок, ТЭС, АЭС и промышленных предприятий. Экономия топлива и совершенствование энерготехнологий являются приоритетными задачами развития народного хозяйства. В перспективных теплоэнергетических установках: базисных паротурбинных установках (ПТУ), газотурбинных установках (ГТУ); в ядерных энергоустановках (ЯЭУ); в авиационных и стационарных газотурбинных двигателях с регенерацией тепла; в установках, основанных на альтернативных источниках энергии, а также в коммунальном хозяйстве и во всех отраслях промышленности, теплообменное оборудование составляет основную часть по габаритам, металлоемкости и функциональному значению и во многом определяет технико-экономические показатели установок [1].

Несмотря на то, что в настоящее время накоплен большой объем знаний в области теплообменных устройств, современный научно-технический уровень диктует создание нового высокоэффективного оборудования [2]. В современных условиях и в перспективе один из главных путей повышения экономичности энергоустановок - совершенствование теплообменного оборудования с помощью внедрения эффективных способов интенсификации теплообмена. Интенсификация теплообмена является в настоящее время важной специальной областью исследований. Посредством интенсификации увеличивается количество тепла, передаваемого через единицу поверхности теплообмена, и соответственно уменьшаются массогабаритные показатели теплообменника, достигается более выгодное соотношение между передаваемым количеством тепла и мощностью, затрачиваемой на прокачивание теплоносителей [2]. Исследования показали, что путем рационального выбора геометрии каналов и возмущающих воздействий возможно обеспечить преимущественное увеличение интенсивности теплообмена перед гидравлическим сопротивлением, что позволяет уменьшить объем и массу теплообменного аппарата при неизменных мощности и гидравлическом сопротивлении.

Надо отметить, что теория интенсификации теплообмена находится на начальном этапе развития, основа теплогидравлического расчета эффективных каналов и поверхностей нагрева - эмпирические соотношения, имеющие ограниченную область применения. Разработанные к этому времени полуэмпирические методы расчета теплоотдачи и трения базируются преимущественно на аналогии Рейнольдса (и ее модификациях), содержат вспомогательную информацию и позволяют определять теплоотдачу только по экспериментально найденной величине коэффициента сопротивления канала. Вместе с тем, поиск оптимальных соотношений геометрических характеристик, разработка новых форм каналов и создание на этой основе высокоэффективного оборудования представляют значительный научный и практический интерес. Таким образом, разработка моделей и методов для теплогидравлического расчета эффективных поверхностей и каналов теплообмена является теоретически и практически актуальной.

К настоящему времени среди используемого теплообменного оборудования можно выделить два наиболее распространенных типа аппаратов - кожухотрубные и пластинчатые.

В теплообменниках существуют различные способы интенсификации теплообмена: установка оребрения, нанесение шероховатости или серии углублений, выступы различной формы, лунки и т.д [3].

Обычно все методы интенсификации теплообмена связаны с ростом гидравлического сопротивления. При этом повышение эффективности теплообмена на 30-40% ведет к росту сопротивления на 40-60% [4]. Следовательно, важной представляется задача поиска геометрий теплообменных поверхностей которые обладали наибольшим значением коэффициента теплоотдачи при минимально возможном значении > коэффициента гидравлического сопротивления (мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителя).

Для того чтобы отдать предпочтение тому или иному способу интенсификации надо сопоставить их по энергетической эффективности. ] . Для сопоставления теплообменных поверхностей по их энергетической \ эффективности существуют различные методики. В работе [5] приведен подробный обзор подобных методик, из которого ясно, что характер сопоставления зависит от поставленной задачи. Кроме этого, очевидно, следует разделять сопоставление теплообменных аппаратов, теплообменных поверхностей и элементов теплообменных поверхностей.

Для теплообменного аппарата, в целом, количество переменных, определяющих его эффективность, довольно велико. Например, для компактного теплообменника наибольшую роль играет способ размещения интенсифицирующих элементов на поверхности, расстояния между ними, геометрические характеристики.

В основе всех многочисленных методик, для сравнительной оценки эффективности поверхностей теплообмена, заложены методические основы, предложенные М.В. Кирпичевым [6] и A.A. Гухманом [7].

М.В. Кирпичев в работе [6] ввел в рассмотрение понятие эффективности Е = Q/N для оценки тепловых и гидродинамических качеств поверхности.

Методический подход М.В. Кирпичева получил довольно широкое развитие при решении многих задач по сопоставлению поверхностей теплообмена. Наложение ряда условий, при сопоставлении поверхностей по Е, приводит к тому, что метод М.В. Кирпичева трансформируется в метод A.A. Гухмана. Это свидетельствует о том, что критерий Е не противоречит остальным характеристикам поверхностей теплообмена, а является составной частью в ряде различных характеристик.

В работе [8] предложен метод, который позволяет отказаться от приравнивания двух критерием из Ку(Кр), Кд, и К^ единице. Благодаря этому можно наглядно показать повышение передаваемой тепловой мощности при снижении затрат на прокачку теплоносителя и уменьшении объёма теплообменника, либо, в зависимости от предъявляемых по условию эксплуатации требований, оценить возможность улучшения по одному показателю, пренебрегая качеством других. В предлагаемом методе сравнения [8] показатели степени числа Рейнольдса в критериальных уравнениях для определения числа Нуссельта и коэффициента сопротивления в исследуемой и эталонной поверхностях могут не совпадать, в отличие от метода [3], в котором они должны быть равны, что является дополнительным преимуществом, так как эти показатели меняются при изменении способа интенсификации теплообмена. В этом методе, в отличие от большинства предложенных, сравниваются не площади поверхности теплообмена Т7, а объёмы теплообменников V, то есть рассматривается коэффициент Ку, что представляется более целесообразным. Зависимость, связывающая критерии эффективности Кд, Кц, Ку, имеет следующий вид [8]: где р = т/(3-к); тик- показатели степени при числе Яе в критериальных уравнениях соответственно для теплообмена и сопротивления. Поэтому, для использования этого метода оценки эффективности, необходимо заведомо знать критериальные выражения для определения Ми и £

Отметим, что существует альтернативный метод сравнения теплогидравлической эффективности интенсификации теплообмена в каналах, который и будет использован в работе. Данный метод основан на определении параметра ? показывающего отношение роста теплообмена к

V Ьгл росту гидравлического сопротивления профилированного канала по сравнению с гладкой поверхностью. Здесь нужно руководствоваться условием, что Ыи и £ для гладкого и профилированного каналов должны быть определены при равных геометрических и режимных характеристиках [9]. В работе [9] отмечено, данный метод оценки реализуем в каналах теплообменных поверхностей любых типов конструкций.

В работе проведено экспериментальное, численное и теоретическое исследование теплообмена и гидравлического сопротивления каналов синусоидального профиля. Такая форма профиля создает в потоке переменные поля давлений, вызывающих направленное действие вторичных течений возле теплопередающих стенок. Благодаря формам поверхности повышается уровень турбулентности в пограничном слое, создаются отрывы и вторичные пристенные течения [10].

Полученные в работе результаты показывают, что использование синусоидального профиля при определенных геометрических соотношениях является рациональным способом интенсификаций теплообмена. Это подтверждает тот факт, что на сегодняшний момент в пластинчатых теплообменниках (ПТ) преимущественно используется синусоидальный профиль теплообменных пластин (ПТ типа free flow российской компании «Машимпекс», ПТ ленточно-поточного типа Альборн и др.), а также его модификации: треугольные рифли со скругленными кромками (например в ПТ ленточно-поточного типа Alfa Laval PI5), трапецеидальные рифли (ПТ фирмы APV-JORK). Можно также привести примеры применения волнистых гофров для теплообменных поверхностей пластинчатых теплообменников систем отопления и кондиционирования [11], рекуператоров в металлургической промышленности, охладителей воздуха турбонаддува в газопоршневых агрегатах [12].

Не вызывает сомнений тот факт, что степень эффективности интенсификации теплообмена непосредственно зависит от выбранной геометрии канала, а также от режимных характеристик процесса. Поэтому для рационального, экономически оправданного применения каналов с синусоидальным (волнистым) профилем необходимы надежные методы теплогидравлического расчета.

Актуальность работы. Интенсификация теплообмена в настоящее время является важной специальной областью исследований и разработок оборудования для организации процессов теплообмена. На сегодняшний день имеется достаточно обширный материал по экспериментальному и теоретическому исследованию теплообмена и гидродинамики в теплообменниках кожухо-трубчатого типа. Вместе с тем, все большее распространение в промышленности и объектах ЖКХ получают пластинчатые теплообменники. Процесс передачи тепла в таких аппаратах происходит в межпластинных каналах сложной геометрии, где течение теплоносителя носит, как правило, отрывной характер. Этим объясняется трудность проведения теплогидравлических расчетов для пластинчатых теплообменников аналитическим способом и предпочтение при исследовании отдается более надежным, но дорогостоящим эмпирическим методам. Поэтому, на данный момент имеются только критериальные зависимости, полученные на основе эмпирических данных. Они справедливы лишь для отдельно взятых каналов с определенными геометрическими характеристиками и для узкого диапазона режимных параметров [13,14].

Учитывая практическую значимость и сложность проблемы, следует признать исследование теплообмена и гидродинамики в пластинчатых теплообменниках актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности и получение обобщенных зависимостей для расчета теплопереноса и гидравлических потерь пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа с теплообменными пластинами волнообразной (синусоидальной) формы.

Для этого в работе решаются следующие задачи:

1. Развитие представлений о структуре потока в пристенной области в профилированных каналах на основе модели прерывистого ламинарного подслоя; получение универсальных зависимостей по теплообмену и сопротивлению для гладкого канала на основе данной модели;

2. Проведение эксперимента, состоящего из следующих частей:

Исследование теплообмена в синусоидальных каналах методом регулярного теплового режима с использованием тепловизионной аппаратуры;

Определение потерь давления традиционными средствами измерения;

Исследование структуры потока методом дымовой визуализации.

3. Численное моделирование теплообмена в каналах ПТ ленточно-поточного типа. Поиск наиболее точно описывающей течение в таких каналах модели турбулентности и определение топологии расчетной сетки. Сравнение результатов с экспериментальными данными.

4. Проведение численного исследования каналов синусоидального профиля с различными геометрическими характеристиками для оценки их влияния на теплообмен и гидравлическое сопротивление.

5. Получение обобщающих результатов в виде критериальных зависимостей. Расчет ПТ с их применением. Определение факторов, влияющих на теплогидравлическую эффективность теплообменников.

Научная новизна;

1. Определена наиболее подходящая, адекватно описывающая процессы переноса тепла и массы в синусоидальных каналах ПТ модель турбулентности. Выработаны критерии правильности построения расчетной сетки.

2. Определено влияние геометрических и режимных факторов на теплогидравлическую эффективность исследуемых каналов. Установлены геометрические параметры и числа Яе, при которых возможно нарушение аналогии Рейнольдса в пользу переноса теплоты в диффузор-конфузорных каналах. Дано объяснение этому явлению.

3. Экспериментально показана нестационарная природа вихрей, генерируемых во впадинах синусоидального канала. Оценены продолжительности фаз зарождения, развития и выброса среднестатического вихря, генерируемого во впадине в основной поток при ^£=3000.

4. Получены универсальные зависимости в критериальной форме для расчета теплообмена и сопротивления теплообменников ленточно-поточного типа с синусоидальными гофрами в диапазоне чисел Рейнольдса Яе = 103+3'104.

Достоверность. Приведенные в диссертационной работе научные данные и выводы базируются на проведенных численных и экспериментальных исследованиях, а также на сопоставлении результатов исследования с результатами других авторов [15-19].

Практическая ценность. Полученные в результате работы универсальные критериальные выражения удовлетворяют по точности инженерным требованиям, поэтому они позволяют производить расчеты, не прибегая к затратным эмпирическим методам. Результаты могут быть использованы на конструкторской стадии работ по проектированию ленточно-поточных ПТ.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на конференциях: 11, 12 -ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва 2005, 2006 г.

6-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов. Энергетики и металлурги настоящему и будущему России, Магнитогорск 2005 г.

Второй Международной научно-практической конференции. Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы), Москва 2005 г.

Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. Интенсификация теплообмена, Москва 2006 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 6 опубликованных работах.

Основные достаточно полно представлены в следующих публикациях:

1. Мусин И.Р., Ефимов А.Л. Расчет теплообмена и сопротивления в профилированных каналах на основе универсального логарифмического закона и модели прерывистого подслоя // Одиннадцатая международная научно-техническая конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. - М., 2005. - т.2 - с. 390 - 391.

2. Мусин И.Р., Ефимов А.Л. Численное исследование опережающего роста теплообмена в диффузор-конфузорном канале // Шестая всероссийская научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов. Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: Тез. докл. - Магнитогорск, 2005. - с.33-34.

3. Мусин И.Р., Ефимов А.Л. Исследование теплогидравлических характеристик каналов пластинчатых теплообменников // Двенадцатая международная научно-техническая конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. - М., 2006. - т.2 - с. 425 - 426.

4. Мусин И.Р., Ефимов А.Л., Овчинников Е.В. Исследование гидродинамики и переноса тепла в пластинчатых каналах диффузорно-конфузорного типа // Вторая международная научно-практическая конференция. Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы): Труды конференции. -M., 2005. -т. 1 - с. 179-181.

5. Мусин И.Р., Ефимов A.J1. Расчет теплогидравлических характеристик при течении жидкости в трубе на основе модели прерывистого подслоя // Вестник МЭИ. 2006-№1-с. 34-39.

6. Мусин И.Р., Ефимов A.J1. Расчет теплогидравлических характеристик пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа // Четвертая российская национальная конференция по теплообмену. Интенсификация теплообмена. - М., 2006. - т.6 - с. 258 - 261.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, состоящего из 68 наименований, и приложения. Общий объём диссертации составляет 158 страниц, включая рисунки, таблицы и приложения.

выводы

На основании проведенных численного, экспериментального и теоретического исследований в работе получены следующие результаты:

Определены обобщенные зависимости для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа с синусоидальной и треугольной формами гофр. Результаты сравнения с эмпирическими зависимостями показали, что полученные выражения с достаточной точностью рассчитывают теплообмен и гидравлическое сопротивление в данных каналах. В диапазоне 2500<Яе< 10000 погрешности в определении N11 к £ для теплообменников с синусоидальными гофрами не превышают соответственно 7,5% и 3,2%. Для расчета аналогичных величин в каналах с треугольными гофрами были получены выражения, позволяющие вычислять Ии и £ с максимальным отклонением от эмпирических значений 1,2% и 4,6% в диапазоне 2500<Яе<30000. Предложен метод теплогидравлического расчета на основе полученных расчетных выражений.

Определено влияние геометрии синусоидальных каналов на показатель эффективности интенсификации теплообмена. Так, по результатам численного исследования установлено, что интенсификацию теплообмена более эффективно проводить в диффузор-конфузорных каналах, чем в извилистых. При увеличении расстояния между теплопередающими пластинами степень интенсификации теплообмена в извилистых каналах возрастает с одновременным ростом гидравлического сопротивления, а в диффузор-конфузорных каналах снижается вместе со' снижением гидравлического сопротивления.

Численным моделированием установлен факт опережающего роста теплообмена по сравнению с гидравлическим сопротивлением в диффузорконфузорных каналах синусоидального профиля с геометрическими характеристиками = 2а/X = 0,1 и х2= 0,73 и Яе=2500. Показатель

Ш / . составил 1,107. Дано объяснение этому явлению. V Чгл

В результате проведенной в экспериментальной части работы дымовой визуализации потока показана нестационарная природа вихревых течений во впадине гофра. Качественно и количественно определены этапы зарождения, развития и выброса в основной поток вихря при Яе=3000. Так, период существования вихря составил ~3 с. Зарождение и рост вихря происходит в течение времени ~2,4 с, что составляет -80 % всего периода. Время отрыва и выброса вихря в основной поток короче времени его зарождения и развития. Оно составляет -20% периода существования вихря или 0,6 с.

Проведение эксперимента и получение опытных данных по теплообмену и потерям давления позволили провести их сравнение с результатами численного моделирования. В результате было определено, что двухпараметрическая модель турбулентности ксо-881 наиболее точно описывает теплообмен и гидродинамику в исследованных каналах. Выработана концепция построения расчетной сетки. На основе модели ламинарного подслоя получены расчетные соотношения для синусоидальных каналов, в которых Ии и £ определены через параметр Яекр - характерную величину, показывающей длину безотрывного развития ламинарного подслоя. Определено, что для гладкого канала Яекр=23931 и показано, что Яекр функционально отражает степень интенсификации теплообмена.

Предложен профиль теплообменных пластин, позволяющий повысить эффективность существующих теплообменных аппаратов. Так, использование в пастеризационно-охладительной установке межпластинных каналов диффузор-конфузорного типа позволяет сократить объем теплообменного аппарата на 12%.

1. Гортышев Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: КГТУ, 1999.

2. Светлов Ю.В. Интенсификация гидродинамических и тепловых процессов в аппаратах с турбулизаторами потока. М.: Энергоатомиздат, 2003.

3. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин A.C. Эффективные поверхности теплообмена. М.:Энергоатомиздат, 1998.

4. Кейс В.М., Лондон A.JI. Компактные теплообменники. М.: Энергия, 1967.

5. Калафати Д.Д., Попалов В.В. Оптимизация теплообменников по эффективности теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1986.

6. Кирпичёв М.В. О наивыгоднейшей форме поверхностей нагрева // Известия энергетического института им. Г.М. Кржижановского, 1944.-Т.12. С.5-8.

7. Гухман A.A., Интенсификация конвективного теплообмена и проблема сравнительной оценки теплообменных поверхностей // Теплоэнергетика, 1977,- №4.- С. 5-8.

8. Валуева Е.П., Доморацкая Т.А. Оценка теплогидравлической эффективности рекуперативных теплообменных аппаратов // Теплоэнергетика, 2002.- №3.- С. 43-48.

9. Дубровский Е.В., Васильев В.Я. Метод относительного сравнения теплогидравлической эффективности интенсификации процесса теплообмена в каналах теплообменных поверхностей // Теплоэнергетика, 2002.- №6.- С. 60-63.

10. Ю.Коваленко JIM., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М.: Энергоатомиздат, 1986.

11. П.Величко В.И., Пронин В.А. Интенсификация теплоотдачи и повышение энергетической эффективности конвективных поверхностей теплообмена //М.: Изд-во МЭИ, 1999.

12. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В. А. Григорьева, В.М. Зорина 2-е изд., перераб.-М.: Энергоатомиздат, 1991.

13. Ересько Г.А., Кийс A.A. Оборудование для высокотемпературной пастеризации, стерилизации и охлаждения пищевых жидкостей/ Под ред. A.M. Маслова. JL: Машиностроение, 1967.

14. Барановский В.Н., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и теплообменники. М.: Машиностроение, 1973.

15. Böhm J. Wärmeübertragung an Platten Wärmeaustauschern. // Kältetechnik, 1955, №12, 358-362.

16. Watson E.L., Mc Killop A.A., Dunkley W., Pery R.L. Plate heat exchangers -flow characteristics and heat transfer. // Industrial Engineering Chemistry, 1960, Vol. 52, №9, 733-744.

17. Гинстлинг A.M. и Барсов B.B. Теплообмен в пластинчатом аппарате с волнообразными каналами. // Химическое маншиностроение, 1956, №66 с.20-22.

18. Льюис М. Простая аналитическая модель течения для расчета термогидравлических характеристик шероховатых поверхностей. // Теплопередача, М., 1975, №2, с.96-102.

19. Себан. Теплоотдача в турбулентном сорванном потоке воздуха за уступом в поверхности пластины. // Теплопередача, 1964, №2, с. 154.

20. Ибрагимов М.Х., Субботин В.И. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах. М.: Атомиздат, 1978.

21. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках,- М. : Наука, 1982.

22. Кутателадзе С. С., Леонтьев А. И. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергоатомиздат, 1985.

23. Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена и сопротивления при турбулентном течении в каналах теплоносителей в условиях интенсификации теплообмена. // Тезисы третьей российской Научно-технической конференции по теплообмену. Т.6, 2002, С. 140-143.

24. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. Л.: «Энергия», 1980.

25. Бережная O.K. Моделирование теплогидравлических процессов и разработка методики обобщения данных по эффективным теплообменникам. Автореферат канд. дисс. М.: МЭИ, 2005.

26. Ефимов А.Л. Исследование теплообмена и гидродинамики в каналах теплообменных аппаратов сложной геометрии. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1979.

27. Saniei N. and Dini S. Effects off height and geometry on local heat transfer and pressure drop in channel with corrugated walls. Heat Transfer Engineering, 1993, 14(4), 19-31.

28. Мендес С., Спэрроу E. Турбулентный теплообмен и его интенсификация, потери давления и картины течения жидкости в трубах с периодическим сужением и расширением проходного сечения. Теплопередача, 1984, т. 106, №1.

29. Wang G., Vanka S.P. Convective heat transfer in periodic wavy passages. // Int. J. Heat Mass Transfer, 1995, Vol. 38, №17, 3219-3230.

30. Hossain M.Z., Sadrul Islam A.K.M. Fully developed flow-structures and heat transfer in sine-shaped wave channels. // Int. Comm. Heat Mass Transfer, 2004, Vol. 31, №6, 887-896.

31. Кирильцев B.T., Мотулевич В.П., Сергиевский Э.Д. Аэродинамическая установка для экспериментального исследования характеристик пограничного слоя. В кн.: Вопросы термодинамики в низкотемпературных установках. Тр. МЭИ, 1980, вып. 491, с. 85-96.

32. Holman J.P. Heat Transfer. 9th ed., McGraw-Hill, New York, 2002.

33. Исаченко В.П. Теплопередача. M.: Энергия, 1975.

34. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, М., 1954.

35. Легкий В.М., Коваль Ю.Д. Теплообмен пластины в условиях гидродинамически стабилизированного турбулентного течения пограничного слоя. // Инженерно физический журнал, 1969, январь, том XVI, № 1, с. 22-28.

36. Маскинская А.Ю. Повышение эффективности теплообменных аппаратов за счет интенсификации теплообмена на поверхности с лунками. Автореферат канд. дисс. М.: МЭИ, 2004.

37. Домбровский Ю. М. Физические свойства металлов и сплавов: учеб. пособие для вузов. Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2004.

38. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Пер. с нем. Г.А. Вольперта, -М.: Наука, 1974.-712с.

39. Rush Т.А., Newell Т.А., Jacobi A.M. An experimental study of flow and heat transfer in sinusoidal wavy passages. // Int. J. Heat Mass Transfer, 1999, Vol. 42,1541-1553.

40. Wang C.-C.,. Chen C.-K. Forced convection in a wavy-wall channel. // Int. J. Heat Mass Transfer, 2002, Vol. 45, 2587-2595.

41. Мотулевич В.П., Жубрин C.B. Численные методы расчета теплообменного оборудования. М.: МЭИ, 1989.

42. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.-152с.

43. Барановский Б.В., Зарянкин А. Е. Турбулентные течения и некоторые пути их расчета. М.: Alva-XXI, 1991.

44. Брэдшоу П., Себеси Т. Турбулентность. М.: Машиностроение, 1980.

45. Menter F. R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, 1994, Vol. 32, №8, 1598-1605.

46. Теория тепломассообмена: Учебник для ВУЗов/ Под ред. А.И. Леонтьева.

47. Данилов Ю.И., Дзюбенко Б.В. и др. Теплообмен и гидродинамика в каналах сложной формы/ под ред. В.М. Иевлева. М.: Машиностроение, 1986.

48. Буглаев В.Т., Василев Ф.В. Гидродинамика и теплообмен в сложных каналах теплоэнергетических установок. Брянск: Дебрянск, 1992.

49. Snyder В., Li К.Т. and Wirtz R.A. Heat transfer enhancement in a serpentine channel. // Int. J. Heat Mass Transfer, 1993, Vol. 36, №12, 2965-2976.

50. Колмогоров A.H. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности. ДАН СССР, т.32, 1941, с. 19-21.

51. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Гостехиздат, 1954.

52. Никурадзе И. Закономерности турбулентного движения жидкости в гладких трубах. Проблемы турбулентности / Под ред. М.А. Великанова. М.: ОНТИ, 1936. С. 75-150.

53. Фейдж В., Таунсенд А. Исследование турбулентного течения при помощи ультрамикроскопа/ Под ред. М.А. Великанова. Проблемы турбулентности. М.: ОНТИ, 1936. С. 163-184.

54. Гольдштик М.А., Штерн В.Н. Гидродинамическая устойчивость и турбулентность. Новосибирск: «Наука», 1977.

55. Репик Е.У., Соседко Ю.П. Исследование прерывистой структуры течения в пристенной области турбулентного пограничного слоя. В кн.: Турбулентные течения. М.: Наука, 1974, с. 172-184.

56. Ефимов A.J1. Расчет сопротивления при турбулентном течении на основе модели с прерывистым подслоем // Труды МЭИ. 1980. Вып. 448, с. 70-74.

57. JI. Г. Лойцянский. Механика жидкости газа. М.: Наука, 1987.

58. Бажан П.И., Каневец Т.Е., Селиверстов В. М. Справочник по теплообменным аппаратам. М: Машиностроение, 1989.

59. Сборник примеров и задач по тепломассообменным процессам, аппаратам и установкам; под ред. A. JL. Ефимова. М.: МЭИ, 1997.

60. Мусин И.Р., Ефимов A.JI. Расчет теплогидравлических характеристик при течении жидкости в трубе на основе модели прерывистого подслоя // Вестник МЭИ. 2006- №1 с. 34 - 39.

61. Мусин И.Р., Ефимов A.JI. Расчет теплогидравлических характеристик пластинчатых теплообменников ленточно-поточного типа // Четвертая российская национальная конференция по теплообмену. Интенсификация теплообмена. М., 2006. - т.6 - с. 258 - 261

62. Л.И. Архипов, А.Б. Гаряев, A.JI. Ефимов и др. Расчет тепломассообмена в промышленных установках, системах и сооружениях. М.: «МЭИ», 2001.

63. Бакластов A.M., Горбенко В.А., Удыма П.Г. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. М.: Энергоиздат, 1981.

64. Heinrich G. Einführung in die konvektive Wärme- und Stoffübertragung. Verlag Technik GmbH Berlin, 1990.

65. Методика определения загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 тонн пара вчас или менее 20 Гкал в час. М.: Гос. ком. РФ по охране окружающей среды, 1999.

66. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Розин С.Е. Энергетический анализ. Методика и базовое информационное обеспечение. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001.

67. Постановление правительства РФ от 12 июня 2003 г. «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ».