автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Интенсификация конвективного теплообмена

Основные обозначения.

Введение.

1. Обзор литературы и задачи исследования.

1.1. Методы сравнительной количественной оценки энергетической эффективности конвективных поверхностей нагрева.

1.2. Повышение эффективности трубчатых поверхностей нагрева

1.3. Задачи исследования.

2. Метод расчета энергетической эффективности теплообменных аппаратов из гладкотрубных и оребренных пучков труб и аппаратов из профильных листов (пластинчатые теплообменники). Сопоставление гладкотрубных и оребренных пучков в случае «двустороннего» и «одностороннего» обтекания поверхности нагрева.

2.1. Метод расчета энергетической эффективности гладкотрубных пучков.

2.2. Метод расчета энергетической эффективности оребренных пучков.

2.3. Определение энергетической эффективности гладкотрубных и оребренных пучков. Сопоставление гладкотрубных и оребренных пучков.

2.4. Метод расчета энергетической эффективности теплообменных аппаратов из профильных листов (пластинчатых теплообменников). Расчет энергетической эффективности.

3. Экспериментальное исследование теплоаэродинамических характеристик в сверхтесных шахматных пучках.

3.1. Методика исследования теплоотдачи и аэродинамического сопротивления.

3.2. Опытный участок.

3.3. Схема экспериментальной установки.

3.4. Методика обработки опытных данных.

3.5. Измерения в тепловых и аэродинамических опытах.

3.6. Тарировочные опыты.

3.7. Анализ и обобщение опытных данных по теплоотдаче.

3.8. Анализ и обобщение опытных данных по сопротивлению.

3.9. Сопоставление полученных результатов с данными других авторов.

Теплообменные аппараты, как правило, являются наиболее металлоемкой и крупногабаритной частью энергетических установок в промышленной и станционной энергетике. В особенности это относится к теплообменникам, функционирующим в системах утилизации низкопотенциального тепла и работающим при небольших перепадах температуры. Поэтому проблема разработки эффективных теплообменных систем есть в значительной мере проблема интенсификации теплопередачи.

Поиск и исследование методов интенсификации, как и наука о теплообмене вообще, имеет достаточно продолжительную историю. Основываясь на интуитивном представлении об интенсивном перемешивании как средстве интенсификации теплообмена, многими исследователями были предложены и испытаны самые разнообразные турбулизирующие вставки, модифицированные формы каналов, различные искусственные формы шероховатости поверхности. На базе развитых расчетных моделей турбулентности и с применением численного моделирования сложных течений, в относительно недавнее время, были получены достаточно четкие представления о механизме интенсификации теплообмена, влиянии таких факторов, как свойства жидкости (число Прандтля), режим течения (число Рейнольдса), ускорение или торможение потока (течение в конфузоре или диффузоре). Развиваются методы различных физических воздействий с целью интенсификации переноса, такие как акустические и электромагнитные воздействия.

Конвективные рекуперативные теплообменные аппараты типа «газ -газ», «жидкость - жидкость», «газ - жидкость», «газ - двухфазная среда», «жидкость - двухфазная среда» широко используются в настоящее время как в промышленной (нефтехимия, металлургия, авиация, судовая, холодильная техника и т.п.), так и в станционной энергетике.

На изготовление таких теплообменников расходуется большое количество металла. Эксплуатация их связана с большими затратами энергии, прежде всего, на прокачку теплоносителей. Рост объемов производства сопровождается увеличением массы и габаритов теплообменников, а также затрат энергии на их эксплуатацию. Поэтому задача уменьшения массы теплообменных аппаратов (особенно «газ - газ» и «газ - жидкость»), с одной стороны, и эксплуатационных затрат, с другой, является здесь также весьма актуальной.

Эти задачи могут быть решены только посредством интенсификации теплообмена со стороны одного или обоих теплоносителей при умеренном росте гидродинамического сопротивления, так как энергетическая эффективность теплообменного аппарата определяется соотношением между полезным эффектом (тепловым потоком) и материальными затратами (расход металла и энергии).

Проблема повышения энергетической эффективности теплообменников и методы сравнительной оценки их эффективности, как отмечалось выше, изучалась, по существу, с момента появления первых аппаратов. Анализ основывался на исследованиях Гухмана A.A. [15-18], Кирпичева М.А. [35], Бузника В.М. [9], Жукаускаса A.A. [21, 23], Мигая В.К. [41-43], Калинина Э.К. и Дрейцера Г.А. [30]. Обширная информация о конструкциях компактных и интенсифицированных теплообменников и методах их расчета содержится в [1,6, 7, 14, 19,31,36,38, 43,49, 58 и др.].

Научное содержание этой проблемы определяется теми противоречивыми требованиями, которые предъявляются к теплообменным аппаратам: наибольший тепловой поток, наименьшие затраты мощности, наименьшая площадь поверхности.

Противоречивость этих требований очевидна: интенсивность теплообмена при прочих равных условиях возрастает примерно пропорционально скорости теплоносителя в первой степени, а затраченная мощность - пропорционально скорости в кубе. Кроме того, тепловой поток в целом пропорционален площади поверхности.

Поэтому, решение проблемы повышения энергетической эффективности теплообменного аппарата сводится к тому, чтобы при данной площади и средней скорости теплоносителя создать такую физическую обстановку, при которой перенос теплоты происходит с возможной наибольшей интенсивностью, а процесс переноса количества движения (определяющего затраты мощности) — с наименьшей.

Сложность этой задачи обусловлена двумя обстоятельствами. Во-первых, оба процесса переноса осуществляются одними и теми же элементами среды, которые одновременно являются носителями и теплоты и количества движения. Во-вторых, в общем случае следует рассматривать вопросы интенсификации теплообмена и уменьшения затрат на прокачку для обоих теплоносителей, имеющих общую, разделяющую их поверхность.

Очевидно, что физическая ситуация, соответствующая вышеописанной схеме процесса, весьма необычна, отличается большой сложностью и может быть создана только искусственно при хорошо продуманном и тщательно осуществляемом управлении развитием процесса.

Кроме того, при практическом использовании интенсификации в теп-лообменных аппаратах приходится сталкиваться с проблемами правильного выбора метода интенсификации и геометрических параметров интенсифицирующих элементов, учитывать, что изготовление интенсифицированных поверхностей требует определенных дополнительных затрат (учёт технологичности и стоимости), а также принимать во внимание случаи, когда интенсифицированные поверхности хорошо работали в начальный период эксплуатации, а затем соответствующий эффект уменьшался или исчезал вследствие накопления термически вредных отложений, эрозионного и коррозионного износа интенсифицирующих элементов, и тогда уже возникает необходимость выбора оптимального метода с позиций длительной эксплуатации, способов возможной очистки и т.п., то есть, в целом, с позиций надежности теплообменного аппарата.

Повышение энергетической эффективности теплообменников с глад-котрубными малорядными пучками, работающих на чистом газе (котлы7 утилизаторы ПГУ, калориферы, водогрейные газовые котлы, сухие градирни и т.п.) может быть достигнуто за счет уменьшения поперечного и продольного шага пучка, то есть за счёт увеличения компактности пучка.

Этому вопросу посвящена экспериментальная часть работы, в которой исследуются теплоаэродинамические характеристики сверхтесных попереч-нообтекаемых гладкотрубных пучков шахматной компоновки.

Важным вопросом при рассмотрении проблемы интенсификации конвективного теплообмена остаётся вопрос определения количественных показателей энергетической эффективности и правильного сопоставления различных способов интенсификации.

Этому вопросу посвящена расчётно-методологическая часть работы, в которой разработана методика и алгоритм расчёта показателей энергетической эффективности различных конвективных поверхностей при «одностороннем» и «двустороннем» обтекании поверхности. 8

Выводы:

Диапазон изменения рассматриваемых параметров (показателя энергетической эффективности по площади поверхности Кр , отношения длин Ъ21Ъ\ и отношения высот Ь21Ь\ исследуемого и эталонного теплообменников, отношение сопряженных чисел Рейнольдса, отношение объёмов занимаемых поверхностями и коэффициент компактности) в зависимости от типа профильного канала показан в таблице 2.11.

Из таблицы 2.11 видно, что наиболее эффективными пластинчатыми поверхностями для теплообменников «газ-газ» являются поверхности с плоскими каналами со сферическими углублениями (лунками) и с двуугольными каналами, образованными трапецеидальными выступами. У этих тепло-обменных аппаратов площадь поверхности нагрева меньше, чем у трёх других (включая «эталонный»), при одинаковых передаваемых тепловых потоках, одинаковых мощностях на прокачку теплоносителей и при одинаковых расходах теплоносителей. При этом наблюдается уменьшение высоты тепло

92 обменного аппарата (уменьшение длины пути хода теплоносителей) и рост длины теплообменника (ширина листов к принята неизменной, рис. 2.23). Сопряженные значения чисел Рейнольдса и, следовательно, величины скорости теплоносителей также диктуются условиями сравнения. Во всех случаях контролировался диапазон чисел Рейнольдса, в котором справедливы принятые по литературным данным эмпирические зависимости для теплоотдачи и сопротивления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения настоящей работы:

1. Проанализированы существующие методы сравнительной количественной оценки эффективности конвективных поверхностей нагрева.

2. Проанализированы методы повышения энергетической эффективности трубчатых поверхностей нагрева.

3. Предложен метод расчета энергетической эффективности гладкотрубных и оребренных пучков труб при «одностороннем» и «двустороннем» обтекании поверхности нагрева, теплообменных аппаратов из профильных листов и теплообменников с плоскими сеточно-ребристыми каналами.

4. Проведен анализ энергетической эффективности гладкотрубных и оребренных шахматных пучков, теплообменных аппаратов из профильных листов и теплообменников с плоскими сеточно-ребристыми каналами.

5. Получены новые надёжные зависимости по теплообмену и сопротивлению в шахматных пучках с ахЬ = 1,051x0,910; 1,027x0,889 и 1,009x0,874 в о диапазоне чисел Ые = (8-100)-10 при изменении рядов по ходу газа 22 от 5 доЗ.

6. Определены показатели энергетической эффективности исследованных компактных поверхностей нагрева.

111

1. Антуфьев В.М., Гусев Е.К., Иваненко В.В. и др. Теплообменные аппараты из профильных листов. М.: Энергия. 1972.

2. Антуфьев В.М. Сравнительные исследования теплоотдачи и сопротивления ребристых поверхностей // Энергомашиностроение. 1961. №2. С. 1216.

3. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. Л.: Энергия, 1966.

4. А. с. № 1560896 (СССР). Конвективная трубчатая поверхность / В.И. Величко, В.А. Пронин. (СССР). -Бюл. № 16, 1990.

5. Аэродинамический расчёт котельных установок. Нормативный метод / Под. ред. С.И. Мочана. М.: Энергия, 1977.

6. Бажан П.И., Каневиц Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообмен-ным аппаратам. М.: Машиностроение, 1989.

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

8. Берглес А. Интенсификация теплообмена // Теплообмен. Достижения. Перспективы. Избранные труды 6-й Международной конференции по теплообмену. М.: Мир. 1981. Т.6. С. 145-192.

9. Бузник В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках. Л.: Судостроение. 1969.

10. Ю.Величко В.И., Коваленко H.A., Шилле Б. Теплоотдача и сопротивление в сверхтесных гладкотрубных пучках шахматной компоновки // Тепломассообмен ММФ - 96. Т. 1. Конвективный тепломассообмен. Минск: АНК «ИТМО им. A.B. Лыкова», 1996.

11. П.Величко В.И., Лавров Д.А. Энергетическая эффективность конвективных поверхностей нагрева при двустороннем обтекании // Тр. Второй Российской нац. конф. по теплообмену. Т.6. Интенсификация теплообмена. М.: МЭИ, 1998. С. 58-61.

12. Н.Григорьев В.А., Крохин Ю.И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники. М.: Энергоиздат, 1982.

13. Гухман A.A., Зайцев A.A. Расчет и оценка эффективности конвективных поверхностей теплообмена сложной формы на основе обобщенного анализа // Современные проблемы теории теплообмена и физической гидродинамики. Новосибирск.: 1984. С. 16-30.

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

15. Гухман A.A., Кирпиков В.А. К вопросу об интенсификации конвективного теплообмена // Тепломассообмен VI: Материалы VI Всесоюзной конференции по тепломассообмену. Т. 1,4. 1. Минск: ИТМО АН БССР. 1980.

16. Гухман A.A. Методика сравнения конвективных поверхностей нагрева // ЖТФ. 1938. Т.8, №17. С.1584-1602.

17. Дилевская Е.В. Криогенные микротеплообменники. М.: Машиностроение,1978.

18. Жукаускас A.A., Жюгжда И. Теплоотдача цилиндра в поперечном потоке жидкости. Вильнюс: Мокслас , 1979.

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

20. Жукаускас A.A., Макарявичус В.И., Шланчяускас A.A. Теплоотдача пучков труб в поперечном потоке жидкости. Вильнюс: Минтис, 1968.

21. Жукаускас A.A. Проблемы интенсификации конвективного теплоперено-са. Тепломассообмен VII. Проблемные доклады Всесоюзной конференции по тепломассообмену. Ч. 1. Минск. 1985. С. 16-41.

22. Жукаускас A.A., Улинскас Р.В., Катинас В.И. Гидродинамика и вибрации обтекаемых пучков труб. Вильнюс: Мокслас , 1984.

23. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергия, 1981.

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

25. Калинин Э.К. Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990.

26. Карадашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. М.: Химия. 1990.

27. Кирпиков В.А. Интенсификация конвективного теплообмена. М.: 1991.

28. Кирпиков В.А., Лейфман И.И. Графический способ оценки эффективности конвективных поверхностей нагрева // Теплоэнергетика. 1975. №3. С. 34-36.113

29. Кирпиков В.А., Мусави Найниян С.М. Количественная оценка эффективности различных методов интенсификации конвективного теплообмена // Хим. и нефтяное машиностроение. 1994. №10. С. 11-14.

30. Кирпичев М.В. О наивыгоднейшей форме поверхности нагрева // Известия энергетического института им. Г.М. Кржижановского. 1944. Т. 12. С. 5-8.

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

32. Кунтыш В.В., Иохведов Ф.И. Выбор эффективной поверхности нагрева для создания компактного воздухоподогревателя (калорифера) // Известия вузов. Сер. Энергетика. 1970. №5. С. 68-72.

33. Кэйс В.Н., Лондон A.JI. Компактные теплообменники. М.: Энергия. 1967.

34. Лавров Д.А., Величко В.И. Повышение энергетической эффективности конвективных поверхностей нагрева при двустороннем обтекании // Пятая Международная научно-техническая конф. студентов и аспирантов. Тезисы докладов. Т.2. М.: МЭИ, 1999. С. 279-280.

35. Липец А.У. О рациональных компоновках конвективных поверхностей нагрева котельных агрегатов // Теплоэнергетика. 1963. №5.

36. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоатомиздат. 1987.

37. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. Л.: Энергия. 1980.

38. Мигай В.К., Фирсова Э.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление пучков труб. Л.: Наука. 1986.

39. Определение наивыгоднейших скоростей газов в экономайзерах мембранного типа / A.B. Змачинский, Ю.В. Мусатов, Г.И. Левченко, В.А. Медведев // Энергомашиностроение. 1974. №7. С. 13-15.

40. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: Справочник / А.Н. Бессонный, Г.А. Дрейцер, В.Б. Кунтыш и др. СПб.: Недра, 1996.

41. Почуев В.П., Луценко Ю.Н., Мухин A.A. Теплообмен в охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин // Тр. Первой Российской нац. конференции по теплообмену. Т. 8. Интенсификация теплообмена. М.: МЭИ, 1994. С. 178-183.

42. Пронин В.А. Измерение гидродинамических характеристик и теплоотдачи в тесных поперечно обтекаемых трубных пучках. Энергетически эффективный способ размещения труб в пучке / Автореф. дис. канд. тех. наук. М.: 1990.

43. Пронин В.А., Клевцов A.B., Лавров Д.А., Косолапов Д.М. Повышение энергетической эффективности плоских сеточно-ребристых каналов // Тр. Второй Российской нац. конф. по теплообмену. Т.6. Интенсификация теплообмена. М.: МЭИ, 1998. С. 188-191.

44. Прусс Л.В. Проблема надежности теплообменных аппаратов. Л.: Наука. 1986.114

45. Расчёт и рекомендации по проектированию поперечно-оребрённых конвективных поверхностей нагрева стационарных котлов // Руководящий материал 108.030.140-87. Л.: Министерство энергетического машиностроения, 1987.

46. Саликов А.П., Тулин С.Н. Методика сравнения пучков труб с проволочным оребрением / Энергомашиностроение. 1959. №11. С. 20-21.

47. Справочник по теплообменникам / Пер. с англ., под ред. Б.С. Петухова,

48. B.К. Шикова. Т. 1. М.: Энергоатомиздат, 1987.

49. Стасюлявичус Ю., Скринска А. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков ребристых труб. Вильнюс: Мокслас , 1979.

50. Тепловой расчёт котельных агрегатов. Нормативный метод / Под. ред. Н.В. Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973.

51. Теплообменная аппаратура энергетических установок / М.М. Андреев,

52. C.С. Берман, В.Г. Буглаев, Х.Н. Костров. М.: Машгиз, 1963.

53. Теплообменные устройства газотурбинных и комбинированных установок / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Машиностроение. 1985.

54. Туркин A.B., Сорокин А.Г., Брагина О.Н. и др. Интенсификация теплообмена при помощи лунок в плоском канале при низких скоростях движения воздуха // Тепломассообмен ММФ - 92. Т.1. 4.1. Минск: АНК «ИТМО им. A.B. Лыкова», 1992. С. 18-21.

55. Щукин В.К., Халатов A.A. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. М.: Машиностроение. 1982.

56. Практикум по теплопередаче / Под ред. А.П. Солодова. М.: Энергоатомиздат, 1986.