автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Повышение эффективности ТЭС на счет интенсификации теплообмена в мазутоподогревателях

На правах рукописи

Будилкин Владимир Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЭС ЗА СЧЕТ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В МАЗУТОПОДОГРЕВАТЕЛЯХ

05.14.14 - тепловые электрические станции 05.14.05 - теоретические основы теплотехники

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

АВТОРЕФЕРАТ

Казань - 1998

Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» Казанского филиала Московского энергетического института —технического университета.

член - корреспондент РАН, д.т.н., профессор Мазмесв Ю.Г,

доктор технических наук, профессор Фафурнн Л.В.

кандидат технических паук, профессор Лавыгин В.М.

Отдел энергетики КНЦ РАН

Защита состоится нюня 1998 г. п аудитории^"<?0/в час.00 мин.

на заседании Диссертационного совета К 053.16.01 Московского энергетического института (технического университета) по адресу: Красноказарменная ул., д. 13.

Отзывы , заверенные печатью , просим высылать по адресу : 111250 ГСП, Москва Е-250, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «

/С 1998,,

11 ау ч и ы и ру ко водите; I ь:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация :

Ученый секретарь Диссертационного совета К 053.16.01, доцент

Л.В. Андрюшии

Общ»» характеристика работы.

Актуальность проблемы. В тепловых схемах паротурбинных и котельных установок используются тсплообменные аппараты для охлаждения и нагревания вязких жидкостей: турбинных масел, мазута и др. Процессы теплообмена в них протекают с относительно небольшой интенсивностью. Поэтому важной задачей является повышение значений коэффициентов теплоотдачи между обрабатываемой вязкой жидкостью и , поверхностью теплообмена.

Актуальность этих разработок очевидна - общепризнанно и доказано па практике, что внедрение методов интенсификации теплообмена позволяет значительно уменьшить габаритные размеры и массу теплообменных аппаратов. А их доля в станционной теплоэнергетике составляет до 70% объема технологического оборудования.

К настоящему времени в России и бывших республиках СССР сложились известные во всем мире научные школы, занимающиеся проблемами интенсификации конвективного теплообмена, во главе которых стоят видные ученые Г.А.Дрейцер,- В.А. Кирпиков, Л.М.Коваленко, В.К.Щукип, 10.М. Бродов.

Широко известны работы' и монографии А.А.Гухмана, В.К.Мигая А.А.Жукаускаса и многих других, посвященные этой проблеме.

Из зарубежных ученых следует отметить большой вклад в постановку и разработку проблемы А. Берглса.

Исторически сложилась ситуация когда большинство работ в этой области посвящено исследованию интенсификации теплообмена применительно к аппаратам и теплоносителям, работающим в условиях турбулентного или переходного режимов течения и только в последние годы был проявлен конкретный интерес к области ламинарного режима течения.

Появились достаточно строгие обоснования, что именно ламинарный и переходный ' режимы течения являются наиболее перспективной областью применения методов интенсификации конвективного теплообмена. Несмотря на актуальность проблемы интенсификации конвективного теплообмена при ламинарном течении капельной жидкости исследований в этой области явно не достаточно. Такая ситуация затрудняет выбор метода интенсификации и проведения последующего расчета оборудования.

Работа посвящена повышению эффективности эксплуатации схем и гсплообменного оборудования мазутных хозяйств 'ГЭС на основе применения конкретного метода интенсификации конвективного теплообмена -применению спирально-винтовых проволочных вставок в каналах мазутоподогревателей .

Цель работы. Цель настоящей работы заключается в следующем.

1.Провести анализ эффективности работы серийно выпускаемых мазутоподогревателей 'ГЭС и определить для них технологичные методы интенсификации теплообмена.

з

2.Разработать матсмагичсскую модель, позволяющую описать процесс теплообмена при ламинарном течении вязкой ньютоновской жидкости в трубах и каналах со спирально-винтовыми вставками.

3.Разработать метод численной реализации сформулированной задачи.

4. Получить численные результаты по исследованию тепловых и гидродинамических характеристик процесса интенсификации теплообмена применительно к мазутоподогревателям и маслоохладителям ТЭС.

5. Провести анализ механизма возникающих эффектов интенсификации теплообмена и гидродинамических потерь в ламинарном потоке вязкой жидкости.

6.Проведение экспериментальных исследований с цслыо определения выгодных тепловых и гидродинамических режимов, оценки адекватности математической модели и методов расчета.

7. Проведение промышленных экспериментальных исследований па серийно выпускаемых мазутоподогревателях ТЭС.

8. Выработка рекомендаций по практическому применению спирально-винтовых проволочных вставок в тсплообменном оборудовании ТЭС.

Научная новизна. К наиболее существенным научным результатам можно отнести следующие:

1. Проведен анализ эффективности работы серийно выпускаемых мазутоподогреватслей ТЭС.

2. Разработана в галеркииской постановке математическая модель, описывающая процесс теплообмена при ламинарном течении вязкой ньютоновской жидкости в каналах и трубах со спиралыю-пшповыми проволочными интеисификаторами теплообмена применительно к мазутоподогревателям ТЭС.

3. Разработан алгоритм и метод численной реализации задачи теплообмена в приближении Галсркипа.

4. Проведен анализ механизма и показаны причины возникновения эффектов интенсификации теплообмена.

5. Проведены лабораторные и промышленные экспериментальные, а также численные исследования влияния тепловых, гидродинамических и геометрических характеристик на процесс теплообмена в мазутоподогревателях ТЭС.

6. Выполнен анализ повышения эффективности ТЭС за счет применения конкретных методов интенсификации теплообмена в мазутоподогревателях.

Практическая ценность работы. Использование спирально-винтовых проволочных интенсификаторов теплообмена и каналах кожухотрубчатых теплообмспных аппаратов ТЭС, работающих на высоковязких средах, такие как подогреватели мазута, позволили значительно уменьшить число ходов по трубному пространству, уменьшить гидродинамическое сопротивление аппарата и, соответственно, затраты электроэнергии и мощности на прокачку.

Разработанные прикладные программы могут быть использованы для проектирования и модернизации теплообменпого оборудования. Результаты работы использованы при практическом внедрении

интенсифицированных мазутоподогревателей на Заинской ГРЭС Г1ЭО "Татэнерго".

Автор защищает : результаты теоретических, лабораторных и промышленных экспериментальных исследований процессов интенсификации теплообмена к мазутоподогревателях 'ГЭС и предлагаемые на этой основе возможности их практического применения.

Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на Республиканских научных конференциях "Проблемы энергетики" (Казань, 1997 и 1998 г.г.), на 10-й Международной конференции по численным методам в проблемах теплообмена (Великобритания. 1997 г.).

Публикации. По теме диссертаций опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка использованных источников. Работа изложена па 110 стр. машинописного текст а, содержи т 54 рисунков и 6 таблиц. Список использованных источников содержит 94 наименования.

Содержание работы.

В червой главе, дается обзор основных работ , посвященных интенсификации теплообмена при течении капельных жидкостей в трубах и каналах . Приводится классификация методов интенсификации конвективного теплообмена.

В первой главе рассматриваются также различные методы оценки эффективности способов интенсификации. Здесь же приводится анализ наиболее распространенных математических моделей процессов теплообмена при ламинарном течении жидкостей в винтовых каналах.

Приведено описание конструкций серийно выпускаемых и эксплуатируемых теплообменников на 'ГЭС мазутоподогревателей. Приведено описание схем мазутных хозяйств ТЭС па примере Заинской ГРЭС ПЭО «Татаэнерго».

Приведен анализ эффективности работы и эксплуатации серийно выпускаемых конструкций мазутоподогревателей.

По результатам произведенного анализа литературных источников были сделаны следующие основные выводы:

1. серийно выпускаемые конструкции мазутоподогревателей отличаются достаточно низкой эффективностью и как следствие высокой металлоемкостью. Схемы подготовки топлива часто содержат значительно больше необходимого числа аппаратов.

2. в интенсифицированных конструкциях серийно выпускаемых мазутоподогревателей метод интенсификации теплообмена также часто выбран необоснованно , не дает ожидаемых результатов.

3. интенсификация конвективного теплообмена в вязких средах при и ламинарном течении является весьма актуальной проблемой;

4. па данный момент известные опытные данные по интепсификаци теплообмена в условиях ламинарного режима течения вязкой жидкости помощью спирально - винтовых проволочных вставок не позволяют получит достаточное обобщение в виду незначительности их объема;

5. как следствие, становится необходимым проведение опытны исследований для широкого диапазона чисел Рейнольдса и геометрически характеристик каналов;

6. известные по литературным источникам теоретические исследовани ламинарных течений в интенсифицированных каналах не позволяют провеет: детальный анализ возникающих эффектов и не рассматривают конструкци! каналов со спирально - винтовыми проволочными закручивателями.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процесс теплообмена при течении вязкой жидкости в каналах с винтовым: проволочными вставками.

При постановке задачи принимались следующие основные допущения:

1. Течение несжимаемой жидкости ламинарное, установившееся, а сформировавшимся профилем скорости на входе в канал.

2. Поведение жидкости с реологической точки зрения можно описать I помощью гипотезы Ныотопа

3. Плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводное^ жидкости в ходе процесса меняются незначительно.

4. Силы тяжести входят в уравнение движения неявно через избыточно! давление.

5. В связи с тем, что для рассматриваемых жидкостей число Рг» 1 , т( время гидродинамической релаксации много меньше тепловой..

6. Перенос теплоты вдоль основного направления движения за сче-тсплопроводности мал по сравнению с вынужденным переносом в этом ж< направлении и переносом в поперечном направлении.

7. На боковой стенке канала жидкость прилипает к стенке, т. е. векто[ скорости - пулевой вектор.

Капал или труба со спирально-винтовой проволочной вставкой обладает одпопараметричсской группой винтовой симметрии, которую можне использовать для упрощения описания задачи. С этой целью введе?»

- 1 9 1

специальную винтовую систему координат (ч ,ч ) , связанную с цилиндрической системой (г, ф, г), ось которой совпадает с осыо канала следующими соотношениями

Т = -Р1 + ц(1)В,

О)

Основная система уравнений энергии , движения и неразрывности на основе сделанных допущений имеет вид:

grad t • V = aAt + —О) РСр

р (grad V ■ V) + grad Р - div 'Г0 = О, (4 )

div V = 0, (5)

Температурная зависимость p(t) была представлена в аррениусовском виде.

К системе уравнений (3) - (5) добавлялись условия однозначности, определяющие конкретную задачу теплообмена :

1. начальное условие для температуры жидкости на входе в капал (q3 = z =0)

1|Ч'=0=10=СО"51' (6)

2. Граничное условие для; температуры одного из трех следующих видов

t|,K = t,= const, -^£)|iK = q(q3), -*<|^ж = а(1|ж-I.), (7)

где: oc(t|aK~t.) - заданный на Ж закон теплообмена;

3. граничные условия прилипания жидкости на боковой границе капала

VU=0 (8)

4. заданное значение расхода жидкости Q через поперечное сечение канала

Q= J{(VN)dQ= const, /9ч

!!

где N - нормаль к этому сечению.

С 77 - 1 3V:

5. условие автомоделыюсти вектора V по третей координате q ,—~=0.

Лг

Алгоритм расчета ( 3 ) - ( 5 ) основан па использовании итерационных методов , при этом на каждом шаге итераций решаются линеаризованные уравнения, соответствующие уравнения системы.

Основная идея такого итерационного подхода состоит в разбиенш длины капала на слои путем введения сетки по напрвалению я3 .

На каждом слое ч1к ищется поле температур I из ( 3 ), при это.\ используются значения гидродинамических полей, взятые с предыдущего ело;

п одно пз граничных условий для температуры (7).

Далее проводится уточнение гидродинамических характеристик на этои же слое q3k с помощью полученной матрицы I , вновь расчитываете) распределение I на этом же слое с помощью уточненных значений скоростных полей и т.д. до достижения необходимой степени точное™ результатов. Затем осуществляется переход на новый слой q3i' + l , 'Гака; процедура расчета повторяется на каждом слое.

Одним из эффективных методов решения задач гидродинамики являете* метод Галсркииа. При этом классическое решение систем ( 3 ) - ( 5 ] заменяется обобщенным, удовлетворяющим основному функциональном) соотношению. Обобщенным решением V назовем вектор - функцию принадлежащую пространству и - пространству соленоидальпых вектор • функций, определенных в канале К, обладающих винтовой симметрией у имеющих на боковой поверхности Ж каналаК нулевые граничные условия.

Получение функционального соотношения метода Галерки ш производится умножением (4) на произвольный элемент Ьеи и интегрированием его по части К винтового канала К, заключенной между двумя перпендикулярными оси канала поверхностями, отстоящими друг от друга на расстоянии 8 :

(Т{2-^-Ь3 +ц(0В(У)-В(Ь) + 2р((8гас17-У)-Ь)}с1П = 0 . (10)

1> ЙЧ

Для определения дР/дс? использовалось выражение (9).

При построении базисных функций использовался метод конечных элементов . В качестве базисных функций использовались сплайны третьего порядка.

Для решения уравнения (3) использовался метод Фаэдо - Галеркина, который свелся к отысканию системы неизвестных функций , при этом

начальные значения для этой задачи вычисляются из решения такой же задачи па предыдущем слое я'3.

В качестве объектов численного исследования использовались трасформагорное масло и мазут (вязкие жидкости).

Все расчеты, также как и экспериментальные исследования, проводились для условий нагревания жидкости.

Полученная математическая модель и метод ее численной реализации позволяют определить поля температуры 1, вектора скорости V и вихря СО и других необходимых характеристик.

В работе получен баланс механической энергии и проведен его последующий расчет и анализ его составляющих.

Уравнение механической энергии получается при помощи скалярного умножения динамического уравнения на вектор скорости, которое после преобразований приводится к виду :

v • цгайе = ску(т° •у)-1/2т° -в-у^ыр (11)

Очевидно, что 1-ый член в (11) V -¡¡гад Е - изменение кинетической энергии; во втором члене (И) вектор Т°-У - есть поток энергии а сНу(Т° V) -чистый приток энергии, обусловленный работой поверхностных девиаторных сил; третий член (II) 1/2 Т°: В - диссипация энергии и, наконец, §га(] Р- V -работа сил давления.

В работе представлены результаты расчетов распределения кинетической энергии потока вязкой ньютоновской жидкости в поперечных радиальных сечениях трубы со спирально-винтовой проволочной вставкой.

Был также проведен для идентичных условий течения расчет распределения второго инварианта скорости деформации на стенках трубы со спирально-винтовой проволочной вставкой, диссипативной функции и работы поверхностных сил.

Применение дискретных шероховатостей различного типа для интенсификации конвективного теплообмена при ламинарных течениях капельных жидкостей позволяет получить более заполненные профили вектора скорости, увеличить значения локальных коэффициентов теплоотдачи и шачителыю уменьшить длину теплового начального участка.

Все это происходит в связи и па фоне перераспределения кинетической шергии потока жидкости по сечениям канала, при этом, максимум кинетической энергии смещается в пристенные области течения. Как следствие, фоисходит значительное, по отношению к другим методам интенсификации, шеньшение гидравлического сопротивления и затрат мощности на прокачку эабочего тела.

В третьей главе были сформулированы основные задачи 1Кспериментальпого исследования.

Главной задачей проведения экспериментальных исследований являлась щенка адекватности разработанной математической модели теоретических ¡сследований теплообмена и гидравлического сопротивления при ламинарном ■ечении вязких ньютоновских жидкостей в трубах с проволочными спиралями.

В качестве модельной вязкой жидкости было использовалось рансформаторное масло. Выбор масла обоснован тем, что в лабораторных кспериментальных исследованиях оно широко применяется , обладает хорошо [зученными теплофизическими характеристиками и более безопасно в абораторных условиях.

Рабочий элемент экспериментального стенда представлял собой гладкую атуннуго трубу 0=16x1 мм. и длиной Ь = 1500 мм. В гладкую трубу плотно стана вливались сменные проволочные спирали.

По результатам проведенных опытных исследований определялис! средний коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к потоку нагреваемо! жидкости, расход жидкости и гидравлическое сопротивление исследуемоп участка теплообменной трубы.

Для оценки изменения гидравлического сопротивления проводилиа исследования при изотермическом течении вязкой жидкости. 1 "" '

При использовании труб с вставками из проволочных спиралей зиачени: коэффициентов гидравлического сопротивления заметно увеличились. Быш установлено, что увеличение коэффициента сопротивления по сравнению < гладкой трубой составляет 100-300%.

Границей между двумя режимами течениями вязкой жидкости i винтовом канале является критическое число Рейнольдса Re*.

Переход от ламинарного течения к турбулентному происходят в трубе ( проволочной спиральной вставкой при меньших числах Re, чем в гладко! трубе. Его значение зависит от геометрических параметров проволочное спирали

В исследуемом диапазоне изменения геометрических размеров спиралс! было установлено, что величина критического числа Рейнольдса изменялась ог 85 до 358.

Было получено расчетное уравнение для определения критического числ; Рейнольдса следующего вида:

Re* = 21.6 (—)°'75( —)" °'9.

D D ;

Точность предложенного уравнения ±15% по сравнению с результатам! опытов.

Результаты проведенных опытов показали, что вставки из проволочныз спиралей существенно влияют на интенсивность теплоотдачи. Выявлено, чт< увеличение значений чисел Нуссельта в трубе со вставками достигает 150 400% в зависимости от геометрических параметров спирали. Было установлено что с ростом относительных диаметров проволочных спиралей tl/D i уменьшением шага S/D проволочных спиралей интенсивность теплообмен! растет.

Было установлено, что с уменьшением значений чисел Re<10( интенсивность теплоотдачи становится близкой к теплоотдаче в гладкой трубе особенно, с уменьшением относительного диаметра спирали d/D и ростом шаг; проволочной вставки S/D. Для сравнительной количественной оценю эффективности методов интенсификации конвективного теплообмена в работ* использовался энергетический коэффициент.

Сопоставлеиние интенсификаторов - проволочных спиральных ветаво] различных геометрических параметров позволило найти паиболс! предпочтительную область применения проволочных спиралей по числ; Рейнольдса, определить наилучшие геометрические характеристики спиралей ' оценить их эффективность.

Анализ результатов оценки энергетической эффективности проволочных спиралей вставок показывает, что в определенном диапазоне чисел Re, d/D и S/D через поверхность теплообмена можно передать большее количество теплоты, чем через поверхность гладкой трубы при одинаковых удельных мощностях на прокачку теплоносителя.

При одинаковом шаге проволочной спирали, с ростом диаметра проволоки и d/D количество переданной теплоты на единицу затраченной мощности уменьшается. И наоборот, при одном и том же относительном диаметре проволоки d/D с ростом относительного шага проволочной спирали S/D количество переданной теплоты на единицу затраченной мощности Е0 также увеличивается.

Анализируя полученные результаты, было получено, что не для всех чисел Re интенсификация теплообмена энергетически эффективна.

В диапазоне значений чисел Рейнольдса 100<Re<Re* трубы с проволочными спиральными вставками с энергетической точки зрения более эффективны, чем гладкая труба.

Особенно следует отметить теплообменную трубу с проволочной спиралью S/D=0.171. В зависимости от числа Re энергетическая эффективность ее превосходит гладкую трубу на 10 - 40%. При Re = 200 - на 31 %; Re = 350 - на 40% ; Re=500- на 30%; Re = 650 - на 20%; Re = 800 - на 15%. А при Re = 1000 ее эффективность практически одинакова с гладкой трубой.

Для оценки эффективности метода интенсификации конвективного теплообмена использовлись три критерия эффективности: по тепловому потоку Kq, по мощности KN и по площади теплообмена KF.

Анализ эффективности теплообменных труб с проволочными спиральными вставками разных геометрических параметров и гладкой трубы по значениям коэффициентов Км , Kq , Kf показал следующее.

При относительно небольших числах Рейнольдса Re=50-75 значения коэффициента эффективности Kq близки к 1, т.е. эффективность их почти не отличается от гладкой трубы.

При увеличении значений чисел Re сверх критического Re* эффективность труб с проволочными спиралями резко снижается, становится равной или меньшей по сравнению с гладкой трубой.

Это можно объяснить переходом из ламинарного режима в турбулентный, где гидравлическое сопротивление при одинаковых числах Рейнольдса в трубах с проволочными вставками значительно превышает (6-10 раз) сопротивление в гладкой трубе. Поэтому эффективность труб со спиралями резко падает.

Для всех исследованных труб эффективность по коэффициенту Kq превышает гладкую в 1.5 - 2 раза в интервале значений чисел Рейнольдса Re = 200-500.

При сравнении эффективности теплообменных труб по значению коэффициента Kq выявлено, что при увеличении шага спирали S/D эффективность теплообмена уменьшается при постоянном d/D и наоборот, при

п

росте относительного диаметра спиралей сЮ при одинаковом 8/ эффективность теплообменных поверхностей увеличивается.

Следует так же отметить, что при росте значений чисел Рейнольд эффективность теплообменных поверхностей по коэффициенту ] увеличивается.

Сравнение эффективности теплообменных труб с проволочньн спиралями по коэффициенту Кы показало, что при небольших числах 11е=50-значения коэффициента Км для всех труб больше 1 (Кы=2.5-7.: Следовательно, при этих значениях чисел 11е теплообменная поверхность спиралями имеет эффективность более низкую, чем для гладкой трубы.

Дальнейшее увеличение чисел Яе приводит к значительному снижен} значений Км от 0.2 до 0.01 и ниже.

Это объясняется тем, что при постоянных тепловых потоках при равш поверхностях теплообмена равенство эффективности теплоотдачи для гладк труб и труб с проволочными вставками соблюдается при значительно бол высоких значениях чисел Рейнольдса для гладких труб по сравнению с труба; со вставками. Сравнение эффективности проводится при разных режим течения.

Четвертая глава посвящена практическому использованию результат исследований.

В работе проводятся результаты исследования влияния проволочи! спиральных вставок на интенсивность теплообмена и гидравлическ сопротивление при течении топливного мазута в промышлент мазутоподогревателе типа ПМ-10-120.

Результаты экспериментальных промышленных исследований показа; что при течении вязкой жидкости при значениях чисел Рейнольдса 11е=50-7 наилучшую эффективность имела теплообменная труба с проволочи спиральной вставкой с геометрическими параметрами: <1/0=0.171, 8/0=4.28. В серийных мазутоподогревателях типа ПМ-10-120 трубный пучок состоит 388 труб стальных диаметром 38x2,5 мм., число ходов по трубио пространству-12, длина теплообменных труб-10м. Теплообменная поверхнос составляет Р=400м2.

Номинальная производительность по нагреваемому топливному маз> марки М-100 составляет 120000 кг/ч. Мазут подогревается от 60 до 115°С.

В качестве интенсификаторов использовались проволочные спира изготовленные из проволоки диаметром 5.0 мм (сШ=0Л52 , 8/0=140).

Для сравнения фактических тепловых и гидравлических характерно мазутоподогревателя типа ПМ-10-120 с трубными пучками из гладких труС теплообменных труб с проволочными спиральными вставками были проведе промышленные экспериментальные исследования.

Для повышения точности измерения расходов теплоносителей, температур, гидравлического сопротивления трактов при проведен испытаний в эксплуатационных условиях был установлен ряд измерительн приборов.

Проведенные исследования показали, что коэффициент теплоотдачи от ювсрхности теплообмена с пучком из гладких труб составлял от 10 до 89 Ым .к) в зависимости от массового расхода. Гидравлическое сопротивление рубного пучка мазутоподогрсиателя изменялось при этом от 34600 доЗ 12000 Га в зависимости от расхода мазута соответственно. При установке |роволочных спиральных вставок степень интенсификации теплообмена оставила от 4.5 до 6.8 по сравнению с гладкотрубным подогревателем Следует ггметить, степень интенсификации теплообмена увеличивалась с ростом чисел 1с и достигала максимума при 11е=450.

Было установлено, что гидравлическое сопротивление шутонодогрсвателя с проволочными спиральными вставками превышает ¡опротивление гладкотрубного подогревателя па 100-250 процентов. Был фоведен анализ энергетической эффективности серийного лазутоподогреватсля ПМ-10-120 и подогревателя этого же типа с троволочными спиральными вставками.

Сравнение проводилось по значению коэффициента энергетической >ффективности в условиях равных энергетических затрат на прокачку мазута ¡срез аппарат.

Для теплообменных труб мазутонодогревателя с проволочными ¿ставками интенсификация теплоотдачи энергетически выгодна. Так, при штратах мощности на прокачку мазута N=5 Вт/м передастся теплота в гладкотрубном пучке 33 Вт (м.К), а в трубах с проволочными спиральными вставками более 120 Вт, а при 20 Вт/м в гладких трубах передается теплоты 70Вт., а в трубах с интенсификаторами 220 Вт. Показано что, при затратах одной и той же мощности на прокачку мазута при всех исследованных расходах через подогреватель передается теплоты значительно больше, чем в серийном мазутоподогревателе.

Таким образом, использование проволочных спиралей в качестве интенсификаторов теплообмена в мазутоподогревателях энергетически выгодно.

Применение проволочных спиралей позволило уменьшить число ходов по трубному пространству с 12 до 6-8 ходов. Конструкция мазутоподогревателя позволяет уменьшением числа перегородок также снизить число ходов.

При 8 ходах число труб в одном ходе увеличивается до 48 груб, скорость мазута в трубах уменьшится при этом в 1.5 раза и число Рейнольдса снижается при расходе мазута 120000 кг.ч. с 450 до 300.

Однако , количество передаваемой теплоты в этом случае будет значительно превышать се передачу в гладкотрубном аппарате.

Степень интенсификации в аппарате с проволочными спиралями позволяет перейти на 4 хода по трубному пространству. При этом гидравлическое сопротивление такого теплообменника становится меньше сопротивления серийного аппарата. Дополнительно в мазутоподогревателе с проволочными спиральными вставками снижаются затраты электроэнергии на прокачку мазута на 40-45 процентов по сравнению с серийным

мазутоподогрсвателем ПМ-10-120 при одинаковой тепловой нагрузке 1 массовом расходе мазута 120000 кг/ч.

Проведена оценка энергетической эффективности мазутоподогревателе1 и схемы мазутного хозяйства на примере Заинской ГРЭС.

Предложены варианты совершенствования схем мазутного хозяйства.

В заключении изложены основные выводы по результатам диссертационной работы:

1. На основе анализа литературных источников и опыта эксплуатацш схем мазутного хозяйства Заинской ГРЭС и Казанской ТЭЦ-1 определень режимы эксплуатации установленных серийно выпускаемых подогревателе! мазута типа ПМ , выявлены их недостатки и показана их низкая теплова) эффективность.

Показано, что одним из путей создания новых высокоэффективных V модернизации установленных подогревателей мазута является применена« методов интенсификации конвективного теплообмена , основанных ш использовании дискретно-шероховатых поверхностей теплообмена.

Определено, что одним из наиболее эффективных методо! интенсификации теплообмена для подогревателей мазута типа ПМ являете} использование проволочно-спиральных винтовых вставок.

2. Разработана в приближении Гаперкина математическая модел! теплообмена при ламинарном течении вязкой жидкости в трубах и каналах теплообменных аппаратов применительно к подогревателям мазута.

Предложены алгоритмы и методы ' решения построенной математической модели.

3. Получены результаты теоретического исследования в форме распределения компонент вектора скорости и температуры в трубах с винтовыми проволочно-спираяьными вставками. В качестве обьектои численного исследования выбран мазут марки М-ЮО.

Проведен анализ влияния геометрических размеров интенсификатороп на тепловые и гидродинамические характеристики мазутоподогревателей.

Определены интегральные характеристики процесса - динамика изменения локальных коэффициентов теплоотдачи и гидродинамических потерь, определена расчетная эффективность применения проволочно-спиральных интенсификаторов в трубах подогревателей мазута типа ПМ.

4. Проведен теоретический анализ механизма возникновения энергетически выгодного эффекта интенсификации конвективного теплообмена в трубах мазутоподогревателей. Показано, что причиной возникающих

[)фектов является перераспределение кинетической энергии потока вязкой идкости в канале проволочио-спиральным ицтенсификатором и смешение се аксимальных значений в пристенную область течения.

5. Для проверки адекватности математической модели и выявления на хперимептальном уровне эффектов интенсификации теплообмена проведены 1бораторные исследования .

Определены критические значения чисел Рейнольдса , соответствующие ¡минарпому режиму течения вязкой жидкости в трубах мазутоподогрсвателей.

Выявлено влияние геометрических характеристик интснсификаторов па :пловые и гидродинамические показатели.

Определена с помощью различных критериев эффективность римснсиия проволочио - спиральных интенсификаторов для труб азутонодогревателей 'ГЭС.

Показано, что для всех основных режимов эксплуатации азутоподогревателей типа ПМ применение указанных интснсификаторов 1Сргетически выгодно.

6. Приведен комплекс промышленных экспериментальных ¡¡следований на мазутоподогревателях ПМ-10-120 схемы мазутного хозяйства шнекой ГРЭС.

Предложено два варианта повышения эффективности азутоподогревателей и схемы мазутного хозяйства:

1) При одной и той же номинальной нагрузке по мазуту и одинаковой тепловой эффективности подогревателей экономия электроэнергии на собственные нужды мазутного хозяйства составит 37%.

2) При равных гидравлических потерях на прокачку мазута и подогреве мазута тепловая производительность подогревателей увеличивается более чем в 1,5 раза. Это позволяет часть подогревателей мазута вывести в резерв.

Условные обозначения.

г,ф,г - текущие переменные цилиндрической системы координат с]',с)2,с]3 текущие переменные винтовой системы координат; Б -шаг винтового канала; ^ компоненты вектора скорости V в винтовой системе координат; Т - тензор апряжений ; Т° - девиатор тензора Т; I - единичный тензор; Р - давление ; |л(1) эффективная вязкость ; I - текущая температура; В - тензор скоростей еформациий; 1г, 10-.граничное и начальное значения температуры; р, Ср , X, а -«отность, теплоемкость, тепло- и температуропроводность; а - коэффициент гплоотдачи; К — винтовой канал; ЗК - граница К; ч(ч3) - тепловой поток на генке канала; — объемный расход жидкости через поперечное сечснис анала £2 ; Е - кинетическая энергия потока вязкой жидкости.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах :

1. Будилкин В.В. Влияние геометрических характеристик проволочных спиральных интенеификаторов на эффективность теплообмена в каналах мазутоподогревателей ТЭС. // Межвузовский сборник научных трудов "Интенсификация тепло - и электроэнергетических процессов"- 1995.-N3-0.15-16.

2. Будилкин В.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление мазутоподогревателя при течении вязкой жидкости (мазут М100) в трубах с проволочными спиральными вставками. // Межвузовский тематический сборник научных трудов "Теплоэнергетика".-

1996.-N2-C.4-9.

3. Будилкин В.В. Расчет профиля вектора скорости ламинарного течения вязкой жидкости в трубах со спирально - винтовыми проволочными вставками. II Проблемы энергетики: Тез.докл. Республ. научн. конф. 10-15 ноября 1997 г. - Казань,

1997.-С.57

4. Будилкин В.В., Назмеев Ю.Г. Теплообмен при ламинарном течении вязкой жидкости в каналах с проволочными вставками.

// Теплоэнергетика ,1997.- N8,- С.65-67.

5. Назмеев Ю.Г., Будилкин В.В. Численное исследование ламинарного течения вязкой жидкости в каналах с винтовой дискретной шероховатостью. // 10-я Международной конференция по численным методам в проблемах теплообмена: Тез. докл. Межд. конф. 21-22 мая 1997.- Суонси, 1997.- С.186- 189.

6. Конахина И.А., Конахин A.M., Сатрудинов Л.Ц, Будилкин В.В. Теоретическое исследование гидродинамики при течении вязкой жидкости в трубах с тонкими винтовыми ребрами,//Проблемы энергетики: Тез. докл. Респ. научн. конф. 3-6 февраля

1998 г,- Казань-1 998.-С.54.,

7. Конахина И.А., Конахин A.M., Будилкин В.В. Интенсификация теплообмена в подогревателях вязких нефтепродуктов, охладителях масла , применяемых на электрических станциях.// Проблемы энергетики: Тез.докл. Респ. научн. конф. 3-6 февраля 1998 г.-Казань, 1998-С.55,

Подписано к печати 5.05.98 Формат 60 х 84/16 Гарнитура ТАЙМС Псч. л. 1,0 Заказ Типография КФ МЭИ. 420066, Казань, Красносельская,5!