автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности теплообменников с интенсификаторами посредством воздействия на локальные характеристики

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Применение методов численного моделирования в задачах теплоэнергетики для повышения энергетической ^ эффективности теплообменных аппаратов.

1.1 Методы численного моделирования в задачах теплоэнергетики.

1.2 Методы оценки энергетической эффективности теплообменных аппаратов.

1.2.1 Методы сравнительной количественной оценки энергетической эффективности теплообменных аппаратов и конвективных поверхностей теплообмена.

1.2.2 Методы сопоставления теплообменных поверхностей.

Глава 2. Метод численного моделирования для получения полей локальных величин в теплообменных аппаратах с различной геометрией.

2.1 Физическая модель теплообменных аппаратов.

2.2 Математическая модель расчета теплообменных аппаратов и конвективных поверхностей.

Глава 3. Расчёт и обработка тепловых и гидродинамических характеристик для различных видов теплообменных аппаратов с оребрением.

3.1 Модель канала теплообменного аппарата.

3.2 Модель плоского канала с двусторонним подводом тепла.

3.3 Течение в прямоугольном канале с продольными ребрами.

3.4 Сравнение данных численного моделирования с экспериментом.

3.5 Различные виды оребрения в канале.

3.6 Сравнение конвективных поверхностей теплообмена с эквивалентным им гладким каналом. Сравнение методов.

3.7 К.П.Д. ребра с учётом пространственной неравномерности поля температур.

3.8 Влияние выравнивания поля скоростей на поле температур и коэффициент теплоотдачи.

Глава 4 Рассмотрение теплообменного аппарата как гетерогенной среды.

4.1 Гетерогенный подход. Метод осреднённого объема.

4.2 Энергетическая эффективность при гетерогенном рассмотрении теплообменного аппарата.

4.3 Расчёт гетерогенного показателя эффективности.

Глава 5 Применение подхода численного моделирования для решения задач теплоэнергетики.

5.1 Применение анализа теплообменных поверхностей в нетрадиционной энергетике.

5.2 Применение численного анализа поверхностей теплообмена в системах кондиционирования воздуха (СКВ).

В настоящее время к энергосбережению в объектах теплоэнергетики предъявляются все более высокие требования. Это связано с тем, что уровень энергопотребления в расчёте на единицу сопоставимого ВВП России примерно в 4 раза выше, чем в США, а уровень потребления электроэнергии в расчёте на единицу ВВП в России выше, чем в США в 2,5 раза, чем в Германии и Японии в 3,6 раза. Всё это свидетельствует о значительных резервах экономии энергоресурсов в России, масштабы которых можно оценить примерно в 40-50% от уровня потребляемого топлива и энергии [67]. При этом энергетические затраты для систем вентиляции, отопления и кондиционирования, по разным источникам составляют до 40% от энергии, получаемой от всех видов топлива [68].

Теплообменные аппараты с интенсификаторами являются наиболее распространёнными элементами, применяемыми в современных энергетических установках. Они находят применение в составе систем кондиционирования воздуха (СКВ), отопления, вентиляции, охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), на различных промышленных объектах и т.п. В условиях быстро развивающейся современной промышленности и конкуренции компаний-производителей на рынке высоких технологий, к теплообменным аппаратам предъявляются высокие требования по эффективности и надёжности принимаемых решений.

Один из наиболее важных показателей качества теплообменного устройства - энергетическая эффективность, которая характеризует способность аппарата качественно выполнять свои функции при высокой отказоустойчивости, низкой цене и наибольшей тепловой мощности, передаваемой в системе на единицу затрат мощности на прокачку теплоносителей. При этом важна начальная стоимость системы (стоимость материалов и изготовления), срок окупаемости, технологичность производства, надёжность и простота в эксплуатации. Основным элементом теплообменного аппарата является поверхность теплообмена. Взаимодействие теплоносителя с поверхностью теплообмена характеризуется одновременным протеканием процессов переноса тепла и импульса. Одновременное протекание процессов на поверхности теплообмена приводит к противоречивости отношений между передаваемым потоком тепла Q, Вт и затрачиваемой мощностью N, Вт на прокачку теплоносителя. Кроме того, тепловой поток пропорционален площади поверхности теплообмена. Это означает, что при стремлении получить лучшую теплообменную поверхность, необходимо создать такую физическую обстановку, при которой перенос теплоты на ней будет происходить с наибольшей интенсивностью, а гидродинамический процесс течения теплоносителя и потери энергии потока - с наименьшей [6]. Следовательно, степень совершенства теплообменной поверхности можно повышать искусственно - правильно осуществленными способами интенсификации процесса теплопередачи.

Разработка энергетически эффективных систем и теплообменных аппаратов состоит из разрешения физических и технических противоречий, которые появляются при проектировании и эксплуатации теплообменного оборудования. Поставленная задача является многофакторной, а решение её достигается оптимизацией по отдельным параметрам.

Важно отметить, что 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 температур. Следовательно, очень важной представляется задача оптимизации теплообменных аппаратов по массе и объёму затрачиваемого на их производство металла.

При проведении расчётов теплообменных аппаратов наиболее часто используется подход, в котором для получения коэффициентов теплопередачи и значений гидравлических сопротивлений используются полуэмпирические зависимости, полученные, в основном, из обработки экспериментальных данных. Недостатками этого подхода является чувствительность расчётов к изменению геометрии, когда для каждой новой поверхности необходимо провести экспериментальные исследования с целью получения критериальных зависимостей, невозможность получения и анализа распределений локальных значений теплофизических величин, что важно в задачах поиска энергетической эффективности и задачах термопрочности [61].

В настоящее время появились работы, в которых авторы применяют численные методы решения уравнений движения и энергии для получения распределений локальных значений теплофизических величин в теплообменных устройствах. Конечно, достоверность полученных данных, в основном, определяется выбранной математической моделью.

Около десяти лет назад с появлением современных высокопроизводительных персональных компьютеров у учёных и инженеров появилась возможность реализовать накопленные научные знания в области численного моделирования для создания специальных программных комплексов, которые позволяют для заданных геометрий, граничных и начальных условий производить расчёт локальных характеристик теплообменных аппаратов. На рынке появились компании, которые предлагали свои программные продукты для этих целей. Наиболее известные из них это Phoenics (СНАМ Ltd., Англия), Fluent (США), Star-CD (США), FlowVision ("ТЕСИС", Россия), GasDynamicsTool (GDTSoftware Group, Россия). Только в последние два года ряд исследователей [7] опубликовали первые результаты расчёта и анализа локальных характеристик, и гидродинамики в промышленных теплообменных аппаратах, полученных на основании численного моделирования процессов теплообмена.

Но получение полей величин ещё не является результатом, по которому можно сразу определить энергетическую эффективность теплообменных аппаратов. Для подобных выводов необходим анализ полученных данных и методы оценки энергетической эффективности.

В ряде случаев поверхность теплообмена имеет сложную геометрическую форму, когда трудно, либо невозможно однозначно определить её каким либо характерным размером, что затрудняет поиск необходимых критериальных зависимостей, определяющих данный аппарат. В этом случае теплообменный аппарат необходимо рассматривать с точки зрения гетерогенной среды, когда выбранная система разбивается на некоторые выделенные объёмы, в которых производят осреднение находящихся там локальных характеристик, а анализ эффективности проводят по осредненным значениям. Этот способ позволяет оценивать влияние геометрии на общую эффективность теплообменного аппарата, однако существует очень малое число работ, посвящённых этой теме [7]. Поскольку работ по этой проблеме мало и в них изучаются только отдельные части проблемы, то данная работа является актуальной.

Целью работы является разработка способа расчета локальных характеристик для теплообменных аппаратов с интенсификаторами (при сопряжённом теплообмене), позволяющего определить поля скоростей, температур и давлений, степень неравномерности этих характеристик, выявить участки не только с высокой температурой, но и участки с высокими значениями градиентов температур. Создать систему анализа и обработки полей локальных величин. Оценить показатели энергетической эффективности теплообменного аппарата с использованием локальных данных и определить пути возможного повышения энергетической эффективности таких аппаратов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать метод расчёта локальных характеристик наиболее характерных процессов в теплообменных аппаратах различной конфигурации, основанный на решении дифференциальных уравнений движения и энергии;

2. Проверить метод численного моделирования, сравнить расчётные и экспериментальные данные для типичных конфигураций теплообменник поверхностей;

3. Произвести расчёт полей скорости, температуры и давления для различных элементов теплообменного оборудования;

4. Создать систему обработки и быстрого анализа полученных характеристик;

5. На основании полученных расчётов элементов теплообменного оборудования произвести анализ системы, как гетерогенной среды;

6. Определить показатели энергетической эффективности для сравнительного анализа рассматриваемых типов теплообменных поверхностей;

Научная новизна:

1. Разработан метод расчёта, позволяющий получать и анализировать поля локальных характеристик для различного типа теплообменных аппаратов и поверхностей, определять максимальные значения температур в аппарате, изотермы и участки аппаратов с большими значениями градиентов температур.

2. Получены решения сопряженной задачи с несимметричным подводом тепла. На их основе проведены расчёты по выбору характеристик, позволяющих определить эффективность теплообменного аппарата.

3. На основании расчёта теплообменного аппарата с прямыми продольными ребрами предложено увеличить промежуток между рёбрами для выравнивания неравномерности поля скоростей в межрёберных каналах (по ширине теплообменника) для экономии мощности на прокачку теплоносителя при тех же тепловых мощностях.

В работе показано, что выравнивание поля скоростей на входе в теплообменный аппарат может привести к неравномерному полю температур (из-за перераспределения тепла между каналами). 4. Представлен способ расчёта интегральных характеристик для случаев с переменной по длине канала объемной пористостью и удельной поверхностью теплообмена для поверхностей теплообмена со сложной (нерегулярной) геометрией, который позволяет производить выбор конфигурации с наилучшими показателями эффективности.

Автор защищает:

1. Результаты численных расчётов полей скорости, температуры и давления, а также коэффициентов теплоотдачи и сопротивления для задачи обтекания теплообменных поверхностей потоком воздуха, применяемые для оценки энергетической эффективности.

2. Программное обеспечение для обработки полей локальных характеристик с целью получения гомогенных и гетерогенных характеристик.

3. Способы оценки энергетической эффективности теплообменных аппаратов на основе обработки полей локальных величин.

4. Полученные результаты расчёта гетерогенной эффективности.

Практическая значимость работы:

1. Разработанный метод позволяет получать количественные данные по распределению локальных характеристик для различных типов теплообменных аппаратов и поверхностей.

2. Предложены способы расчёта показателей энергетической эффективности по определённым полям локальных величин, полученных в результате численного моделирования.

Выводы к главе:

1. Показано, что использование при охлаждении фотоэлемента оребренной вставки с тонкими ребрами (с лучшими локальными характеристиками) дает выигрыш на 7-10% в выработке электричества по сравнению со вставкой с более толстыми ребрами.

2. Расчеты элемента теплообменного аппарата, используемого в типичной схеме центрального кондиционера, показали удовлетворительное совпадение с обычно используемыми. Однако для более сложных конструкций это различие может быть более заметным.

119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения настоящей работы:

1. Выбран метод расчёта локальных характеристик в теплообменных аппаратах различной конфигурации, основанный на решении дифференциальных уравнений движения и энергии;

2. Получены численные данные по полям скорости, температуры и давления для элементов теплообменного оборудования с интенсификаторами, позволившие определить показатели энергетической эффективности для рассматриваемых типов теплообменных поверхностей;

3. Создана система обработки и быстрого анализа трёхмерных массивов данных численного моделирования;

4. Для случая с продольным оребрением показано, что зависимость для коэффициента теплоотдачи отличается от обычно используемой зависимости для развивающегося течения и дано объяснение этому отличию.

5. Для турбулентных развивающихся режимов течений (чистый канал и канал с продольным оребрением) определены значения коэффициентов сопротивления Кр учитывающих затраты мощности на формирование развитого турбулентного профиля;

6. Показано влияние выравнивания профиля скоростей на распределение температур в оребрённой вставке по ширине. При выравнивании профиля скорости профиль температур в рассмотренном случае становится более неравномерным;

7. Проанализированы методы оценки энергетической эффективности теплообменного аппарата, получены для всех рассмотренных случаев значения критериев энергетической эффективности и показано, что воздействием на локальные характеристики можно их повысить.

8. На основании полученных расчётов элементов теплообменного оборудования произведён анализ системы, как гетерогенной среды и

120 определены гетерогенные показатели энергетической эффективности для рассматриваемых типов теплообменных поверхностей;

9. Показано, что использование при охлаждении фотоэлемента оребренной вставки с тонкими ребрами (с лучшими локальными характеристиками) дает выигрыш в 7-10% в выработке электричества по сравнению со вставкой с более толстыми ребрами.

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

2. Валуева Е.П., Доморацкая Т.А. Метод оценки теплогидравлической эффективности рекуперативных трубчатых теплообменников // Труды 13 школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством А.Н. Леонтьева, М.: Изд-во МЭИ, 2001.- Т. 2.- С. 366-369.

3. Валуева Е.П., Доморацкая Т.А. Оценка теплогидравлической эффективности рекуперативных теплообменных аппаратов // Теплоэнергетика, 2002.- № 3.- С. 51-57.

4. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники, М.: Энергия, 1967.

5. Величко В.И., Лавров Д.А. Энергетическая эффективность конвективных поверхностей нагрева при двустороннем обтекании // Труды 2 Российской нац. конф. по теплообмену, М.: Изд-во МЭИ, 1998,-Т. 6.-С. 58-61.

6. Shah R.K., Heikal M.R., Thonon В., Tochon P., Progress in the Numerical Analysis of Compact Heat Exchanger Surfaces // Advances in Heat Transfer, Academic Press ,2001, Volume 34, P.363-443.

7. Величко В.И., Пронин B.A. Интенсификация теплоотдачи и повышение энергетической эффективности конвективных поверхностей теплообмена//М.: Изд-во МЭИ, 1999.

8. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копи И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. М.:Энергоатомиздат, 1998.

9. Конюхов Г.В., Петров А.Н. К определению эффективности теплообменных поверхностей в условиях конвективного теплообмена // Изв. АН СССР Энергетика и транспорт,- 1990.- №3.- с. 168-171.

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

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

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

13. Антуфьев В.М. Сравнительные исследования теплоотдачи и сопротивления ребристых поверхностей //Энергомашиностроение. 1961.-№2.- С.12-16.

14. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. JL: Энергия, 1966.

15. Барановский Н.В., Коваленко Л.И., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.: Машиностроение, 1989.

16. Михеев M.A., Михеева И.М., Основы теплопередачи // М: Энергия, 1977.

17. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям // М: Машиностроение, 1975.

18. The PHOENICS Reference Manual. CHAM TR/ 200a (PIL) London: CHAM Ltd., 1996.

19. The PHOENICS Reference Manual. CHAM TR/100. London: CHAM Ltd., 1996

20. The PHOTON User Guide. CHAM Development Team TR/140, London: CHAM Ltd., 1993.

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

22. Rizzi М., Canino М., Ни. К. Experimental investigation of pin fin heat sink effectiveness, 35th National Heat Transfer Conference, Anaheim, California.

23. Travkin Y.S., Ни. К., Rizzi M., Canino M., Catton I. Revising the goals and means for the base-to-air cooling stage for semiconductor heat removal -experiments and their results, 35th National Heat Transfer Conference, Anaheim, California 2001.

24. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах//М: Энергия, 1968.

25. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре //М: Высшая школа, 1984.

26. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчёта теплового режима приборов //М: Радио и связь, 1990.

27. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках //М: Наука, 1982.

28. Лыков А.В. Тепломассообмен, Справочник //М: Энергия, 1972.

29. Лыков А.В. Тепломассообмен, Справочник, //М: Энергия, второе издание, 1978.

30. Арикат С.М. Гибридная система тепло и электроснабжения применительно к жилому сектору Иордании.: Автореф. дис. канд. техн. наук,- М.: МЭИ.- 2001.

31. Криницкий Е.В., Овчинников Е.В. Расчет характеристик воздушного отопления комнат. // Вторая Российская национальная конференция по теплообмену; том 8, Москва, 1998г.

32. Криницкий Е.В., Пикош.К. Численное моделирование локальных характеристик в плоском канале. // Седьмая Между нар. науч.- техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. Т.З - М.: МЭИ.- 2001.- с. 128-129.

33. Криницкий Е.В., Сергиевский Э.Д. Тепловые и гидродинамические характеристики теплообменника с продольными ребрами. // Труды Первой всероссийской Школы-семинара молодых ученых и специалистов. М.: Изд-во МЭИ,- 2002.- с. 83-84.

34. Sergievsky E.D., Krinitsky E.V. , Travkin V.S. Calculation of thermal and Hydrodynamic Characteristics of Longitudinal Heat Sink. // New York

35. Сергиевский Э.Д. Разработка методов расчета и управления теплообменом и гидродинамикой в промышленных теплотехнологических и энергетических установках при наличии внешних воздействий.: Автореф. дис. докт. техн. наук.-М.: МЭИ.-1984.-40с.

36. Бакластов A.M., Горбенко В.А., Данилов O.JI. Промышленные тепломассообменные процессы и установки. М.:Энергоатомиздат,1986.

37. Борисов Б.Г., Борисов К.Б. Отопление промышленных предприятий. М.: МЭИ, 1997.-68с.

38. Бредшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. М.: Мир, 1974.-268с.

39. Данилов O.JL, Коновальцев С.И. Влияние неравномерности поляскоростей сушильного агента на энергетические затраты в ленточныхсушилках./ IV Бернардоссовские чтения.: Тез.докл. Всесоюз. Науч.-тех.конф.-Иваново.-1989.-104с.

40. Данилов O.JL, Коновальцев С.И. Оптимизация тепловой сушки в условиях поперечной неравномерности./ Тез. докл. Междунар. конф. посушке (секция №8 ) 2-го Междунар. форума по тепло- и массообмену г. Киев, 25-29 мая 1992. Киев-1992.-с.66-69.

41. Данилов О.Л., Коновальцев С.И. Влияние неравномерности на эффективность сушки в прямоточной сушильной установке./ Повышение надежности и экономичности элементов теплоэнергетического оборудования, Межвуз. сб. научн. тр.-Брянск: БИТМ,-1993.

42. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. ( Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов ). -М.: Машиностроение, 1983.-c.351, ил.

43. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.

44. Коновальцев С.И. Оптимизация режимно- констриктивных параметров сушильных установок.: Дисс. канд. техн. наук. М.: МЭИ.-1990.-202с.

45. Мотулевич В.П., Жубрин С.В. Численные методы расчета теплообменного оборудования, учебное пособие по курсу 'Спецвопросы тепло- и массообмена', Москва, МЭИ, 1989.

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

47. Промышленные тепломассообменные процессы и установки / A.M. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Л. Данилов и др.; Под ред. A.M. Бакластова. М.: Энергоатомиздат, 1986.

48. Сполдинг Д.Б. Конвективный массоперенос: Пер. с англ. Шульмана З.П.-М.-Л. Энергия, 1965.-384с.

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

50. Du Y.-J., Wang С.-С. An Experimental Study of Airside Perfomance of the Superslit Fin-and-Tube Heat Exchangers // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1999. V. 42. P. 1919-1924.

51. Кейс B.M., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. М.: Энергия, 1967.

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

53. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. М.: Изд-во МЭИ, 2001.

54. Travkin V.S., Ни К., Rizzi М., Canino М. and Catton I., "Revising the Goals and Means for the Base-to-Air Cooling Stage for Semiconductor Heat Removal Experiments and Their Results", in Proc. 17th IEEE SEMI-THERM Symp., pp. 85-94, 2001b.

55. Петухов B.C., Шиков B.K. Справочник по теплообменникам: T.l, M: Энергоатомиздат, 1987.

56. Рейнольде А.Дж. Турбулентное течение в инженерных приложениях. М.: Энергия.-1979.-408с.

57. Репухов В.М. Тепловая защита стенки вдувом газа / Киев.-Наукова-думка.-1989.-42с.

58. СНиП П-33-75. Отопление вентиляция и кондиционирование. М.: Стройиздат.- 1975.-101 с.

59. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. М.: Стройиздат.-1983.-136с.127

60. СНиП 2.04.05-91*. Отопление вентиляция и кондиционирование. М.: Стройиздат.- 1994.-64с.

61. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М.: Стройиздат.- 1995.-42с.

62. Тереньтьев С.В. Повышение эффективности промышленных теплообменников-утилизаторов вентиляционных систем путем смешения части теплоносителя.: Автореф. дис. канд. техн. наук.- М.- 1989.

63. Васильев Г.П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2.- АВОК.- №4.- 2002 г.

64. Карпис Е.Е., Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха, М: Стройиздат.-1986г.128