автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение теплопередающей способности поверхностных водоохладителей путем установки орошающих устройств

Телевный Андрей Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДООХЛАДИТЕЛЕЙ ПУТЕМ УСТАНОВКИ ОРОШАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.14.04 — «Промышленная теплоэнергетика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2011

1 О ОЕВ 2011

4854028

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

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущая организация

кандидат технических наук, доцент Гаряев Андрей Борисович

доктор технических наук, профессор Шелгинский Александр Яковлевич кандидат технических наук, доцент Гашо Евгений Геннадьевич

Исследовательский центр проблем энергетики КЦН РАК (Академэнерго)

Защита диссертации состоится «24» февраля 2011 г. в 15 часов 30 минут в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д.212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, дом 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, дом 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

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

Автореферат разослан: « 2*/» января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.10 к.т.н., доц.

А- __

Степанова Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время актуальной является проблема обеспечения надежного бесперебойного охлаждения тепловыделяющего оборудования. Для отвода тепла широко используются водовоздушные трубчатые теплообменники со сплошным оребрением, в которых поток атмосферного воздуха, нагнетаемый вентиляторами, используется в качестве охлаждающего агента. Такие устройства применяются в нефтяной и газовой промышленности, черной и цветной металлургии и т.д. В электроэнергетике рекуперативные теплообменники могут применяться для охлаждения оборотной воды, поступающей в конденсаторы паровых турбин; в системах холодоснабжения и кондиционирования воздуха - в качестве конденсаторов холодильных установок. Данный тип оребренных теплообменников выпускают многие отечественные и зарубежные производители теплообменного оборудования. Их выпуск достигает десятков тысяч штук в год, поэтому даже небольшое повышение коэффициента теплоотдачи или снижение массы серийного теплообменника может дать значительный экономический эффект.

Одним из способов интенсификации теплообмена, сокращения металлоемкости и стоимости таких аппаратов является орошение их поверхности водой в наиболее жаркий период года. Теплообменные аппараты проектируются на основе климатических параметров данного региона, но при значительном изменении метеорологических условий теплообменник часто не может обеспечить снижение температуры теплоносителя до значений, требующихся потребителю. В данном случае орошение не только снижает капитальные затраты, но и увеличивает надежность работы системы охлаждения. Однако практическое внедрение таких устройств затруднено в связи с отсутствием инженерных зависимостей для расчета данного типа аппаратов. Проектирование орошаемых охладителей сопряжено с необходимостью получения экспериментальных данных по теплообмену и аэродинамическому сопротивлению для вновь создаваемых устройств.

Проведенный анализ показал, что в последнее время проявляется растущий интерес к аппаратам водовоздушного охлаждения во многих странах мира, таких как США, Германия, Сербия, Италия. Однако информация о количественном влиянии различных факторов на величину передаваемого теплового потока отсутствует.

Таким образом, решение задач, связанных с совершенствованием характеристик поверхностных водоохладителей, будет способствовать ускорению процесса модернизации систем охлаждения тепловыделяющего оборудования.

Целью работы является расчетно-экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена в трубчатых водовоздушных теплообменниках с пластинчатым оребрением при орошении их поверхности . / водой, описание физической картины процессов, протекающих в орошаемом (

теплообменном аппарате и получение зависимости, позволяющей проводить инженерные расчеты орошаемых поверхностных водоохладителей.

Научная новизна.

1. Получены новые результаты, показывающие влияние форсуночного орошения поверхности теплообменного аппарата на величину передаваемого в нем теплового потока. В диапазоне температур охлаждающего воздуха от 25 до 40 °С при температуре охлаждаемой воды на входе в теплообменник от 35 до 48 °С плотность теплового потока, передаваемого в орошаемом режиме, в 1,6 - 4,5 раз превышает плотность теплового потока, передаваемого в сухом режиме.

2. Впервые получены результаты, характеризующие изменение передаваемого в орошаемом теплообменном аппарате теплового потока и аэродинамического сопротивления в зависимости от скорости и температуры воздуха, плотности орошения, температуры орошающей и охлаждаемой воды.

3. Экспериментально определен характер изменения плотности теплового потока, передаваемого в теплообменном аппарате, при увеличении плотности орошения.

4. Впервые экспериментальным путем определено влияние различных теплообменных процессов (конвекция между стенкой и воздухом, испарение орошающей жидкости и теплоотдача при стекании пленки жидкости) на суммарный тепловой поток, отводимый с орошаемой поверхности теплообменного аппарата.

5. Получена зависимость для расчета эффективного коэффициента теплопередачи в трубчатых теплообменных аппаратах с пластинчатым оребрением при форсуночном орошении поверхности. Определены эмпирические коэффициенты, входящие в данную зависимость, для теплообменных аппаратов серии ВНВ.

Практическая ценность.

1. Полученный вид полуэмпирической зависимости может быть использован для обобщения экспериментальных данных по теплообмену в трубчатых теплообменных аппаратах с пластинчатым оребрением, работающих в орошаемом режиме.

2. Полученная обобщающая зависимость может быть использована для расчета эффективного коэффициента теплопередачи теплообменных аппаратов серии ВНВ, работающих в орошаемом режиме.

На защиту выносятся:

• результаты экспериментальных исследований, отражающие влияние форсуночного орошения поверхности на теплообмен и аэродинамическое сопротивление в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах со сплошным оребрением, в широком диапазоне режимных параметров;

• результаты тепловизионного исследования распределения температур по поверхности теплообмена, позволяющие установить распределение пленки жидкости по поверхности теплообмена, полученные в различных режимах работы теплообменного аппарата;

• экспериментальные данные, отражающие изменение передаваемого теплового потока в зависимости от плотности орошения: линейный рост на начальном этапе с последующей его стабилизацией;

• обобщающие зависимости для расчета эффективного коэффициента теплопередачи и аэродинамического сопротивления с учетом поправок на степень неравномерности орошения в условиях, приближенных к реальной работе систем охлаждения.

Апробация работы.

Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:

• 13, 14, 15 и 16-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва 2007 - 2010 г.

• Четвертой и пятой международных школах-семинарах молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика», Москва, 2008, 2010.

• Международном научно-техническом семинаре "Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов", Воронеж, 2010 г.

• Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» ЭНЕРГО-2010, Москва, 2010 г.

• VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 2010 г.

• Пятой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 2010 г.

Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 12 опубликованных работах, в том числе одна - в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 151 страница состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, и приложений, включая рисунки и таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен обзор и анализ теоретических и экспериментальных работ в области оросительно-испарительного охлаждения теплообменного оборудования. Были проанализированы работы, посвященные исследованию аэродинамики, тепло- и массообмена в орошаемых теплообменных аппаратах, представляющих собой пучок гладких труб, расположенных в шахматном порядке; аппаратах водовоздушного охлаждения с вертикальными контактными решетками; стальных воздухоохладителей со спирально навитым гофрированным ленточным оребрением; углекислотных газовых охладителях и т.д. Данные, полученные авторами этих работ, свидетельствуют о том, что орошение поверхности гладкотрубных пучков позволяет значительно (до 1,5 раз)

увеличить передаваемый тепловой поток, либо снизить (до 5%) затраты электроэнергии на работу компрессора холодильной установки. Обзор показал, что существующие зависимости для определения коэффициента теплопередачи и передаваемого теплового потока в орошаемых теплообменниках охватывают только небольшое количество существующих конструкций теплообменных аппаратов, среди которых нет трубчатых теплообменников со сплошным оребрением, и не всегда подходят для инженерных расчетов теплообменного оборудования. Отсутствуют данные о количественном соотношении тепловых потоков; не ясно, как влияет на них плотность орошения и режимные параметры теплоносителей. В опубликованных результатах экспериментальных исследований отсутствует детальное описание физической картины процессов, протекающих в орошаемых теплообменниках.

П0 ^^зуЛЬ^ТйМ обзора 6»>П ПОСТЗВЛСК ряд Ки^П1ЙО~Т£Х1П"15СК|1Х ЗиДи1! которые были решены в диссертационной работе, включающий:

• разработку и создание экспериментальной установки, позволяющей моделировать работу орошаемых теплообменников в широком диапазоне изменения режимных параметров теплоносителей;

• экспериментальное исследование влияния температур охлаждаемой воды в трубках теплообменника и охлаждающего потока воздуха, скорости воздуха, расхода и температуры орошающей воды на теплопередающую способность теплообменника;

• исследование процесса образования и стекания пленки жидкости по поверхности ребра в условиях его обтекания поперечным потоком воздуха;

• описание физической картины процессов, протекающих в орошаемых теплообменных аппаратах;

• получение обобщающих зависимостей для расчета эффективного коэффициента теплопередачи при орошении пучка труб со сплошными ребрами в широком диапазоне режимных параметров.

Вторая глава диссертации посвящена созданию экспериментальной установки для исследования процессов тепло- и массообмена в трубчатом оребренном водоохладителе с орошаемой поверхностью и разработке методики проведения экспериментов. В главе приводится описание экспериментальной установки, исследуемого теплообменника, методов орошения поверхности, метода проведения экспериментов и проводится оценка погрешностей проведенных экспериментов. Принципиальная схема установки показана на рис. 1.

Теплообменник

Форсунка {£

-ф~

Бойлер

Насос

ф-

--

Ф.

\орошения

V? в ® <3

<з

Регулировочный ^ Поддон п* Направление

^' ^ движения

£ГГС1 »'.ИЦЛЛВиЧПЬШ ,

^ края ф т

Л—£Ь--—г,-©—1 возд-™

Рег)тп!ровочныЛ Трехходовок Насос

кран смеситель I___'

Рис. 1. Принципиальная схема установки.

Экспериментальная установка была разработана на базе серийно выпускаемых блоков центрального кондиционера КЦКП-3,15. Суммарная электрическая мощность экспериментальной установки - 32 кВт, допустимый рабочий диапазон температур от -20°С до +85°С, влажности от О до 90%. Расход воздуха может изменяться в диапазоне 1000+4000 м3/ч. Рабочий участок включает следующее оборудование: теплообменный аппарат, форсунки орошения, сепаратор-каплеуловитель из полипропиленового профиля. В качестве экспериментального теплообменника использовался трубчатый оребренный четырехрядный теплообменный аппарат ВНВ243.1-065-043-4-4,0-08 со сплошными алюминиевыми гофрированными ребрами.

В состав измерительного комплекса входят следующие приборы: персональный компьютер с установленным программным обеспечением RLDataView, термоанемометр-термометр ТТМ-2, система ввода в компьютер аналоговых сигналов RL-32RTD, микроманометр СТУ79 1525-64, дифференциальный манометр Testo с диапазоном измерения 0 + 200 Па, образцовый термометр, термопары типа хромель-алюмель, датчики относительной влажности, прибор измерения температуры и влажности ИВТМ-7/8, счетчики воды Sayany T-15ETWÍ, тепловизор NEC ТН7700, инфракрасный термометр TESTO 845.

В проводимых экспериментах процесс считывании и регистрации данных был практически полностью автоматизирован. Для визуализации значений параметров теплоносителей, получаемых в ходе эксперимента, использовалась программа RLDataView. Эксперименты проводились методом полного теплового моделирования в установившемся тепловом режиме. После выхода на стационарный режим измерялась температура воздушного потока (12 точек по фронту движения воздуха), влажность воздуха (8 точек), температура орошающей воды, температура и расход охлаждаемой воды, скорость воздушного потока, потери давления воздушного потока при прохождении теплообменного аппарата.

В ходе экспериментов было использовано два способа орошения теплообменной поверхности: орошение при подаче орошающей воды в верхнюю часть теплообменника (плоская форсунка), равномерное орошение всей площади фронтального сечения теплообменника (круговая форсунка). В общей сложности было исследовано свыше 50 режимов работы для каждого способа орошения поверхности. Значения температуры охлаждаемой воды на входе в теплообменник варьировались в диапазоне 35 - 60 °С: температуры охлаждающего потока воздуха в диапазоне 25 + 40 °С; скорости воздуха, измеренной в сечении за каплеуловителем, в диапазоне 0,7 + 3,5 м/с и расхода орошающей воды в диапазоне 0,025 + 0,103 кг/с - для плоской форсунки и 0,02 + 0,16 кг/с - для круговой форсунки.

Погрешность измерения температуры составляла ±0,1 °С, относительной влажности ±5%, скорости воздушного потока ±(0,01+(0,05Kerad)) м/с (при температуре воздуха от 15 до 60°С), относительная погрешность измерения расхода воды - 2%. Относительная погрешность измерения передаваемого

теплового потока не превышала 10 % во всем диапазоне изменения рабочих параметров.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния различных факторов на величину теплового потока, передаваемого в теплообменном аппарате.

На начальном этапе была исследована работа теплообменного аппарата в сухом режиме. Получены зависимости для расчета коэффициента теплопередачи и аэродинамического сопротивления теплообменника:

Ьр- А-{рУщаУ -6.287 • (р^В05Д)2

(2)

II

ГО

в

5« и

с

а 40

Ззо

с

I»

о

л"*

7

/

н

•у

Расчетные значения К, Вт/(м С)

Рис.3. Зависимость перепада давлений в теплообменнике от скорости воздуха

Рис.2. Отклонение экспериментальных значений от значений, полученных при

помощи обобщающей зависимости Было исследовано влияние плотности орошения на величину передаваемого теплового потока. Экспериментально установлено, что при небольших расходах орошающей жидкости зависимость теплового потока, передаваемого в теплообменнике, от плотности орошения имеет линейный характер. В дальнейшем (в зависимости от режимных параметров теплоносителей) происходит замедление роста теплового потока, либо его стабилизация. Зависимость теплового потока, передаваемого с поверхности теплообменного аппарата, от плотности орошения представлена на рис.4.

0.001 0.002 0.003 0,004 0,005 0,006 0.007 Плотность орошения, кг'(м]с)

0.СЮ4 0.006 0,008 ппетмоетъ орошения, игцм'с)

а) б)

Рис.4. Изменение теплового потока, передаваемого с поверхности теплообменного аппарата, в зависимости от плотности орошения: а) подача орошающей воды осуществляется в верхнюю часть теплообменника (плоская форсунка); б) орошающая вода распыляется по всему фронту теплообменника (круговая

форсунка)

Серия проведенных однофакторных экспериментов позволила определить диапазон изменения передаваемого теплового потока при варьировании

различных факторов, влияющих на теплообмен. Полученные графики представлены на рис. 5-8.

£ 16000

о 14000

0

5 12000 8 юооо

1 8000

5 6000

3

I 4000

5 2000 Сь

г о

А- 1-4- Мокрыи режим) |

V- 1 !

"Ч _1

ч !

N 1 ;

ч

1 ;

¿25000

=20000

0 10 30 30 40 50 60 70 Температура воздуха на входе в теплообменник, °С

Рис.5. Изменение передаваемого теплового потока в зависимости от температуры воздуха на входе в теплообменник

2000

...........!.......

= 30 35 40 45 50 55 60 65 Температура воды на входе в теплообменник, йС

Рис.6. Изменение передаваемого теплового потока в зависимости от температуры охлаждаемой воды на входе в теплообменник

I-_____

Щ юиии "

2 2.5 3 Скорость воздуха, м/с

3,5

Рис.7. Изменение передаваемого теплового потока в зависимости от скорости воздуха на входе в теплообменник

10 20 30 40 50

Температура орошающей воды, °С

Рис.8. Изменение передаваемого теплового потока в зависимости от температуры орошающей жидкости

Экспериментальные данные показывают, что орошение водой поверхности позволяет увеличить тепловой поток в 1,6 - 4,5 раз в диапазоне температур охлаждающего воздуха t = 25 40 °С при температуре охлаждаемой воды на входе в теплообменник /'/ = 35 ^ 48 °С.

Орошение поверхности может приводить не только к увеличению передаваемого теплового потока, но и к снижению температуры воды в трубках теплообменника более чем в 2 раза (при постоянной тепловой нагрузке) (рис. 9.).

■ 30-

| 20 ю о

]............|.............. ...............Г.............

■Но*»* I \ \Ор ■им |

н

600 800 Время, сек

1000 1200 1400

Рис.9. Температура охлаждаемой воды на входе и выходе из теплообменника в сухом

и орошаемом режимах В работе была получена зависимость аэродинамического сопротивления теплообменного аппарата в сухом и орошаемом режимах от скорости воздуха, представленная на рис. 10.

— 1 1 _<>_Орошаемый 87 -(р!

• • Сухоу режим / / /

4

и*'' / / / \p~1.2

1 1.5 2 Скорость воздуха, м/с

1,5 2 2,5 3 Скорость воздуха, м/с

б)

Рис.10. Зависимость перепада давлений в теплообменном аппарате от скорости потока

воздуха:

а) подача орошающей воды в верхнюю часть теплообменника (плоская форсунка): б) распыление орошающей воды по всему фронту теплообменника (круговая форсунка) При орошении поверхности теплообменного аппарата наблюдается снижение аэродинамическою сопротивления, при использовании Плоской форсунки - до 30%, круговой - до 15%. Однако, в литературе приведены сведения о том, что при орошении теплообменников со спирально навитым оребрением наблюдался рост аэродинамического сопротивления по сравнению с «сухим» режимом. В данном случае снижение аэродинамического сопротивления связано с особенностями распределения пленки орошающей жидкости по поверхности теплообмена, приводящего к сглаживанию формы межреберного пространства, а также с большим шагом оребрения (4 мм) (рис. 11).

Направление отекания пленки жидкости

Пластина

Пленка жидкости

Поток воздуха

Рис.1!. Распределение пленки жидкости по поверхности пластины.

Различие аэродинамических сопротивлений для разных способов орошения можно объяснить тем, что при использовании плоской форсунки орошающая вода более равномерно распределяется по поверхности теплообмена и не забивает межреберное пространство (рис. 12).

Пятно контакта факела

Пятно контакта факела с поверхностью теплообменника

Форсунка

с поверхностью теплообменника

У1ШК0СТИ Поток воздуха

Форсунка

г\ Фронтальное сечение . теплообменника_

Подача воды

а) б)

Рис.12. Распределение пленки жидкости во фронтальном сечении теплообменника: а) при использовании плоской форсунки; б) при использовании круговой форсунки

и

Было проведено тепловизионное исследование поверхности теплообмена в сухом и орошаемом режимах (рис.13). Тепловизионные данные дублировались при помощи термопар, установленных на поверхности теплообмена.

Рис. 13. Распределение температур во фронтальном сечении теплообменника: а) при использовании плоской форсунки; б) при использовании круговой форсунки В результате проведенного исследования поверхности теплообмена было установлено, что доля смоченной поверхности составляет порядка 50 - 70 % во фронтальном сечении теплообменника. Таким образом, доля смоченной поверхности всего теплообменника составляет 20 - 40 %, т. к. до глубинных рядов доходит меньшее количество влаги.

В четвертой главе приведено описание физической картины процессов, протекающих в орошаемом теплообменном аппарате, с целью определения вида обобщающей зависимости для расчета эффективного коэффициента теплопередачи.

В орошаемом теплообменном аппарате тепло- и массообмен происходит между тремя основными потоками теплоносителей: нагретой водой в трубках, пленкой орошающей жидкости и охлаждающим потоком воздуха (рис.14).

Пленка жидкости

ввозд, Гвозд, Нвозд, йвозд Рис.14. Схема тепловых потоков на элементе оросительного теплообменника Были рассмотрены возможные варианты изменения состояния воздуха при прохождении через теплообменный аппарат.

н +

40

/

d

о +---.--,-,—

О 0,01 0,02 0,03

0,04

Рис. 15. Параметры воздуха и орошающей воды в h-d диаграмме

Влагосодержание, кг/кг.сух.в-ха

Рис. 16. Экспериментальная h-d диаграмма обработки воздуха

Расход орошающей жидкости: 1-0,024 кг/с; 2 - 0,045 кг/с; 3 - 0,063 кг/с; 4-0,105 кг/с

В h-d диаграмме, представленной на рис.15., процесс обработки воздуха 1-2 соответствует работе теплообменного аппарата в режиме сухого охлаждения без орошения; режим 1-6 соответствует работе теплообменного аппарата при орошении его поверхности водой с температурой, равной температуре воздуха по мокрому термометру, при выключенном водяном контуре теплообменника. Линии, соответствующие реальным режимам работы аппарата, занимают промежуточное положение: режим 1-3 соответствует режиму работы теплообменника с частично смоченной поверхностью; режим 1-4 - теплота от поверхности передается только за счет испарения орошающей жидкости, режим 1-5 соответствуют работе теплообменника при полностью смоченной поверхности.

На рис.16 представлены лучи процессов, полученные в ходе экспериментальных исследований. Эксперименты показали, что в исследуемом теплообменнике при росте расхода орошающей жидкости могут наблюдаться различные варианты направления линий обработки воздуха в h-d диаграмме: поверхность может быть как полностью, так и частично смочена. Таким образом, при разработке обобщающей зависимости необходимо учитывать долю как сухой, так и смоченной поверхности теплообменника. При повышении расхода орошающей жидкости они значительно изменяются и, следовательно, изменяются составляющие суммарного теплового потока, передаваемого с этих площадей.

Были рассмотрены основные особенности распределения тепловых потоков по поверхности теплообменного аппарата. В качестве исходной модели для исследования был выбран участок теплообменной поверхности с расположенной на нем пленкой жидкости. С помощью программного обеспечения Mathlab PDE Tool найдено распределение тепловых потоков по поверхности пленки жидкости при ее испарении. Изменение температуры внутри стекающей пленки жидкости во времени описывается уравнением теплопроводности:

где а = Я/(СР ■ р) - коэффициент температуропроводности. На границе раздела фаз «пленка-воздух» были поставлены граничные условия третьего рода:

±а&-tw)+{-Xgradit))-pr(cw -c2) = 0 (4)

Полученное распределение плотности теплового потока по поверхности теплообмена представлено на рис.17.

-3

' ^ Плотность течлошн п потока, Ri м ^ ■ : Область максимального : -.............;.............теплового потока

1 2

Координата, и

Рис.17. Распределение плотности теплового потока по сечению теплообменной поверхности с расположенной на ней пленкой жидкости Расчеты показали, что максимальный тепловой поток передается в точке контакта пленки с поверхностью теплообмена в области с наименьшей толщиной слоя жидкости; далее, при удалении от этой точки, тепловой поток значительно убывает. Это подтверждено результатами экспериментального исследования испарения жидкости с поверхности алюминиевой пластины. На рис. 18. приведено полученное путем анализа тепловизионных снимков распределение тепловых потоков по поверхности пленки жидкости.

4 6 8 10 12

Координата, м Х10

Рис.18. Полученное в экспериментах распределение плотности теплового потока по поверхности пленки жидкости

В результате установлено, что до 80% теплового потока, передаваемого с поверхности пленки, приходится на зоны перехода «сухая поверхность-пленка жидкости» шириной - 2мм. Таким образом, большая часть теплового потока за счет испарения передается именно в зоне перехода «пленка жидкости - сухая поверхность», что также необходимо учесть при разработке обобщающей зависимости.

Общий тепловой поток с внешней стороны складывается из следующих частей: теплового потока, передаваемого конвекцией от стенки к охлаждающему потоку воздуха как с сухой, так и с мокрой поверхности; теплового потока, уносимого орошающей водой, и теплового потока, передаваемого за счет испарения части орошающей жидкости, (рис.14) При

этом направление конвективного теплового потока зависит от соотношения температур поверхности и потока воздуха. Составляющие общего теплового потока определялись на основе полученных экспериментальных данных следующим образом:

1. Тепловой поток, передаваемый за счет испарения орошающей жидкости с поверхности теплообмена:

&» = £•(<*"-<*')•'■ (5)

2. Явная часть конвективного теплового потока:

=(!•(«'- Я')) - {Ь ) ■ г), (6)

3. Тепловой поток, уносимый с орошающей жидкостью:

О с и "-I '), (7)

ор р^ ор ор ' '

На рис.19, представлены графики зависимости суммарного теплового потока, передаваемого в теплообменнике, и отдельных его составляющих от расхода орошающей жидкости (подача орошающей жидкости осуществлялась в верхнюю часть аппарата).

Рис.19. Зависимость теплового потока, передаваемого с поверхности теплообменного аппарата, от расхода орошающей жидкости: явная часть конвективного потока, - • А— - поток, передаваемый с уносимой орошающей жидкостью,—■* - - - поток, передаваемый за счет испарения

орошающей жидкости,--суммарный поток с внешней стороны теплообменника,

—• 1 поток, рассчитанный по разности температур охлаждаемой воды на входе и выходе из теплообменного аппарата Проанализировав полученные экспериментальные данные можно сделать вывод о том, что при малой плотности орошения (до 0,001 кг/(м2с)), вследствие незначительной доли площади смоченной поверхности, преобладает тепловой поток, передаваемый за счет конвекции. При средней плотности орошения (от 0,001 до 0,006 кг/(м2с)) начинается быстрый рост теплового потока, передаваемого за счет испарения, вследствие нарастания площади смоченной поверхности и, соответственно, зон перехода «пленка жидкости - сухая поверхность». При плотности орошения более 0,006 кг/(м2с) площадь зон перехода «пленка жидкости - сухая поверхность» стабилизируется, и, следовательно, стабилизируется уровень суммарного теплового потока. Далее, с ростом расхода орошающей жидкости, растет толщина пленки, что приводит к снижению температуры поверхности пленки и концентрационного напора между поверхностью и потоком воздуха, и, следовательно, к падению теплового потока от испарения.

Тепловой поток, уносимый орошающей водой, зависит от коэффициента теплоотдачи и температурного напора между стенкой теплообменника и потоком жидкости. Коэффициент теплоотдачи в значительной мере зависит от плотности орошения и, следовательно, при увеличении расхода орошающей жидкости растет данная составляющая теплового потока; при большой плотности орошения (более 0,01 кг/(м2с)) она становится сопоставимой с тепловым потоком, передаваемым за счет испарения.

Явная часть конвективного теплового потока с ростом плотности орошения снижается, так как при орошении значительно падает температура поверхности теплообмена, вследствие наличия дополнительного теплоотвода за счет испарения. Из-за падения температуры поверхности теплообмена при значительном увеличении плотности орошения явная часть конвективного теплового потока может принимать отрицательные значения (рис. 19). В зоне перегиба теплового потока. передаваемого за счет испарения, происходит стабилизация уровня суммарного теплового потока. Ширина диапазона расходов орошающей жидкости, в зоне которых суммарный поток не меняется, зависит от режимных параметров теплоносителей.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что все составляющие оказывают значительное влияние на суммарный тепловой поток и должны быть учтены и при разработке обобщающей зависимости.

Для определения вида обобщающей зависимости записаны и просуммированы составляющие теплового баланса на поверхности:

1. Тепловой поток, подводимый от охлаждаемой жидкости:

Оаа=<*\<!\-К)Раа*о.

2. Конвективный тепловой поток, отводимый с поверхности теплообменника:

QLs = оу/Ж (8)

3. Тепловой поток, передаваемый за счет испарения орошающей жидкости:

йисл = ~ ' (С8 ~~ С2 ) Г^сух-мокр

4. Тепловой поток, передаваемый орошающей жидкости:

^течки Лор ^■л1 ^ор ) ^мокрое 0

Примем следующие допущения:

1. В уравнениях (8-10) вместо эффективности смоченной оребренной поверхности будем использовать эффективность сухой оребренной поверхности.

2. Будем считать, что основная часть теплового потока, передаваемого за счет испарения орошающей жидкости, передается в зоне перехода «пленка жидкости - сухая поверхность». Площадь зоны перехода «пленка жидкости -сухая поверхность» определяется плотностью орошения в широком диапазоне значений: Р ^ = Ах )"■.

3. Концентрация пара у поверхности пленки орошающей жидкости значительно превышает концентрацию пара в потоке, и, следовательно, можно принять в первом приближении, что cw-c2~c„.

Запишем выражение для расчета концентрации насыщенных водяных паров у поверхности пленки жидкости, полученное путем линейной аппроксимации:

с^В^+В, = 2,413-10-^-0,044 (И)

В диапазоне температур /„=23 + 55 °С, характерном для проводимых экспериментов, погрешность определения концентрации у поверхности пленки жидкости по (11) не превышает 12 %.

4. Для теплообменного аппарата с неизменными конструктивными характеристиками можно считать, что зависимость для коэффициента теплоотдачи от стенки теплообменника к пленке орошающей жидкости описывается выражением вида: апгенки = ^U^F.

Данное допущение можно подтвердить следующим образом. Для расчета коэффициента теплоотдачи при свободном стекании пленки жидкости по вертикальной поверхности в пленочных испарителях П.Г. Удымой получено уравнение:

amem„ = AR^Pr">Ga\ (12)

где Re= —, Pr=—°0С/""-, Ga=~-, Г = — = pSW,Л, щ, п2, щ- эмпирические /ug X у2 П

коэффициенты, зависящие от режима течения пленки жидкости.

В экспериментах диапазон изменения температуры орошающей воды на входе в теплообменник составлял от 7 до 16 °С. В этом диапазоне вязкость орошающей жидкости изменяется в пределах 5^7 %. Тогда v » const, и, следовательно, Pr a const. Таким образом, amem ~ //Re"1 ~ А(]ор)"'.

5. Учитывая, что площадь смоченной поверхности растет с увеличением расхода орошающей воды, а изменение площадей Fcyxoe и FMOKpae связаны между собой Fcyx0e+FM0Kp0e=Fmm0e, будем считать, что:

F^^-MLJ' (13)

РМо«Рое=ШРТ О4)

С учетом принятых допущений и на основе представлений о физической картине процессов, протекающих в орошаемом теплообменном аппарате, баланс тепловых потоков на стенке можно представить в следующей виде:

аД ~ OFaaäme = (оу, (fw - g(l - )) +

ч (15)

J+(ШРУ! %(^-ioP)MjoPy3)

Преобразовав выражение (15) получим зависимость для расчета эффективного коэффициента теплопередачи:

ц- fDi„V Vi И/ С2П Dil \Ъ\\ , -®з(Ло) '(ДДР^шд) 5 А) , Bs(jrp) '(А ~(орУ)

К = (В.{pVm2d) W^ (1 -В2(jopy))+- - -=--+-(16)

vi *г) vj '2/

где В, с - эмпирические коэффициенты, различающиеся для плоской и круговой форсунок.

Первое слагаемое в выражении (16) характеризует конвективную часть теплового потока, передаваемого в теплообменнике, второе слагаемое -тепловой поток за счет испарения жидкости, третье - теплоту, уносимую орошающей водой. Результаты, полученные при помощи данного выражения, хорошо согласуются с экспериментальными данными, однако содержат значительное количество эмпирических коэффициентов. Упростим данное выражение, объединив коэффициенты для второго и третьего слагаемого:

вЛйУ'Шрг^Г'О _ ОД.УЧ'.-О)

I. ('< ,

(17)

С, -/,) С, -'»)

В итоге, без существенного уменьшения точности, можно записать вид приближенной зависимости для расчета эффективного коэффициента теплопередачи:

Для плоской форсунки:

\

и- г,

К =36,704(рГвет<) )0-163 ^„й,0,256 + (Л5{]ср )0,667

\

Для круговой форсунки:

К = 36,704(рУ,0!дГ6Х^ + 620(Л,)°-667

(18)

(19)

(20)

)

Расположение экспериментальных точек относительно средней линии, полученных как для плоской, так и для круговой форсунки, представлено на

рис 21

X 250 7

о

200

5 150 -

100

ю ^ X X 50 -

Л 0

т"............ \ У'

-----: V'1 :

у '' /Г

'УС-

50 100 150 200 Расчетные значения К, Вт/(м2°С)

а)

50 100 1 50 200 250 Расчетные значений К, Вт/^м^С) б)

Рис.21. График среднеквадратического отклонения экспериментальных значений от значений, полученных при помощи обобщающей зависимости: а) для плоской форсунки; б) для плоской форсунки Среднеквадратическое отклонение значений опытных данных от значений, полученных при помощи обобщающей зависимости, не превышает 12%.

Полученная зависимость справедлива для положительных значений разности температур между водой в трубках теплообменника и охлаждающим потоком воздуха, т.е. при (/',-/ '2) > 0.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.

Проведен комплекс экспериментальных и теоретических исследований процессов тепло- и массообмена в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах с орошаемой поверхностью.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. На основании результатов проведенных исследований показано, что в диапазоне температур охлаждающего воздуха от 25 до 40 °С при температуре охлаждаемой воды на входе в теплообменник от 35 до 48 °С плотность теплового потока, передаваемого в орошаемом режиме, в 1,6 - 4,5 раз превышает плотность теплового потока, передаваемого в сухом режиме.

2. Экспериментально определен характер изменения плотности теплового потока, передаваемого в теплообменном аппарате, при увеличении плотности орошения.

3. Результаты проведенных исследований показывают, что при работе теплообменного аппарата в орошаемом режиме наблюдается снижение аэродинамического сопротивления по сравнению с сухим режимом, вызванное сглаживанием формы межреберного канала пленкой стекающей жидкости.

4. Анализ распределения тепловых потоков в пленке орошающей жидкости показал, что локальный максимум теплового потока наблюдается в зоне перехода «сухая поверхность-пленка жидкости» шириной ~2лш. Величина теплового потока, передаваемого в этой зоне, составляет до 80% от суммарного теплового потока с поверхности пленки. Таким образом, в случае достижении максимального значения площади зон перехода «сухая поверхность-пленка жидкости» на поверхности теплообменника, уровень передаваемого теплового потока стабилизируется.

5. Установлен характер влияния отдельных составляющих на величину суммарного теплового потока, передаваемого с поверхности теплообменника: большая часть суммарного теплового потока передается за счет испарения орошающей жидкости, однако при нарастании плотности орошения баланс смещается в сторону передачи тепла за счет нагрева орошающей жидкости; конвективная составляющая теплового потока в орошаемом режиме имеет тенденцию к снижению вследствие падения температуры теплообменной поверхности.

6. Получен вид зависимости для расчета эффективного коэффициента теплопередачи в трубчатых теплообменных аппаратах с пластинчатым оребрением при форсуночном орошении поверхности. Найдены эмпирические коэффициенты, входящие в данную зависимость, для теплообменных аппаратов серии ВНВ. Отклонения экспериментальных значений эффективного коэффициента теплопередачи от полученной зависимости не превышает ±25% при среднеквадратическом отклонении 12%.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

рУюд - массовая скорость воздуха, кг/(м2-сек); Weodbi - скорость движения охлаждаемой воды, м/с; t- температура, °С; Х- коэффициент теплопроводности, Вт/(м°Я); а- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-°0; К-коэффициент теплопередачи, ß- коэффициент массоотдачи,

кг/(с-м2); С- массовая концентрация; d- влагосодержание сухого воздуха, г/кг.сух.в-ха; G- расход теплоносителя, кг/с; L- расход сухого воздуха, кг/с; Q- передаваемый тепловой поток, Вт; Ср- удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг-°С); р- плотность, кг/м3; //- коэффициент динамической вязкости, Па-с; V- коэффициент кинематической вязкости, м2/с; Н- энтальпия, кДж/кг; г-теплота парообразования, Дж/кг; F- площадь, м2; Г- линейная плотность орошения, кг/(см); jop- плотность орошения, кг/(с-м2); h- высота

теплообменника, м; Лор- эффективность оребренной поверхности в сухом

режиме; Пор • эффективность оребренной поверхности в орошаемом режиме; Я - периметр поверхности, по которой движется пленка жидкости; Re- число Рейнольдса; Рг- число Прандтля; Ga- число Галлилея. Индексы: 1 -охлаждаемая жидкость в трубках теплообменника; 2- поток воздуха; ор -орошающая вода, w- поверхность теплообмена; 6- поверхность пленки жидкости; параметры теплоносителя на входе в теплообменник; "параметры теплоносителя на выходе из теплообменника.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Телевный A.M., Гаряев А.Б., Сынков И.В. Экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах с орошаемой поверхностью// Энергосбережение и водоподготовка.- 2010.- №2.- С. 49-52.

2. Телевный A.M., Гаряев А.Б. Перспективы применения теплообменных аппаратов с орошаемой поверхностью// Тринадцатая Международная научно-технической конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.Докл.-М.,-2007.-С. 461462.

3. Телевный А.М., Гаряев А.Б. Использование конденсата, получаемого во внутреннем блоке системы кондиционирования воздуха (СКВ) для орошения наружного блока// Четырнадцатая Международная научно-технической конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.Докл.-М.,-2008.-С. 366-367.

4. Телевный A.M., Гаряев А.Б. Исследование теплообмена в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах с орошаемой поверхностью// Четвертая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов. «Энергосбережение - теория и практика»: Сборник научных трудов,-М.,-2008.-С. 182-185.

5. Телевный A.M., Гаряев А.Б. Экспериментальная установка для исследования теплообмена в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах с орошаемой поверхностью// Пятнадцатая Международная научно-технической конференция студентов и аспирантов.

Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.Докл.-М.,-2009,- С. 396397.

6. Телевный А.М., Гаряев А.Б, Результаты экспериментальных исследований теплообмена в орошаемом теплообменном аппарате// Шестнадцатая Международная научно-технической конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.Докл,-М.,-2010-С. 427-429.

7. Телевный A.M., Гаряев А.Б., Сынков И.В. Экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах с орошаемой поверхностью// Международный научно-технический семинар «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов»: Сборник научных трудов,-Воронеж,-2010.-С. 499-502.

о. Телевный А.М., Гаряев А.Б., Сынков И.В. Экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах с орошаемой поверхностью// Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем ЭНЕРГО-2010»: Сборник научных трудов.-М.,-2010.-С. 252-255.

9. Прун O.E., Телевный A.M., Гаряев А.Б. Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в водоохладителях с орошаемой поверхностью// Седьмая школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова. «Проблемы теплообмена и гадродинамики в энергомашиностроении»: Сборник научных трудов.-Казань,-2010.-С.285-289.

10. Телевный А.М., Гаряев А.Б., Сынков И.В. Влияние орошения поверхности на теплообмен в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах// Пятая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов. «Энергосбережение - теория и практика»: Сборник научных трудов.-М. ,-2010.-Т. 1 .-С. 120-123.

11. Прун O.E., Телевный A.M., Гаряев А.Б. Математическое моделирование процессов тепло- и массопереноса в водоохладителе с орошаемой поверхностью// Пятая международная школа-семинар молодых ученых и специалистов. «Энергосбережение - теория и практика»: Сборник научных трудов.-М.,-2010.-С. 108-111.

12. Телевный A.M., Гаряев А.Б., Сынков И.В. Исследование факторов, влияющих на процессы тепло- и массообмена в трубчатых оребренных телообменных аппаратах с орошаемой поверхностью// Пятая Российская национальная конференция по теплообмену. Молодежная секция: Сборник научных трудов.-М.,-2010.-Т.8.-С. 138-141.

Подписано в печать^' Ol Зак. & Тир. (00 Пл

Полиграфический центр МЗИ(ТУ) '

Красноказарменная ул.,д.13

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБЧАТЫХ ОРЕБРЕННЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ С ОРОШАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.

1.1. Область применения и конструкции теплообменных аппаратов с орошаемой поверхностью.

1.2. Методики расчета орошаемых теплообменных аппаратов.

1.3. Результаты экспериментальных исследований орошаемых теплообменных аппаратов.

1.3.1. Исследование теплопередачи в орошаемом теплообменном аппарате с гладкими трубами.

1.3.2. Исследование теплопередачи стальных воздухоохладителей со спирально навитым гофрированным ленточным ореб-рением.

1.3.3. Исследование теплообменника косвенного испарительного охлаждения

1.3.4. Исследование процессов тепло- и массообмена в орошаемых углекислотных газовых охладителях.

1.4. Математическое моделирование процессов в косвенных испарительных охладителях.

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В ТРУБЧАТЫХ ОРЕБРЕННЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ С ОРОШАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.

2.1. Схема экспериментальной установки.

2.2. Рабочий участок установки и основные характеристики экспериментальных теплообменников.

2.3. Измерительное оборудование и компьютеризированный измерительный комплекс.

2.4. Методика измерения параметров теплоносителей.

2.5. Особенности проведения экспериментальных исследований.

2.5.1.Оценка влияния различных факторов на точность проведения экспериментов и способы снижения данного влияния.

2.5.2. Определение оптимального расстояния расположения форсунок орошения.

2.6. Оценка погрешностей измерений.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ С ОРОШАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

3.1. Постановка задачи исследований.

3.2. Выбор метода исследования.

3.3. Методика обработки экспериментальных данных.

3.4. Результаты экспериментальных исследований.

3.4.1. Работа теплообменника в «сухом» режиме.

3.4.2 Работа теплообменника в орошаемом режиме при распылении жидкости плоской форсункой.

3.4.3 Работа теплообменника в орошаемом режиме при распылении жидкости круговой форсункой.

3.5. Влияние орошения на распределение температур по поверхности теплообменника.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПОЛУЧЕНИЕ ОБОБЩАЮЩЕЙ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ОРОШАЕМЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ.

4.1. Физическая картина процессов, протекающих в теплообменнике с орошаемой поверхностью.

4.2. Получение обобщающей зависимости для расчета эффективного коэффициента теплопередачи.

Выводы по главе 4.

Актуальность работы. В настоящее время актуальной является проблема обеспечения надежного бесперебойного охлаждения тепловыделяющего оборудования. Для отвода тепла широко используются водовоздушные трубчатые теплообменники со сплошным оребрением, в которых поток атмосферного воздуха, нагнетаемый вентиляторами, используется в качестве охлаждающего агента. Такие устройства применяются в нефтяной и газовой промышленности, черной и цветной металлургии и т.д. В электроэнергетике рекуперативные теплообменники могут применяться для охлаждения оборотной воды, поступающей в конденсаторы паровых турбин; в системах холодоснабжения и кондиционирования воздуха - в качестве конденсаторов холодильных установок. Поверхность теплообмена значительной части таких аппаратов изготавливается из дорогостоящих материалов, например, таких как алюминий, латунь и представляет собой пучки труб со сплошными пластинчатыми ребрами. Соответственно цена поверхности теплообмена является большей частью цены всего аппарата. В связи с этим, проблема совершенствования газожидкостных теплообменников является весьма актуальной. Данные аппараты выпускаются многими отечественными и зарубежными производителями теплообменного оборудования, такими как: «ВЕЗА», «BB-consulting», «Воздухотехника», «GÖHL», «LU-VE» и их выпуск достигает десятков тысяч штук в год. Поэтому даже небольшое повышение коэффициента теплоотдачи или снижение массы серийного теплообменника дает значительный экономический эффект.

Одним из способов интенсификации теплообмена, сокращения металлоемкости и стоимости таких аппаратов является орошение их теплообменной поверхности водой в наиболее жаркий период года. Теплообменные аппараты проектируются на основе климатических параметров данного региона, но при значительном изменении метеорологических условий теплообменник часто не может обеспечить снижение температуры теплоносителя до значений, требующихся потребителю. В данном случае орошение не только снижает капитальные затраты, но и увеличивает надежность системы.

Несмотря на то, что установка орошающих устройств позволяет значительно повысить эффективность работы систем охлаждения при небольших капитальных вложениях, практическое внедрение таких устройств затруднено в связи с отсутствием инженерных зависимостей для расчета данного класса аппаратов. Таким образом, проектирование орошаемых охладителей сопряжено с необходимостью получения экспериментальных данных по теплообмену и сопротивлению для вновь создаваемых устройств.

Проведенный анализ показал, что в последнее время проявляется растущий интерес к аппаратам водовоздушного охлаждения во многих странах мира, таких как США, Германия, Сербия, Италия. [1-8] Однако информация о количественном влиянии различных факторов на величину передаваемого теплового потока отсутствует.

Исследование теплообмена между потоком воздуха и смоченными ребрами проводилось в работах [9-13]. Однако эти работы рассматривали конденсацию пара на поверхности холодных круглых ребер.

Таким образом, решение задач, связанных с совершенствованием характеристик поверхностных водоохладителей, будет способствовать ускорению процесса модернизации систем охлаждения тепловыделяющего оборудования и достижению паритета в данной области знаний с ведущими разработчиками и производителями подобного оборудования в зарубежных странах.

Целью работы является расчетно-экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена в трубчатых водовоздушных теплообменниках с пластинчатым оребрением при орошении их поверхности водой, описание физической картины процессов, протекающих в орошаемом теплообменном аппарате и получение зависимости, позволяющей проводить инженерные расчеты орошаемых поверхностных водоохладителей.

Научная новизна.

1. Получены новые результаты, показывающие влияние форсуночного орошения поверхности теплообменного аппарата на величину передаваемого в нем теплового потока. В диапазоне температур охлаждающего воздуха от 25 до 40 °С при температуре охлаждаемой воды на входе в теплообменник от 35 до 48 °С плотность теплового потока, передаваемого в орошаемом режиме, в 1,6 - 4,5 раз превышает плотность теплового потока, передаваемого в сухом режиме.

2. Впервые получены результаты, характеризующие изменение передаваемого в орошаемом теплообменном аппарате теплового потока и аэродинамического сопротивления в зависимости от скорости и температуры воздуха, плотности орошения, температуры орошающей и охлаждаемой воды.

3. Экспериментально определен характер изменения плотности теплового потока, передаваемого в теплообменном аппарате, при увеличении плотности орошения.

4. Впервые экспериментальным путем определено влияние различных теплообменных процессов (конвекция между стенкой и воздухом, испарение орошающей жидкости и теплоотдача при стекании пленки жидкости) на суммарный тепловой поток, отводимый с орошаемой поверхности теплообменного аппарата.

5. Получена зависимость для расчета эффективного коэффициента теплопередачи в трубчатых теплообменных аппаратах с пластинчатым оребрением при форсуночном орошении поверхности. Определены эмпирические коэффициенты, входящие в данную зависимость, для теплообменных аппаратов серии ВНВ.

Практическая ценность.

1. Полученный вид полуэмпирической зависимости может быть использован для обобщения экспериментальных данных по теплообмену в трубчатых теплообменных аппаратах с' пластинчатым оребрением, работающих в орошаемом режиме.

2. Полученная обобщающая зависимость может быть использована для расчета эффективного коэффициента теплопередачи теплообменных аппаратов серии ВНВ, работающих в орошаемом режиме.

На защиту выносятся:

• результаты экспериментальных исследований, отражающие влияние форсуночного орошения поверхности на теплообмен и аэродинамическое сопротивление в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах со сплошным оребрением, в широком диапазоне режимных параметров;

• результаты тепловизионного исследования распределения температур по поверхности теплообмена, позволяющие установить распределение пленки жидкости по поверхности теплообмена, полученные в различных режимах работы теплообменного аппарата;

• экспериментальные данные, отражающие изменение передаваемого теплового потока в зависимости от плотности орошения: линейный рост на начальном этапе с последующей его стабилизацией;

• обобщающие зависимости для расчета эффективного коэффициента теплопередачи и аэродинамического сопротивления с учетом поправок на степень неравномерности орошения в условиях, приближенных к реальной работе систем охлаждения.

Апробация работы.

Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:

• 13, 14, 15 и 16-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва 2007-2010 г.

• Четвертой и пятой международных школах-семинарах молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика», Москва, 2008, 2010.

• Международном научно-техническом семинаре "Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов", Воронеж, 2010 г.

• Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» ЭНЕРГО-2010, Москва, 2010 г.

• VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 2010 г.

• Пятой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 2010 г.

Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 12 опубликованных работах, в том числе одна - в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 151 страница состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, и приложений, включая рисунки и таблицы.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. На основании проведенных экспериментов показано, что в диапазоне температур охлаждающего воздуха от 25 до 40 °С при температуре охлаждаемой воды на входе в теплообменник от 35 до 48 °С форсуночное орошение позволяет в 1,6 — 4,5 раз увеличить плотность передаваемого теплового потока по сравнению со случаем сухого теплообмена.

Определен характер и степень влияния скоростей и режимных параметров теплоносителей на плотность теплового потока, передаваемого в теплообменнике, а также на его аэродинамическое сопротивление.

2. Экспериментально установлено, что передаваемый в теплообменном аппарате тепловой поток линейно зависит от плотности орошения при небольших расходах орошающей жидкости. В дальнейшем происходит снижение скорости нарастания теплового потока, либо достижение предельного уровня при заданных режимных параметрах.

Отмечено, что при повышении температурного уровня охлаждаемой воды происходит смещение области стабилизации уровня теплового потока в сторону более высокой плотности орошения.

3. В ходе экспериментов было отмечено, что при работе теплообменного аппарата в орошаемом режиме наблюдается снижение аэродинамического сопротивления по сравнению с сухим режимом. Это связано с особенностями распределения пленки орошающей жидкости по поверхности теплообмена, приводящего к сглаживанию формы межреберного пространства, а также с большим шагом оребрения (4 мм) в исследованном теплообменнике.

Значительное расстояние между пластинами оребрения позволяет избежать смыкания пленки стекающей жидкости приводящего к загромождению площади узкого сечения теплообменника и, соответственно, к росту аэродинамического сопротивления. Использование гофрированных пластин оребрения позволяет минимизировать унос капель орошающей жидкости потоком воздуха с поверхности теплообменника, а также повысить равномерность распределения пленки жидкости по поверхности.

4. Анализ распределения тепловых потоков в пленке орошающей жидкости показал, что локальный максимум суммарного теплового потока с поверхности приходится на зоны перехода сухая поверхность-пленка жидкости, имеющей ширину ~ 2мм. На эти зоны приходится до 80% общего теплового потока. Таким образом, в случае достижении максимального значения данной площади в исследуемом теплообменном аппарате, уровень суммарного теплового потока, передаваемого в теплообменнике, стабилизируется.

5. Установлен характер влияния отдельных составляющих на величину суммарного теплового потока, передаваемого с поверхности теплообменника: большая часть суммарного теплового потока передается за счет испарения орошающей жидкости, однако при нарастании плотности орошения баланс смещается в сторону передачи тепла за счет нагрева орошающей жидкости; конвективная составляющая теплового потока в орошаемом режиме имеет тенденцию к снижению вследствие падения температуры теплообменной поверхности.

6. Получена форма обобщающей зависимости для расчета эффективного коэффициента теплопередачи в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах с оребрением в виде алюминиевых пластин; получен конкретный вид зависимости для исследуемого аппарата при орошении его поверхности путем подачи воды в верхнюю часть и распылении воды по всей площади фронтального сечения теплообменника. Отклонения экспериментальных значений эффективного коэффициента теплопередачи от полученной зависимости не превышает ±25 % при среднеквадратическом отклонении 12 %.

7. Установлено, что при подаче орошающей воды в верхнюю часть теплообменника темп роста передаваемого теплового потока при увеличении расхода орошающей воды выше, чем при распылении воды по всей площади фронтального сечения теплообменника. Данный факт объясняется тем, что при данном способе орошения интенсивность роста площади зон перехода «сухая поверхность-пленка орошающей жидкости» выше.

1. Peter Demakos Water conservation with closed-loop, evaporative cooling for process, power applications // Industrial Water World, 2006. p. 123 -148.

2. Spray Enhancement of Air Cooled Condensers. Consultant Report, California Energy Commission, 2003.v

3. Giovanni Lozza, Stefano Filippini, Fabio Zoggia Using "water-spray" techniques for C02 gas coolers // 12 European conference on "Technological innovations in air conditioning and refrigeration industry", 2007. p. 11-16.

4. J.F. San José Alonso, РЛ. Rey Martinez, E. Velasco Gomez and M.A. Alvarez-Guerra Plasencia Simulation model of an indirect evaporative cooler // Energy and Buildings Volume 29, Issue 1, 1998. p. 23-27

5. Farhan A. Khmamas Improving the environmental cooling for air-coolers by using the indirect-cooling method // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences Volume 5, № 2, 2010. p. 56-63.

6. Chan Ho Song, Dae-Young Lee, Sung TackRo Cooling enhancement in an air-cooled finned heat exchanger by thin water film evaporation // Int. J. Heat Mass Transfer, 2003. p. 1241-1249.

7. H. El-Dessouky, H. Ettouney, A. AI-Zeefari Performance analysis of two-stage evaporative coolers // Chemical Engineering Journal, 2004. p. 255266.

8. Богословский B.H., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. — М.: Стройиздат, 1985. — 367 с.

9. Кокорин О.Я. Кондиционеры с поверхностными охладителями // Сборник трудов НИИ Сантехники «Кондиционирование воздуха». -1960. №6.-с. 202-222.

10. Кокорин О.Я. Испарительное охлаждение для целей кондиционирования воздуха. — М.: Стройиздат, 1965. 158 с.

11. Аничхин А.Г. О тепло- и массообмене в ребристом воздухоохладителе // Теплоэнергетика. 1987. - № 5. - с. 8 - 12.

12. Аничхин А.Г. Универсальный коэффициент эффективности ребра воздухоохладителя // Вентиляция и кондиционирование воздуха. -1984.-с. 28-35.

13. Федеральный закон РФ от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты российской федерации»

14. Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1998. — 372 с.

15. Гладков В.А., Арефьев Ю.И., Пономаренко B.C. Вентиляторные градирни. М.: Стройиздат, 1976. - 216 с.

16. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973.-320 с.

17. Семилет З.В. Оросительные теплообменники химических производств М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1961. — 112 с.

18. Маньковский О.Н., Толчинский A.B., Александров М.В.

19. Теплообменная аппаратура химических производств. — JL: Химия,1976. 368 с.

20. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды — М., Госэнергоиздат, 1949.-229 с.

21. Богомолов Б. В. Производственный практикум на ТЭЦ МЭИ. Учебное пособие. / Б. В. Богомолов, А. В. Морозов, В. М. Стукалов -М. : Изд-во МЭИ, 2001 . 64 с.

22. Бакан А., Бергман Д., Бодаш Я., Папп И., Жабо 3. Система воздушного охлаждения // А.с. 15144250 СССР, МКИ F 28 В 9/06.- № 4028403 / 24-06; Заяв.24.10.86; Опубл. 07.10.89, Бюл.№ 37. 5 е.: ил.

23. Балог А., Жабо 3. Усовершенствованная система Геллера. // PowerTec, 2010. №1. - с. 56 - 66.

24. Balogh A., Szabo Z. The Heller System: The Economical Substitute for Wet Cooling // Journal of Power Plant Chemistry, Vol. 11, №11, 2009. p 642-656.

25. Balogh A., Szabo Z. Heller System: The Economical Substitute for Wet Cooling to avoid casting a shadow upon the sky // EPRI Workshop on Advanced Thermal Electric Power Cooling Technologies, 2008. — p. 78-83.

26. Hogan M. The Secret to Low-Water-Use // High-Efficiency Concentrating Solar Power, Climate Progress, 2009 p. 343-351

27. Balogh A., Szabo Z. The Advanced HELLER System. Technical Features & Characteristics // EPRI Conference on Advanced Cooling Strategies/Technologies, 2005. p. 188-196.

28. Balogh A., Szabo Z. Advanced Heller System to Improve Economics of Power Generation // EPRI Conference on Advanced CoolingStrategies/Technologies, 2005 p. 253-258.

29. Takacs Z. Flue Gas Introduction Advantages of Dry Cooling Towers // 5th Int. Symp. on Natural Draft Cooling Towers, 2004 - p. 1113-1121.

30. Szabo Z. Cool for Coal // Journal of Power & Energy 1st quarter, 2004 p. 32-35.

31. Wet/Dry Air Cooler. Catalog, Niagara Blower Heat Transfer Solutions

32. Крючков Д.А. Водовоздушное охлаждение в аппаратах с вертикальными контактными решетками. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Самара, 2006. - 21 с.

33. Григорян Л.Г., Филин Г.П. Интенсификация теплообмена при капельном орошении теплопередающей поверхности. // Пробл. докл.: Международный форум по тепломассообмену. Минск: ИТМО АН БССР.-1988.-Т. II.- с. 77-90.

34. Григорян Л.Г., Лесухин С.П., Тимонин А.В., Данелянц М.А.

35. Тепломассообмен в аппарате водовоздушного охлаждения при конденсации углеводородов // Тепломассообмен ММФ-2000. Минск. -2000. - Том 11. - с. 166-169.3 5. LU-VE технический бюллетень, №10,2005.

36. Розенфельд Л. М., Ткачев А. Г. Холодильные машины и аппараты: учебник для технологических институтов. М. : Госторгиздат, 1955 . -584 с.

37. Yudin V. Е., Tokhtarova L. S. Influence of Number of Transversal Rows in Finned Tubes in Staggered and In-line Banks on their Heat Transfer and Drag. Energomashinostroeniye, № 4, 1971. p. 41-42.

38. Yudin V. E., Tokhtarova L. S. Heat Transfer and Drag of Banks of Finned Tubes with Different Fin Height and Fin Spacing at High Re Numbers, Energomashirrostroemye, № 12, 1972. p. 21-23.

39. Юдин В. Ф., Тохтарова Л. С., Андреев П. А. Теплоотдача в сопротивление шахматных пучков с различными высотами и шагами ребер // Тр. ЦКТИ нм. И. И. Ползунова. 1966. - № 73. - с. 98-106.

40. Юдин В.Ф., Тохтарова Л.С. Теплоотдача и сопротивление пучков оребренных труб с различными высотами и шагами ребер при больших числах Re // Энергомашиностроение. 1972. - № 12. - с. 21-23.

41. Юдин В.Ф., Тохтарова Л.С. Теплоотдача и сопротивление шахматных и коридорных ребристых пучков // Энергомашиностроение. 1964. -№1. - с. 11-13.

42. Юдин В.Ф., Тохтарова Л.С. Теплоотдача и сопротивление шахматных пучков труб с поперечными ребрами при поперечном омывании потоком // Теплоэнергетика. 1973. - № 2. - с. 49-52.

43. Юдин В.Ф., Тохтарова JI.C., Локшин В.А., Тулин С.Н. Обобщение опытных данных о конвективном теплообмене при поперечном омывании пучков труб с поперечным ленточным и шайбовым оребрением // Труды ЦКТИ им. И.И. Ползунова. 1968. - № 82. - с. 108134.

44. Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. Основы проектирования и расчета. М.: Издательство литературы по строительству, 1971. - 273 с.

45. Карпис Е.Е. Исследование и расчет процессов тепло- и массообмена при обработке воздуха водой в форсуночных камерах // Сборник трудов НИИ сантехники «Кондиционирование воздуха». М.: Госстройиздат. -. 1960. - №6. - с. 5-106.

46. Карпис Е.Е., Пекер Я.Д. Кондиционирование воздуха в современных многоэтажных зданиях. Научно-техническая информация. «Межотраслевые вопросы строительства», №6. ЦИНИС Госстроя СССР, 1967.

47. Карпис Е.Е. Гильгур Г.С. IV Международный конгресс по отоплению и кондиционированию воздуха. «Водоснабжение и санитарная техника», 1968, №1.

48. Курылев Е.С., Евреинова B.C. Исследование теплообмена и аэродинамического сопротивления в орошаемых воздухоохладителях // Холодильная техника. — 1970. №7. - с. 94-102.

49. Курылев Е.С. Некоторые особенности процесса теплообмена между каплями воды и воздуха в форсуночных воздухоохладителях // Труды

50. Ленинградского института холодильной промышленности. 1953. - т. IV. - с. 46-54.

51. Кокорин О .Я. Установки кондиционирования воздуха . Основы расчета и проектирования. М.: Машиностроение, 1978. — 264 с.

52. Heidarinejad Gh., Bozorgmehr М. Modelling of Indirect Evaporative Air Coolers // 2nd PALENC Conference and 28th AIVC Conference on Building Low Cooling and Advanced Ventilation Technologies in the 21st Century, Vol.1, 2007. p. 416-420.

53. Пиир А.Э., Кунтыш В.Б. Экспериментальное исследование теплоаэродинамических характеристик оребренного пучка методом полного теплового моделирования. Методические указания к лабораторной работе №6. РИО АЛТИ, 1979. - 24 с.

54. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. Учеб. пособие для вузов. — М.: Энергия, 1979. — 320 с.

55. Григорьев В.А., Зорин В. М. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник — М.: Энергоатомиздат, 1991. 588 с.

56. Петухов Б.С., Шиков В.К. Справочник по теплообменникам. М.: Энергоатомиздат, 1987.-559с.

57. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973.-320 с.

58. Бялый Б.И. Тепломассообменное оборудование воздухообрабатывающих установок ООО «ВЕЗА» М.: Веза, 2005. -278 с.

59. Сынков И.В. Влияние турбулентности и неравномерности воздушного потока на теплогидравлические характеристики теплообменников систем кондиционирования воздуха: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Москва, 2007. - 20 с.

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

61. Гоголин A.A., Данилова Г.Н., Азарсков В.М., Медникова Н.М. Интенсификация теплообмена в испарителях холодильных машин. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 223 с.

62. Ярин JI. П., Генкин А. Л., Кукес В.И. Термоанемометрия газовых потоков — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. 198 с.

63. Беккер А. Системы вентиляции. М.: Евроклимат, 2005. - 232 с.

64. Савчук В.П. Обработка результатов измерений. Учеб. пособие для студентов вузов. Одесса: ОНГГУ, 2002. - 54 с.

65. Бурдыгина Е. В. Повышение энергоэффективности теплотехнического оборудования первичной переработки нефти: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Уфа, 2003. - 20 с.

66. Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Идиатуллин Н.С. Теория и техника теплофизического эксперимента. Учеб. пособие для ВУЗов/ Под ред. Щукина B.K. — М.: Энергоатомиздат, 1985. 360 с.

67. Шенк X. Теория инженерного эксперимента М.: Издательство Мир, 1972.-381 с.

68. Рожнов В.Ф. Основы теории инженерного эксперимента. Учебное пособие. М.: Издательство МАИ, 2007. - 356 с.

69. Баженов В. И., Стрельченко А. Н. Основы планирования и моделирования в теории инженерного эксперимента М.: Издательство МАИ, 1983. - 56 с.

70. Безарашвили Г.С. Планирование эксперимента. Краткий курс лекций для специальности "Катализ и техническая химия" — Тбилиси: Изд-во Тбил. ун-та, 1989. 108 с.

71. Прохоров В.Т. Планирование эксперимента. Учеб. пособие по дисциплине "Основы научных исследований" — М.: Моск. технол. ин-т, 1988.-64 с.

72. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента. М.: Мир, 1981, 520 с.

73. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. — Мн.: Изд-во БГУ, 1982. 302 с.

74. Илларионов А. Г., Сасин В. Я. Методы обработки экспериментальных данных в исследованиях теплотехнологических процессов М.: Издательство МЭИ, 1987. - 62 с.

75. Архипов Л.И., Косенков В.И., Сынков И.В. Центральные системы кондиционирования воздуха. Учебное пособие. М.: Издательство МЭИ, 2005.- 79 с.

76. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. М.: Издательство «Мир», 1988.-405 с.

77. Ллойд Д. Системы тепловидения. М.: Издательство «Мир», 1978. -414 с.

78. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением. Справочное пособие. -М.: Энергоатомиздат, 1991.-431 с.

79. Карманное практическое руководство по термографии, Testo, 2008. -54 с.

80. Ведомственные строительные нормы по теплотехническим обследованиям наружных ограждающих конструкций зданий с применением малогабаритных тепловизоров (ВСН 43-96). Москва, 1996.

81. Методика Диагностики и энергетических обследований наружных ограждающих конструкций строительных сооружений81.82,83.84,85,8687,88