автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Проектирование судовых теплообменных аппаратов на основе использования комплексного показателя совершенства

ВОЛЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи УДК 621^.64:^.12.001

Бурдастов Николай Николаевич

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУДОВЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ

АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ СОВЕРШЕНСТВА

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2000

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Бажан П.И. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГАВТ. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью предприятия, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

профессор Меркулов В.И. кандидат технических наук, доцент Орехво В.А.

Ведущая организация — ОАО НПО «Судоремонт».

Защита состоится « £9 » 2000 г. в *^час. в

аудитории на заседании диссертационного совета К. 116.03.02 в

доцент, канд. техн. наук

Пономарев Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных условиях развития общества очень быстро изменя-[ конъюнктура рынка. В связи с этим производители различного оборудования (в частности теп-эменных аппаратов) поставлены в сложные условия. Для «выживания» и успешного развития они кны бьпъ способны быстро реагировать на любые изменения спроса и выпускать продукцию, ;имально удовлетворяющую любым требованиям заказчика.

Теплообменные аппараты (ТА) и устройства применяются, как на транспорте, так и во многих их отраслях промышленности. Каждая сфера применения теплообменного оборудования накла-1ет на его конструкцию определенные ограничения и предопределяет состав исходных данных проектирования.

Проектирование ТА представляет собой сложный, трудоемкий и затратный процесс. Даже гному конструктору необходимо рассмотреть не менее 5-6 вариантов конструкции ТА, прежде удастся отыскать приемлемые соотношения тех величин, которыми он задается: размер труб, их расположения в трубной решетке, скорости теплоносителей и т.д. Различные комбинации величин приводят к существенно неравнозначным результатам расчета.

Средством совершенствования процесса проектирования теплообменника и единственным м, позволяющим автоматизировать выбор проектного варианта, является применение оптимизи-щих расчетов. При этом окончательный выбор осуществляется на основании значения некоторо-ритерия оптимальности, выражающего все достоинства аппарата. В качестве такого критерия в тейшем случае могут применяться самые разнообразные характеристики ТА, например, его мость, габаритные размеры или показатель теплогидравлической эффективности. При этом даже те совершенные, в том числе комплексные критерии оптимальности зачастую игнорируют мно-южные показатели качества аппарата и тем более не учитывают представления заказчика о том, й ТА ему нужен. Таким образом, возникает необходимость оптимизации ТА по нескольким кри-ям.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что существует необходимость в разработке и ис-зовании комплексного показателя совершенства ТА, свободного от интуитивных представлений ктировгцика, его квалификации и опытности, как можно более полно учитывающего как разно-ые показатели качества ТА, так и требования и предпочтения заказчика. Следовательно, тема вящей диссертационной работы актуальна.

Целью работы является создание метода проектирования теплообменных аппаратов, нтированного на выбор конструкции ТА с учетом условий эксплуатации и индивидуальных почтений заказчика.

Научная новизна. Разработан метод построения комплексного показателя качества 1 одновременно характеризующего тепловую и гидравлическую эффективность аппарата, его масс; габариты, надежность и прочность, склонность теплообменной поверхности к образованию загр няющих отложений, а также экономическую эффективность. Метод предусматривает формализац отношения заказчика к каждому частному показателю ТА.

Разработаны приемы формализации для преобразования отдельных размерных характерно" ТА в безразмерные показатели, из которых конструируется один, комплексный.

Методы исследования. Исследование выполнено с помощью экспериментальны: теоретических методов.

Экспериментальное исследование выполнено на лабораторном стенде с учетом требовани рекомендаций нормативно-справочной литературы. Полученные результаты обрабатывались с пользованием основных положений теории эксперимента. В экспериментах использовались отеч< венные датчики и анализирующе-регистрирукмцая аппаратура.

Теоретическое исследование выполнено на основе использования основных положений с темного анализа и теории принятия решений, опыта проектирования судовых теплообменников и копленного экспериментального материала. Часть выводов сформулирована по результатам анат экспериментальных данных, полученных в настоящей работе, а также по результатам проверки работанных автором математической и компьютерной моделей.

Практическая ценность. Разработана компьютерная модель проект конструкторского расчета ТА, с помощью которой возможно исследовать ТА с самыми различи сочетаниями конструктивных, компоновочных и режимных параметров.

Предложен метод интенсификации теплообмена, позволяющий увеличить коэффициент лопередачи судовых кожухотрубных теплообменников в 1,5...2,8 раза при соизмеримом увеличе потерь давления и значительно сократить тем самым размеры и стоимость судовых ТА при неиз; ном тепловом потоке.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получила ложитёльную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательскогс става Волжской государственной академии водного транспорта (Н.Новгород, 1999-2000 г.), на 1 дународной научно-технической конференции «Энергосберегающие теплотехнические процео установки» (Севастополь, 1997 г.), на XII школе-семинаре молодых ученых и специалистов по, ководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в эн тических установках» (Москва, 1999 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заюпоче-списка литературы из 99 наименований. Основная часть диссертационной работы содержит 124 1ницы машинописного текста, 26 рисунков и 13 таблиц.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в двух печатных работах

>ра.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ процесса проектирования ТА, который показал, что од-из наиболее важных задач при этом является задача выбора конструкции ТА, в которой реализо-I оптимальные в конкретных условиях соотношения геометрических и режимных параметров, тазоны возможных значений этих параметров определяются на этапе решения поисковой задачи, [полагающей поиск всех возможных сочетаний физических и геометрических показателей (фор-диаметры труб, режимы течения, схемы тока и т.п.), при которых ТА будет выполнять заданную щию.

Сложность задачи выбора, определяемая противоречивостью требований, предъявляемых к ложится на плечи проектировщика, который должен разрешить ряд физических и технических иворечий, возникающих при проектировании и эксплуатации ТА. В связи с этим возникает не-дашосгь в неком показателе качества или критерии совершенства, предельное значение которого т соответствовать «идеальному» в заданных условиях теплообменнику.

Одним из самых ответственных этапов решения задачи выбора является выбор вида показате-ачества, поскольку от него зависит направленность расчета и результат выбора окончательного анта. Проведенный автором диссертации анализ различных методик обоснования принятия ре-ад при выборе оптимальной конструкции ТА выявил ряд присущих этим методикам недостатков.

В условиях современной экономической ситуации при проектировании ТА важно учитывать гребования, определяемые назначением и условиями эксплуатации аппарата, так и возможностя-предпочтениями заказчика. Ни одна из рассмотренных методик не позволяет этого сделать.

Поскольку решение задачи выбора предполагает варьирование различных параметров и дис-пых признаков конструктивно-компоновочного типа ТА, к которым можно отнести и различные ды интенсификации конвективного теплообмена, которые проанализированы в главе. Среди су-"вующих методов интенсификации выделены наиболее эффективные по соотношению степени астания теплоотдачи и роста гидравлического сопротивления, а также наиболее пригодные для генения в судовых ТА. Выявлено также, что такая важная задача, как интенсификация теплоот-в межгрубном пространстве ТА еще до конца не решена.

На основании изложенного определены направления дальнейших исследований в данной ласти и сформулированы задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена разработке комплексного показателя совершенства теплообм ных аппаратов, отражающего совершенство рассматриваемого ТА с точки зрения заказчика, при нение которого исключает недостатки использования отдельных показателей. По результатам ана за различных стратегий конструирования комплексных показателей совершенства сложных техт ских объектов в главе обосновано применение линейной стратегии, в соответствии с которой к плексный показатель описывается с помощью аддитивной функции:

где и, - частные показатели, характеризующие отдельные качества ТА, такие как тепловая эфе тивность, гидравлическая эффективность, надежность, прочность, засоряемость и т.д.; т - количество частных показателей; / - приоритет показателя;

а, - коэффициенты, отражающие относительную значимость частных критериев £У/ для зака

Доказано, что из множества свойств ТА, влияющих на эффективность его работы, достатс использовать следующие:

1. эффективность процесса переноса теплоты;

2. гидравлическая эффективность;

3. загрязняемостъ теплообменной поверхности;

4. экономическая эффективность;

5. прочность;

6. надежность;

7. масса и компактность.

Важным этапом при формировании комплексного показателя является определение коэ< циентов весомости, с помощью которых осуществляется формализация отношения заказчика к дому частному свойству аппарата В предложенном автором методе определение коэффициенте сомости основано на использовании экспертных оценок, причем в данном случае в качестве экет выступает заказчик, который производит процедуру ранжирования частных свойств ТА, расти перечисленные свойства ТА в порядке убывания их важности. Для этого заказчик должен зало; первую часть анкеты, приведенной на рис. 1, присваивая каждому свойству системы число нату ного ряда - ранг. При этом ранг ¿1=1 получает наиболее важное свойство теплообменника, а Ь„ = т- наименее важное свойство. Число рангов т равно числу ранжируемых свойств. Тенде:

т

ка.

ения весовых коэффициентов, в том числе в количественном измерении, также задает заказчик, этого он должен заполнить вторую часть анкеты, показанной на рис. 1, путем указания значений шений Ь/Ьц-1.

При определении коэффициентов весомости обязательным является соблюдение условия тровки = 1. Поэтому нормированные коэффициенты весомости вычисляются по следим формулам:

фициент весомости свойства Ьт признанного заказчиком самым маловажным:

>стальных свойств системы

1

т-\т-\

,у=1 К/

+ 1

(2)

т~' Ъ

(я

т~* Ъ-Г=2ЬМ

(4)

т-1

ъ,

ык

(5)

ат-1 =ат

°т-1

(6)

Поскольку условием формирования аддитивного критерия является приведение частных пока-гей и, к единой шкале оценок, каждому частному свойству ТА ставится в соответствие некото-{(ункция шкалирования, характеризующая его полезность для системы и изменяющая свое зна-е от нуля до единицы.

В качестве показателя тепловой эффективности используется общеизвестный параметр т), на-емый тепловой эффективностью и определяемый по формуле:

АНКЕТА ОПРОСА ЗАКАЗЧИКА I. Ранжирование свойств теплообменного аппарата

Расположите перечисленные ниже свойства ¿( в порядке убывания их важности, присвоив каждому из свойств соответствующий ранг (целое число из диапазона 1... 7). Если какое либо из свойств имеет подсвойства Ьу, ранжируйте их отдельно, присвоив каждому подсвойству ранг 1 или 2.

1. Тепловая эффективность

2. Гидравлическая эффективность

3. Загрязняемость

4. Прочность

5. Надежность

5.1 Безотказность

5.2 Долговечность

6. Масса и габариты

6.1 Масса

6.2 Длина

7. Экономическая эффективность

Ранг

О

о

П. Установление значений отношений Ь/Ьм

1. Отношения рангов свойств

¿1

¿2

¿3

Ь4

ъ5

к

Ьг

¿4

к

2. Отношения рангов подсвойств

¿5.1

¿5.2

¿6.1

¿6.2

Рис. 1

/{, ¿2 ~ температуры соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в ТА, °С;

Д/тах - наибольший перепад температур из сравниваемых А/) ~?\—Х{ и Л?2 = ¿2 ~ '2»

Показатель гидравлической эффективности ТА определяется с помощью предложенной автофункции:

ИГЭ=1-

( Л -\!'75

ЧАЛпах+5У

- (8)

5 - параметр, предназначенный для обеспечения неравенства нулю минимального значения показателя, Па: 5 « Аргш*. Аргшя - максимально допустимый перепад давления, Па.

внение (8) получено на основании того факта, что перепад давления в ТА пропорционален скоро-теплоносителя в степени 1,75. Таким образом, шкала оценки полезности гидравлического сопро-1ения соответствует степени изменения скорости теплоносителя при соответствующем увеличе-перепада давления. Графики зависимости (8), построенные при 5 = 1000 Па, приведены на рис. 2, отором видно, что в области низких перепадов давления значение показателя игз убывает менее :нсивно, чем при значениях Ар, близких к Арта*, что соответствует характеру зависимости пере-I давления от скорости.

Для построения комплексного показателя гидравлической эффективности применена конъ-тивная стратегия, предполагающая одинаковую важность составляющих критериев:

игз=(»гэтр-«гэмтр)ш, (9)

иГЭтр ~ показатель гидравлической эффективности трубного пространства ТА; иГЭмтр ~ то же межтрубного пространства ТА.

Показатели массы и компактности ТА шкалируются с помощью линейной функции:

""Т^Г "0>

£] - регламентированное значение параметра, И = [к] + 3;

5 - добавка, имеющая небольшое по сравнению со шкалируемым параметром значение; к - расчетное значение параметра.

Графические зависимости показателя гидравлической эффективности от потерь давления в ТА

Перепад давления, Па

1 -Д?тах = 40 кПа; 2 - Дртач= 80 кПа; 3 - Дршах = 120 кПа

Рис. 2

Комплексный показатель массы и компактности ТА описан мультипликативной функцие

VМГ ~ ит ' >

где Д], ог - весовые коэффициенты, определенные на основании ранжирования заказчгикои свойств б. 1 и 6.2.

Графические зависимости показателей массы и длины ТА от шкалируемых параметров

Показатель длины ТА Показатель ыассы ТА

Дгсина ТА, и Масса ТА, кг

Рис. 3

и

Для определения показателей загрязняемости в трубах итр и в межтрубном пространстве им эльзованы ранее известные зависимости:

¡ах • ехр(Г2 /100) ,/100)

О гУах* ' ;-ехр V ' ^,-^4+5,07) (Т

(12)

и'тк - максимально возможная скорость в межтрубном пространстве, м/с. Определяется из условия равенства перепада давления в межтрубном пространстве максимально возможному (регламентированному) значению. Тг - наименьшая температура стенки трубы, приблизительно равная средней температуре холодного теплоносителя, °С; н\„тр - скорость в межтрубном пространстве, м/с; Тш - реальная температура стенки, "С;

щ - показатель степени, характеризующий свойства теплоносителя: для воздуха «4=0,12, для дизельного масла «4=0,464, для воды щ=0,26;

итр= 1-ехр(-0,3>^;0,23^

(13)

мтр - скорость теплоносителя в трубах, м/с; Лвн - внутренний диаметр труб, м.

Комплексный показатель загрязняемости определяется с помощью мультипликативной функ-

из=г®р-и%р, 04)

3!, ¿72 - коэффициенты весомости, рассчитанные исходя из предположения о том, что значение показателя загрязняемости в межтрубном пространстве, на 25 % важнее значения показателя загрязняемости в трубах. В работе определяются показатели для двух составляющих надежности - безотказности и ©вечности, поскольку в техническом задании на проектирование большинства судовых теплооб-нпсов, как правило, содержатся требования именно для этих двух характеристик.

К наиболее вероятным местам отказов судовых ТА относятся прочноплотные соединения, ы в зоне концентрации напряжений от заделки и трубы в местах прохода через направляющие городки. Разрушение труб от перетирания о направляющие перегородки можно не учитывать, предполагая, что отверстия в перегородках выполнены так, что исключают перелом . Первые два вида отказов оцениваются совместно, поскольку от способа образования прочно-ного соединения зависят и напряжения в трубах в зоне заделки.

Для определения показателя безотказности щ на основании анализа различных способов крепления труб в решетках было проведено их ранжирование по возрастанию надежности. На рис приведен график, построенный по результатам ранжирования. На графике по оси абсцисс отложе; ранги различных типов соединений.

0.9 0,6 0.7 0,6 «I 05 0,4 0,3

ог 0,1 00

0 1 2 3 4 6 6 Т 8 3 10 11 12 13

Тип соединения Рис.4

Ранги с 1 по 4 соответствуют различным типам механической вальцовки: 1 - без выступаю го конца, 2-е выступающим концом, 3-е кольцевыми проточками и выступающим концом, 4 кольцевыми проточками и разбортованным выступающим концом. Ранги 5-7 принадлежат соот; ственно вальцовке взрывом, сварке, вальцовке с последующей сваркой и сварке с наложением в; цовки. Значения рангов больше 8 могут быть присвоены нетрадиционным методам закрепления т| например, таким, как сварка с помощью лазерного луча или применение для защиты от щелевой 1 розии сварных соединений различных герметиков.

Долговечность ТА зависит прежде всего от толщины стенок труб, поскольку они в болы степени, чем другие элементы ТА подвержены эрозионному разрушению при течении морской в и фрикционному изнашиванию в отверстиях перегородок. Относительную долговечность труб многовариашном расчете ТА предлагается оценивать по критерию:

^тах ^ °

где д - текущая толщина стенки трубы, м;

£тах - максимальная толщина стенки трубы из всех варьируемых значений, м.

Зависимость показателя безотказности от способа образования прочноплотных соединений

Для определения комплексного показателя надежности ТА используется мультипликативная ция:

и„ = и$-иад2, (16)

I, аг - коэффициенты весомости, рассчитанные по данным заказчика.

Показатель прочности ТА складывается из трех отдельных показателей прочности труб, обе-I и трубных решеток. Для каждого из перечисленных элементов конструкции ТА существуют ия прочности, жесткости и устойчивости, в которых реальные напряжения в элементах сравни-:я с максимально допустимыми, определяемыми в соответствии с ГОСТами и другими норма-1ми документами. Поэтому показатель прочности каждого из элементов рассчитывается как ведение показателей прочности жесткости и устойчивости, рассчитанных по формуле (10).

Для определения суммарного показателя прочности всех трех элементов применена конъюнк-я стратегия:

,р - показатель прочности труб;

показатель прочности трубной решетки; , - показатель прочности обечайки.

Показатель экономической эффективности определяется с помощью полученной автором дис-ции функции, аргументом которой является отношение цены Ц рассматриваемого аппарата и Цши самого дорогого из всех представленных на рынке теплообменников той же мощности:

U3=exр

- 5,304 • | ———1 Цтях )

3,664'

(18)

рассматриваемого ТА может в этом случае определяться по уравнению, аппроксимирующему ге по ценам на теплообменники, изготавливаемые из стали 12Х18Н10Т научно-технической эй ЦЭЭВТ:

Z( = 6M.F0'168953-W°'797355, (19)

-цена ТА, USD;

i - коэффициент материала, из которого изготовлен ТА. В случае использования стали 12Х18Н10Т Ьи = 13,77503 для других сталей и сплавов Ьи определяется исходя из соотношения рыночных цен на них.

Погрешность уравнения (19) не превышает 4 %.

Влияние МЯК С ИМШТЬ НОИ ЦСНЫ Цхпвх на форму графической зависимости 17э ~ЯШ можно } деть из графиков, изображенных на рис. 5.

10 0,3 03 0,7 05

0.4 0,3 02

0,1

0Л _,

0 2000 4000 ВОЮ 8030 10000 12000 14003 16000 18000 20000 22000

Цена ТА, ШБ Рис. 5

Достоинством функции (18) является то, что в крайних областях желательности, близк нулю и единице, реагирование функции на изменение аргумента значительно ниже, чем в сре зоне, где сосредоточена основная масса значений стоимости аппаратов.

Третья глава посвящена созданию математической и компьютерной моделей, предн ченных для многовариантного проектно-конструкгорского расчета кожухотрубного ТА. Поиск лучшей в предложенных заказчиком условиях конструкции ТА осуществляется методом полнот ребора возможных вариантов конструкции параллельноточных теплообменников. Перебор ра ных вариантов осуществляется варьированием некоторых дискретных параметров. Выбор на! ших вариантов конструкции производится на основании значения разработанного автором плексного показателя совершенства ТА.

Компьютерная модель представляет собой совокупность определенным образом связа между собой блоков (модулей), каждый из которых предназначен для расчета отдельной харак стики и вызывается большое число раз в процессе варьирования независимых переменных. Ка модуль характеризуется максимальной универсальностью и применим для любой рассматрив; конструкции ТА или формы теплообменной поверхности.

Методы расчета большинства параметров, реализованные в модели, соответствуют общ нятым. Однако такие величины, как определяющие температуры, температуры стенки труб и

Графическая зависимость показателя экономической эффективности от цены ТА

уб при переходном режиме течения определяются методом последовательных приближений. Ко-фициеит теплоотдачи при переходном режиме течения теплоносителя в реальных условиях экс-уатации ТА является случайной величиной, поэтому в модели он определяется с помощью генера-ра случайных чисел, причем случайные пульсации этого параметра накладываются на осредненные мения, рассчитанные по общепринятым формулам.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований разрабо-гаого автором диссертации метода двусторонней интенсификации теплоотдачи, осуществляемой падкой проволоки малого диаметра в предварительно накатанную на трубе винтовую канавку, спериментальное исследование проводилось на экспериментальном стенде, установленном в ла-ратории СДВС ВГАВТа. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в кольцевом канале с внут-шкм диаметром наружной трубы £>0 = 21,2мм и наружным диаметром внутренней трубы = 12 х 1 мм исследовались при течении воды. Холодная вода в трубе нагревалась горячей водой, этекающей по кольцевому зазору. Длина обогреваемого участка составляла 1000 мм (Ш3 = 108,7). ижение греющей и нагреваемой воды в экспериментальном модуле было организовано по прямотой схеме.

Основные параметры в опытах изменялись в следующих пределах: температура воды на входе ольцевой зазор и на выходе из него t„i =72... 80,5 "С, t„i = 53...69 "С соответственно, температура входе в трубу и на выходе из нее tmpi = 19...22°С, t„P2 = 29...38 "С соответственно, число Рей-тьдса в кольцевом зазоре Rera = 1800... 10000, число Рейнольдса в трубе Rem/) = 3000... 15000. йс-таниям подвергались медные трубы с различными параметрами турбулизаторов, изображенных на ;. 8:

трубы с винтовой канавкой на наружной поверхности

1. t/D„ = 0,25; t/Dm = 0,3; d¿D„ = 0,925; dJDm = 0,88;

2. t/DH = 0,417; t/Dm = 0,5; dJDH = 0,9167; dJDm = 0,86;

3. t/D„ = 0,583; t/Dm = 0,7; d,/D„ = 0,9; d*/Dm = 0,88;

4. гладкая труба;

трубы с винтовым проволочным оребрением, изготовленным укладкой проволоки в канавку наружной поверхности

5. t/hp = 20; D,/Dp = 0,9449; t/D„ = 0,583; t/Dm = 0,7; dJD„ = 0,88;

6. t/hp = 14; DJDP = 0,9231; t/D„ = 0,583; t/Dm = 0,7; dJDm = 0,88;

7. t/hp = 10; D¿DP = 0,9231; t/D„ = 0,417; t/Dm = 0,5; dJDm = 0,86;

8. t/h„ = 14,286; DJDP = 0,9449; t/D„ = 0,417; t/Dm - 0,5; dJDm = 0,88;

9. t/hp = 28,571 -D/Dp » 0,9717; t/DH = 0,417; t/D,„ - 0,5; dJDm = 0,88;

10. t/hp = 6; DJDP = 0,9231; t/DH = 0,25; r/Dm = 0,3; dJDm = 0,87;

11. 8,571; D/Dp = 0,9449; t/DH = 0,25; = 0,3; dJDm = 0,88;

12. чЪр = 40; 0„>П„ = 0,9717; «©„ = 0,583; </Д,„ = 0,7; с/„Д)т = 0,88;

Экспериментальные трубы с наружными и внутренними турбулизаторами

Рис. 8.

В главе приведены значения погрешностей измерения основных параметров:

концевых температур - не более 2,7 %;

расходов ~ 13,3... 6 %;

коэффициента гидравлического сопротивления - 4... 17 %.

Полученные автором опытные данные по сопротивлению гладкостенного канала обобще помощью уравнений: при Ке^й 5500

1гл = 0,4673967 + 6,76 • 10~5 0,012093 Ие^0'4848992;

при Яен > 5500

= 0,056 - 7,014 • Ю-7 Б1ею.

В результате экспериментального исследования получены следующие данные. Гидра! ское сопротивление кольцевого канала с внутренней спирально накатанной трубой в предел! грешности практически не отличается от сопротивления гладкостенного канала. Коэффициен равлического сопротивления \ при течении воды в кольцевом зазоре с внутренней трубой, сна ной проволочным оребрением, увеличивается по сравнению с гладкостенным каналом в 1,: раза, причем значение параметра увеличивается с ростом числа Рейнольдса, а после зш 11е » 5000 - стабилизируется. С увеличением наружного диаметра ребер и уменьшением шага *

шения степень возрастания коэффициента гидравлического сопротивления относительно глад-убного канала также увеличивается. Экспериментальные данные по коэффициенту гидравличе-о сопротивления кольцевого канала с внутренней оребренной трубой обобщаются с погрешно-130 % уравнением:

(

242,8841-242,527

Д,

л 0,0344.

Я»

V Р )

0,000892

Яе-р58464. (22)

Максимальная интенсификация теплопередачи при течении воды в кольцевом зазоре опытно-яшообменника с внутренней спирально накатанной трубой отмечена при обтекании трубы с = 0,25 и ¿¿УД, = 0,925. В этом случае коэффициент теплопередачи увеличился на 65... 100 %. При временном увеличении шага и уменьшении глубины накатки интенсивность теплопередачи не-ько снизилась: при 1Ю„ = 0,417 и (1н 'Он = 0,9167 рост к по сравнению с гладкостенным каналом шил 35... 93 %, а при ;/»„ = 0,5 83 и 4/А, = 0,9 - 41... 75 %

При испытаниях труб с наружным оребрением получены различные результаты. Во всем ис-эванном диапазоне геометрических и режимных параметров имеет место интенсификация про» теплопередачи по сравнению с гладкостенным каналом, однако не все исследованные трубы е эффективны, чем накатанные. Только четыре из восьми испытанных труб характеризуются бо-1ЫСОКИМ коэффициентом теплопередачи, чем трубы с накаткой. В остальных случаях степень штания к относительно гладкостенного канала соизмерима с ростом того же параметра при общи труб со спиральной накаткой.

Полученные в ходе эксперимента опытные данные по коэффициенту теплопередачи, отнесен-■ к внутренней поверхности трубы с двусторонней интенсификацией, обобщаются с погрешно-12 % уравнением:

* =

1,864 / ^59,622 2,899 - 3683,85 — • '

К®*

А

ен у

+ю,31:

/ { \ 16,743 /^ \-87,364

НдГ) V1*« >

о 0,т(Кетр К3 ^Яе

0,965

(23)

кз у

гаые данные по коэффициенту теплопередачи при обтекании некоторых труб, снабженных на-ым оребрением, приведены на рис. 9.

При испытаниях труб с наружным оребрением только в половине случаев (при использовании элоки относительно большого диаметра) полученные автором результаты по коэффициенту теп-зедачи хорошо согласуются с литературными данными, в соответствии с которыми при исполь-

+

Экспериментальная зависимость коэффициента теплопередачи в кольцевом канале с внутренней спирально оребренной трубой от Ле^

Рис. 9

зовании наружного низкого оребремт теплоотдача в кольцевом канале возрастает в 2...2,5 рг коэффициент гидравлического сопротивления в 2,7...5 раз. Слабая интенсификация теплообм остальных случаях объясняется погрешностями изготовления наружного оребрения. Экспер! тальные трубки изготавливались путем укладки проволоки в предварительно накатанную на • канавку. При этом проволока периодически (через каждые 8... 10 витков) закреплялась на тр помощью специального клея, слой которого создавал дополнительное термическое сопротивл Кроме того, при использовании проволоки малого диаметра не всегда удавалось достичь полн плотного ее прилегания к поверхности трубы. Картина обтекания турбулизатора при таких уел показана на рис. 10. В результате этого, вследствие влияния образующихся в окрестностях выс застойных зон и дополнительного контактного термического сопротивления, вся поверхность 1 ки практически исключалась из теплообмена.

Реальная картина обтекания наружного турбулизатора при использовании проволоки малого диаметра

Застойные зоны

Рис. 10

На основании полученных экспериментальных результатов автором сделан вывод о том, что едованный метод интенсификации теплообмена обладает высокой теплогидравлической эффек-остью.

В пятой главе приводятся результаты расчетного исследования разработанных автором матической и компьютерной моделей. С целью проверки достоверности результатов вычисле-а также для анализа результата решения задачи выбора наилучшей конструкции аппарата по ме-ке, предложенной автором, произведен расчет водо-водяного теплообменника при четырех раз-ых вариантах ранжирования свойств ТА.

В результате расчетов получены следующие данные. При любом варианте ранжирования наи-тее среди всех типов аппаратов значение комплексного показателя принадлежит теплообменни-трубами, снабженными кольцевой накаткой. При этом во всех случаях оптимальным является и то же значение относительного диаметра внутренних турбулизаторов - г/в/Дш = 0,9. Это лиш-раз подтверждает высокую эффективность методов интенсификации теплообмена с помощью енения дискретно шероховатых поверхностей. Остальные типы аппаратов располагаются по анию значения П следующим образом: после ТА с накаткой расположен аппарат со спирально гыми трубами, далее - теплообменник с локально спирально навитыми трубами, затем гладкот-ый ТА и, наконец, самое низкое при любом варианте исходных данных значение П имеет теплооб-ик, в трубах которого установлены ленточные завихрители.

На основании расчетных данных сделан вывод о том, что результаты расчета теплообменни-; различными устройствами для интенсификации теплообмена могут бьпъ объяснены с точки и неодинаковой в различных условиях относительной весомости свойств ТА и взаимосвязи фи-ких процессов, происходящих в аппарате. Это позволяет утверждать, что разработанная мето-обоснования проектных решений при проектировании теплообменных аппаратов отражает юсвязь сложных физических явлений, происходящих в теплообменных аппаратах и имеющих шаковую полезность. С помощью разработанной модели возможна объективная оценка эффек-юти различных ТА, поскольку все они находятся в одинаковых условиях сравнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное исследование представляет собой законченную научно-исследовательскую ра-в которой предлагается новое решение актуальной научной и практической задачи выбора оп-шной в заданных условиях эксплуатации конструкции ТА, основанное на использовании ком-ного показателя совершенства, сформированного в соответствии с предпочтениями заказчика.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать ющие основные выводы:

1. предложена стратегия и разработан метод построения комплексного показателя совери ства ТА, одновременно характеризующего тепловую, гидравлическую и экономическую эффек ность аппарата, его массу и габариты, надежность и прочность его конструкции, а также склон» теплообменной поверхности к образованию загрязняющих отложений на теплообменной повер: ста;

2. разработаны приемы преобразования отдельных размерных характеристик, отражаю перечисленные в п. 1 свойства ТА, в безразмерные показатели, из которых формируется один, i плексный;

3. разработан метод формализации отношения заказчика к каждому частному показатели чества ТА или, иными словами, представлений заказчика о том, какой аппарат ему нужен;

4. разработана универсальная компьютерная модель проектно-конструкторского расчета' использованием нетрадиционных методов определения некоторых параметров и полученных а ром диссертации уравнений, позволяющая автоматизировать выбор наиболее совершенной кс рукции ТА и оценить целесообразность применения в заданных заказчиком условиях основные тодов интенсификации конвективного теплообмена;

5. предложен и исследован новый метод интенсификации конвективного теплообмена i жухотрубных ТА, основанный на использовании турбулгоации пограничного слоя теплоносш внутри труб и на их наружной поверхности.

6. исследованный метод двусторонней интенсификации теплоотдачи позволяет увеличит эффициент теплопередачи в 1,5...2,8 раза и может стать эффективным средством повышения эн тической и экономической эффективности ТА;

7. результаты расчетного исследования разработанной компьютерной модели подтвер высокую эффективность применения в ТА дискретно шероховатых поверхностей, о чем свидете вует тот факт, что при всех проверенных вариантах ранжирования свойств ТА максимальным з нием комплексного показателя совершенства характеризуется аппарат, трубный пучок кот» скомпонован из труб, снабженных кольцевой накаткой.

Основные положения диссертации изложены в печатных работах автора:

1. Бурдастов H.H. Эффективные методы интенсификации теплообмена в охладителях су; дизелей // Материалы научно-технической конференции профессорско-преподавательского coi - Н.Новгород: тип. ВГАВТа, 1999, вып. 283, ч. 1, с. 43-58.

2. Бажан П.И., Валиулин С.Н., Орехво В.А., Бурдастов H.H. Создание теплообменных аг тов для речного флота с улучшенными теплогидравлическими характеристиками // Материалы но-технической конференции профессорско-преподавательского состава. - Н.Новгород: тип. Е Та, 1999, вып. 283, ч. 1, с. 34-36.