автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка и исследование рекуперативных и радиационно-конвективных теплообменных аппаратов с текстильными теплопередающими поверхностями

Разработка и исследование рекуперативных и радиационно-конвективных теплообменных аппаратов с текстильными теплопередающими поверхностями

Специальность 05.14.04 Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 слеп ¿ею

Москва - 2010 г.

004617500

Кирокосян Каринэ Александровна

Разработка и исследование рекуперативных и радиационно-конвективных теплообменных аппаратов с текстильными теплопередающими поверхностями

Специальность 05.14.04 Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н.Косыгина» на кафедре промышленной теплоэнергетики.

Научный руководитель

Доктор технических наук Жмакин Л.И.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор М.П.Тюрин

Кандидат физико-математических наук Л.П.Шевченко

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии» (ГОУВПО «МГУДТ»)

Защита состоится « ¡5 » декабря 2010 г. в Ю часов на заседании диссертационного совета Д212.139.03 при Московском государственном текстильном университете имени А.Н.Косыгина по адресу: 119071, город Москва, Малая Калужская улица, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н.Косыгина»

Автореферат разослан « »_¿1_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Доктор технических наук

А.В.Фирсов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

Одно из направлений энергосбережения, которое с наибольшими трудностями поддается практической реализации, связано с использованием низкопотенциальной тепловой энергии. Её источниками являются многочисленные те-плоиспользующие технологии в промышленности, вырабатывающие в качестве «отходов» значительное количество теплоносителей с невысокой температурой. В природе к ним можно отнести геотермальные источники горячей воды и тепло, поступающее с солнечным излучением.

Вплоть до последнего времени в России не уделялось должного внимания освоению таких энергоресурсов, поскольку считалось, что оно экономически не оправдано. Теперь ситуация изменилась, и в условиях постепенного истощения запасов ископаемых органических топлив утилизация низкопотенциальной теплоты искусственного и естественного происхождения рассматривается как стратегическая задача, определяющая перспективы устойчивого развития и энергетическую безопасность нашей страны в XXI веке. Нельзя также забывать, что кроме существенной экономии топлива, утилизация этой теплоты способствует охране окружающей среды от антропогенного загрязнения.

Как правило, носителями низкопотенциальных тепловых потоков являются коррозионно-активные, загрязненные, запыленные жидкости и газы, от которых их практически невозможно отвести с помощью стандартного тепло-обменного оборудования. Поэтому необходимо создавать новую теплообмен-ную аппаратуру с улучшенными теплотехническими, эксплуатационными и технико-экономическими характеристиками. Учитывая вышеизложенное, диссертационная работа, посвященная разработке новых эффективных конструкций теплообменников на основе текстильных материалов и исследованию протекающих в них процессов теплопереноса является актуальной.

Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н.Косыгина и определена заданиями Министерства образования и науки РФ, а также грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 08-08-00358.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка и исследование теплообменных аппаратов с текстильными поверхностями теплообмена для эффективного преобразования низкопотенциальной теплоты как искусственного, так и естественного происхождения.

Для реализации этой цели в диссертации решаются следующие задачи:

1) Исследовать технические и технологические возможности эффективного применения современных текстильных материалов в качестве теплопере-дающих поверхностей теплообменников.

2) Разработать и создать опытные образцы рекуперативных и радиацион-но - конвективных теплообменников на основе текстильных и полимерных материалов, обеспечивающих заметное улучшение технико-экономических и эксплуатационных показателей по сравнению с традиционным теплообменным оборудованием.

3) Разработать и создать лабораторные стенды для экспериментального исследования теплотехнических характеристик опытных образцов этих теплообменников.

4) Провести экспериментальные исследования:

- коэффициентов теплопроводности ряда технических тканей, которые могут быть использованы при изготовлении теплообменных поверхностей;

- средних коэффициентов теплоотдачи при течении воды в текстильных каналах;

- эффективности теплообменников на основе текстильных материалов.

5) Разработать математические модели, описывающие процессы переноса в радиационно-конвективных теплообменниках из текстильных материалов и позволяющие проводить инженерные расчеты и оптимизацию параметров таких теплообменников.

6) Определить технико-экономические показатели теплообменников с те-плопередающими поверхностями из текстильных материалов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1) Впервые созданы опытные образцы теплообменников для утилизации низкопотенциальной теплоты с трубчатыми теплообменными поверхностями из текстильных материалов. По сравнению с традиционными конструкциями их отличают лучшие эксплуатационные и технико-экономические показатели, низкая удельная масса.

2) Экспериментально исследованы теплотехнические характеристики этих теплообменников при ламинарных режимах течения воды в текстильных каналах и дана количественная оценка их энергетической эффективности.

3) Обнаружен эффект интенсификации конвективного теплообмена при омывании жидкостью текстильной поверхности; установлено, что средние коэффициенты теплоотдачи при ламинарном течении воды в текстильных каналах в 2,1 - 2,3 раза превышают соответствующие значения для гладких труб.

4) Разработаны математические модели, с помощью которых проведены расчеты распределения потоков жидкости в каналах трубчатой панели радиа-ционно-конвективного теплообменника, а также оптимальной конфигурации этой панели, обеспечивающей максимальное поступление на неё лучистого теплового потока.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

1) Разработаны новые образцы теплообменников на основе текстильных и полимерных материалов для утилизации низкопотенциальной теплоты.

2) Создан ряд опытных установок и лабораторных стендов для экспериментального исследования характеристик теплообменников с текстильными теплопередающими поверхностями.

3) Определены характеристики, практически важные при эксплуатации теплообменников, а именно: коэффициенты теплоотдачи в каналах и коэффициенты теплопередачи; тепловые потоки; КПД и приведенный коэффициент потерь.

4) Результаты работы могут быть использованы при проектировании современного теплоутилизационного оборудования, работающего в области уме-

ренных температур. Лабораторные стенды могут служить студентам кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н.Косыгина в качестве учебной базы при изучении курсов «Тепломассообменное оборудование предприятий» и «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», а также при выполнении ими дипломных и научно-исследовательских работ.

ДОСТОВЕРНОСТЬ основных научных положений и выводов работы обусловлена применением современных методов исследования тепловых процессов, включая их физическое и математическое моделирование, воспроизводимостью результатов экспериментов, анализом их погрешностей, использованием метрологически аттестованных приборов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно - технических конференциях: - «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Тек-стиль-2008, Текстиль-2009, Текстиль-2010), г. Москва; «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2006, Прогресс-2007, Поиск-2009), г. Иваново, 7-й международной научно - технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2010, международной научно - технической конференции «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности», Москва, 2010.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 14 работ в отечественных научных журналах и сборниках.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, библиографического списка из 80 наименований. Работа изложена на 127 страницах, содержит 15 таблиц и 61 иллюстрацию.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследований, указываются цель и задачи диссертационной работы, приводятся основные этапы решения поставленной задачи, перечисляются наиболее существенные результаты исследований.

В первой главе обоснована возможность применения современных текстильных материалов в качестве теплопередающих поверхностей рекуперативных теплообменников. Эти материалы технологичны, обладают достаточной прочностью, термостойкостью и водонепроницаемостью, способны выдерживать многократные изгибы и пульсирующие нагрузки, устойчивы в агрессивных жидкостях и газах, обладают невысокой поверхностной плотностью и стоимостью, имеют длительный срок службы.

В текстильных рекуператорах важно обеспечить приемлемые коэффициенты теплопередачи, которые определяются термическими сопротивлениями теплопроводности слоя ткани и теплоотдачи со стороны обоих теплоносителей. Все указанные характеристики были исследованы экспериментально.

Коэффициенты теплопроводности тканей определены двумя независимыми методами - стационарным методом плоского слоя и нестационарным методом регулярного режима.

В методе плоского слоя два одинаковых образца ткани размером 130x180 мм прижимались к плоскому нагревателю. Он был изготовлен из графитовой ткани «Урал Т-18» и имел электрическое сопротивление около 1,5 ом. Для измерения температуры применялись термопарные датчики. Расчетные уравнения для коэффициента теплопроводности имели вид

Я = М и (1)

М 2РН

Здесь д - плотность теплового потока в образце, 8 - его толщина, А1 - перепад температуры, {/, 7 и - соответственно, напряжение, ток и площадь нагревателя, А()т - поправка на утечки тепла с торцевой поверхности нагревателя. Результаты, полученные методом плоского слоя, приведены на рис. 1.

X, Вц

' м гр

30 40 50 60 70 80 СС

Рис. 1. Температурная зависимость теплопроводности тканей: о-силотекс-97; в- оксфорд; с-феникс-комфорт; V-феникс-огнезащита; е-полиэфир сжатый; »-грета; ®-сису; □-парусина; й-номекс.

В исследованном температурном интервале максимальную теплопроводность (0,15 - 0,35 Вт/м гр) имели ткани из синтетических волокон с полимерным покрытием («Силотекс-97» и «Оксфорд 2400»), причем она существенно изменяется с температурой. Коэффициенты теплопроводности смесовых тканей и парусины заметно ниже, а их температурная зависимость выражена слабо.

Измерения теплопроводности нестационарным методом регулярного режима проведены на Я — калориметре ЛКТ-1 при температурах близких к комнатным. Для исключения контактных эффектов использовались образцы тканей с различным числом слоев (от одного до четырёх - пяти). В частности, этим методом была измерена теплопроводность рукавной полиэфирной ткани с односторонним латексным покрытием, как в сухом, так и во влажном состоянии. При увлажнении отмечен существенный рост эффективной теплопроводности от 0,17 Вт/м гр до 0,55 Вт/м гр. Необходимо подчеркнуть, что метод регулярного режима позволяет исследовать влажные образцы без риска встретиться с нежелательным эффектом миграции влаги в материале. Это обусловлено прове-

дением опытов при малых перепадах температур и в течение сравнительно коротких интервалов времени.

Погрешность определения теплопроводности тканей составила Е-10% для стационарного и 13-15% для нестационарного метода измерений. В пределах этих погрешностей опытные данные, полученные различными методами, согласуются друг с другом.

Д * .2

1-манометры; 2-воздушный клапан;

3-предохранительный клапан;

4-водогрейный котел; 5-циркуляци-онный насос; 6, 20-фильтры; 7-ли-ная подпитки; 8, 9-расходомеры; 10, И-регуляторы расхода; 12-рас-ширительный сосуд; 13-трехходо-вые краны; 14, 15-датчикн температуры воды; 16-теплообменник; 17, 18-краны; 19-кран байпаса; 21-авто-трансформатор; 22, 23-ПИД регуляторы температуры; 24-амперметр

Рис. 2. Схема лабораторного стенда для испытаний теплообменника.

Коэффициенты теплопередачи текстильной поверхности исследованы на опытном образце рекуперативного теплообменника типа «труба в трубе». Его корпус изготовлен из полипропиленовой трубы диаметром 42x50 мм, а внутренний канал представлял собой полиэфирный рукав диаметром 23x25 мм и длиной 3 м с внутренним латексным покрытием, обеспечивающим влагонепро-ницаемость. Снаружи корпус был покрыт теплоизоляцией «ТЬегтаЯех».

Для определения теплотехнических характеристик теплообменника был разработан и изготовлен лабораторный стенд, схема которого показана на рис. 2. Контур горячего теплоносителя (обозначен жирной линией) замкнут. В нем установлен электрический котел (4), и горячая вода прокачивалась циркуляционным насосом (5). Контур холодного теплоносителя был разомкнутым. Вода поступала из технического водопровода в кольцевой зазор теплообменника (16) и затем сливалась в канализацию. Расходы каждого теплоносителя измерялись тахометрическими расходомерами СКВ 15-3-2, а температуры - хромель — копе-

левыми термопарами (14) и (15). Вторичными приборами служили ПИД - регуляторы фирмы «Овен» ТРМ 101 и ТРМ 10 (позиции 22 и 23 на схеме), подключенные с помощью интерфейса RS - 485 к компьютеру. Максимальная абсолютная погрешность измерения температур с использованием хромель - Копелевых термопар в комплекте со вторичными приборами составляла 0,2°С.

Для регулирования расходов воды были предусмотрены вентили (10), (11). С помощью трехходовых кранов (13) можно переключать схемы движения теплоносителей с противотока на прямоток. На стенде установлены фильтры (6), (20) в трубопроводах горячего и холодного теплоносителей. Давление жидкостей в контурах теплообменника контролировалось манометрами (1).

Теплотехнические характеристики опытного образца теплообменника определялись при ламинарных режимах течения воды, как в текстильном канале, так и в кольцевом зазоре. Все эксперименты проводились в условиях охлаждения жидкости, движущейся в центральном канале, водопроводной водой, поступающей в кольцевой зазор. В экспериментах числа Рейнольдса для потоков воды (Reí и Re2) изменялись в пределах 600...2300; входные температуры составляли 65-75°С для горячего и 15-18°С для холодного теплоносителя. Для стабилизации теплотехнических параметров теплообменника перед каждым измерением его выдерживали в проточном режиме не менее 20-30 минут.

В опытах измерялись расходы и температуры теплоносителей на входе и выходе, рассчитывались их средние скорости и теплофизические свойства (при средних температурах сред), а также температурные напоры. С помощью уравнений теплового баланса и теплопередачи определялись тепловые потоки в те-плообменном аппарате и его коэффициент теплопередачи. Экспериментальные значения коэффициентов теплопередачи были аппроксимированы следующим регрессионным уравнением

к = 70,9 + 0,085 Re! - 2,312 • 10-5 Ref + 0,034Re2 + 2,493 • 10-5 Re2 (2)

Максимальные отклонения опытных точек от величин, рассчитанных по данному уравнению, не превышали 10%.

На основании экспериментальных данных была также рассчитана эффективность теплообменника в зависимости от числа единиц переноса.

Средние коэффициенты конвективной теплоотдачи в теплообменнике были определены косвенно с помощью модифицированного метода Вильсона. При использовании этого метода необходимо предварительно описать коэффициенты теплоотдачи функциональными зависимостями вида щ = /с/ • , где к:,- -константы, а - функции, определяющие интенсивность конкретного процесса теплообмена (при ламинарных режимах а\ = К\ Яе®'4; а2 = к2 Re2'4 )• После этого проводится обработка экспериментальных данных по коэффициентам теплопередачи теплообменника к в безразмерной форме

В уравнениях (3) <5/2 и Язагр - термические сопротивления стенки рекуператора и возможных отложений на ее поверхности.

X = , а функции <р, = Re; (3) <Pl

,0,4

п _I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 X

Рис. 3. Зависимости безразмерных параметров в модифицированном методе Вильсона: 1 - эксперимент, 2 - теоретический расчет.

На рис. 3 показаны результаты обработки опытных данных по теплопередаче в координатах Г = /(X). Здесь же приведена и расчетная кривая 2 для безразмерных характеристик теплообменника; в расчетах коэффициенты теплоотдачи определялись по критериальным уравнениям Л^м = 1,41 Ке— I Рг0'33^,

справедливым для гладких труб при ламинарных режимах течения. Аппроксимация расчетных и опытных данных линейными зависимостями дала следующие результаты:

= 18,2 Яе®'4; «2 = 25,0 Яе^ (эксперимент для текстильного канала);

а\ = 7,8 Ше®'4; «2 = 11,9 Яе®'4 (расчет для гладких труб).

Таким образом, текстильная теплообменная поверхность обеспечивает существенную интенсификацию конвективного переноса тепла. Значительный (в 2,1 - 2,3 раза) рост средней теплоотдачи при течении воды обусловлен дискретной шероховатостью текстильной теплообменной поверхности, которая проявляет себя двояко. С одной стороны поверхность ткани становится более развитой по сравнению с гладкой стенкой (эффект оребрения), а с другой - за каждым элементом выступа возможно возникновение вихрей, нарушающих ламинарную структуру пограничного слоя.

Во второй главе описаны экспериментальные стенды, методики и результаты исследований характеристик радиационно-конвективного теплообменника с трубчатой поглощающей панелью из рукавной ткани. Схемы панели и теплообменника приведены на рис. 4, 5. Для распределения воды по каналам панель имела два гидравлических коллектора из полипропиленовых труб, в которые были вварены штуцеры меньшего диаметра. На них с помощью термоусадочных полимерных трубок закреплялись текстильные рукава. Размеры панели - 580x1380 мм, площадь ее апертуры 0,8 м2, удельная масса 2,8 кг/м2, собственная емкость 9,6 л; она имела 18 каналов для движения жидкости.

После опрессовки водой под давлением 2,5 бар панель была окрашена акриловой эмалью чёрного цвета и установлена в жестком корпусе теплообмен-

ника (его размеры 620x1420x75 мм), на днище и боковые поверхности которого был уложен слой тепловой изоляции (вспененный полипропилен толщиной 10мм) и алюминиевой фольги толщиной 0,2 мм. Сверху корпус имел прозрачное покрытие - лист сотового поликарбоната толщиной 4 мм (рис. 5). Удельная масса опытного образца теплообменника составляла 6,4 кг/м2.

$

и

Рис. 4. Схема панели: 1-заглушка; 2-поли-пропиленовая труба; 3-щтуцер; 4-текстиль-ный рукав; 5-6андаж: 6-слой герметика; 7-термоусадочная трубка

Рис. 5. Схема теплообменника: 1-корпус; 2,4-гидравлические коллекторы; 3-текс-тильный канал; 5-слой фольги; 6-теплоизо-ляция; 7-прозрачное покрытие

Исследование тепловых характеристик радиационно-конвективного теплообменника проводилось как в лабораторных, так и в натурных условиях на универсальном теплогидравлическом стенде, разработанном в диссертации. Он был смонтирован на подвижной платформе и мог перемещаться внутри лаборатории (относительно имитатора солнечного излучения) и вне помещения (во время натурных испытаний). Схема этого стенда показана на рис. 6. На стенде определялся мгновенный КПД теплообменника 71 = 8ср(Г-1')/Е, (4)

который затем описывался уравнениями Уиллера и Уиллера-Хоттеля-Блисса

(5)

г; =

0,5(г' + <И0

■А2-В2-(2, (6)

где ^ и Р' - коэффициент отвода тепла из теплообменника и эффективность поглощающей панели; иь - полный коэффициент потерь; Е - плотность лучистого потока; g=G/Fк - удельный расход теплоносителя (<7 - расход, Рк - площадь панели); ср — теплоемкость воды; t и ? - ее температуры на входе и на выходе; Ц - температура окружающей среды, т]0 = та- оптический КПД, а (*-приведенная температура. Уравнения (5) и (6) устанавливают линейную связь между КПД и приведенной температурой при условии, что {/£ является постоянной величиной. В соответствии с действующими стандартами комплексы

???????????????

А = рят! = Р'Чо и = Р^иI; являются основными пара-

метрами теплотехнического совершенства радиационно-конвективного теплообменника. В качестве примера на рис. 7 показаны данные натурных экспериментов в координатах «г/ - »> а в таблице 1 - результаты обработки методом наименьших квадратов опытных точек, полученных как при лабораторных, так и при натурных испытаниях теплообменника. Инструментальная погрешность измерений КПД не превышает 12%, однако разброс опытных точек приводит к дополнительным ошибкам аппроксимации, составляющим 5-7%.

11 12

Рис. 6. Схема теплогидравлического стенда 1,2- стандартный и испытываемый теплообменник; 3- электроводонагреватель; 4 - бак-аккумулятор; 5- мембранный бак; 6- воздушные клапаны; 7- предохранительный клапан; 8- манометр; 9- датчики температуры; 10- расходомер; 11- циркуляционный насос; 12- фильтр.

Как следует из таблицы 1, в натурных условиях были получены худшие показатели теплотехнической эффективности. Это можно объяснить наличием ветра и недостаточной герметизацией теплообменника. Кроме того, толщина тепловой изоляции, уложенной на днище его корпуса, недостаточна, и ее необходимо увеличить. Полученные данные сопоставлены с результатами исследований других радиационно-конвективных теплообменников отечественного производства, изготовленных из традиционных материалов (металл, стекло).

В этой же главе приведены результаты непосредственных измерений коэффициента потерь теплообменника. Средние значения приведенного коэффициента потерь F' иь составили 6,00 Вт/м2гр и 5,71 Вт/м2гр для стационарной и нестационарной измерительных методик, соответственно. Для прозрачного покрытия теплообменника (сотового поликарбоната) были определены спектральный коэффициент пропускания излучения в ультрафиолетовой и видимой области, а также эффективный коэффициент теплопроводности. Установлено, что поликарбонат блокирует поступление излучения с длинами волн Х,<370 нм в корпус и, тем самым, защищает полиэфирную текстильную панель от повреждения жестким ультрафиолетом. В видимой области коэффициент пропускания составляет 81,5-82%; эти результаты согласуются с данными других исследователей. Теплопроводность покрытия составила 0,066 Вт/м'гр, причем результаты не зависели от того, закрыты воздушные каналы в образцах или нет.

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

03

Т-1-1-

лабораторные испытания

Лх

•л©-

"5Г-

+ по □ Х+ □> -л =0,71 - 7,42

О-13.05.2010 г. * х

Х-22.06.2010 г. ^

+-23.06.2010 г. п 0° о О--о.

-□-25.06.2010 г. СЬ° ° п«>

o-30.06.2010 г. o-02.07.2010 г.

0.005 0 01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

« 0.5-у+_Г>Но

Рис. 7. Зависимость мгновенного КПД от приведенной температуры 12 12~ и

Таблица 1.

Лабораторные испытания Натурные испытания

т] = 0,71- 5,26 7/= 0,69-8,17-^*

?7 = 0,73 -4,79-¿2 77 = 0,71-7,42-^

В третьей главе изложены результаты математического моделирования радиационно-конвективного теплообменника с текстильной поглощающей панелью. Были рассчитаны распределения расходов жидкости в каналах панели, дополнительные радиационные потоки за счет переизлучения подложки на стенки каналов и полный коэффициент потерь теплообменника.

Для расчета потокораспределений был использован приближенный полуэмпирический метод, учитывающий изменение скоростного напора в раздающем и собирающем гидравлических коллекторах панели, местные сопротивления в точках слияния и разделения потоков, а также потери давления на трение в обоих коллекторах и в каналах. Он описан в литературе и базируется на уравнениях энергии для разделяющихся потоков, в которые в качестве параметров входят обычные коэффициенты гидравлического сопротивления тройников.

Расчеты были проведены для панели с каналами, подключенными по и -и Z - схемам; они показали, что 2-схема характеризуется большей неравномерностью распределения расходов жидкости по сравнению с и - схемой. Для обеих схем эта неравномерность уменьшается при сокращении числа каналов в панели, снижении общего расхода воды и ее температуры.

Методами геометрической оптики для трубчатой поглощающей панели теплообменника решена задача поиска оптимального шага между ее каналами. Ясно, что при относительно малых углах падения часть лучистого потока через зазоры между трубами панели попадает на подложку, покрывающую днище корпуса теплообменника. В свою очередь, подложка будет излучать энергию

на трубы панели, а обусловленный этим дополнительный поток излучения будет зависеть от расположения труб в панели и от угла падения лучей. При оптимальном шаге труб этот дополнительный радиационный поток достигает своего максимума.

Были рассмотрены два типа подложек: - абсолютно черная, излучающая в соответствии с законом Ламберта, и зеркально отражающая. В обоих случаях учитывалось только излучение освещаемой части подложки, растечками тепла по ее поверхности пренебрегали. Тп

иьВт/м2к

верх

8 1 1 изоляция днища 10 мм 1 1 \У=2 м/с

7 м/с

6 Z---- изоляция днища 40 мм

5 --- ________ -----

4 1 1 I 1

310

315

320

325

330

Тж.К

Тепловая схема

Рис. 9. Коэффициент потерь теплообменника

При расчетах полного коэффициента потерь теплообменника учитывались потери теплоты через днище корпуса и через верхнее прозрачное покрытие панели. На рисунке 8 представлена тепловая схема с основными термическими сопротивлениями, а на рис. 9 - некоторые результаты вычислений, полученные при температуре наружного воздуха ЗООК (27°С) и скорости ветра до 2 м/с в зависимости от средней температуры жидкости в поглощающей панели теплообменника.

Полученные результаты позволяют утверждать, что толщина тепловой изоляции днища корпуса у опытного образца теплообменника явно недостаточна. Это приводило к росту полного коэффициента потерь тепла до 6 - 7,5 Вт/м2К. Следует отметить, что во время натурных испытаний были зафиксированы близкие к этим значениям коэффициенты потерь, что может служить подтверждением адекватности описанной выше расчетной модели радиационно-конвективного теплообменника. На рис. 9 приведены также расчетные данные при увеличенной до 40 мм толщине изоляции. В этом случае тепловые потери заметно ниже, и эффективность теплообменника с текстильной водонагрева-тельной панелью повышается.

В четвертой главе описаны методика и результаты расчетов экономической эффективности теплообменных аппаратов на основе текстильных материалов в системах утилизации низкопотенциальной теплоты. Для этих теплообменников были определены капитальные и годовые эксплуатационные затра-

ты, годовая выработка теплоты, простой и динамический сроки окупаемости, а также чистый дисконтированный доход за пятилетний период эксплуатации.

Сопоставлены технико-экономические характеристики текстильного рекуператора с теплообменной поверхностью из рукавной ткани и кожухотрубно-го теплообменника фирмы «Сатекс» марки ПВ57х2-1,0-РГ^-Уз с латунными трубками. Оба аппарата эксплуатируются в системе технологического горячего водоснабжения, использующей теплоту сбросных растворов красильно - отделочного производства, обеспечивают одинаковый энергетический эффект у конечного потребителя горячей воды и соответствуют требованиям к нормативному уровню надежности теплоснабжения. При тарифе на тепловую энергию 200 руб/ГДж простой срок окупаемости текстильного теплообменника составил 0,84 года, а аппарата «Сатекс» - 1,52 года. Их динамические сроки окупаемости при ставке дисконта 12% равны 0,94 и 1,77 года, соответственно.

Технико-экономические показатели радиационно-конвективных теплообменников с текстильными панелями, которые используют энергию солнечного излучения для сезонного приготовления горячей воды, рассчитаны для двух регионов России — Подмосковья и Краснодарского края. Установлено, что применение таких теплообменников экономически оправдано у децентрализованных потребителей горячей воды при условии замещения ими теплоты, вырабатываемой электрическими водонагревателями. Тогда в Подмосковье они окупаются за два сезона эксплуатации, а в Краснодарском крае - за один.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1) Впервые разработаны опытные образцы рекуперативных и радиационно-конвективных теплообменников для утилизации низкопотенциальной теплоты с трубчатыми теплообменными поверхностями из полиэфирной рукавной ткани. По сравнению с традиционным теплообменным оборудованием их отличают лучшие эксплуатационные и технико-экономические показатели, низкая удельная масса при обеспечении высоких теплотехнических характеристик.

2) Разработаны и изготовлены два теплогидравлических лабораторных стенда, предназначенных для экспериментального изучения процессов переноса тепла в теплообменниках из текстильных и полимерных материалов и определения параметров их теплотехнического совершенства. В конструкции стендов предусмотрена автоматизированная система записи и обработки измеряемых величин. Она выполнена на основе промышленных контроллеров ТРМ 101 и ТРМ 10, имевших связь с персональным компьютером. Система сбора опытных данных была оснащена программой, позволявшей с заданной периодичностью регистрировать и архивировать измеренные величины.

3) Проведены экспериментальные исследования коэффициентов теплопроводности ряда технических тканей при температурах до 100°С, теплопроводности и спектра пропускания сотового поликарбоната в ультрафиолетовой и видимой области, а также коэффициентов теплопередачи и эффективности рекуперативного теплообменника при ламинарных режимах течения воды в нем. На основании полученных данных косвенным методом Вильсона были определены средние коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителя.

4) Экспериментально установлен эффект интенсификации теплоотдачи при омывании жидкостью поверхности ткани. Показано, что средние коэффициенты теплоотдачи при ламинарном течении воды в текстильных каналах в 2,1

- 2,3 раза превышают соответствующие значения для гладких труб. Это обусловлено дискретной шероховатостью текстильной теплообменной поверхности, проявляющей себя двояко. С одной стороны поверхность ткани становится более развитой по сравнению с гладкой стенкой (эффект оребрения), а с другой

- за каждым элементом выступа возможно возникновение вихрей, нарушающих ламинарную структуру пограничного слоя.

5) Проведены экспериментальные исследования теплотехнических характеристик радиационно-конвективного теплообменника с текстильной водона-гревательной панелью в лабораторных и натурных условиях. В ходе этих исследований определены приведенные значения его оптического КПД и коэффициента потерь. Даны рекомендации, позволяющие повысить эффективность разработанной конструкции теплообменника.

6) Разработаны математические модели радиационно-конвективного теплообменника с текстильной панелью. С их помощью были проведены расчеты потокораспределения жидкости в трубчатой панели, подключенной по U - и Z

- схемам, а также оптимальной конфигурации этой панели, обеспечивающей максимальное поступление на неё лучистого теплового потока. Проведены модельные расчеты коэффициента потерь теплообменника, которые подтвердили целесообразность повышения толщины тепловой изоляции его корпуса.

7) Определены технико-экономические показатели теплообменников с теплопередающими поверхностями из текстильных материалов. Показано, что срок окупаемости текстильных рекуператоров в системах утилизации тепла горячих жидкостей не превышает одного года. Применение радиационно - конвективных теплообменников с текстильными панелями для солнечного горячего водоснабжения экономически оправдано, только если они замещают тепло, вырабатываемое электрическими водонагревателями.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В. Исследование теплопроводности текстильных материалов для боевой одежды пожарных //«Химические волокна», №2, 2006г. - с.26-28

2. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В. Экспериментальное исследование теплофи-зических свойств углеродных волокон // «Химические волокна», №4, 2007г. - с. 16-18

3. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В. Экспериментальное исследование теплопроводности тканей, используемых для рабочей одежды // Известия ВУЗов Технология текстильной промышленности, №2с, 2009 - с.16-18

4. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В. Теплопроводность текстильных материалов для боевой одежды пожарных. Сб. материалов международной научно - технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», (ПРОГРЕСС-2006), Иваново, 2006 - с.231-232

5. Кирокосян К.А., Новикова Н.В. Heat conductivity and thermal-conductivity of technical fabrics. Тезисы доклада на Научно-практической конференции аспирантов университета на иностранных языках, Москва, 2006, МГТУ - с.18-19

6. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В. Методика и результаты экспериментального исследования теплопроводности углеродных волокон. Сб. материалов международной науч-

но - технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные ма териалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2007), Иваново, 2007 - с.155-156

7. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Черных М.В. Косвенное определение коэффициентов теп лоотдачи в рекуперативных теплообменниках. Тезисы доклада на Международной научно технической конференции «Текстиль 2008» М,:2008, МГТУ - с.239-240

8. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Черных М.В. Определение коэффициентов теплоотдачи в теплообменниках косвенным методом. Сб. научных трудов аспирантов, Москва, выпуск 14, 2008, МГТУ-с. 116-121

9. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В. Солнечный коллектор с поглощающей панелью из текстильных материалов. Тезисы доклада на Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль 2009) 24-25 ноября 2009 - с.260-261

10. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В., Черных М.В. Экспериментальное исследование теплоотдачи при ламинарном течении воды в текстильном канале солнечного коллектора. Сб. материалов международной научно - технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК-2009), Иваново, 2009 - с.353-354

11. Кирокосян К.А., Козырев И.В., Матвеев A.A. Солнечный коллектор с трубчатой водона-гревательной панелью из текстильных материалов. Сб. материалов международной научно -технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Г10ИСК-2009), Иваново, 2009 - с.354-355

12. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В., Зеленов В.В. Гелиоколлектор с текстильной поглощающей поверхностью. Сб. материалов международной научно - технической конференции «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности» (РЗИТиЛП), Москва, 2010 - с.64-65

13. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В., Черных М.В. Теплопередача в рекуператоре с текстильной поверхностью теплообмена. Сб. материалов международной научно-технической конференции «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности» (РЗИТиЛП), Москва, 2010 - с. 125-127

14. Кирокосян К.А., Жмакин Л.И., Козырев И.В., Зеленов В.В. Коллектор солнечной энергии с трубчатой панелью из текстильных материалов. Труды 7-й международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», часть 4 (ГНУ ВИЭСХ), Москва, 2010 - с.167-171

Подписано в печать 12.11.10 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1 Заказ 361 Тираж 80 ГОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

Введение.

Глава 1. Экспериментальное исследование переноса теплоты в теплообменнике с текстильной теплопередающей поверхностью.

§ 1.1. Рекуперация низкопотенциальной теплоты в теплообменных аппаратах.

§ 1.2. Экспериментальное исследование коэффициента теплопроводности текстильных материалов.

1.2.1. Исследование теплопроводности методом плоского слоя.

1.2.2. Исследование теплопроводности методом регулярного режима.

1.2.3. Определение погрешностей при измерении теплопроводности.

§ 1.3. Рекуператор с текстильной теплообменной поверхностью.

1.3.1. Конструкция теплообменника.

1.3.2. Лабораторный стенд для испытаний теплообменника.

1.3.3. Методика и результаты теплотехнических испытаний.

§ 1.4. Определение средней теплоотдачи методом Вильсона.

§ 1.5. Эффект интенсификации теплообмена в текстильных каналах.

Глава 2. Экспериментальное исследование радиационно-конвективного теплообменника с текстильной поглощающей поверхностью.

§ 2.1. Характеристики радиационно-конвективных теплообменников.

§ 2.2. Конструкция и технология изготовления опытного образца радиационно-конвективного теплообменника.

§ 2.3. Лабораторные стенды для испытания теплообменников.

2.3.1. Стенд-имитатор солнечного излучения.

2.3.2. Универсальный теплогидравлический стенд.

§ 2.4. Исследования теплофизических характеристик сотового поликарбоната.

§ 2.5. Результаты лабораторных испытаний теплообменника с текстильной трубчатой панелью.

2.5.1. Определение КПД теплообменника.

2.5.2. Непосредственные измерения коэффициента потерь.

§ 2.6. Результаты испытаний теплообменника в натурных условиях.

Глава 3. Математическое моделирование характеристик теплообменника с трубчатой поглощающей панелью.

§3.1. Выбор схемы движения жидкости в панели теплообменника.

3.1.1. и-схема движения теплоносителей.

3.1.2. 2-схема движения теплоносителей.

3.1.3. Результаты гидравлических расчетов для и- и 7-схем.

§ 3.2. Оптимизация расположения каналов в трубчатой панели.

§ 3.3. Расчет коэффициента тепловых потерь.

Глава 4.Экономическая эффективность теплообменника с текстильной поглощающей поверхностью.

§4.1. Критерии оценки эффективности в энергосбережении.

§ 4.2. Расчет эффективности утилизации теплоты в системе ГВС.

§ 4.3. Расчет эффективности радиационно-конвективного теплообменника для системы ГВС.

Энергетика представляет собой основу современной и будущей цивилизации и всегда находится в центре общественного внимания. В последнее время энергетические проблемы приобрели особую остроту и напряженность ввиду мощных процессов глобализации мировой экономики, отрицательному воздействию систем энергетики на окружающую среду, неуклонному истощению традиционных энергоисточников на нашей планете, что ставит под угрозу возможности устойчивого развития человеческой цивилизации [1,2].

Мировой опыт показывает, что успешное экономическое и социальное развитие любого государства определяется не только наличием в стране достаточных запасов топливно-энергетических ресурсов, но и их рациональным использованием. Поэтому политика энергосбережения, направленная на повышение эффективности использования энергоресурсов с учетом современных достижений науки и техники, сейчас приобретает первостепенное значение.

Природный топливно-энергетический потенциал России является ее важнейшим национальным достоянием. Располагая 2 % населения нашей планеты, она имеет почти 45% потенциальных и 30% разведанных мировых запасов природного газа, 12-13% запасов нефти, 14% запасов природного урана и 23% запасов угля. На нашу страну приходится около 11% всего мирового производства первичных энергетических ресурсов. Однако, создавая около 3% мирового валового продукта, Россия затрачивает на это более 7% общемировых энергоресурсов, что говорит о высокой энергоемкости ее экономики, которая в 3-4 раза выше, чем в развитых странах Запада и Японии. По оценкам экспертов потенциал энергосбережения в России достигает 4045% от современного внутреннего энергопотребления, что составляет более 400 млн. тонн условного топлива (т у.т.) в год. [3, 4]. Реализация даже части этого потенциала позволит не только снизить потребности в новых энергетических мощностях, но и ощутимо сократить антропогенное воздействие на окружающую среду, а также обеспечить повышение конкурентоспособности отечественной продукции на мировых рынках.

В последние годы государство предпринимает активные шаги для повышения энергетической эффективности отечественной экономики. Энергосбережение отнесено к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и входит в перечень критических технологий. Разработана «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года», в которой предусмотрено эффективное использование и экономное расходование топливно-энергетических ресурсов, вовлечение в хозяйственный оборот альтернативных (прежде всего возобновляемых и-вторичных) источников энергии, а также замещение дорогих и дефицитных энергоресурсов и энергоносителей более доступными и дешевыми. Реализация этой стратегии позволит добиться к 2020 г. снижения энергоемкости отечественного валового внутреннего продукта на 45-55% [5].

Одним из существенных резервов энергосбережения в промышленности является использование низкопотенциальной теплоты, неизбежно возникающей в различных технологических процессах. Этот вторичный энергоресурс является отходом большого числа теплоиспользующих технологий, в том числе и в текстильном производстве. Подданным; опубликованным в [6], экономически обоснованные ресурсы низкопотенциального тепла в России, реализация которых целесообразна и,окупается в приемлемые сроки, в пересчете на условное топливо оцениваются в 31,5 млн. т у.т. в год.

Однако утилизация* низкопотенциальных сбросных тепловых потоков вызывает большие технические трудности благодаря разнообразию их носителей, как по температурному уровню, так и по физико-химическим- свойствам» и режиму выдачи теплоиспользующими установками. Источниками сбросного тепла часто являются агрессивные, загрязненные, запыленные жидкости'и газы, от которых его практически невозможно отвести, используя стандартную теплообменную аппаратуру. Кроме того, вторичную теплоту как менее организованную форму энергии труднее утилизировать и с чисто термодинамической точки зрения [7, 8].

Во многих случаях низкопотенциальная сбросная теплота не используется, поскольку отсутствуют соответствующие технические решения, теплоутилизационное оборудование либо это мероприятие экономически неоправданно. Однако по мере совершенствования энергетических балансов технологических процессов и установок важность этой проблемы будет только нарастать; кроме того, её решение будет способствовать и защите окружающей среды от теплового загрязнения.

Нельзя забывать, что кроме крупномасштабных промышленных технологий существуют и природные ресурсы низкопотенциального тепла, к которым относятся геотермальные источники, а также солнечная радиация, которая легко преобразуется в тепловую в простейших радиационно - конвективных теплообменниках. Для России экономически обоснованные ресурсы солнечной энергии эквивалентны 12,5 млн. т у.т., а геотермальной теплоты -115 млн. т у.т. в год [6].

Таким образом, проблема утилизации низкопотенциальной теплоты как искусственного, так и естественного происхождения требует решения ряда технических и технико-экономических задач. Прежде всего, это разработка новых конструкций эффективного теплообменного оборудования. При проектировании и изготовлении теплообменных устройств необходимо обеспечивать ресурсосберегающие технические решения, добиваться снижения металлоемкости за счет широкого использования в конструкциях теплообменников неметаллических материалов. Это позволит существенно улучшить их массогабаритные, эксплуатационные и стоимостные характеристики.

Другая группа задач связана с разработкой схем использования низкопотенциальных энергоносителей, вырабатываемых теплоутилизационными установками. Обычно их температурный уровень недостаточно высок для использования в пределах основного технологического цикла. Сбросное тепло очень трудно вписать в график традиционных технологических потребителей, поэтому для него приходится искать внешних потребителей как внутри рассматриваемого предприятия, так и на стороне (коммунальные нужды, отопление парниковых хозяйств и др.).

В этой связи представляет большой интерес совместная работа источников низкопотенциальных теплоносителей как искусственных, так и природных с парокомпрессионными тепловыми насосами. Тепловые насосы представляют собой трансформаторы теплоты, в которых тепло низкого потенциала передается на более высокий температурный уровень, удовлетворяющий потребителя. В" настоящее-время теплонасосные системы'теплоснабжения находят все более широкое применение во многих странах мира. Они выгодно отличаются от традиционных систем теплоснабжения высокой надежностью, возможностью эффективной работы при« нестационарных режимах, а также в условиях существенного рассогласования суточных графиков выделения и потребления теплоты [9, 10].

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

Одно из направлений энергосбережения, которое с наибольшими трудностями поддается практической-реализации, связано с использованием низкопотенциальной. тепловой энергии. Её источниками- являются многочисленные теплоиспользующие технологии в промышленности, вырабатывающие в качестве «отходов» значительное количество теплоносителей с невысокой температурой: В .природе к ним можно отнести геотермальные источники горячей воды и тепло, поступающее с солнечным излучением.

Вплоть до-последнего времени в России не уделялось должного внимания освоению таких энергоресурсов, поскольку считалось, что оно экономически не оправдано. Теперь ситуация изменилась, и в условиях постепенного истощения запасов ископаемых органических топлив утилизация низкопотенциальной теплоты искусственного и естественного происхождения* рассматривается как стратегическая задача, определяющая.перспективы,устойчивого развития и энергетическую безопасность нашей страны в XXI веке. Нельзя также забывать, что кроме существенной экономии топлива, утилизация этой теплоты способствует охране окружающей среды от антропогенного загрязнения.

Как правило, носителями низкопотенциальных тепловых потоков являются коррозионно-активные, загрязненные, запыленные жидкости и газы, от которых их практически невозможно отвести с помощью стандартного те-плообменного оборудования. Поэтому необходимо создавать новую тепло-обменную аппаратуру с улучшенными теплотехническими, эксплуатационными и технико-экономическими характеристиками. Учитывая вышеизложенное, диссертационная работа, посвященная разработке новых эффективных конструкций теплообменников на основе текстильных материалов и исследованию протекающих в них процессов теплопереноса является актуальной.

Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им: А.Н.Косыгина и определена заданиями Министерства образования-и наукшРФ, а также грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 08-08-00358.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка и исследование теплообменных аппаратов с текстильными поверхностями теплообмена для эффективного» преобразования, низкопотенциальной теплоты как искусственного, так и естественного происхождения.

Для реализации этой цели в диссертации решаются следующие задачи:

1) Исследовать технические и технологические возможности эффективного применения современных текстильных материалов в качестве теп-лопередающих поверхностей теплообменников.

2) Разработать и создать опытные образцы рекуперативных и радиаци-онно - конвективных теплообменников на основе текстильных и полимерных материалов, обеспечивающих заметное улучшение технико-экономических и эксплуатационных показателей по сравнению с традиционным теплообмен-ным оборудованием.

3) Разработать и создать лабораторные стенды для экспериментального исследования теплотехнических характеристик опытных образцов этих теплообменников.

4) Провести экспериментальные исследования:

- коэффициентов теплопроводности ряда технических тканей, которые могут быть использованы при изготовлении теплообменных поверхностей;

- средних коэффициентов теплоотдачи при течении воды в текстильных каналах;

- эффективности теплообменников на основе текстильных материалов.

5) Разработать математические модели, описывающие процессы переноса в радиационно-конвективных теплообменниках из текстильных материалов и позволяющие проводить инженерные расчеты и оптимизацию параметров таких теплообменников.

5) Определить технико-экономические показатели теплообменников с теплопередающими поверхностями из текстильных материалов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1) Впервые созданы опытные образцы теплообменников для утилизации низкопотенциальной теплоты с трубчатыми теплообменными поверхностями из текстильных материалов. По сравнению с традиционными конструкциями их отличают лучшие эксплуатационные и технико-экономические показатели, низкая удельная масса.

2) Экспериментально исследованы теплотехнические характеристики этих теплообменников при ламинарных режимах течения воды в текстильных каналах и дана количественная оценка их энергетической эффективности.

3) Обнаружен эффект интенсификации конвективного теплообмена при омывании жидкостью текстильной поверхности; установлено, что средние коэффициенты теплоотдачи при ламинарном течении воды в текстильных каналах в 2,1 — 2,3 раза превышают соответствующие значения для гладких труб.

4) Разработаны математические модели, с помощью которых проведены расчеты распределения потоков жидкости в каналах трубчатой панели ра-диационно-конвективного теплообменника, а также оптимальной конфигурации этой панели, обеспечивающей максимальное поступление на неё лучистого теплового потока.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

1) Разработаны новые образцы теплообменников на основе текстильных и полимерных материалов для утилизации низкопотенциальной теплоты.

2) Создан ряд опытных установок и лабораторных стендов для экспериментального исследования характеристик теплообменников с текстильными теплопередающими поверхностями.

3) Определены характеристики, практически важные при эксплуатации теплообменников, а именно: коэффициенты теплоотдачи в каналах и коэффициенты теплопередачи; тепловые потоки; КПД и приведенный коэффициент потерь.

4) Результаты работы могут быть использованы при проектировании современного теплоутилизационного оборудования, работающего в области умеренных температур. Лабораторные стенды могут служить студентам кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н.Косыгина в качестве учебной базы при изучении курсов «Тепломассообменное оборудование предприятий» и «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», а также при выгюлнении ими дипломных и научно-исследовательских работ.

ДОСТОВЕРНОСТЬ основных научных положений и выводов работы обусловлена применением современных методов исследования тепловых процессов, включая их физическое и математическое моделирование, воспроизводимостью результатов экспериментов, анализом их погрешностей, использованием метрологически аттестованных приборов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно - технических конференциях:

Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2008, Текстиль-2009, Текстиль-2010), г. Москва; «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2006, Прогресс-2007, Поиск-2009), 7-й международной научно - технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2010, международной научно -технической конференции «Инновационность научных исследований в текстильной и легкой промышленности», Москва, 2010.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 14 работ в отечественных научных журналах и сборниках.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 80 наименований. Работа изложена на 127 страницах, содержит 61 иллюстрацию и 15 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) Впервые разработаны опытные образцы рекуперативных и радиаци-онно-конвективных теплообменников для утилизации низкопотенциальной теплоты с трубчатыми теплообменными поверхностями из полиэфирной рукавной ткани. По сравнению с традиционным теплообменным оборудованием их отличают лучшие эксплуатационные и технико-экономические показатели, низкая удельная масса при обеспечении высоких теплотехнических характеристик.

2) Разработаны и изготовлены два теплогидравлических лабораторных стенда, предназначенных для экспериментального изучения процессов переноса тепла в теплообменниках из текстильных и полимерных материалов и определения параметров их теплотехнического совершенства. В конструкции стендов предусмотрена автоматизированная система записи и обработки измеряемых величин. Она выполнена на основе промышленных контроллеров ТРМ 101 и ТРМ 10, имевших связь с персональным компьютером. Система сбора опытных данных была оснащена программой, позволявшей с заданной периодичностью регистрировать и архивировать измеренные величины.

3) Проведены экспериментальные исследования коэффициентов теплопроводности ряда технических тканей при температурах до 100°С, теплопроводности и спектра пропускания сотового поликарбоната в ультрафиолетовой и видимой области, а также коэффициентов теплопередачи и эффективности рекуперативного теплообменника при ламинарных режимах течения воды в нем. На основании полученных данных косвенным методом Вильсона были определены средние коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителя.

4) Экспериментально установлен эффект интенсификации теплоотдачи при омывании жидкостью поверхности ткани. Показано, что средние коэффициенты теплоотдачи при ламинарном течении воды в текстильных каналах в 2,1 - 2,3 раза превышают соответствующие значения для гладких труб. Это обусловлено дискретной шероховатостью текстильной теплообменной поверхности, проявляющей себя двояко. С одной стороны поверхность ткани становится более развитой по сравнению с гладкой стенкой (эффект оребре-ния), а с другой - за каждым элементом выступа возможно возникновение вихрей, нарушающих ламинарную структуру пограничного слоя.

5) Проведены экспериментальные исследования теплотехнических характеристик радиационно-конвективного теплообменника с текстильной во-донагревательной панелью в лабораторных и натурных условиях. В ходе этих исследований определены приведенные значения его оптического КПД и коэффициента потерь. Даны рекомендации, позволяющие повысить эффективность разработанной конструкции теплообменника.

6) Разработаны математические модели радиационно-конвективного теплообменника с текстильной панелью. С их помощью были проведены расчеты потокораспределения жидкости в трубчатой панели, подключенной по и - и Ъ — схемам, а также оптимальной конфигурации этой панели, обеспечивающей максимальное поступление на неё лучистого теплового потока. Проведены модельные расчеты коэффициента потерь теплообменника, которые подтвердили целесообразность повышения толщины тепловой изоляции его корпуса.

7) Определены технико-экономические показатели теплообменников с теплопередающими поверхностями из текстильных материалов. Показано, что срок окупаемости текстильных рекуператоров в системах утилизации тепла горячих жидкостей не превышает одного года. Применение радиацион-но-конвективных теплообменников с текстильными панелями для солнечного горячего водоснабжения экономически оправдано, только если они замещают тепло, вырабатываемое электрическими водонагревателями.

1. В.Е.Фортов, Э.Э.Шпильрайн, Энергия и энергетика, М., Изд. «Букос», 2004, 76 с.

2. Новая парадигма развития России в XXI веке. Комплексные исследования проблем устойчивого развития: идеи и результаты // Под ред. В.А.Коптюга, В.М.Матросова, В.К.Левашова, М., Изд. «Academia», 2000, 397 с.

3. В.Г.Лисиенко, Я.М.Щелоков, М.Г.Ладыгичев, Хрестоматия энергосбережения, Справочник, Книга 1, М., «Теплоэнергетик», 2003, 688 с.

4. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник под ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина, книга 4, М., Изд. МЭИ, 2004, 630 с.

5. Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020 года (вторая редакция), М., ГУ ИЭС Минэнерго России, 2000, 65 с.

6. В.И.Виссарионов, С.В.Белкина, Г.В.Дерюгина и др., Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, Справочник, М., Изд. «ВИЭН», 2004, 448 с.

7. В.С.Степанов, Т.Б.Степанова, Потенциал и резервы энергосбережения в промышленности, Новосибирск, «Наука», 1990, 248 с.

8. Б.И.Псахис, Методы экономии сбросного тепла, Новосибирск, Зап.-Сиб. кн. изд., 1984, 159 с.

9. Системные исследования в энергетике // Под ред. Н.И.Воропая, Новосибирск, «Наука», 2000, 558 с.

10. Л.С.Беляев, А.В.Лагерев, В.В.Посекалин и др., Энергетика XXI века. Условия развития. Технологии. Прогнозы, Новосибирск, Наука, 2004, 386 с.

11. Ю.Г.Назмеев, И.А.Конахина, Теплоэнергетические системы и энергобалансы промышленных предприятий, М., Изд. МЭИ, 2002, 406 с.

12. В.М.Фокин, Основы энергосбережения и энергоаудита, М., Машиностроение, 2006, 237 с.

13. П.В.Деменчук, Л.И.Жмакин, В.В.Зеленов и др., Экономия тепловой энергии на предприятиях текстильной промышленности, М., Изд. МГТА им. А.Н.Косыгина, 1994, 131 с.

14. Справочник по теплообменникам, т. 2 // Под ред. О.Г.Мартыненко, М., Энергоатомиздат, 1987, 352 с.15. http://www.niirp.ru16. http://www.valmatex.ru17. http://www.volbrok.ru

15. Теория тепломассообмена // Под ред. А.И.Леонтьева, М., Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997, 683 с.

16. А.В.Лыков, Теория теплопроводности, М., Высшая школа, 1967, 599 с.

17. Г.Н.Кукин, А.Н.Соловьев, А.И.Кобляков, Текстильное материаловедение, М., Легпромбытиздат, 1992, 272 с.

18. В.П.Склянников, Строение и качество тканей, М., Легкая и пищевая промышленность, 1984, 176 с.

19. Г.Н.Дульнев, Ю.П.Заричняк, Теплопроводность смесей и композиционных материалов, Л., Энергия, 1974, 264 с.

20. Ю.В.Васильков, А.В.Романов, Термообработка текстильных изделий технического назначения, М., Легпромбытиздат, 1990, 207 с.

21. В.А.Осипова, Экспериментальное исследование процессов теплообмена, М., Энергия, 1979,319 с.

22. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник под ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина, книга 2, М., Изд. МЭИ, 2001,561 с.

23. О.А.Геращенко, А.Н.Гордов, В.И.Лах и др., Температурные измерения. Справочник, Киев, Наукова думка, 1984, 494 с.

24. Г.М.Кондратьев, Регулярный тепловой режим, М., ГИТТЛ, 1954, 405 с.

25. П.И.Филиппов, А.М.Тимофеев, Методы определения теплофизических свойств твердых тел, Новосибирск, Наука, 1976, 103 с.

26. А.Г.Шашков, Г.М.Волохов и др., Методы определения теплопроводности и температуропроводности, М., Энергия, 1973, 366 с.

27. Е.С.Платунов, Теплофизические измерения в монотонном режиме, JL, Энергия, 1973, 143 с.

28. В.П. Исаченко, В.А. Осипова, A.C. Сукомел, Теплопередача, М., Энерго-издат, 1981, 417 с.

29. Ю.П.Шлыков, Е.А.Ганин, С.Н.Царевский, Контактное термическое сопротивление, М., Энергия, 1977, 412 с.

30. И.П.Корнюхин, А.М.Кононов, С.Г.Дульнев и др., Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности текстильных материалов // ТЛП, т. 33, №2, 1990, с. 25-28.

31. Ткани текстильные. Методы испытаний, М., Изд. Стандартов, 1967, 195 с.

32. Г.М.Иванова, Н.Д.Кузнецов, В.С.Чистяков, Теплотехнические измерения и приборы, М., Энергоатомиздат, 1984, 230 с.

33. Б.Е.Рабинович, Исследования по методике оценки погрешности измерений, Труды ВНИИМ, вып. 57 (117), М-Л, Стандартгиз, 1962, с. 47-59.

34. Г.Корн, Т.Корн, Справочник по математике для научных работников и инженеров, М., Наука, 1974, 831 с.38. http://www.rosturplast.ru39. http://www.water-technics.ru40. http://www.po-bereg.ru41. http://www.thermaflex.ru42. htpp://www.owen.ru

35. В.М.Кэйс, А.Л.Лондон, Компактные теплообменники, М., Энергия, 1967, 223 с.

36. Ф.Ф.Цветков, Б.А.Григорьев, Тепломассообмен, М., Изд. МЭИ, 2001, 549с.

37. С.В.Анисимов, Ю.Б.Смирнов, Теплообмен при конденсации пара на горизонтальных трубах с ребрами сложной формы, Теплоэнергетика, №11, 1997, с. 38-41.

38. R.K. Shah, Assesment of modified Wilson plot techniques for obtaining heat exchanger design data // Proc. 9-th Int. Heat Transfer Conf., Jerusalem, 1990, v. 5, p. 51-56.

39. В.М.Кэйс, Конвективный тепло- и массообмен. М., Энергия, 1972, 433 с.

40. А.А.Жукаускас, Конвективный перенос в теплообменниках, М., Наука, 1982, 472 с.

41. Ю.Г.Назмеев, Теплообмен при ламинарном течении жидкости в дискретно-шероховатых каналах, М., Энергоатомиздат, 1998, 372 с.

42. А.А.Гухман, Интенсификация конвективного теплообмена и проблема сравнительной оценки теплообменных поверхностей // Теплоэнергетика, №7, 1977, с. 5 8.

43. Л.И.Турчак, Основы численных методов, М., Наука, 1987, 320 с.

44. В.И.Виссарионов, Г.В.Дерюгина, В.А.Кузнецова, Н.К.Малинин, Солнечная энергетика, М., Изд. МЭИ, 2008, 276 с.

45. Д.Мак-Вейг, Применение солнечной энергии, М., Энергоиздат, 1981, 216с.

46. Н.А.Харченко, Индивидуальные солнечные установки, М., Энергоатомиздат, 1991,208 с.

47. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения // Под ред. Э.В.Сарнацкого и С.А.Чистовича, М., Стройиздат, 1990, 325 с.

48. Дж.Твайделл, А. Уэйр, Возобновляемые источники энергии, М., Энергоатомиздат, 1990, 392 с.

49. J.A.Duffíe, W.A.Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, 2 Ed., J.Wiley & Sons, USA, 1991, 919 p.

50. Б.В.Тарнижевский, Солнечные коллекторы нового поколения, Теплоэнергетика, 1992, №4, с. 23-26.

51. Б.В.Тарнижевский, И.М.Абуев, Технический уровень и освоение производства плоских солнечных коллекторов в России, Теплоэнергетика, 1997, №4, с. 18-22.

52. О.С. Попель, С.Е.Фрид, В.Н. Щеглов и др., Сравнительный анализ показателей конструкций солнечных коллекторов зарубежного и отечественного производства. Новые технологические решения, Теплоэнергетика, 2006, №3, с. 11-15.

53. А.В.Баранова, Полимерные материалы в установках по использованию солнечной энергии, Химическая промышленность за рубежом, 1982, №8, с. 54-63.

54. W.M.K.van Niekerk, T.B.Scheffler, Measured performance of a solar water heater with a parallel tube polymer absorber, Solar Energy, 1993, v51, N5, p. 339347.

55. P.T. Tsilingiris, Design, analysis and performance of low-cost plastic film large solar water heating systems, Solar Energy, 1997, v.60, № 5, p 245-256.

56. С.Н.Трушевский, А.Н.Суханов, Пластмассовый солнечный коллектор. Опыт разработки и внедрения в серийное производство // Сб. докладов международного симпозиума «Автономная энергетика сегодня и завтра», СПБ, 1993,4.1, с. 58-59.

57. М.Ж.Сулейманов, Экспериментальное исследование теплотехнических характеристик солнечных коллекторов и водонагревательных установок, Автореферат дисс. к.т.н., М., ОИВТ РАН, 2007, 27 с.

58. Л.И.Жмакин, Исследование процессов тепломассопереноса в установках промышленной теплоэнергетики, Автореферат дисс. д.т.н., М., МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2004, 32 с.

59. ГОСТ Р 51596-2000. Коллекторы солнечные. Методы испытаний, М., Изд. Стандартов, 2000, 19 с.

60. О.С.Попель и др., Опыт разработки солнечного коллектора из теплостойких пластмасс, Теплоэнергетика, 2008, №12, с. 6-8.69. htpp://www.polyglass.ru

61. И.Г.Меерович, Г.Ф.Мучник, Гидродинамика коллекторных систем, М., Наука, 1986, 144 с.

62. Б.А.Дергачев, Уравнение баланса удельной энергии в случае разделения напорного потока жидкости, Труды ЛПИ, 1973, №333, с. 76-79.

63. Р.Зигель, Дж.Хауэлл, Теплообмен излучением, М., Мир, 1975, 934 с.

64. В.Н.Андрианов, Основы радиационного и сложного теплообмена, М., Энергия, 1972, 463 с.

65. Н.Б.Варгафтик, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, М., Наука, 1972, 720 с.

66. Н.Д.Рогалев, А.Г.Зубкова, И.В.Мастерова и др., Экономика энергетики, М., Изд. МЭИ, 2005, 288 с.

67. В.Н.Нагорная, Экономика энергетики, Владивосток, Изд. ДВГУ, 2007, 157 с.

68. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования (утверждены Госстроем России, Минэкономики России, Минфином России 7-12/47 от 31.03.94).78. http://www.satex.ru

69. О.С.Попель, С.Е.Фрид, Ю.Г.Коломиец и др., Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России, Энергия: экономика, техника, экология, 2007, №1, с. 15-23.

70. П.П.Безруких, Ю.Д.Арбузов, Г.А.Борисов и др., Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России, СПБ, Наука, 2002, 315 с.