автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка методики оптимизации рекуперативных теплообменников по обобщенным характеристикам и средней скорости потока

АННОТАЦИЯ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВШНИЕ.

ГЛАЗА I. МЕТОДЫ СРАВНЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ. ВЫБОР ОПРЕДЕЛЯЮЩЕГО РАЗМЕРА И СКОРОСТИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В КАНАЛЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Методы сравнения конвективных теплообменных поверхностей

1.2. Методы технико-экономической оптимизации теплообменников

1.3. Выбор определяющего размера и определяющей скорости в каналах теплообменников

1.4. Выводы и постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕПЛООБМЕНА

2.1» Кокухотрубчатый теплообменник

2.1.1. Трубное пространство

2.1.2. Межтрубное пространство, продольный поток

2.1.3. Поперечное обтекание пучка гладких труб

2.2. Спиральный теплообменник

2.3. Пластинчатый теплообменник

2.4. Пластинчато-ребристый теплообменник

2.4.1. Гладкие непрерывные ребра {Глр )

2.4.2. Короткие пластинчатые ребра С Плр )

2.4.3. Волнистые ребра ( Вр )

2.4.4. йалюзииные ребра ( Жр )

2.4.5. Стерженьковые ребра ( Стр ) .'

2.5. Пучок труб о пластинчатыми ребрами

2.6. Пучок труб с круглыми (шайбовыми.) ребрами.

2.7. Сравнение обобщённых геометрических характеристик .5 теплообменников разных классов.

2.8. В ы в о д ы.

ГЛАВА 3. ОБОБЩЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРАВ

ЛАЗСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

3.1. Обобщённые характеристики теплообмена

3.2. Обобщённые характеристики гидравлического сопротивления

3.3. Сравнение эффективности конвективного теплообмена для теплообменников разных классов .ПО

3.4. В ы в о д ы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ -50РМЫ КАНАЛА НА ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТИ

4.1. Формулировка задачи исследования

4.2. Экспериментальная установка

4.3. Методика проведения эксперимента и обработки опытных данных по теплоотдаче и сопротивлению каналов с переменным проходным сечением

4.3.1. Методика проведения эксперимента .Х

4.3.2. Методика обработки опытных данных .Х

4.4. Результаты эксперимента

4.5. Анализ полученных результатов

4.6. Построение обобщенной зависимости теплоотдачи и гидравлического сопротивления от геометрии

С т р,

4.6.1. Построение зависимостидля поверхностей с постоянны/ по ходу теплоносителя проходным сечением

4.6.2. Построение зависимости 77:—,д , , -//х 5/ для поверхностей с переменным по ходу теплоносителя проходным сечением

4.6.3. Построение единой зависимости теплоотдачи и гидравлического сопротивления для поверхностей с переменным и постоянным по ходу теплоносителя проходным сечением

4.7. Выводы .'.

ГЛАВА 5. ОБОБЩЕННАЯ МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИЙ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ПО УДЕЛЬНЫМ ПРИВЕДЁННЫМ ЗАТРАТАМ. МЕТОДИКА ВЫБОРА ТЕПЛООБМЕННИКА МИНИМАЛЬНОЙ МАССЫ

5.1. Определение аналитической зависимости удельных приведённых затрат от геометрической характеристики $ и средней скорости С*)ср

5.2. Исследование зависимости удельных приведённых затрат от £ и СОср на ЭВМ.

5.3. Методика выбора теплообменника минимальной массы

5.3.1. Обобщённые массовые характеристики теплообменников

5.3.2. Определение оптимальных условий работы теплообменника минимальной массы

5.4. В ы в о д ы

ВЫВОДЫ.

Теплообменные аппараты различных конструкций широко применяотся в энергетике, б химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Стремление интенсифицировать процессы конвективного теплообмена и создать наиболее технологические в изготовлении и экономичные теплообменные аппараты привело к быстрому совершенствованию конструкций теплообменных аппаратов изготовленных из листов и теплообменников с развитой поверхностью (оребренных.).

Требования к промышленным теплообменным аппаратам в зависимости от конкретных условий применения весьма разнообразны. Основными из них являются: обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении; компактность и наименьший расход материалов на единицу тепловой производительности. При проектировании теплоэнергетических установок, как правило, возникает необходимость сравнения теплотехнических и гидравлических характеристик теплообменников разных классов, что в конечном итоге определяет условия оптимальной эксплуатации оборудования. Известные методы сравнения и оптимизации теп-лообменных поверхностей относятся к ограниченному количеству типов .поверхностей, это не позволяет систематизировать обширный экспериментальный материал для разных классов и разработать единые зависимости для определения оптимальных параметров теплообменников.

На основании критического рассмотрения отечественной и зарубежной литературы, посвященной вопросом сравнения и оптимизации конвективных поверхностей теплообмена, сформулирована задача настоящего исследования.

Настоящая работа посвящена разработке единой методикй сравнения и оптимизации теплообменников разных классов, основанной на .применении единой обобщённой геометрической характеристики и единой определяющей скорости теплоносителя.

2.8. Выводы

1. Приведены зависимости расчёта геометрической характеристики для практически всех классов рекуперативных теплообменников.

2. Получены зависимости обобщённой геометрической характеристики

5 от эквивалентного диаметра ¿^ , для ка?кдого конкретного класса теплообменников.

3. Показано, что в случае меняющегося поперечного сечения зависимость л5 от эквивалентного диаметра отличается от вида < характерного для постоянного по ходу теплоносителя поперечного сечения канала.

ГЛАВА 3. ОБОБЩЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

3.1. Обобщенные характеристики теплообмена

В общем случае коэффициент теплоотдачи от поверхности к потоку при вынужденной конвекции в безразмерном виде может быть выражен: гст

3.1 ) где д/

Ср, ¡71,111 ,¿¡2 - постоянные.

Уравнение (3.1 ) содержит с/р - эквивалентный диаметр (определяющий размер) и максимальную определяющую скорость ¿¿^.у - определяемых по-разному для различных классов теплообменников. Это обстоятельство усложняет сравнение «таких поверхностей в критериальном виде. Введением обобщенной геометрической характеристики д5 и средней по длине канала скорости СО^Р Для всех теплообменников, сравнение поверхностей разных классов в критериальном виде становится возможным. Для этого перепишем уравнение (3.1 ) в развернутом виде и, используя уравнения (2.116) и ( 2.117 ), получим: 3.2 ) Л

•3.3 ) где М/, "Д^" - критерий Нуссельта, выраженный через щ обобщенную характеристику (3.4 ) критерий Рейнольдса, выраженный через , геометричеакую (3.5 ) т-п/тсг \т

С 7т) " постоянная ( З.б )

Таким образом, были преобразованы уравнения расчета теплоотдачи для нескольких классов теплообменников, результаты представлены в табл. 3.1.

Для каждого класса практически реализуемых теплообменников можно построить семейство кривых.

На рис. 3.1 - 3.7. представлены зависимости ( М/ и /Й? рассчитаны по с!д и СО/пах ), на рис. 3.9 - 3.15 зависимости М^-"/(^з) , где /\/и$) рассчитаны по 5 с/00ср

Для упрощения сравнения характеристик все приве денные данные отнесены к одному теплоносителю (воздух), что позволяет исключить из числа переменных Рг

На рис. 3.8 и 3.16 представлено сравнение теплотехнических характеристик теплообменников разных классов в виде соответственно.

Сравнив характеристики (кривые) можно установить, что для аппаратов с постоянным поперечным сечением по ходу теплоносителя, при переходе с с/р на £ в качестве определяющего размера , ШтсхХ на и^сР - в качестве определяющей скорости, относительное расположение кривых практически не меняется, характеристики Для пучков

1. Антуфьев В.М. Сравниетельные исследования теплоотдачи и сопротивления ребристых поверхностей. "Энергомашиностроение", 1961, № 2, стр.12-16.

2. Антуфьев В.М. Сравнение исследования конвективных поверхностей на основе энергетических характеристик. "Энергомашиностроение", 1964, № 5, ст.9-13.

3. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. М. ¿'Энергия", 1966.

4. Бакластов A.M., Горбенко В.А., Удыма П.Г. Проектирование, монтаж и эксп луатаиия тепломасеообмеиных установок. "Энергия", М., 1931, 336 с.

5. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М. "Машиностроение", 1973.

6. Берглс А. Интенсификация теплообмена. В кн.: Теплообмен. Достижения. Проблемы. Перспективы. стр.Т45-192. Труды УI Международной конференции по теплообмену.

7. Волек К. Алгоритмы проектирования теплообменников с оптимальными параметрами. "Теплоэнергетика". 1975, № 2.,стр.88-90.

8. Воронин Г.И., ДубровскиййЕ.В. Эффективные теплообменники. "Машиностроение", 1973.

9. Гоголин A.A. 0 сопоставлении и оптимизации теплообменник аппаратов холодильной машины. "Холодильная техника". № 4, 1981, стр.I8-2T.

10. Гухман A.A. Методика сравнения конвективных поверхностей нагрева. 'TO", 1937, т.УШ, вып.17.

11. Гухман A.A. Интенсификация конвективного теплообмена и проблема сравнительной опенки теплообменных поверхностей. "Теплоэнергетика". 1977, № 4, стр.5-8.

12. Дегтярев В.Д. Определние оптимальной скорости воздуха в калориферных установках котельных агрегатов. "Теплоэнергетика", 1966, 5, стр.68-70.

13. Дмитриев А.Д., Якименко Р.И. Исследование энергетического совершенства профильно-пластинчатых поверхностей. "Изв.высш. учебн.завед. Энергетика", № 4, 1955, стр. 140-143.

14. Ш. Дрейцер Г.А., Кузьминов В.А., Неверов A.C. Простейшие методы оценки эффективности интенсификации теплообмена в каналах. "Известия высш.учебн.заведений". "Энергетика", 1973, 12, стр.77-84.

15. Дубровский Е.В. Метод относительного сравнения теплогидрав-лической эффективности теплообменных поверхностей. "Энергетика и трннспорт", № 6, 1977, стр.118-128.

16. Евенко В.И., Соченов В.Н. Методика оценки эффективности теплообменных аппаратов и поверхностей теплообмена. "Известия высш.учебн.завед. Энергетика", 1967, № 4, стр.91-75.

17. Ефимов А.Л. Исследование теплообмена и гидродинамики в каналах теплообменных аппаратов сложной геометрии. Автореф. дис.на соискание ученой степени к.т.н., 1980, 20 стр.

18. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках. М., Наука, 1982, 472 стр.

19. Жукаускас А., Макарявичус В., Шланчяускас А. Теплоотдача пучков труб в поперечном потоке жидкости", Изд. "Минтис" Вильнюс, 1968, 192 стр.

20. Жукаускас A.A., Улинскас Р.В., Закревский В.Ф. Эффективность гладкотрубных пучков в поперечном потоке теплоносителям при критическом обтекании. "Труды АН Лит.ССР", серия Б, т.З (100), 1977, стр.57С62.

21. Жукаускас A.A., Улинскас Р.В., Закревский В.Ф. Расчет эффективности поперечнообтекаемых пучков труб и сопоставление их теплообмвнных поверхностей графоаналитическим методом. Труды АН Лит.ССР, серия Б, т.6 (103), 1977, стр.79-85.

22. Жукаускас A.A., Улинскас Р.В., Швегжда A.A. Метод определения эффективности теплоотдачи теплообменников. "Труды АН Лит.ССР", серия Б, т.2, (99), 1977, стр.43-48.

23. Захарин А.П., Бранков В.П., Денисов В.И. Методы экономического сравнения вариантов в энергетике по приниипу минимума приведенных затрат. М., Наука, 1971.

24. Зозуля Н.В., Калинин Б.Л. Сопоставление воздуха - маслоохладителей из плоских труб с гофрированным оребрением. Вопросы технической теплофизики, вып.2, Киев, 1969, стр.41-44.

25. Ильин И.Н., Бекманис И.В. Обобщенная методика оптимизации рекуперативных теплообменников. - Изв.АН Латв.ССР. Сер.физ. и техн.наук, 1980, № Т, стр.98-105.

26. Ильин И.Н., Бекманис И.В. Сравнение теплоотдачи и гидравлического сопротивления в различных теплообменниках. -Изв.АН Латв.ССР. Сер.физ. и техн.наук, 1981, 4, стр.68-75.

27. Ильин И.Н., Бекманис И.В. Оптимизация рекуперативных теплообменников разных классов на ЭВМ. Изв.АН Латв.ССР. Сер.физ. и техн.наук, 1983, № 3, стр.51-55.

28. Ильин И.Н., Бекманис И.В. Экспериментальное исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в каналах с переменным проходным сечением. - Изв.АН Латв.ССР. Сер.физ. и техн.наук, 1983, № 3, стр.56-61.

29. Инаятов А.Я. Зависимость гидравлического сопротивления от шага шахматных и коридорных продольных пучков для воздуха. Сб.научно-исслед.работ. Ташкент. Текстильный институт,1964, вып. 16, стр.341-345.

30. Инаятов А.Я. Зависимость теплообмена от тааеа шахматных и коридорных продольных пучков для воздуха и перегретого пара. Изв.АН Уз.ССР. Сер.техн.н., 1971, №5, стр.43-47.

31. Инструкция по определению экономической эффективности капитальных вложений в развитие энергетического ^хозяйства (генерирование, передача и распределение электрической и тепловой энергии), Москва, "Энергия", 1973.

32. Калайати Д.Д., Попалов В.В. Сравнительная шкала эффективности теплоотдачи газовых теплоносителей. "Теплоэнергетика". № 9, 1975, стр.67-69.

33. Калафати Д.Д., Попалов В.В. Сравнение эффективности теплоотдачи при течении газов в гладких и шероховатых колоннах. Теплоэнергетика, № 5, Т977, стр.70-73.

34. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярко С.А. Интенсификация теплообмена в кана. лах. М., "Машиностроение", Т972.

35. Каневец B.C. Оптимизация воздухоохладителей морозильных камер мясокомбинатов. Автореф.дис. на соискание i'.л к.т.н. Одесса, 1976, 25 стр.

36. Каневец Г.Е. Обощенные методы расчета теплообменников и их применение для оптимизации теплообменного оборудования. Автореф. на соискание звания докт.т.н., Киев, 1974, 49 стр.

37. Канторович В.В. Гидродинамические и воздушные машины. М., "Металлургиздат", 1950, 552 стр.

38. Каст В., Кример 0,, Райникс Винтернатель К. Конвективный и тепло- и массоперенос. М., "Энергия", 1980.

39. Кирпиков В.А., Лейфман И. Графический способ сравнительной оценки эффективности конвективных поверхностей нагрева. "Теплоэнергетика", № 3, 1975, стр.34-36.

40. Кирпиков В.А., Цирельман Н.М. К вопросу об определении эффективности теплообменных поверхностей. Известия высш. учебн.заведений, "Энергетика", 1972, I, стр.100-103.

41. Кирпичев М.В. 0 наивыгоднейшей форме поверхности нагрева. "Известия ЭНИН", 1944, № 12.

42. Клименко А,П., Каневец Г.Е. Расчет теплообменных аппаратов на электронных вычислительных машинах. М. "Энергия". 1966, 272 стр.

43. Кокс Б., Джаллоук П. Методы оценки характеристики компактных теплообменных поверхностей. "Теплопередача", 1973, № 4,стр.35-42.

44. Кришер 0. Научные основы техники сушки. М., T96I.

45. Кэйс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. "Энергия" М., 1967.

46. Лапидус A.C. Выбор критериев для инженерноэкономической оптимизации теплообменных аппаратов. "Химическое и нефтяное машиностроение". № 2, 1977, стр.34-37.

47. Лахайе Р.Г., Нойгебауер Ф.Я., Салкайс Р.К. Обобщенный метод расчета теплообменных пов-тей. "Теплопередача", 1974, № 4, стр.80-85.

48. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. "Энергия", Москва, 1972.N

49. Мак-Адаме В.Х. Теплопередача (глД5), I96T.

50. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. М., "Энергия", 1980.

51. Минин Е.В. Рекомендации по выбору и поверочномутрасчету водо-воздушных поверхностных теплообменников для системвентиляции и кондиционирования воздуха. Ленинград 1970.

52. Михеев М.А. Средняя теплоотдача при движении жидкости в трубах. В сб.: "Теплопередача и тепловое моделирование", изд. АН СССР, М., Т959.

53. Мицкевич А.И. Эффективность теплоотдающих поверхностей. "Тепло- и массоперенос", т.1. Минск, 1965, стр.270-276.

54. Мицкевич А.И. Метод оценки эффективности конвективной теплоотдачи. "Труды ИДТИ". Вып.78, 1967, стр.3-25.

55. Мицкевич А.И. Новые аспекты оценки эффективности конвективной теплоотдачи. "Энергомашиностроение", 1969, № ТО, стр.4142.

56. Миикевич А.И. Эффективность конвективной теплопередачи. "Энергомашиностроение", 1971, № 10, стр.14-17.

57. Нагла Я.Я., Грицанс Я.М. Оптимизация геоме рий труб экономайзеров. - В кн.: Теплопроводность и диффузия. Рига, 1979,стрЛ15-122.

58. Нагла Я.Я., Грицанс Я.М. Исследование и сопоставление поверхностей теплообмена из сребренных труб. Изв.АН Латв.СОР. Серия физических и технических наук. 1979, № 2, стр.94-99.

59. Нагла Я.Я., Грицанс Я.Н. Сопоставление поверхностей теплообмена из оребренных труб на основе приведенных затрат. Изв.вузов, ЭЭнергетика, 1979, № Т, стр.94-93.

60. Паттен Т.Д. Терморежимные характеристики. геометрии поверхности компактных теплообменников. Тепло- и массоперенос, том 9, часть 2, Минск, Т972, стр.222-239.

61. Петровский Ю.В., Фастовский В.Г. Современные эффективные теплообменники. М. Госэнергоиздат, 1962, 166 стр.

62. Пиир А.Э., Кунтыти В.Б. Технико-экономический выбор параметров в парогазовом теплообменнике. Изв.высш.учебн.заведений.

63. Энергетика, 1974, 9, стр.Т43-Т46.

64. Пиир А.Э., Кунтыга В.Б. Выбор технико-экономических скоростей газовых потоков в рекуператорах. Изв.Высш.учебн.завед. Энергетика, 1975, № 3, стр.126-128.

65. Питерцев А.Г. Моделирование и оптимизация промышленного ко-жухотрубчатого теплообменного оборудования. Автореф. на соискание к.т.н., М., Т974, 24 стр.

66. Пластинчатые теплообменники. Каталог. М. 1974.

67. Рождественский В.В. Метод выбора эффективных теплопередающих поверхностей для теплообменных устройств. Труды П.-и. и эксперим. мн-та автомобильного электрооборудования и автоприборов. 1969, вып.12, стр.71-85.

68. Саликов А.П., Тулин С.Н. Методика сравнения пучков труб с проволочным оребрением. "Энергомашиностроение", 1959, № II, стр.20-21.

69. Сергазин Ж.Ф. Об энергетической опенке конвективных поверхностей теплообмена. Энергетика и электрификация. Караганда, 1972. стр.68-75.

70. Симонов В.Ф. Технико-экономическая оптимизация при проектировании тепломассообменных и холодильных установок. Саратов, 1979, 72 стр.

71. Симонов В.Ф. Технико-экономическая оптимизация при проектировании тепломассообменных и холодильных установок. 1980, 72 стр.

72. Стасголявичус 10., Скринска А. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков ребристых труб. Изд. "Минтис", Вильнюс, 1974 г.

73. Степанов O.A., Иванов В.А. Технико-экономическое обоснование использования турбулизаторов потока. "Тр.Тгаменьского индустр.ин-та". Т976, вып.56, стр.14Т-143.

74. Темкин А.Г., Савельев П.А. Гидродинамика и теплообмен при течениях в каналах сложной конфигурации. Рига, Dffl, 1976, IT5 с.

75. Федоров И.Г. Влияние геометрических параметров ня тепловую эффективность пластинчатых поверхностей с выступами. "Вопросы теплотехники". Научные труды Перрмск. политехи, ин^-та, 1968, сб.23, стр.57-63.

76. Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники. Ленинград, I96T.

77. Шак А. Промышленная теплопередача. М., Металлургиздат, 1961.

78. Шаповалов В.А. Оптимизация графитовой теплообменной аппаратуры. Автореферат на соискание. т\ к.т.н., 1974, Ново-черкаск, 25.

79. Эльперин И.Т. Показатели эффективности процессов переноса.

80. Инж.-физ.ж. 1963, 6, № 6, стр.Т00-Т05.

81. Юдин В.Ф. Теплообмен поперечнооребренных труб. Машиностроение. Ленинград, 1982, 189 с.

82. Юфа А.И., Иоффе Ф.Я. К выбору геометрии гладкотрубных теплообменников с продольным омыванием. Теплоэнергетика, 1972,9, стр.43-45.

83. Bergles A.E., Blumenkrantz A.R., Taborek. Performance evalu-tion criteria for enhanced Reat transfer surfaces. Lett heat and Mass Transfer, 1974, 1, Nr.2. 239-243.

84. Erlen H., Lange M. Optimenung von spirab - Warmedustanschern "Verfahrenstechnik", 4 (1970), Nr.10, 461-466.

85. Glazer H., Chemie-Ins.Techn. 1949, 21, N 5/6, 95-99.

86. Grassman P. Chemie-Ing.Techn., 1950, 22, N 4, 77-80.

87. Grassman P. Berechnund der Vergroscrung der Austanschfbachen und Ventilationsleitungen beim ubergang von Wasserauf Zuftkun-lung. "Y/arme und Stoff Übertragung 1973, 6, N 3, 157-159.

88. Gregorig Romano Awensleben Bodo. Zur elementaren aptimerung von Rohrbundel - Warme austanschern. "Verfahrenstechie 1968, Nr.2, 63-65, 54.

89. Lohrich F.W. What are optimum conditions for air-cooled

90. Exchagers. "Ilydracarbon Process", 1966, 45, Nr.6, 131-136.

91. Rene-Dupuy. Optimisation des echangeurs de chaleur Journess in terrain transmission. 1962, 913-929.

92. Schumann L. Berech ung von Warmetanschern mit Hilfe electro-micher Rechenamlagen. "Brennstoff - Warme - Kraft", 1966, 18, Nr.3, 113-116.