WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Увеличение эффективности теплообменников посредством интенсификации теплообмена на поверхностях со сферическими углублениями

На правах рукописи

Власенко Алексей Сергеевич

УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

ПОСРЕДСТВОМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА НА ПОВЕРХНОСТЯХ СО СФЕРИЧЕСКИМИ УГЛУБЛЕНИЯМИ

Специальность 05.14.04 Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2011

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сергиевский Эдуард Дмитриевич
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Глазов Василий Степанович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Яновский Леонид Самойлович
доктор технических наук, профессор Галактионов Валерий Витальевич
Ведущая организация: Московский государственный университет леса (МГУЛ)

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

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

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

Автореферат разослан: “ “ _________ 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного

совета Д 212.157.10

к.т.н., доцент Степанова Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Проблема разработки эффективных теплообменных аппаратов актуальна для любой сферы народного хозяйства - в промышленной энергетике, ЖКХ, транспортной, химической и др. отраслях.

Для улучшения характеристик теплоэнергетического оборудования необходимо разрабатывать новые конструкции теплообменных аппаратов, увеличивать эффективность теплообменных поверхностей, применять современные подходы к проектированию теплообменных аппаратов, создавать новые технологии их производства. Правильный выбор теплообменников и их теплообменных поверхностей представляется исключительно важной и актуальной задачей.

В промышленной теплоэнергетике наиболее распространены пластинчатые и кожухотрубчатые теплообменники. Поверхностные интенсификаторы (шероховатость, выступы, и т.д.), которые в них используются при заметном увеличении коэффициента теплоотдачи ведут (за редкими исключениями) к более заметному росту коэффициенту сопротивления (т.е. росту перепада давления и, как следствие, росту мощности на прокачку). Повышение тепловой эффективности теплообмена на 30-40% ведет к росту сопротивления на 40-60%. В то же время такой способ интенсификации как нанесение поверхностных сферических углублений (лунок) выделяется заметным ростом коэффициента теплоотдачи, опережающим увеличение коэффициента сопротивления.

Вихревые способы интенсификации теплообмена, к которым относятся сферические лунки, является одним из самых перспективных, поскольку при его реализации возможен опережающий рост относительного коэффициента теплоотдачи по сравнению с ростом относительного коэффициента сопротивления.

Актуальность работы определяется также тем, что все ранее опубликованные работы по исследованию этого способа интенсификации выполнены либо для обтекания пластины (либо для канала с большой высотой), либо для очень узкого канала (с уже развитым режимом течения), поэтому в данной работе, в первую очередь, исследуются тепловые и гидродинамические характеристики при изменении высоты канала, а также оценивается влияние этого способа интенсификации на характеристики пластинчатых и кожухотрубных теплообменников и выявляется влияние различных факторов, таких как: высота канала, степень турбулентности набегающего потока, расположение лунок, их глубина, продольное или поперечное обтекание теплообменной поверхности.

Часть исследований, которые вошли в диссертацию были выполнены в рамках гранта РФФИ № 05-08-18265.

Целью работы является разработка метода расчета теплообменников промышленной теплоэнергетики (пластинчатых и трубчатых) в части локальных характеристик, коэффициентов теплоотдачи и оценка повышения их эффективности при нанесении полусферических лунок на теплопередающую поверхность. Для этого необходимо решить следующие задачи:

  1. Провести экспериментальные исследования, состоящие из следующих частей:
  • Исследование теплообмена в каналах с лунками на нижней поверхности методом регулярного теплового режима с использованием тепловизионной аппаратуры;
  • Исследование структуры вихревых выносов из лунок в канале при различной его высоте методом дымовой визуализации.
  • Определение потерь давления традиционными средствами измерения;
  1. Проведение численного исследования каналов с лунками на нижней поверхности для оценки их влияния на теплообмен и гидравлическое сопротивление. Сравнение полученных данных с результатами экспериментальных исследований.
  2. Проведение расчетов сопряженной задачи для модели рабочего участка при развитом режиме течения и учете влияния начального участка c целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками;
  3. Получение обобщающих соотношений и проведение расчетов для двух типов теплообменных аппаратов, определение количественных данных по повышению их эффективности.

Научная новизна:





  1. Впервые определено влияние таких факторов как степень турбулентности набегающего потока, высота канала, расположение и параметры лунок, а так же направление обтекания теплообменной поверхности на относительные коэффициенты теплоотдачи и гидродинамики. Это позволило установить зависимости для расчета относительных чисел Нуссельта и коэффициентов сопротивления, как для плоского канала, так и для поперечного обтекания трубы с лунками на её поверхности.

2. Адаптирован метод регулярного режима с помощью тепловизора ИРТИС-200 для поверхности с лунками и получены количественные результаты по коэффициентам Нуссельта с использованием этого метода при турбулентном режиме течения.

3. На основании проведенных экспериментальных визуальных данных и проведенных расчётов проанализирован механизм интенсификации теплообмена, заключающийся в образовании больших вихрей выносимых из области лунок в набегающий поток, которые могут приводить к увеличению коэффициента теплоотдачи.

4. Проведены расчёты сопряженной задачи и выявлено влияние материала пластины на распределение температуры на характеристики в канале с лунками.

  1. Уточнены значения коэффициентов в пристенных функциях, с помощью которых можно находить значения коэффициентов теплообмена по локальным значениям температур при использовании вычислительного комплекса PHOENICS.
  2. Показан эффект при использовании поверхностей с углублениями на примерах пластинчатых теплообменниках, используемых в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) и трубчатых рекуператорах, используемых в схемах высокотемпературных установок (ВТУ) при проведении процессов плавления и варки стекла, что позволяет сэкономить металл при неизменном расходе топлива, либо при той же металлоёмкости аппарата сократить расход топлива.

Достоверность подтверждается удовлетворительной согласованностью расчётных и экспериментальных данных, применением современных экспериментальных методик и вычислительного комплекса PHOENICS, а также удовлетворительным согласием результатов исследования с результатами других авторов.

Практическая ценность. Полученные в работе критериальные выражения удовлетворяют по точности инженерным требованиям и позволяют производить расчеты теплогидравлических параметров в пластинчатых теплообменниках ЖКХ, не прибегая к затратным экспериментальным методам. Предложены мероприятия по экономии природного газа в трубчатых рекуператорах, используемых при проведении плавильных процессов в схемах плавления и варки стекла, которые могут быть частично или полностью реализованы в других отраслях промышленности. Результаты работы используются при чтении курсов «Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий» и «Математическое моделирование и оптимизация систем теплоснабжения и кондиционирования».

Основные положения, выносимые на защиту:

  • результаты экспериментального исследования теплоотдачи, гидравлического сопротивления и структуры потока в каналах разной высоты;
  • результаты численного моделирования турбулентного течения и теплопереноса в каналах теплообменников с интенсифицированными поверхностями и расчеты сопряженной задачи на модели рабочего участка при развитом режиме течения и учете влияния начального участка c целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками;
  • зависимости для расчета теплопереноса и гидравлических потерь в исследуемых теплообменниках;
  • мероприятия по повышению эффективности теплообменного оборудования на базе проведенного исследования и оценка энерго- и ресурсосберегающего эффекта.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на II научной школе-конференции “Актуальные вопросы авиационных и аэрокосмических систем. Процессы, модели, эксперимент” НАН Украины в 2004 году; IV национальной конференции по теплообмену в 2006 году; III Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках в 2008 году» и XVI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2010 год.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 7 опубликованных работах, две из них в изданиях рекомендованных ВАК. Список указанных работ приведен на последней странице автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, состоящего из 85 наименований, и приложения. Общий объём диссертации составляет 135 страниц, включая рисунки, таблицы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования.

В первой главе рассмотрен вопрос о теплообмене и гидравлическом сопротивлении в теплообменниках с интенсификацией теплообмена за счёт углублений. Проведен обзор литературных данных и анализ работ по проблеме исследования каналов теплообменников с интенсификацией теплообмена и методах расчета их теплогидравлических характеристик. Обзор литературы показывает, что расчет теплообмена и гидравлического сопротивления теплообменников с интенсифицированными поверхностями нагрева проводят преимущественно по эмпирическим зависимостям. В подавляющем большинстве случаев рекомендуемые расчетные формулы, получены по результатам экспериментов на опытных или находящихся в эксплуатации штатных установках.





Имеющиеся обобщенные зависимости для расчета теплопереноса и гидравлических потерь в каналах таких теплообменников имеют разрозненный характер, неполнота информации по рациональной интенсификации теплообмена затрудняет разработку высокоэффективного оборудования такого типа.

В связи с этим сформулированы следующие задачи работы: 1) Проведение экспериментальных исследований при различной высоте канала и по структуре вихревых выносов из лунок; 2) Проведение расчетов сопряженной задачи на модели рабочего участка при начальном и развитом режиме течения c целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками; 3) Получение обобщающих соотношений; 4) Проведение расчетов для двух типов теплообменных аппаратов и определение количественных данных по повышению их эффективности; 5) Анализ поперечного обтекания пучка труб с нанесёнными на них лунками.

Во второй главе приводятся результаты экспериментального исследования по определению коэффициентов теплоотдачи, гидравлического сопротивления и структуры потока. Физический эксперимент реализовывался на дозвуковой аэродинамической установке открытого типа, работающей на нагне­тание. Схема установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Экспериментальная установка

Объектом исследования являлся теплогидравлический процесс в канале, нижняя стенка которого содержала полусферические выемки (лунки). Параметры исследуемого канала, геометрические характеристики лунки и формулы для расчета её площади поверхности, объема и радиуса кривизны поверхности приведены на рис. 2.

Рис. 2 - Параметры рабочего канала (а) и полусферической выемки (б)

В качестве нижней стенки канала использовались пластины из разных материалов: алюминий, сталь, латунь, медь. Геометрические характеристики этих пластин с нанесенными полусферическими лунками на их поверхностях представлены в табл. 1.

Для определения относительного роста изменения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления за счет применения «луночных» интенсификаторов в эксперименте в качестве эталона использовались гладкие пластины.

Таблица 1 - Параметры пластин, профилированных полусферическими выемками

Шифр Размещение лунок Параметры лунки
s1, мм s2, мм s'2, мм R, мм D, мм h, мм
1 ШК-2804012.5-Al 12/12 8/16 10/20 4.17 8 3
2 Ш-2804011.5-Al 12.2 16 17.12 4.73 8.8 3
3 К-2804010-Ст3 10 17 19.7 8 3
4 К-2804011.4-Ст 10.4 10.4 14.71 4.42 8.6 3.4
5 Ш-4806012-Ст 9.8 10 11.1 4.1 8.2 4.1
6 К-4806012-Ст 9.8 10 14.0 4.1 8.2 4.1

Исследования проводились при высотах канала: 0,08; 0,04 и 0,015 м и скоростях потока на входе 6, 8 и 15 м/c. При этом числа Рейнольдса, рассчитанные по характерному расстоянию от входа в канал до центра первого ряда лунок, лежали в диапазоне от 6000 до 200000. В нижней части рабочего участка находился плоский источник теплоты мощностью в 50 Вт.

Методика проведения эксперимента по определению коэффициентов теплоотдачи.

Для определения коэффициентов теплоотдачи в работе адаптирован метод регулярного теплового режима, в соответствии с которым определяется темп охлаждения предварительно нагретой нижней стенки канала. Суть метода заключается в расчете коэффициента теплоотдачи, исходя из темпа охлаждения пластин Для определения поля температуры на поверхности пластины Tw был использован тепловизионный комплекс ИРТИС-200 и соответствующее программное обеспечение. Тарировка тепловизионного метода была проведена ранее в работе1. На рис. 3 представлены тепловизионные снимки нижней стенки канала при разной его высоте и схем расположения поверхностных интенсификаторов – полусферических выемок (лунок).

Из полученных экспериментальных данных видно, что на пластине образуются зоны с повышенными и пониженными температурами. В передней части лунки (по потоку) заметно повышение температуры, в то время как в задней части и за лункой температура уменьшается. Такая картина повторяется от лунки к лунке, также можно отметить эффект влияния предыдущих лунок на последующие. Кроме того, при наличии лунок осреднённая температура потока оказалась выше, чем для гладкой поверхности. Данный факт можно объяснить выносом тепла из лунок в общий поток.

Полученные по методу регулярного режима коэффициенты теплоотдачи при различной высоте канала представлены в табл. 2. В эксперименте температура и скорость воздуха на входе в канал были равны 22 оС и 6 м/с, соответственно.

Высота канала 0,08 м Высота канала 0,04 м
Высота канала 0,015 м Высота канала 0,08 м

Рис. 3 – Термограммы исследуемых пластин при разных высотах прямоугольного канала

Таблица 2 – Коэффициенты теплоотдачи в зависимости от высоты канала

Пластина Высота канала, м Относительный коэффициент теплоотдачи, /гл
К-2804011.4-Ст 0,08 1,35
К-2804011.4-Ст 0,04 1,6
К-2804011.4-Ст 0,015 2,25

Определение потерь давления и гидравлического сопротивления.

Измерения давления производились с помощью трубок Пито, которые были установлены на входе и выходе из канала. Трубки Пито были присоединены к жидкостному микроманометру ММН-240(5)-1,0, с помощью которого определялся перепад статических давлений на входе и выходе из канала.

На основе сравнения полученных теплогидравлических характеристик с аналогичными характеристиками для гладкого канала было установлено, что максимальная степень интенсификации теплообмена составила 2 раза.

Измерения соотношения перепадов давления (Pл / Pгл) для оценки роста гидравлического сопротивления при наличии лунок были выполнены при двух высотах канала: 8 и 1,5 см и составили 1,17 и 1,3, соответственно.

Обобщенные зависимости.

Для оценки коэффициента теплоотдачи и сопротивления на начальном участке в канале установлены следующие зависимости, в которые входит не только отношение глубины к диаметру лунки, но и степень турбулентности потока:

, (1). (2)

Сопоставление результатов этих зависимостей с экспериментом по отношению коэффициентов теплоотдачи составляют 2,7%, а по отношению перепадов давлений 1.7 %. Таким образом, при степени турбулентности Тu = 5 % имеем и. При больших степенях турбулентности – 1015 % коэффициенты теплоотдачи на поверхности с лунками и без них практически равны.

Для развитого режима течения в канале при отношении высоты канала к диаметру лунки H/D < 5 можно воспользоваться следующими соотношениями

, (3). (4)

Эти соотношения были получены в результате обработки экспериментальных данных. Погрешность аппроксимации не более 3 %. В приведенных зависимостях не учитывается взаимное расположение лунок, т.к. из экспериментальных исследований найден узкий диапазон продольных S1 и поперечных S2 шагов между лунками, в котором интенсификация теплообмена является наиболее эффективной, при этом S1 = S2 = (1.52)D.

Дымовая визуализация структуры потока в канале

Целью данного исследования было определение картины течения и вихреобразования в каналах с траншеями или лунками на нижней поверхности, что позволяет лучше представить картину о механизме переноса (выноса тепла из лунок в поток теплоносителя) тепла и импульса в этих каналах.

Методом исследования была выбрана дымовая визуализация. Дым вдувался в канал от пылесоса (марка «Вихрь»), который работал на нагнетание. Опыты были проведены при числах Re~3000.

Для регистрации картины визуализации была использована цифровая видео и фотоаппаратура. Это позволило не только получить картину течения, но и зафиксировать ее изменение во времени. Так было установлено, что течение в каналах с интенсификаторами сопровождается смерчеобразными выносами в поток из углублений в пластинах. Данное обстоятельство подтверждается работами и для глубоких лунок.

При малых скоростях потока период существования вихря в полусферическом углублении (размерами 8х4) составляет около одной секунды, а в случае применения траншейных интенсификаторов – примерно 3 секунды. Как следует из полученных данных в случае траншей время нарастания и выброса вихря превышает время течения над поверхностью и выбросы нагретой жидкости мало влияют на среднемассовую температуру и на увеличение коэффициента теплоотдачи. В случае лунок время нарастания и выброса уже меньше времени течения при тех же малых скоростях и они уже существенно сказываются на увеличение среднемассовой температуры и на увеличение коэффициента теплоотдачи (в случае траншей /o=1.26 и 1.35 для лунок при высоте канала одинаковой для обоих случаев и равной 8 см).

На рис. 4 представлены фотоснимки течения визуализированного дымом потока на рабочих пластинах с различным рельефом.

Рис. 4 – Фотосъемки течения потока в канале с интенсификаторами:

а – траншеи [Мусин И.Р.], б – лунки [автор], в – лунки [Ligrani P.M.]

В третьей главе приведены результаты расчетов сопряженной задачи на модели рабочего участка при начальном и развитом режиме течения c целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками. Для этого в вычислительном комплексе PHOENICS была создана модель течения воздуха в прямоугольном канале с геометрическими и физическими характеристиками близкими к экспериментальным.

Рис. 5 - Рабочий участок, смоделированный в PHOENICs

При моделировании теплогидродинамического процесса в исследуемом канале использовалось обобщенное уравнение

(5)

где Фi - любая переменная i-ой фазы, такая как: энтальпия, массовая доля химической компоненты, энергия турбулентности и т.д.; Vi - вектор скорости i-ой фазы; Гфi - диффузионный коэффициент свойства Ф в i-ой фазе; Si – источник свойства Ф.

Для замыкания системы использовалась стандартная к- модель турбулентности. В результате численного моделирования было получено распределение скорости, давления и температуры по длине, ширине и высоте канала. По полученным профилям скоростей и температур были проведены расчеты коэффициента теплоотдачи с помощью анализа пристенных функций SKIN и STAN, характеризующих процессы теплообмена в пристенной области.

На рис. 6 приведено распределение температур по высоте рабочего участка при различной ширине канала и материала его нижней стенки.

Численные решения сопряженной задачи показали, что в лунке образуются устойчивые отрывные зоны в передней (по потоку) части лунки, а часть нагретой у стенки жидкости выносятся в виде струй в набегающий поток. В области лунки образуются два вихря вращающиеся в противоположные стороны, на срезе лунки нагретый воздух из глубины лунки выносится в основной поток под некоторым углом.

Распределение температуры по поверхности лунки и в её окрестности имеет более неравномерный характер при меньшем коэффициенте теплопроводности. Однако относительный коэффициент теплоотдачи меняется незначительно, что, по-видимому, связано с определяющим влиянием изменения гидродинамики течения в окрестности лунок.

а)

б)

Рис. 6 - Распределение температуры по высоте рабочего участка:

1- в изоляции, 2- в материале от нагревателя до пластины,

3- в материале пластины (а - алюминий, б - асбест), 4- в области лунки

Несмотря на то, что в экспериментальной работе был рассмотрен более узкий канал и в качестве характерного ряда лунок исследовался 27 ряд, а не 8 как в случае математического моделирования, можно отметить, что отношения коэффициентов теплоотдачи для экспериментально и численного случая в центре самой лунки близки между собой, и качественно одинаково отражают изменение коэффициента теплоотдачи по рассматриваемому сечению по ширине пластины.

Расчёты, выполненные в вычислительном комплексе PHOENICs c использованием стандартной k- модели и стандартных пристенных функции позволили выяснить, что при уменьшении высоты канала в диапазоне от 8 до 1,5 см коэффициент относительной теплоотдачи возрастает от 1,12 до 1,86, а перепад давления - от 1,17 до 1,3.

Рис. 7 – Поле скорости в продольно-центральном сечении канала при hк/dл =5

Таким образом, результаты численных исследований, выполненных в среде PHOENICS, качественно согласуются с экспериментальными данными.

В соответствии с классическим представлением о турбулентном пограничном слое в нём выделяется ряд областей, характеризуемые различным уровнем проявления молекулярной вязкости - вязкий (или ламинарный) подслой, буферная (или переходная) область, область турбулентного ядра (область с логарифмическим законом изменения скорости) и внешняя область пограничного слоя (область следа).

Однако, согласно экспериментальным данным Репика Е.У и Соседко Ю.П. 2 вязкий подслой состоит из периодически нарастающих и разрушающихся участков ламинарного подслоя, причём толщина этих элементарных слоёв регулируется некоторым механизмом неустойчивости. Авторы, предполагают, что процессы, происходящие при разрушении подслоя и при переходе от ламинарного режима течения к турбулентному режиму, количественно характеризуются похожими закономерностями.

Если это так, то размер вихрей, образующихся при разрушении подслоя, определяется числом Рейнольдса, вычисленным по толщине потери импульса Re **. Значит, согласно схеме течения (рис.2.4)3, размер вихрей в области площадки dS формируется под действием градиента скорости вихрей, приходящих в область площадки, при безотрывном обтекании препятствия и вихрей за счёт нестационарных выбросов из области препятствия при отрывном характере течения в этой области. Размер вихрей в при этом характеризуется величиной в= · (Re**). При отсутствии лунок в = = 0.4, а при их наличии меняется в диапазоне 11,25 в области Re**<6000.

Это приводит к изменению выражений в числителе для пристенных функций Stan, Skin, что эквивалентно росту безразмерных коэффициентов трения и теплообмена.

Рис. 8. Влияние высоты канала с «олуненной» нижней стенкой на коэффициент теплоотдачи по результатам эксперимента и численного моделирования

На рис. 8 сопоставлены значения относительного коэффициента теплоотдачи в зависимости от относительной высоты канала, полученные экспериментально (табл. 2) и в ходе математического моделирования в среде PHOENICS с использованием стандартных и модифицированных пристенных функций SKIN и STAN. Красными маркерами (кружками) отмечены величины соответствующие экспериментальным данным, а непрерывной линией - аппроксимационная зависимость (3). Коричневые и синие маркеры (треугольники и квадраты) – значения относительных величин соответствующие результатам расчета по стандартным и модифицированным функциям SKIN и STAN.

Погрешность описания теплоотдачи по зависимости (3) не превышает 3%, а моделирование с использованием модифицированных пристенных функций SKIN и STAN – 11 %. Такой результат моделирования можно признать удовлетворительным, поскольку отклонение полученных значений при использовании модифицированных функций SKIN и STAN оказалась сопоставимым с 12 % погрешностью расчета по методу регулярного режима, выполненного по экспериментальным данным.

В четвертой главе рассмотрено применение луночных рельефов в теплообменных аппаратах промышленной теплоэнергетики. Рассмотрены два типа теплообменных аппаратов: пластинчатый и кожухотрубный. Для каждого типа теплообменника сопоставляются гладкая поверхность и поверхность с нанесённым луночным рельефом и делается вывод об эффективности использования последних.

Расчет воздухо-воздушного пластинчатого теплообменника. В последние годы на Российском рынке появились предложения по использованию теплообменников типа НХЕ со сварными касетами HEATEX "МАШИМПЭКС", которые содержат пластины с выштампованными регулярными лунками. По заверению производителя, достоинством данного авппарата является простота конструкции и полный доступ к поверхностям теплообмена, а также то, что габаритный размер такого теплообменника составляет 30-50% от размера кожухотрубного теплообменника с теми же характеристиками.

Из открытых публикаций известно (и результаты наших исследований подтверждают это), что особый рельеф поверхности с лунками обеспечивает наилучшее соотношение теплопередачи к сопротивлению. Однако нет информации о методах расчета теплообменников, учитывающих не только геометрию (форму) канала и интенсификаторов, а и их размеры в широком диапазоне возможных соотношений. Поэтому невозможно на этапе проектирования провести сравнение между аппаратами, выбрать лучший вариант в соответствии с предполагаемыми условиями их эксплуатации.

Опираясь на результаты наших исследований (по лункам) и Попова И.А. (по выступам)4, был выполнен расчет противоточного пластинчатого теплообменника-утилизатора для системы кондиционирования воздуха. Полученные данные были сопоставлены с характеристиками того же теплообменника, но без интенсификаторов. В расчете лунки были обращены в сторону холодного теплоносителя, имеющего наименьшее значение коэффициента теплоотдачи для теплообменника без лунок.

Установлено, что эффективность противоточного воздухо-воздушного пластинчатого теплообменника с интенсификаторами типа «лунки-выступы» равна = 0.61, в то время как эффективность этого же аппарата без интенсификаторов составила = 0. 36.

Так же была решена задача по определению количества сэкономленного тепла за год в результате применения теплообменника с луночными интенсификаторами в место теполообменного аппарата без интенсификаторов. При определении этой величины производился поверочный расчет теплообменных аппаратов при известных значениях коэффициентов теплопередачи, площадях теплообмена и температурах на входе в теплообменный аппарат.

Таблица 3 – Ежемесячная экономия тепла в отопительном сезоне

Период работы теплообменного аппарата Средняя температура воздуха, °С Экономия теплоты за счет использования интенсификаторов в ТА
Q., ГДж Q, кВт
Январь -10.2 69.29 25.87
Февраль -9.2 60.75 25.11
Март -4.3 57.35 21.41
Апрель 4.4 38.45 14.83
Октябрь 4.3 39.94 14.91
Ноябрь -1.9 50.80 19.60
Декабрь -7.3 63.42 23.68
Итого -- 380 145.41

В табл. 3 сведены данные расчета количества сэкономленного тепла для каждого месяца отопительного сезона.

Расчет рекуператора для ВТУ. Внешний вид исследуемого кожухотрубчатого теплообменного аппарата и его положение в блочной схеме ВТУ представлено на рис. 9.

Рис. 9 – Кожухотрубный теплообменный аппарат

Рассмотрен случай, когда рекуператор обогревается дымовыми газами от камеры сгорания. Дымовые газы протекают в межтрубном пространстве, а воздух течет внутри труб рекуперативного теплообменника. Поскольку при нанесении лунок на теплообменные поверхности образуются выступы, необходимы выражения, которые учитывают данный факт при расчете теплообменника.

При течении внутри труб с выступами коэффициенты теплоотдачи и сопротивления можно рассчитать по данным Мунябина К.Л.5 Что же касается полусферических углублений, то среди работ, посвященных исследованию теплоотдачи в пучках труб с поверхностными интенсификаторами в виде лунок, нам известна работа Я. Чудновского и А. Козлова6. В ней представлены результаты экспериментальных исследований по теплоотдаче шахматного пучка «олуненных» труб при поперечном их обтекании. К сожалению, в этих работах отсутствуют эмпирические выражения, позволяющие количественно определять величину коэффициентов теплоотдачи и сопротивления в зависимости от параметров пучка и используемых интенсификаторов.

Обработка данных эксперимента этих авторов состояла в преобразовании графической информации в цифровую и представлении последней в виде матрицы и вектора.данных.

В процессе аппроксимации табулированных данных были получены следующие зависимости:

- для пучка труб с глубокими лунками (h/Dл = 0,373),

- для пучка труб с глубокими лунками и узкими каналами,

- для пучка труб с мелкими лунками (h/Dл = 0,085),

- для пучка труб с мелкими лунками и узкими каналами.

На рис.10 представлен пример такой аппроксимации

Рис. 10 - Экспериментальные и расчетные данные по теплоотдаче шахматного пучка труб с глубокими лунками

Расчет теплоотдачи шахматных пучков при поперечном их обтекании проводился по методике А.А. Жукаускаса. Параметры луночных интенсификаторов при коридорном их расположение приведены в табл. 4.

Таблица 4 – Характеристики луночных интенсификаторов

hл, м Глубина лунки 0,002
dв, м Внутренний диаметр трубы 0,098
p, м Расстояние между центрами лунок 0,018
D, м Диаметр лунок 0,010
N Количество рядов с лунками 4

Результаты выполненного расчета представлены в табл. 5.

Таблица 5 - Результаты расчета теплообменных характеристик трубного пучка

Таким образом, при увеличении коэффициента теплоотдачи можно уменьшить габариты кожухотрубных теплообменников. Однако если оставить геометрические характеристики теплообменника без изменений, то в этом случае увеличение коэффициента теплоотдачи приведет к уменьшению логарифмического температурного напора.

Для конвективного теплообменника без лунок коэффициент теплопередачи составит k=17.3 Вт/м2К, а при применении интенсификаторов типа «лунка-выступ» он увеличится до kл = 20.8 Вт/м2К. В этом случае температурный напор снизится c 745 оС до 620 оС, температура воздуха на выходе из рекуператора возрастет с 0С до 0С и расход топлива уменьшится с В1 = 0.6186 м3/с до В2 = 0.528 м3/с. Таким образом, годовая экономия топлива при 7500 часов работы установки в год составит

тыс. м3/год,

или

расхода топлива.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

  1. Впервые экспериментально с помощью тепловизора ИРТИС-200 определено влияние высоты канала, степени турбулентности набегающего потока, расположения и параметров лунок на теплообменные характеристики в канале. Это позволило установить зависимости для расчета относительных чисел Нуссельта и коэффициентов сопротивления для плоского канала.
  2. Адаптирован метод регулярного режима с помощью тепловизора ИРТИС-200 для поверхности с лунками и получены количественные результаты по коэффициентам Нуссельта с использованием этого метода при турбулентном режиме течения. Установлено, что в канале высотой 8 см наличие лунок на нижней стенке увеличивает коэффициент теплоотдачи в 1.35 раза по сравнению с гладким каналом. Для каналов высотой 4 и 1.5 см эта величина соответствует значениям 1.85 и 2.25 раза.
  3. С помощью вычислительной программы PHOENICS смоделирован рабочий участок экспериментальной установки и проведены расчеты сопряженной задачи по определению скоростей, температур и перепаду давлений в канале с лунками и без них в режимных параметрах, отвечающих условиям натурного эксперимента.
  4. Сопоставление экспериментальных и численных данных в исследованнном диапазоне высот канала показало, что значения коэффициентов теплоотдачи и сопротивления отличаются на 8-12 %.
  5. Проведено обобщение экспериментальных данных для плоских каналов с поверхностными интенсификаторами в виде полусферических выемок, а также пучков труб при поперечном их обтекании. В результате получены новые эмпирические выражения для расчета относительных коэффициентов теплоотдачи и сопротивления в зависимости от степени турбулентности набегающего потока, относительной глубины лунок и каналов с учетом начального участка и развитого режима течения теплоносителя.
  6. На основании полученных данных проведена оценка увеличения эффективности и уменьшения габаритов пластинчатых теплообменников, применяемых в системах кондиционирования. Показано, что при использовании «луночных» интенсификаторов в кожухотрубном рекуператоре возможно уменьшение его габаритов при сохранении расхода топлива и степени подогрева воздуха (по сравнению с гладкими трубами). Либо - увеличение подогрева воздуха при неизменных геометрических параметрах рекуператора снижает расход топлива

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Маскинская А.Ю., Сергиевский Э.Д., Власенко А.С. Повышение эффективности теплообменника – рекуператора путем нанесения лунок на поверхность труб // Вторая научная школа-конференция “Актуальные вопросы авиационных и аэрокосмических систем. Процессы, модели, эксперимент” НАН Украины, Тез. докл. – Алушта. – 2004. –С. 149-151.

2. Власенко А.С., Маскинская А.Ю., Сергиевский Э.Д. Сопряженный теплообмен в канале с лунками на нижней поверхности // Труды IV национальной конференции по теплообмену: в 8 томах – М., -2006. –Т.8. –С.45-47

3. Патент на полезную модель № – 73461. теплообменная труба. Авторы: Сергиевский Э.Д., Крылов А.Н., Власенко А.С. Опубликовано: 20.05.2008 Бюл. №-14

4. Арбатский А.А., Власенко А.С., Сергиевский Э.Д. Влияние высоты канала с лунками на нижней поверхности на теплогидродинамические характеристики // Вестник МЭИ. -2008. -№ 2. C.30-32.

5. Сергиевский Э.Д., Арбатский А.А., Власенко А.С. Интенсификация теплообмена путем нанесения лунок на теплообменную поверхность // Третья Международная конференция. Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: Тез. докл. – М., Издат. дом МЭИ, - 2008. - С.140-141.

6. Власенко А.С., Глазов В.С., Сергиевский Э.Д. Поверхностные интенсификаторы в теплообменниках // Молочная промышленность. 2009. -№5. -С.16-18.

7. Власенко А.С., Гасилин Н.С., Сергиевский Э.Д. Расчет радиационного теплообменника рекуператора стекловаренной печи с интенсификаторами на внутренней поверхности труб // Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 418-419.

Подписано в печать Зак. Тир. П.л.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

Красноказарменная ул., д.13



 


Похожие работы:

«Щукин Алексей Павлович Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования закономерностей загрязнения окружающей среды в результате утечки радионуклидов из хранилища жидких радиоактивных отходов (на примере Нововоронежской АЭС) 05.14.03 Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2007 Работа выполнена в филиале ФГУП концерн...»

«САВИНА Наталья Викторовна СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Иркутск 2010 Работа выполнена в ГОУ ВПО Амурский государственный университет Научный консультант - чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор Воропай Николай Иванович Официальные...»

«СИТНИКОВ ВЛАДИМИР ФЕДОРОВИЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБКИХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ (FACTS) Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Иваново 2009 Работа выполнена в Проектно-изыскательском и научно-исследовательском институте по проектированию энергетических систем и электрических сетей ОАО...»

«НИКОЛАЕВВладимир Геннадьевич МЕТОДОЛОГИЯРЕСУРСНОГО ИТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯИСПОЛЬЗОВАНИЯВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Специальность 05.14.08– энергоустановки наоснове возобновляемых видов энергии АВТОРЕФЕРАТ диссертациина соискание ученой степени докторатехнических наук Москва– 2011 Работавыполнена в...»

«ЗИМИН Роман Валерьевич РАЗРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ И ГРАФИКОВ НАГРУЗКИ ЭЭС Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2008 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет. Научный руководитель: доктор...»

«УДК 621.039.531 Сергеева Людмила Васильевна ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ НА СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРИ СОЗДАНИИ НОВЫХ УСТАНОВОК Специальность: 05.14.03- Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических...»

«БАЙРАМОВ Артём Николаевич ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНТЕГРАЦИИ АЭС С ВОДОРОДНЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ Специальность 05.14.01 – Энергетические системы и комплексы Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Саратов 2010 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Аминов Рашид Зарифович...»

«Ташлыков Александр Анатольевич ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРУБ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ 05.14.14 – Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Томск – 2007 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Томский политехнический университет” Научный руководитель: кандидат...»

«Курский Александр Семенович Обоснование эффективности и безопасности использования корпусных кипящих реакторов для малой энергетики на основе результатов исследований на реакторе ВК-50 Специальность 05.14.03 Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Димитровград 2011 г. Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе Государственный научный...»

«РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТОЛЯРЕВСКИЙ АНАТОЛИЙ ЯКОВЛЕВИЧ Хемотермические технологии аккумулирования энергии ядерных энергоисточников Специальность: 05.14.03 Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание научной степени доктора технических наук МОСКВА, 2009 г. Работа выполнена в Российском научном центре Курчатовский институт Официальные оппоненты: доктор технических наук, Сметанников...»

«Пономаренко Григорий Леонидович ОБОСНОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕАКТОРОВ ВВЭР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЙТРОННо-физическиХ, ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ВЕРОЯТНОСТНЫХ расчетных МЕТОДОВ Специальность: 05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Автор: Подольск – 2011 Работа выполнена в Открытом акционерном обществе Ордена Трудового...»

«Терешин Алексей Германович глобальные и региональные аспекты взаимосвязей в системе энергетический комплекс — окружающая среда Специальность 05.14.01 Энергетические системы и комплексы Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва — 2010 Работа выполнена на кафедре котельных установок и экологии энергетики и НИЛ Глобальных проблем энергетики ГОУВПО Московский энергетический институт (технический университет) Научный консультант...»

«ЛЯНЗБЕРГ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ РАЗРАБОТКА И ВЫБОР СТРУКТУРЫ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2010 г. Работа выполнена на кафедре Электроэнергетические системы Московского Энергетического института (Технического университета). Научный руководитель: доктор технических наук,...»

«Волков Борис Юрьевич ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВА ВВЭР И PWR ПРИ СОВМЕСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ В РЕАКТОРЕ HBWR Специальность 05.14.03 Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2012 Работа выполнена в Национальном Исследовательском Центре Курчатовский институт в рамках международной кооперации с исследовательским центром Халденский Реакторный...»

«АГЕЕВ Михаил Александрович ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМ И РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ МОДЕРНИЗАЦИИ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Саратов – 2010 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет Научный...»

«ВАСИЛЬЕВ Владимир Владимирович разработка автоматики комплексного аварийного управления нагрузкой Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2011 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет Научный руководитель:...»

«Михеев Павел Александрович ПРОДОЛЬНОЕ И ПОПЕРЕЧНОЕ ТОКООГРАНИЧЕНИЕ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С ПОМОЩЬЮ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ Специальность 05.14.02 – Электростанции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск - 2008 Работа...»

«КУХАРЬ Сергей Витальевич ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОЛОГИИ ВАБ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕГЛАМЕНТА ЭНЕРГОБЛОКА №1 ЛЕНИНГРАДСКОЙ АЭС Специальность 05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2009 Работа выполнена на Ленинградской АЭС Научный руководитель: кандидат технических наук...»

«БЕЛОГЛАЗОВ Алексей Владимирович Разработка адаптивных средств выявления неисправностей и стратегии обслуживания гидроагрегатов Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Новосибирск – 2011 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Новосибирский государственный технический университет...»

«РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ Игнатьев Виктор Владимирович Создание экспериментальных установок и базы данных для выбора и усовершенствования жидкосолевых топливных композиций и теплоносителей в ядерных реакторах Специальность: 05.14.03 Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание научной степени доктора технических наук МОСКВА, 2007 г. Работа выполнена в Российском научном центре...»






 
2014 www.avtoreferat.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.