Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования при вынужденном и свободноконвективном движении теплоносителей

СОДЕРЖАНИЕ
Основные обозначения 7
Введение 11
ГЛАВА 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ -АКТУАЛЬНОСТЬ, ОБЗОР, ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 19
1.1. Роль теплообменных аппаратов в развитии техники и 19
технологий
1.2. Обзор мирового рынка теплообменного оборудования 23
1.3. Основные проблемы разработки и эксплуатации теплообменных аппаратов 29
1.3.1. Загрязнение и коррозия теплообменных аппаратов 29
1.3.2. Термомеханическис проблемы в теплообменных 32 аппаратах
1.3.3. Высокотемпературные теплообменные аппараты 33
1.3.4. Повышение компактности теплообменных аппаратов 34
1.3.4.1. Поверхностная интенсификация теплоотдачи. 35 Рельефы из сферических выемок
1.3.4.2. Поверхностная интенсификация теплоотдачи. 74 Рельефы из сферических выступов
1.3.4.3. Пористые теплообменные элементы 77
1.3.4.4. Поверхностная интенсификация теплоотдачи при 93 свободной конвекции
1.4. Постановка задач исследования 106
Г ЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ СО СФЕРИЧЕСКИМИ ВЫЕМКАМИ
111
2.1. Методологические основы проведения экспериментальных исследований 111
2.2. Результаты тестовых испытаний 120
2.3. Результаты визуализации течения в каналах со сферическими выемками 122
2.4. Карта режимов течения в каналах со сферическими выемками
с острыми кромками 139
2.5. Гидравлическое сопротивление каналов со сферическими выемками. Влияние основных конструктивных параметров интенсификаторов 143
2
2.6. Средняя теплоотдача в каналах со сферическими выемками. Влияние основных конструктивных параметров 153 и нтенсифи кагоров
2.7. Теплообменные аппараты с поверхностной интенсификацией теплоотдачи в виде сферических выемок 162
2.8. Рекомендации по расчету теплообмена и гидравлического сопротивления при использовании в теплообменных аппаратах 169 каналов со сферическими выемками
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВ АНИЯ СО СФЕРИЧЕСКИМИ ВЫСТУПАМИ 171
3.1. Методологические основы проведения экспериментальных исследований 171
3.2. Гидравлическое сопротивление каналов со сферическими выемками. Влияние основных конструктивных параметров интенсификаторов 173
3.3. Средняя теплоотдача в каналах со сферическими выемками. Влияние основных конструктивных параметров 179 интенсификаторов
3.4. Рекомендации по расчету гидросопротивления и теплоотдачи
в каналах со сферическими выступами 180
ГЛАВА 4. ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В ПОРИСТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ И ЭЛЕМЕНТАХ 180
4.1. Методическое обеспечение исследований
теплогидравлических характеристик каналов с пористыми 180
вставками
4.1.1. Экспериментальный стенд для исследования средней эффективной теплоотдачи и гидросопротивления каналов и теплообменных аппаратов с пористыми вставками при
течении газообразного теплоносителя 180
4Л .2. Методическое обеспечение исследований структуры потока в каналах с пористыми вставками 185
4.1.3. Экспериментальный стенд для исследования средней эффективной теплоотдачи и гидросопротивления каналов и теплообменных аппаратов с пористыми вставками при течении жидкого теплоносителя 188
4.2. Исследование гидродинамики и теплообмена в каналах со вставками из высокопористого проницаемого ячеистого 193 материала
4.2.1.Математическое описание влияния основных режимных параметров и геометрических размеров канала и
3
интенсификаторов на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах с высокопористыми ячеистыми материалами
4.2.2.Гидравлическое сопротивление в каналах с пористыми интенсификаторами при вынужденной конвекции
4.2.3.Теплоотдача в каналах с высокопористыми ячеистыми материалами
4.2.4. Сравнение теплоотдачи в каналах с различными типами пористых вставок
4.3. Способы снижения гидросопротивления теплообменных элементов с пористыми средами
4.3.1. Гидродинамика и теплоотдача в каналах при межканальной транспирации теплоносителя в пористых структурах
4.3.2. Гидродинамика и теплообмен в каналах с пористыми слоями и пористыми вставками со сквозными отверстиями
4.3.3.Течение в каналах с дискретной установкой пористых мембран
4.3.4. Течение в канале с пористым выступом
4.4. Гидродинамика и теплообмен в каналах с упорядоченным пористым материалом
4.4.1. Структура упорядоченного пористого материала
4.4.2.Гидравлическое сопротивление в каналах с упорядоченным пористыми материалом
4.4.3. Теплоотдача в каналах с упорядоченным пористым материалом
4.4.4.Сравнительный анализ теплогидравлической эффективности различных пористых интенсификаторов теплообмена
4.4.5. Математическое описание влияния основных режимных параметров и геометрических размеров канала и интенсификаторов на гидросопротивление и теплоотдачу
4.5. Пористые теплообменные аппараты
4.5.1. Теплообменные аппараты на основе высокопористого проницаемого ячеистого материала
4.5.2. Исследование теплогидравлических характеристик теплообменных аппаратов на основе высокопористого проницаемого ячеистого материала
4.5.3. Сравнительный анализ теплогидравлических характеристик теплообменных аппаратов на основе высокопористого проницаемого ячеистого материала с другими видами интенсификации теплообмена
4.5.4. Рекомендации по теплогидравлическому расчету пористых теплообменных аппаратов. Методика выбора оптимальной схемы
193
202
205
211
216
216
224
227
238
244
244
247
251
254
258
260
260
262
265
268
4
>
ГЛАВА 5. Г ИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ СВОБОДНОКОНВЕКТИВНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ 273 ТЕЧЕНИЙ С ИНТЕНСИФИКАЦИЕЙ
5.1. Экспериментальное оборудование и методика исследований 273
5.2. Физическое моделирование теплообмена и гидродинамики внутренних и внешних свободноконвективных течений 283
5.2.1. Теплообмен и течение в открытых вертикальных цилиндрических каналах 283
5.2.2. Теплообмен и течение на вертикальных плоских
гладких поверхностях 289
5.2.3. Теплообмен и течение в вертикальных плоских 292 канатах
5.3. Физическое моделирование теплообмена и гидродинамики внутренних и внешних свободноконвективных течений при
наличии дискретной шероховатости 297
5.3.1. Теплообмен и течение при свободной конвекции в вертикальных цилиндрических дискретно-шероховатых 297 каналах
5.3.2. Теплообмен и течение при свободной конвекции на вертикальной дискретно-шероховатой поверхности и в вертикальном дискретно-шероховатом плоском канале 312
5.4. Течение и теплообмен в открытых вертикальных каналах с постоянной закруткой потока 321
5.5. Эффективность поверхностей и каналов со сферическими элементами при свободноконвективном течении 326
5.5.1. Гидродинамическая картина течения на поверхностях
со сферическими выемками 326
5.5.2. Теплоотдача на поверхностях со сферическими 327 выемками
5.5.3. Гидродинамика и теплоотдача на поверхностях со сферическими выступами 329
5.5.4. Результаты испытаний теплообменного оборудования
со сферическими элементами 330
Г ЛАВА 6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОМЫШЛЕННО ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ЛАМИНАРНЫХ И ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛАХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК 334
6.1. Анализ методов оценки эффективности интенсификагоров теплоотдачи, каналов и теплообменных аппаратов 334
5
6.2. Технология сравнения интенсификаторов теплоотдачи, оптимизация их геометрических параметров
6.3. Краткая характеристика различных ИТ для турбулентных режимов течения. Влияние положения выступов относительно потока на эффекты НТО
6.4. Эффективность промышленно перспективных
ин тенсификаторов теплоотдачи при турбулентном режиме течения в каналах энергоустановок
6.5. Эффективные интенсификаторы теплоотдачи для ламинарных потоков в каналах энергоустановок
6.6. Выводы
Заключение
Литература
338
339
344
354
368
369 372
6
Условные обозначения
Латинские
а - размер грани поры, м; а - температуропроводность;
В, Ь - ширина, м; с - теплоемкость, Дж/(кг К);
О - коэффициент диффузии;
0 - диаметр канала, м;
Оэ - эквивалентный диаметр канала, м; с1 - диаметр, м;
Р - площадь, м2;
С - массовый расход, кг/с;
H, Ь - высота, м;
1 - сила тока;
1* - коэффициент перемежаемости скорости;
I, - коэффициент перемежаемости температуры;
]=р\у - плотность массового потока, кг/м2с;
1, Ь -длина, м;
М - масса, кг;
N - мощность на прокачку теплоносителя, Вт;
Р - давление, Па;
8 - площадь поверхности каркаса, м ; я - шаг расположения;
Т - температура, К;
I - шаг, расстояние между центрами пор, м;
О - тепловой поток, Вт; ц - плотность тепловог о потока, Вт/м ;
- термическое сопротивление контакта, м К/Вт; г - радиус, м;
V - объем, м3; и - сила тока; w, и, V - скорость, м/с; х, у - координата, м.
Греческие
а - коэффициент теплоотдачи; а - вязкостный коэффициент сопро тивления, м 2; сцу - эффективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м' К); ау - объемный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м^ К); ап - угол;
р - инерционный коэффициент сопротивления, м“1;
Р - коэффициент термического расширения;
Гх - полное гидравлическое сопротивление.
7
А - перепад;
б - толщина пограничного слоя, толщина;
6Т- толщина теплового пограничного слоя, м; б д — толщина динамического пограничного слоя, м.
X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);
Хт - длина волны излучения; ц - коэффициент динамической вязкости, м/с;
Г), V-коэффициент кинематической вязкости, Па- с; г)0 - доля тепла, переносимог о по каркасу;
П - пористость; периметр, м; я - число Пи; р - плотность, кг/м3; т - время, с; касательные напряжения;
$, 0 - избыточная температура;
£ - безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления. Безразмерные комплексы
Вс] = Яг • Рг = gp2Cpp(tw — Хг)х3/X.2 - число Буссипеска;
Е=0/Ы - критерий Кирпичева;
Е' -=С>/(Ы АХ) - модифицированный критерий Кирпичева;
Е' = Е7Е'ГЛ- критерий теплогидравлической эффективности;
Рг - кри терий Фруда;
О = 4(Сг /4)1 4 - параметр ламинарно-турбулентного перехода;
в* = 5(Сг* /5)1'5- параметр ламинарно-турбулентного перехода для условия
Я^сопвТ;
Ог = ^—— - число Грасгофа;
V
(Зг* = ^^ -- модифицированное число Грасгофа для канала;
Ьу
дт 4
0Г* = Ж:—9* _ число Грасгофа для условия я^сопбГ XV
Ja - число Якоба;
Ка - число Кармана;
Ыи - критерий Нуссельта;
Рг - критерий Прандтля;
* * О ёР2спРч^5
Ка = вг Рг— = “г модифицированное число Рэлея для канала;
Ь и2р
£ и ар2спВ(1„. - Г)Ю4 Ка = вг Рг =----------------------модифицированное число Рэлея для
канала;
8
Ре - критерий Пекле;
Не - критерий Рейнольдса;
Ке'- = модифицированное число Рейнольдса для канала;
рЬ
St - число Стантона.
Индексы
О - невозмущенный поток;
О - диаметр канала; f - поток; g - гладкий канал;
гп - средняя температура в зазоре, пограничном слое и т.д.;
V - внутренний; ш - стенка.
х - местное (локальное) значение; вх - вход; вых - выход;
гл, 0 - пустой, гладкий канал;
д - дисперсионный; динамический;
ж - жидкость;
к - каркас;
м - молекулярный;
отн - относительный;
п - пористый, пора;
ср - средний;
т ~ тепловой;
ф - фильтрация;
э - эквивалентный;
эф - эффективный.
Сокращения
ВЛПС - внутренний ламинарный пограничный слой;
ВГШМ - высокопористый ячеистый материал;
ВТПС - внутренний турбулентный пограничный слой;
ИТ - интенсификация теплообмена;
И ГО - ин генсификатор теплообмена;
КСВ - канала со сферическими выемками;
ЛТП - ламинарно-турбулентный переход;
РЗ - рециркуляционная зона;
ПВМ - пористый волокнистый материал;
ПМ - пористый материал;
Г1СВ - поверхность со сферическими выемками;
ППМ - порошковый пористый материал;
ПСМ - пористый сетчатый материал;
9
ПТЭ - пористый теплообменный элемент; СВ - сферическая выемка;
СВП - сферический выступ;
СС - сдвиговый слой;
ТА - теплообменный аппарат;
ТЭ - теплообменный элемент;
УПМ - упорядоченный пористый материал; ХК - хромель-копель.
10
ВВЕДЕНИЕ
С 1996 года в России начата планомерная работа по повышению эффективности использования энергоресурсов. Основные задачи были сформулированы в Федеральной целевой программе «Энергосбережение России на 1998-2005 гг.». В 2002 году было принято решение, что основной упор необходим на работу в реальном секторе экономики - энергетике, топливной отрасли и других отраслях промышленности, и принята программа «Энергоэффективная экономика» (2002-2006 гг.). В настоящее время основные положения повышения энергоэффективности отраслей промышленности изложены в законе об электроэнергетике и подготовленном проекте закона о теплоэнергетике.
Вся вырабатываемая тепловая энергия в странах мира до своего использования 2-3 раза проходит преобразование в различных теплообменных устройствах. Поэтому эффективность при производстве, передаче и использовании энергии (не только тепловой, но и электрической) напрямую зависит от эффективности теплоэнергетического и теплотехнологического оборудования, в том числе теплообменных аппаратов (ТА). Задача повышения эффективности и компактности ТА в основном решается использованием новых перспективных способов интенсификации теплообмена в 'ГА и применением новых схем ТА. Число публикаций по данной тематике непрерывно растет. Однако результаты этих исследований противоречивы. Выбор способа интенсификации не всегда обоснован и часто носит случайный характер.
Из анализа обзора литературы установлено, что наиболее перспективными способами интенсификации теплообмена для создания высокоэффективных образцов теплообменного оборудования являются:
- при вынужденной конвекции - поверхностная интенсификация теплообмена, в том числе с помощью систем сферических выемок и выступов;
- при вынужденной конвекции в элементах высокотеплонагруженного оборудования - пористое конвективное охлаждение;
- при свободной конвекции на вертикальных поверхностях - дискретные поперечные выступы.
Поверхностные интенсификаторы теплоотдачи находят все более широкое применение в системах охлаждения газотурбинных двигателей и на поверхностях твэлов ядерных реакторов, в химической и электротехнической областях, а также в теплообменных аппаратах общего применения.
Основное преимущество поверхностных интенсификаторов теплоотдачи перед остальными заключается в том, что они интенсифицируют теплообмен в пристенной зоне течения за счет турбулизации (разрушения) этой области потока с помощью отрывных возмущений потока, генерируемых интснсифи-каторами и характеризуются минимальным ростом гидросопротивления. Теплообменные устройства с поверхностными ингенсификаторами теплоотдачи обладают высокой теплогидравлической эффективностью.
Эффективным методом интенсификации теплоотдачи в теплообменниках является использование каналов с интенсифкаторами в виде сферических
11
выемок. В ряде работ было экспериментально установлено, что для каналов со сферическими выемками, рост теплоотдачи не сопровождается типичным квадратичным увеличением гидравлического сопротивления. Причем, особенно ярко это проявляется при поперечном обтекании пучка труб. Поверхности со сферическими выемками позволяют существенно (в 1,5*4,5 раза) увеличить теплообмен при умеренном росте гидросопротивления.
Необходимо отметить, что, несмотря на значительное количество публикаций экспериментальные зависимости для гидродинамики и теплоотдачи получены лишь в узком диапазоне и только для турбулентного режима. Практически не исследованы гидродинамика и теплоотдача при ламинарном режиме в каналах со сфероидальными выемками. Кроме этого следует подчеркнуть, что многие из имеющихся в литературе результатов противоречивы и требуют проверки. Все вышеизложенное свидетельствует о необходимости глубоких экспериментальных исследований, направленных на изучение структуры потока, гидросопротивления и теплоотдачи в каналах со сфероидальными выемками, в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров, и позволяет сформулировать следующие цели и задачи настоящего исследования:
В последние годы заметно повысился интерес многих исследователей к изучению внешних и внутренних свободноконвективных течений на вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах. В случае внутренних свободноконвективных течений, например, в вертикальной трубе, на процессы теплообмена оказывают влияние конечные размеры области. Начиная с некоторого расстояния от входа, жидкость по всему поперечному сечению испытывает тормозящее действие сил вязкости, происходит изменение температуры жидкости по сечению и длине трубы. У стенок образуется тираничный слой, толщина которого постепенно нарастает. На участке гидродинамической стабилизации тираничный слой заполняет все поперечное сечение. При постоянных физических свойствах жидкости после того, как динамические пограничные слои сомкнутся, устанавливается постоянное относительное распределение скорости, характерное для данного режима течения. Из-за такого усложнения внутренние задачи свободной конвекции исследовались в значительно меньшей степени, по сравнению с соответствующими внешними течениями.
Погрешность измерений экспериментальные данных при свободной конвекции намного выше, чем при вынужденной конвекции, так как из-за низкой интенсивности процесса теплообмена при свободной конвекции возникают некоторые трудности, связанные непосредственно с измерениями основных параметров.
В настоящее время хорошо обоснованная теория разработана лишь для ламинарного режима свободной конвекции в пограничных слоях и она, в принципе, обеспечивает понимание физического существа процессов переноса тепла около стенки и определяет основную структуру уравнений подобия для корреляции экспериментальных результатов. Наибольшее распро-Сфанение в задачах свободной конвекции имеет модель Обербека - Буссине-
12
ска, являющаяся основой современной теории свободной конвекции и многих приближений, в том числе теории конвективной устойчивости и полуэм-пирических моделей турбулентности. На основе этой модели получены численные решения двумерных и трехмерных задач для переходных и турбулентных режимов конвекции. Развитие вычислительной техники и методов исследования привело к возможности получения новых численных решений для ламинарного режима течения.
Известно, что свободноконвективное течение характеризуется небольшими значениями коэффициентов теплоотдачи, поэтому широкое использование свободноконвективных течений в технике связано в основном с применением интенсификаторов теплоотдачи.
Как указывалось, количество движения при свободной конвекции ограничено И определяется ТОЛЬКО подъемной СИЛОЙ Р/ДЦу . Вследствие этого, при свободной конвекции целесообразно использовать поверхностные способы интенсификации теплоотдачи, характеризующиеся малым гидравлическим сопротивлением.
Свободноконвективное течение газа в вертикальных каналах практически подобно вынужденному течению. Известно, что для интенсификации теплоотдачи в канале, особенно при вынужденной конвекции, весьма эффективны поперечные выступы, которые обеспечивают повышение тепловой эффективности и снижают мет&члосмкость оборудования. Экспериментально установлено, что в области относительно малых чисел Рейнольдса и сравнительно больших относительных шагов выступов турбулизация потока приводит к выгодному соотношению между нарастанием теплообмена и увеличением сопротивления. Повышение числа Рейнольдса течения снижает положительный эффект интенсификации теплообмена.
Интенсификация теплообмена в канале при вынужденной конвекции неизбежно сопровождается повышением гидравлического сопротивления, которое в большинстве случаев опережает увеличение теплоотдачи. При использовании выступов для интенсификации теплообмена необходимо стремиться к выгодному соотношению между уровнем теплообмена и значением гидравлическою сопротивления канала. Возрастание относительной высоты шероховатости при неизменном относительном шаге сопровождается увеличением теплоотдачи только до некоторого предела, а затем рост теплообмена прекращается, возникает явление “насыщения” теплоотдачи. Это связано с тем, что высокие выступы создают турбулентные возмущения потока вдали от стенки, которые мачо влияют на процессы теплоперсноса в пристенной зоне. Предельное увеличение теплоотдачи в трубе с выступами при вынужденной конвекции в 3,8...4,3 раза по сравнению с гладкой трубой получено в опытах при с!/П = 0,6 и Т/Н = 10. Гидравлическое сопротивление трубы непрерывно увеличивается при возрастании высоты и постоянном шаге выступов. При неизменной высоте выступа и увеличении шага падение давления в трубе уменьшается. В области малых высот выступов темпы нарастания коэффициентов теплоотдачи и гидросопротивления приближенно равны. Следовательно, низкие выступы весьма перспективны для интенсификации тсп-
13
лообмена. Оптимальная высота выступов в трубе находится в диапазоне 0,1 > 2Н/Э >0,02, а оптимальный шаг - в пределах 25>Т/Н>10, при возрастании Н/О оптимум перемещается в район больших Т/Н, чго проверено экспериментально в области чисел Рейнольдса от 104 до 10“.
Полученный положительный эффект при вынужденной конвекции целесообразно использовать и для свободноконвективного движения. Интенсификация теплоотдачи приводит к увеличению теплосъема, и должна была бы увеличивать скорость потока. Но наличие выступов приводит к увеличению гидросопротивления, а значит - к уменьшению скорости потока при свободноконвективном течении. Вообще достаточно большие значения относительного шага расположения выступов Т/Н способствует значительному утолщению пограничного слоя между выступами, чго в свою очередь уменьшает теплоотдачу. Небольшие значения относительного шага Т/Н также способствует значительному утолщению пограничного слоя между выступами, что связано с уменьшением скорости потока из-за слишком часто расположенных уступов. Поэтому следует найти оптимальное соотношение
* й
между теплоотдачей, режимными (Яе ,Ла ) и конструктивными (Т / Н, Н / В) параметрами.
Дискретно установленные выступы на нагреваемой поверхности - это один из способов интенсификации теплообмена в условиях свободной конвекции. Литература по влиянию сложных геометрий поверхности на теплоотдачу при свободной конвекции весьма немногочисленна.
На основе имеющихся исследований можно сделать вывод, что дискретная шероховатость позволяет интенсифицировать теплоотдачу при свободной конвекции в большом объеме и максимальная интенсификация дос-тигается при Т/Н = 1 ...3.
Работ по исследованию теплоотдачи на вертикальных поверхностях и в вертикальных плоских каналах при наличии периодически установленных интенсификаторов в литературе практически нет.
Разработка конструкций теплообменных элементов возможна только при использовании оптимальных материалов и при использовании всех современных технологических возможностей.
Для создания систем охлаждения высокотеплонагружснных элементов необходимы способы интенсификации теплообмена, позволяющие увеличить теплосъем в десятки и сотни раз. Здесь перспективно использовать пористые теплообменные элементы. Создание конкретных ПТА и ПТЭ требует разработки соответствующих методологий, методик и программ оптимизации, их сравнительного исследования, экспериментальна проверки их надежности. Расчет и оптимизация ПТА и ПТЭ на основе пороматериалов возможны лишь при детальном представлении о тепломассообмене и гидродинамики в пористых структурах, которые, кроме надежных математических моделей и программного обеспечения, предполагают наличие надежных данных и методик расчета пограничных тепловых слоев, теплоотдачи и гидросопротивления в каналах с пороматериалами.
14
Проведенный анализ работ по исследованию и разработке ГГГЭ и ПТА показывает, что проблема создания высокоэффективных и компактных ТА может быть решена лишь при комплексном, расчетно-теоретическом и экспериментальном исследовании с целью разработки методики выбора эффективной схемы пористых интснсификаторов теплообмена для систем охлаждения энергетических установок, характеризующихся максимальной тепло-гидравлической эффективностью.
Другим основным направлением при создании ПТА и ПТЭ является поиск оптимального способа применения пористых интенсифицирующих материалов, обеспечивающих максимальный уровень теплообмена при достаточно низком уровне гидравлического сопротивления.
Анализ литературы показал, что для уменьшения потерь давления в каналах с пористыми вставками могут применяться следующие способы:
- использование пористых вставок с переменной пористостью или удельной поверхностью;
- дискретная установка пористых вставок и межканальное движение теплоносителя;
- уменьшение сопротивления пористых вставок за счёт наличия в них отверстий различных форм и расположении;
- изменения структуры каркаса пористого образца;
- использование пористых вставок в качестве поверхностных слоев.
Однако на сегодняшний день изучен лишь небольшой класс из перечисленных способов уменьшения гидравлического сопротивления в каналах с пористыми вставками. Наиболее полно проведены исследования при меж-канальном движении теплоносителя. Имеются результаты первых опытов по исследованию уменьшение сопротивления пористых вставок за счёт наличия в них отверстий различных форм и расположении и использовании пористых вставок в качестве поверхностных слоев.
Анализ научно-технической литературы доказывает, что для решения проблем интенсификации теплоотдачи необходимы комплексные расчетно-теоретические и экспериментальные исследования теплообмена и трения в каналах теплообменного оборудования с промышленно-перспективными ин-тенсификаторами теплообмена.
В соответствии с этим выводом в настоящей работе сформулирована цель исследований: повышение теплогидравлической эффективности существующих типов теплообменных аппаратов на основе фундаментальных исследований механизмов интенсифицированного переноса, разработка на их основе рекомендаций и методик расчета параметров теплообменных аппаратов.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:
1. Разработать методики экспериментальных исследований и соответствующие им опытные стенды и рабочие участки. Получить информацию о механизмах интенсификации теплообмена на основе исследования структуры потока около элементов интенсификаторов теплообмена; о границах
15
режимов течения в каналах с интенсификаторами теплообмена; о потенциальной возможности интенсификации теплообмена. Выявить и математически описать влияние основных режимных параметров и геометрии интенси-фикаторов на теплоотдачу и гидросопротивление в каналах.
2. Основываясь на экспериментальных данных дать основы физических моделей течения и теплообмена и при необходимости математические модели и методики для прогнозирования уровней гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с перспективными интенсификаторами теплоотдачи.
3. Разработать прототипы теплообменных аппаратов и элементов с перспективными интенсификаторами теплоотдачи и провести натурные исследования их теплогидравлических характеристик. На основе испытаний обосновать справедливость и диапазон возможного применения разработанных моделей и методик расчета. Разработать конкретные рекомендации по оценке теплоотдачи и гидросопротивления в каналах теплообменного оборудования с интенсификаторами.
4. Провести сравнительный анализ интенсификаторов теплоотдачи по их теплогидравлической эффективности; выявить наиболее перспективные интенсификаторы и дать рекомендации по их оптимальным параметрам и рациональным режимам эксплуатации.
На основе фундаментальных и прикладных исследований получены следующие основные результаты, выносимые на защиту:
1. Впервые получена карта режимов течения в каналах со сферическими выемками в качестве интенсификаторов, охватывающая широкий диапазон режимных параметров; разработаны физические модели течения и теплообмена; установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах со сферическими выемками при всех видах ламинарного и турбулентного режимов;
2. Установлены границы переходов режимов при течении в каналах со сферическими выступами; математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах со сферическими выступами при всех режимах течения;
3. Даны рекомендации для инженерного расчета теплообмепных аппаратов с интенсификаторами в виде сферических элементов;
4. Разработаны физические модели течения и интенсификации теплообмена в каналах с высокопористыми проницаемыми ячеистыми материалами (ВПЯМ); выявлены основные закономерности течения и теплообмена в каналах с ВПЯМ; получены новые экспериментальные данные по течению и теплообмену в каналах с пористыми интенсификаторами теплообмена из ВПЯМ различной конфигурации, отличающиеся пониженным уровнем гидравлического сопротивления: поверхностные пористые слои, дискретная установка пористых вставок, полная и частичная межканальная транспирация;
5. На основе проведенного анализа существующих пористых интенсификаторов теплоотдачи разработан, создан, запантентован и исследован новый материал с упорядоченной структурой - УПМ; установлено и математи-
16
чески описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах с УПМ;
6. Получена новая информация об интенсификации теплоотдачи при свободной конвекции на вертикальных поверхностях в неограниченном пространстве и в каналах за счет использования различных типов шероховатости и закрутки потока.
7. Разработаны и исследованы прототипы высокоэффективных интенсифицированных теплообменных аппаратов и оборудования.
8. Впервые обосновано расположение перспективных интенсификато-ров теплообмена на шкале эффективности; представлена и обоснована информация по оптимальным размерам перспективных интенсификаторов при различных режимах эксплуатации;
Полученные основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на 1СНМТ Международной конференции но новым разработкам теплообменных аппаратов (Лиссабон, Португалия, 1993, 1998), Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Москва, 1993, 1995, 1999, Калуга, 2003, Рыбинск, 2005), 1, II, III, IV Российской национальной конференции по теплообмену (Москва 1994, 1998, 2002 2006), X Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные установки и двигатели», (Москва, 1996), Туполевских чтениях (Казань, 1993-2006); Межвузовском научно-практическом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология» (Казань, 1994-2005), II ВНМТ-АБМЕ Международной конференции по тепломассообмену (Сурафкал, Индия, 1995), XV Конгрессе по промышленной энергетике (Лейпциг, Германия. 1996), Международной конференции по пористым средам и их применению в науке, технике и промышленности (Кона, США, 1996), Международной конференции по компактным теплообменникам для промышленности (Сно-уберд, США, 1997), 4-ой Всемирной конференции но экспериментальным теплообмену, механике жидкости и термодинамике ЕхНРТ’4 (Брюссель, Бельгия, 1997), 3-ей ГСНМТ-АБМЕ конференции по тепломассообмену и 14 национальной конференции по тепломассообмену (Канкур, Индия, 1997), 3-ей Международной конференции «Новые энергетические системы и энергосбережение» (Казань, 1997), 2-го Международного симпозиума по энергетике, окружающей среде и экономике ЭЭЭ-2 (Казань, 1998), 11-ой Международной конференции по теплообмену (Куонджу, Корея, 1998), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломасообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006 г.г), 4-ой Международной конференции «Новые энергетические системы и преобразователи» (Осака, Япония, 1999), Международном конгрессе инженеров-механиков АБМЕ и 17-м симпозиуме по мультифазному переносу в пористых средах (Нэшвилл, США, 1999), 4-ой 1СНМТ-АБМЕ конференции по тепломассообмену и 15 национальной конференции по тепломассообмену (Пу-
17
на, Индия, 2000), Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 2000, 2004, 2008), Российском национальном симпозиуме по энергетике (Казань, 2001), II Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» (Казань, 2001), XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2002), VII Королевских чтениях (г.Самара, 2003), Международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность» (Казань. 2005), IV и V II Российской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2005), Международном конгрессе АБМЕ (Чикаго, США, 2006), национальной конференции по теплоэнергетике (Казань, 2006), на научно-технических семинарах кафедры ТОТ КГТУ им. А.Н. Туполева (1994-2008).
По материалам диссертации опубликовано 94 печатных работ, включая 2 монографии, 8 статей в центральных российских изданиях, 3 патента РФ на изобретение, 5 статей в российских и зарубежных сборниках, 6 учебно-методических изданий, 15 тезисов и 54 материалов докладов, включая 17 зарубежных.
Результаты работы использованы ГУ «Центр энергосберегающих технологий Республики Татарстан при Кабинете Министров Республики Татарстан» (г.Казань), Российским инженерно-техническим центром порошковой металлургии (г.Пермь), опытно-конструкторским бюро «Союз» (г.Казань), НИИ «Турбокомпрессор» (г.Казань), ПРП «Татэнергоремонт» ОАО «Тат-энерго» (г.Казань), НИИ «Энергоэффективные технологии» КГТУ им.А.Н.Туполева (г.Казань), НИИ «Энергомашиностроение» МГТУ им.Н.Э.Баумана (г.Москва), Исследовательским центром проблем энергетики Казанского научного центра РАН (г.Казань).
Основные результаты работы вошли в научно-технические отчеты по грантам МАИ (№№ гос. регистрации 01.97.0007286, 01.99.0007286, 01.2.00.308759), МЭИ (№№ 01.2.00.107717), РФФИ (№№ 04-02-08250-офи-а, 06-08-08145-офи, 06-08-00283-а, 07-08-00189-а), программам МО РФ (№№> 01.94.0003030, 01.96.0005387, 01.97.0004012, 01.2.00.5)0998, Б-0020/2299, 02.516.11.6001, 02.516.11.6025, 2.2.1.9144, 2.1.2.6501) и т.д.
Диссертация выполнена на кафедре теоретических основ теплотехники Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева (КАИ) в период с 1994 по 2007 г.г. при научном содействии и консультации Заслуженного деятеля науки Российской Федерации, Заслуженного деятеля науки и техники Республики Татарстан, академика Академии наук Республики Татарстан, заведующего кафедрой теоретических основ теплотехники КГТУ им.А.Н.Туполева, доктора технических наук, профессора Гортышова Юрия Федоровича.
18
ГЛАВА 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ - АКТУАЛЬНОСТЬ, ОБЗОР, ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Роль теплообменных аппаратов в развитии техники
и технологий
Теплообменные аппараты - устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому или в окружающую среду. Это одно из наиболее распространенных устройств во всех видах и типах энергетических установок и двигателей. Теплообменные аппараты (ТА), такие как конденсаторы, испарители, охладители, экономайзеры, радиаторы и т.д., широко используются во многих отраслях промышленности. Наибольшее распространение они нашли в энергетике, химической и нефтеперерабатывающей, бумажной и пищевой отраслях промышленности. Начиная с середины 70-х годов - начала мирового энергетического кризиса - ТА нашли новое применение в различных энергосберегающих теплотехнологиях. Малый размер большинства ТА позволяет использовать их как часть сложных энергетических систем, например, систем кондиционирования и охлаждения транспортных и электрических устройств.
В конструкциях подавляющего большинства теплообменных аппаратов, применяемых во всех этих отраслях, теплота от горячего теплоносителя к холодному передается через промежуточное твердое тело (стенку). При этом греющий теплоноситель передает теплоту к одной поверхности, а нагреваемый воспринимает ее от другой поверхности стенки, т.е. во всех случаях осуществляется теплообмен между теплоносителем и поверхностью теплообмена. Поэтому технико-экономические показатели теплообменных аппаратов всех типов и назначений определяются уровнем обоснованности решений при проектировании конструкций макро- и микроструктуры поверхностей теплообмена. Это в основном относится к кожухотрубным, трубчаторсбристым, пластинчатым, пластинчато-ребристым и другим типам рекуперативных ТА. На рис. 1.1 показано распределение различных типов ТА по различным основным областям применения. Около 80% всех используемых ТА приходится на кожухотрубный тип. Поэтому исследования и разработки в области кожухотрубных ТА представляют наибольший интерес. Далее следует отметить возросший интерес к пластинчатым и различного рода ребристы ТА.
Важными факторами эксплуатации ТА долгое время оставались и остаются долговечность, технологичность и эффективность. Главный критерий конкурентоспособности на рынке ТА - это репутации изготовителя. Клиенты готовы сотрудничать с компаниями-производителями, которые способны обеспечить и техническое качество, и скорость выполнения заказа. Но основная часть клиентов готова передать заказы на поставку оборудования изготовителям, которые могут предложить дополнительные услуги в виде ироектно-
19
сметных и строительно-монтажных работ. Наконец, другой ключевой критерий выбора поставщика ТА - цена. Все изготовители должны следовать гибкой ценовой стратегии и гарантировать, что они предлагают теплообменники по ценам, строящимся на оценке всего рынка. Они должны гарантировать, что предлагают конкурентоспособную крайнюю цену на фоне рыночной среды и усиливающемся присутствии поставщиков из других регионов мира.
Кожухптрубные ТА, ТА труба в трубе, испарители, конденсаторы, пористые ТА, радиаторы, градирни, АВО. рекуператоры и экономайзеры, графитовые ТА. спиральные ТА, пластиковые ТА. пластинчатые ТА. ребристые ТА, лсевдоожиженные ТА
Промышленность
Транспорт
Жилищно-
коммунальный
комплекс
Торговля Жилой Административные комлекс здания
Кондиционеры.холодильники, обогреватели, бытовые радиаторы, конвектора
Остальные отрасли промышленности Химия Агоропромкомплексы Текстильная Бумажнокартонная Стройиндустрия Энергетика Нефтехимия Стекольная Металлургия Машиностроение
Кондиционеры, холодильники, радиаторы, печки, охладители масла. ОНВ
Рис. 1.1. Распределение различных типов ТА по различным основным областям применения [1]
Исходя из вышесказанного, современное теплообменное оборудование должно отвечать как техническим требованиям:
обеспечивать передачу требуемого количества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур при возможно большей интенсивности теплообмена;
быть работоспособным и надежным при заданных термодинамических параметрах рабочих сред (давлении, температуре, объеме) и различном агрегатном состоянии;
иметь поверхность теплообмена и другие элементы конструкции аппарата, омываемые рабочей средой, достаточной химической стойкости к агрессивному воздействию, а также инертной по отношению к пищевым продуктам;
иметь возможность осмотра поверхностей теплообмена и доступность их для периодической очистки для сохранения продолжительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке сред, способных выделять отложения на стенках;
20
обладать достаточным запасом прочности, гарантирующим безопасное состояние при напряжениях, возникающих как в результате давления рабочей среды, так и вследствие температурных деформаций различных частей теплообменника;
иметь возможно меньшие габариты и возможно меньшую удельную металлоемкость при заданных рабочих параметрах, так и потребительским требованиям:
иметь приемлемую цену и условия оплаты;
обладать высоким качеством изготовления;
иметь полную готовность к работе («под ключ»);
обладать удобством и простотой в обслуживании и эксплуатации;
обеспечивать ремонтопригодность;
обладать гибкостью производительности и универсальностью по различным видам обрабатываемых продуктов;
иметь необходимую документацию (паспорт, схему, сертификат).
Именно по этим требованиям подбираются конкретные теплообменные аппараты для конкретных условий эксплуатации.
Важнейшими характеристиками ТА являются: температура горячего теплоносителя; рабочее давление;
число основных функций (подогреватель, охладитель, испаритель, конденсатор; газ-газ, жидкость-газ, жидкость-жидкость, пар-жидкость);
характеристика теплообмена (число единиц переноса теплоты (ЧЕП) или коэффициента теплопередачи).
Современные ТА должны иметь высокие показатели по каждому из данных характеристик. Однако находящиеся в эксплуатации ТА имеют удовлетворительные показатели лишь по отдельным характеристикам (рис. 1.2).
Температура, °С
Сварные и паянные пластинчатые ТА
Трубчато- , ребристые ТА 1
ЧЕП
V
і Пучки оребренныхтруб Г Разборные" V
пластинчатые ТА'
Кожухотрубные ТА
500
ТОО
"> I
і
• I
її
50
“Л
Давление, бар т-*-
100
Число функций (испаритель, конденссатор, газ/газ, жидкостьйкидкостъ,...)
Рис. 1.2. Диапазон применения различных теплообменных аппаратов [1]
21
При выборе оборудования - трубчатых, пластинчатых или прочих теплообменников - следует исходить из особенностей технологического процесса.
Сегодня наиболее полно всем предъявляемым требованиям отвечают аппараты пластинчатого и трубчатого типов, которые и доминируют на рынке.
Сегодня, примерно 80% всего рынка теплообменников в промышленности и энергетике приходится на кожухотрубные ТА. Сегодня только эти теплообменники могут использоваться при высоких температурах и давлениях. Для дальнейшего их использования необходимо повышение их тепловой эффективности (числа единиц переноса или коэффициента теплопередачи).
Развитие трубчатых теплообменников в последние годы не стояло на месте. Использование в ряде случаев искусственных турбулизаторов на трубах (например, навивки или накатки) обеспечивает принудительный отрыв пограничного слоя продукта от теплоперсдающей стенки и существенно интенсифицирует теплообмен. При необходимости (осмотр, чистка, ремонт) имеется также возможность легко извлекать пучок из корпуса. Такие конструкции теплообменника полностью исключают попадание одной среды в другую. Новые возможности трубчатых теплообменников позволили использовать их в таких видах установок, как регенеративные, которые традиционно занимали пластинчатые аппараты.
Семейство трубчато-ребристых ТА также достаточно распространено. За счет развитой поверхности теплообмена они хорошо зарекомендовали себя при использовании теплоносителей типа газ/жидкость, включая конденсаторы и испарители, но необходима их дальнейшая адаптация под высокие давления. Трубчато-ребристые теплообменные элементы широко используются в котлах-утилизаторах, промышленных кондиционерах, транспортных радиаторах, аппаратах воздушного охлаждения и градирнях.
Разборные пластинчатые ТА используются все больше и больше за счет их хороших теплогидравлических характеристик. Ограничение в основном связано с прокладками из эластомеров между пластинами. Из-за них такие ТА не применяются при давлениях более 20 бар и температурах более 250°С. Но в начале 80-х годов появился сварной или паянный пластинчатый ТА, расширивший диапазон использования пластинчатых ТА до давлений до 40 бар и температур до 500°С. Это также привело к увеличению инвестиций, в том числе в модернизацию теплового хозяйства.
Другие технологические инновации составляют специфический сектор рынка теплообменников. Например, коррозионностойкие ТА из керамических и полимерных материалов, ТА с псевдоожиженными слоями, где теплообмен осуществляется между газом и твердыми частицами, и т.д.
Исходя из всего вышесказанного, разработка новых ТА и их эксплуатация сталкиваются с проблемами, которые можно объединить в 3 основные группы.
Первую группу составляют проблемы связанные с условиями эксплуатации ТА. К данным проблемам относятся - загрязнение теплообменных поверхностей, коррозия ТА, а также теромеханические проблемы во время переход-
22
ных режимов работы ТА. Все эти условия влияют на характеристики теплообмена (число единиц переноса теплоты или коэффициента теплопередачи).
Вторая группа - это проблемы по повышению компактности ТА и их ресурса. Напомним, что средний возраст большинства ТА в отечественной промышленности достиг на сегодняшний день 20 лет. За это время научно-исследовательские работы в области теплообмена ушли достаточно далеко и необходимо их скорейшее внедрение в промышленные ТА. Уже сегодня в мировой энергетике и промышленности ТА без интенсификации практически не используются.
Третью группу составляют проблемы повышения верхнего предела работы ТА по температуре горячего теплоносителя.
1.2. Обзор мирового рынка теплообменного оборудования
Анализ рынка теплообменных аппаратов проведен на основе данных компании Frost & Sullivan (США) и являющейся мировым лидером в международных консультативных услугах стратегического изучения рынка. Эксперты компании Frost & Sullivan по промышленности контролируют развитие основных рыночных тенденций, размеров рынков, их изменений и стратегий.
В 2000 г. суммарное европейское производство теплообменников составило 3,26 млрд. долл., а к 2007 году прогнозируется производство теплообменников на сумму 3,75 млрд долл. США. Европейский рынок теплообменников составлял в 2003 году 3,02 млрд долл. США. К 2010 году, специалисты компании Frost & Sullivan полагают, что продажи теплообменников в Европе достигнут 3,49 млрд долл. США. Для сравнения - рынок теплообменников Западной Европы оценивался в 1991 году в сумму около 2,6 млрд долл. США. Основой для роста производства и продаж на европейском рынке является также большой парк установленного теплообменного оборудования, выработавшего ресурс. Основное направление развития рынка теплообменников в Европе - повышение их эффективности с целью энергосбережения. Гак наметилась тенденция замены кожухотрубных теплообменников на цельносварные пластинчатые теплообменники, обладающие лучшими эксплуататационными и техническими характеристиками. Экологические требования к тепловому загрязнению атмосферы требует более широкого использования градирен и аппаратов воздушного охлаждения, а увеличение необходимости очистки сточных вод требует роста использования спиральных теплообменников. Регламентирующие документы ЕС, ограничивающие содержание серы в топливах, приводит к необходимости инвестиций в теплообменное оборудование для нефтехимических производств. Приведем пример. 80-90% всей вырабатываемой тепловой энергии проходит 3-4 раза через различные теплообменные аппараты или их группы. Например, во Франции ежегодно потребляется около 200 млн т.н.э. топлива. При этом вырабатывается и проходит через теплообменные аппараты 160 млн т.н.э. тепловой энергии. Повышение тепловой эффективности всех теплообменного аппарата в среднем на 10% приведет к экономии 16 млн т.н.э. еже-
23
годно. Это значительные значения и хорошо демонстрируют важность политики энергосбережения.
В 2000 самый крупный сектор европейского рынка теплообменного оборудования приходился на химическую промышленность - 25% всего рынка (рис. 1.3). Этот сектор резко сокращается в связи с выносом химических производств за пределы Европы. На нефтеперерабатывающий сектор экономики Европы приходится около 15.1% рынка теплообменников. Этот сектор в период 1997-2000 гг. сокращался, поскольку инвестиции нефтеперерабатывающую отрасль резко колебались после краха цен на нефть. Наоборот, продажа теплообменников в секторе систем отопления, вентиляции и кондициоирования, а также холодильных систем, повысилась в 2000 году и составила 13.4%. В 2000 году на пищевую промышленность приходится 9.8% процентов продаж теплообменного оборудования, на энергетику - 12.8%, на предприятия коммунального хозяйства - 7.7%, на машиностроение - 5.6% и на другие отрасли - 10.6%.
□ Химическая промышленность
■ Иефтепереаботка
□ Отопление, вентиляция, кондиционирование
□ Пищевая промышленность
■ Энергетика
□ Коммунальная энергетика в Машиностроение
□ Прочие
Рис.1.3. Европейский рынок теплообменного оборудования
Если рассматривать европейский рынок теплообменных аппаратов по их типам, то в 2003 рынок кожухотрубных теплообменников составлял доминирующий сегмент на общем европейском рынке и оценивался в 926.9 млн долл. США. Рост данного сегмента рынка в течение всего 2003 года был крайне незначительный - меньше чем на один процент. В 2004 году картина не изменилась. Перспективный ускоряющийся рост рынка кожухотрубных теплообменников в более долгой перспективе связан в первую очередь с улучшением их технико-экономических характеристик.
Значительную долю на общеевропейском рынке теплообменных аппаратов составляют четыре ведущих корпорации - GEA и его филиалы, Alfa Laval, SPX (включая Balcke Durr и Marley Cooling Systems) и Hamon (включая FBM Hudson). Среди прочих производителей теплообменников выделяются Baltimore Aircoil, Faco, Fincoil, Gocdhart, The Guntner Group, Lu-Ve Contardo, Tranter (включая SWEP) и WTT.
Европейские изготовители теплообменников, поддержанные крупными корпорациями, ставит под угрозу их конкурентов в Соединенных Штатах. Эта угроза, поддержанная прибыльным спросом и укреплением европейских компаний, изменяя путь развития компаний США. Исследование компании Frost & Sullivan, показывает что рынок теплообменного оборудования в США составлял в 1999 году 2 млрд долл США. При этом наблюдается его интенсивное
24
расширение, которое приведет к 2006 году к росту рынка до 2.5 млрд долл США.
На начало 2005 года, согласно данным Business Trend Analysts Inc., на мировом рынке теплообменных аппаратов функционируют 656 фирм-производителей.
Рынок теплообменного оборудования в России практически не оценивался. Имеются лишь аналитические материалы по производству и потребности по отдельным сегментам рынка, например, по кондиционерам.
В качестве примера оценки регионального рынка теплообменников приводятся данные для Республики Татарстан, сделанные автором в ходе энергетических обследований и мониторинга развития систем теплоснабжения в рамках работ возглавляемого отдела коммунальной энергетики ГУ «Центр энергосберегающих технологий Республики Татарстан при Кабинете Министров Республики Татарстан».
Рынок теплообменников в Республике Татарстан формируется с учетом развития отраслей промышленности и социальной сферы. В последние годы в связи с ростом сектора химии и нефтехимии увеличивается оборот продаж теплообменников в них. Наблюдается стремительное увеличение объемов продаж теплообменного оборудования в энергетике, коммунальном хозяйстве и системах кондиционирования. Резко развивается рынок теилообменных аппаратов в социальной сфере, связанный со значительным увеличением продаж современных алюминиевых радиаторов, кондиционеров и двухконтурных котлов поквартирного отопления.
В настоящее время, рост рынка теплообменников в Республике Татарстан зависит от развития отраслей промышленности, вследствие чего возможно возникновение и интенсивный рост компаний-производителей теплообменного оборудования.
Рынок теплообменников в Республике Татарстан ориентируется в основном на производителей из других регионов России и компании дальнего зарубежья. В республике производство теплообменных аппаратов различного назначения производится средними предприятиями в мелкосерийных масштабах. К примеру, кожухотрубные теплообменники для коммунальной энергетики и теплоэлектроэнергетики производят предприятия ГУН «Таткоммунэнерго», ООО ПРП «Татэнергоремонт», МУП ПО «Казэнерго», ООО «Камэнергоре-монт». Рынок пластинчатых теплообменников составляют в основном европейские теплообменники фирм «Alfa-Laval», «APV», «SWEP», «Funke», а также теплообменники производства ЗАО «Ридан» (г.Нижний Нвгород), «Теплотекс» ГУЛ «Мостепло», ООО «Машимпекс» (г.Москва), ЗАО «Теплоэффект» (г.Ижевск) и др.
Основой для роста продаж на республиканском рынке в промышленности и энергетике является большой парк установленного теплообменного оборудования, выработавшего ресурс. Основное направление развития рынка теплообменников - повышение их эффективности с целью энергорссурсосбережения.
Сегодня, примерно 80% всего рынка теплообменников в промышленности и энергетике приходится на кожухотрубные ТА. Это хорошо видно из анализа
25
парка теплообменного оборудования крупнейших теплоснабжающих предприятий республики - предприятий тепловых сетей (табл. 1.1). Основную массу в коммунальной энергетике составляют водо-водяные (в основном - 16-
325x4000), змеевиковые емкостные и кожухотрубиые пароводяные теплообменники.
Таблица 1.1.
Теплообменное оборудование предприятий тепловых сетей ______________Республики Татарстан (2005 г.)__________________
Предприятие коммунальной Количество теплообменников, секций
энергетики кожухотрубных пластинчатых всего
МУ И ПО Каз шерго 2152 1 2153
ГУТТ /У I ьметьевскосЩ^Ш^ .123 С f. 10 133
ГУП Азнакаевское ПТС ? 64 . : * 2 66
ГУП Бутульминское ПТС 254 : 9 263
ГУП Елабужское ЩЮ; т 189
ГУ! 1 Пинское ГГГС 60 3 63
ГУП Зеленодольское П ГС 2;57 - 257
ГУП Яениногорское ПТС 32 14ц 46
ГУП Менделеевское ПТС -23 T.'-’vJ* -.у*!'7-ЙЦ • .-v . /•;. -ч . 2:3
ГУП Иурлатское ПТС • 421 Яр 1 - 121
ГУП Джалильское ПТЭС «г-. Ч -ЗСУ -
ГУП Чистопольское :ПТС М 52 . ' 52 :
ГУП ЭКУ ПТС г.НЛелны | 319 0 325
ИТ0Г|$р щзт - 45 3693
Анализ более 1000 теплообменных аппаратов на одном из крупнейших предприятий нефтехимии Европы - ОАО «Нижнекамскнефтехим», также показал, что около 80% приходится на кожухотрубные ТА.
Семейство трубчато-ребристых ТА хорошо зарекомендовали себя в котлах-утилизаторах, промышленных кондиционерах, транспортных радиаторах, аппаратах воздушного охлаждения (АВО) и градирнях. Наибольшее количество градирен используется в энергетике (ОАО «Татэнерго») и нефтехимии (ОАО «Нижнекамскнефтехим», ОАО «Нижнекамсктехуглерод», ОАО «Нижнекамск-шина»). АВО нашли широкое применение в системах бытового и промышленного кондиционирования, в холодильной технике на промышленных предприятиях и крупных торговых центрах, в системах охлаждения промышленных рабочих сред. Например, на Шеморданском ЛПУ МГ ООО «Татрансгаз» эксплуатируется 96 АВО для охлаждения природного газа после нагнетателя. Гам же эксплуатируется 24 котла-утилизатора от ГТУ-приводов нагнетателей и 28 промышленных калорифера систем отопления производственных цехов.
Анализ использования разборных пластинчатых ТА показал, что их применение ограничено наличием прокладок из эластомеров между пластинами, из-за которых ТА не применяются при давлениях более 20 бар и температурах более 250°С. Это резко ограничивает их использование в промышленных процессах. Основной сектор использования пластинчатых ТА - коммунальная
26
энергетика и системы теплоснабжения промпредприятий. На сервисном обслуживании на конец 2007 года в коммунальной энергетике находится более 11000 пластинчатых паянных теплообменника ГВС двухконтурных котлов поквартирного отопления.
Необходимо указать, что большинство эксплуатируемых ТА имеют тепловую эффективность не более 60%. Краткий анализ тепловой эффективности ТА на различных предприятиях представлен в табл. 1.2. Главной причиной низкой тепловой эффективности является нерациональные режимные параметры эксплуатации и загрязнение поверхностей теплообмена. В связи с этим тепловая эффективность даже пластинчатых теплообменников может достигать 70-50%. Уменьшение тепловой эффективности приводит либо к увеличению мощности на прокачку дополнительного количества теплоносителя для поддержания заданной тепловой мощности теплообменника, либо к уменьшению его тепловой мощности.
Таблица 1.2
Результаты энергетического обследования теплообменного оборудования
_________________________ (тепловая эффективность)____________________________
Объект ; Назначение теплообменника Наименование и Тепловая эф-
параметры тепло- фективность - - обменника
ЦТП-10/1 МУН 110 Калзнері о
16-325x4000
1 ступень тсп.юобмст шой і
группы ГВС. Кожухотрубные! теплообменные аппараты
2 ступень теплообменной группы ГВС. Кожухотрубные теплообмёшіьіе аппараты
16-325x4000
ЦТП-10/2МУП
ЙОКакэнерго
1 ступень іеплообменной группы ГВС. Ко-жухофуоиыс чеплообменные аппарат ы
2 ступень .теплообменной группы ГВС. Ко жухотрубные теплообменные аппараты Подогреватель ХВО. Кожу-хотрубный теплообменник
16-325x4000
16-325x4000
Котельная Горки З МУП ПО Кач-
14-273x4000
Кожухотру бный теплообменник ГВС на собственные нужды __________
168x2000
Трубчато-ребристый экономайзер ЛЬЗ
Трубчато-ребристый экономайзер №4 : Трубчато-ребристый экономайзер №1 Кожухотрубный теплообменник ГВС на собственные нужды - У
Подогреватель подпигочной воды. Кожухотрубный теплообменник ■ .
Котельная Зеле наяД МУП ПО КаТэнсрш^
ИВ 57x2000
Котельні Toöa- ■} рищеская,27 МУП ПО Качэнерго
Подогреватель прдпиточной воды. Пластин чатый теплообменник
27
Котельная Школьный nepevaöK,3' МУП ТО Каз-энерго'
Подогреватель подпиточной воды. Кожухотрубный теплообменник
Кожухотрубный теплообменник ГВС на собственные нужды - -.*■ ,
11-159x1200
06-89x4000
0,66
0,37
Производственная база №2 МУП ПО Казэисрго
Кожухотрубный теплообменник Г ВС
168x4000
Казанская ТЭЦ-1 ОАО Генерирующая компания ОАО Татэнерго
Котсл-утилизатор энергоблока №1.
Секция подогрева сетевой воды
Секция подофева воды
Секция испарителя
Секция перегрева пара
0,81
0,84
0,93
0,92
0,89
ri
І ІройзвОдс гвенная база №1 МУП ПО Казэнерго Щ ÿr
Кожухотрубный теплообменник ГВС ЦРЭО
05-89x2000
№
Пластинчатый тегілообмеїшик 1 ВС администразивного здания
Alfa Laval M3-FG
Кожухотрубный теплообменник ГВС здания энергосбыта
1-г*- :
05-89x2000
Кожухотрубный теплообменник ГВС цека эмалированных труб
04-76x4000
Цех №2 ОАО
Нижнекамский
НПЗ
Кожухотрубный подогреватель сырья (гудрона) теплоносителем (остаток вигсбрекинга). 1 ступень
1-80 :
Кожухотруб1£Ый. подогреватель сырья (гудрона) теплоносителем (остаток висбрекинга). 2 ступень
тт
Л * с
Аппараты воздушного охлаждения нефте-, продуктов после ректификационных процессов ; • •» ЛМИб. -
Аппараты воздушного охлаждения нефтепродуктов после рскгификационных процес-
ч
сов
Т-80-
ЕС-801
ЕС-802
0,78
0,60
0,69
0,91
0,72
0,85
0.36
0,74
.ex Aol О АО _ Иижнекамский НПЗ,
Аппараты воздушного охлаждения нефтепродуктов после рскгификационных колонн
Т-30/1
к fr
Аппараты воздушного охлаждения нефтепродуктов после рскгификационных колонн
Т-30/2
Аппараты воздушного охлаждения углеводородного газа • ’
Т-15/1
Аппараты воздушного охлаждения углеводородного газа
Т-15/4
Аппараты воздушного охлаждения паров стабильного бензина
Т-18/2
Аппараты воздушною охлаждения паров стабильного бензина
Т-18/1
Аппараты воздушного охлаждения котель-
-T-4Ö
0,36
0,42
0,52
0,50
0,56
0,67
0,57
28
ного топлива
Аппараты воздушного охлаждения природного таза цеха№1 : Аппараты воздушного охлаждения приходного газа пеха №2 Аппараты воздушного охлажде-
ння природного газа цеха №3___
Аппараты воздушного охлаждения природного газа цеха №4 Аппаратывоздушного охлажде-ния природного таза цёха №5, Аппараты воздушного охлаждения природного газа цеха №6
Крсзо-Луар
2АВГ-75
Нуово-Пиньоие
2АВГ-75
Котел-утилизатор ГПА-16 «Вол
•-•зЖ.-. -й\ ■
ное объединение
1.3. Основные проблемы разработки и эксплуатации тсплообменных аппаратов
1.3.1. Загрязнение и коррозия ТА.
Во всем мире проблема образования отложений в теплообменном оборудовании, а также в трубопроводах весьма актуальна и отражена в 5-й и 6-й рамочных профаммах Евросоюза с выделением 1.6-2.1 млрд. евро в год (до 14 % бюджета) на решение данной проблемы. Данная проблема стоит настолько остро, что периодически под эгидой ASME и ICHMT проводятся всемирные конференции по борьбе с загрязнением теплообменного оборудования (International conference on Fouling of Heat Exchangers).
Печальный опыт последних отопительных сезонов в России показал, что наименее надежным звеном отечественных систем теплоснабжения является передача тепла: надежность российских систем теплоснабжения в 2,5 раза ниже, чем в европейских странах. Основной причиной повреждений тепловых сетей и ТА систем теплоснабжения является коррозионное разрушение металла труб, причем более 25 % всех повреждений связано с внутренней язвенной коррозией. Все это является следствием многолетнего применения устаревших конструкционных материалов, низкого уровня технической эксплуатации, а также технического и технологического несовершенства применяемых методов обработки воды.
Зафязнение и коррозия увеличивает термическое сопротивление теплопередающих стенок и тем самым ухудшает характеристики ТА. Зафязнение появляется в основном вследствие загрязненности рабочих жидкостей, несовершенства обработки поверхностей и появления шероховатости на теплообменных поверхностях, коррозия вызвана как некачественными конструкционными материалами, так и агрессивность рабочих сред.
Для уменьшения загрязняемости и коррозии тсплообменных поверхностей ТА в настоящее время рекомендуется:
29
• применение очищенных рабочих сред, магнитная обработка воды или добавление в них специальных добавок (комплексонов),
• постоянная механическая, химическая или гидромеханическая очистка рабочих поверхностей,
• обработка поверхностей и использование специальных покрытий.
Одним из эффективных способов борьбы с отложениями является применение турбулизаторов. Суть его сводится к тому, что, например, на наружной поверхности труб с помощью накатки через определенные интервалы наносятся кольцевые канавки. При этом на наружной поверхности труб образуются кольцевые диаграммы плавной конфигурации. Подобный способ борьбы с отложениями подробно рассмотрен в работах [2-4]. Например, в работе |4] часть трубок была выполнена из стали СТ20 нержавеющей стали 1Х18Н10Т и латуни. Вода в трубках нагревалась до температура 80-115°С, а также имела повышенную карбонатную жесткость до 20 мг-экв/л. При заданных параметрах теплоносителей на входе в теплообменник эксперимент длился до 2000 ч, что позволило определить в течение времени изменение коэффициента теплопередачи и термического сопротивления слоя отложений, а также зависимость термического сопротивления от скорости воды, ее температуры, параметров турбулиза-
Влияние формы турбу-лизатора, материала стенки трубки и скорости теплоносителя на процесс образования отложений выявили следующие закономерности: так. для гладких труб из стали удельное количество отложении различается в 1.4,..4 раза, также отложения образовываются вместе с начальным процессом коррозии, что и повлияло на наибольшее количество солесодержания на стенке трубки. В гладких трубках из латуни и нержавеющей стали отложения незначительны, преимущественно образовывались по длине трубки в виде «тонковидных полос» и носят локальный характер, при этом у латунных трубок отложений незначительно меньше но сравнению с нержавеющими. У труб с турбулизато-рами отложения располагаются преимущественно во впадинах, на выступах происходит снижение интенсивности образования отложений и формирование на них более плотных структур (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Пример нарастания отложений в гладких трубах и трубах с поверхностными интенсификаторами [4]
30
В целом сравнение в гладких и накатанных трубах показывает, что иловых отложений в накатанных трубах в 1,5..2 раза выше, а солевых в 1,5-2 раза ниже, чем в гладких трубах. При высоких скоростях наблюдается выравнивание распределения отложений по теплообменной поверхности. Так, использование накатанных трубок в ТА при ламинарном режиме течения неэффективно, они но сравнению с гладкими были подвержены большему образованию отложений.
Это связано с выступами турбулизаторов, так как в области выступов скорость теплоносителя приближалась к нулю, и турбулизатор работал как «фильтр». Использование труб с турбулизаторами при турбулентном режиме, наоборот, уменьшило образование отложений по сравнению с гладкими. Вероятно, это связано с гем, что при движении жидкости образуются завихрения потока, тем самым происходит вымывание отложений и их образование. Гак, минимальное значение образования отложений у груб с турбулизаторами наблюдалось при отношении: массоперенос из потока жидкости прямо пропорционален h/D, где h - глубина шероховатостей; D - диаметр трубы. Максимальное значение достигается при отношениях h/D=4* 104—14* 103 и t/h=l ,0—1,8 (t - шаг шероховатостей), а при дальнейшем увеличении отношения t/h массоперенос уменьшается. Также необходимо помнить, что турбулизаторы не только препятствуют образованию отложений, но и являются интенсификаторами теплообмена, что позволяет повышать не только коэффициент теплопередачи, но и увеличить КПД ТА.
Подтверждено, что отложения внутри трубок за счет влияния кольцевых диафрагм значительно меньше, чем на гладких трубах, и подчиняются асимптотическому закону. Это позволяет при замене гладких труб на трубы с кольцевыми турбулизаторами обеспечить надежную работу трубчатых теплообменных аппаратов без специальных мероприятий по очистке их поверхностей.
В большинстве случаев коррозию ТА можно избежать выбором материалов - нержавеющая сталь, стекло, графит, титан, пластик. Использование в ТА графита и титана является весьма дорогостоящим решением. Наиболее перспективным направлением является использование полимерных материалов. Они имеют ряд преимуществ при использовании их в ТА с теплоносителями в виде органических и минеральных кислот, щелочей, хлора. Пластики совершенны в обработке, снижают вес ТА и его металлоемкость, уменьшают засо-ряемость и повышают коррозионную стойкость.
Известно, что коэффициент теплопроводности большинства полимерных материалов составляет 0,12...0,40 Вт/(м К). Однако это не является препятствием для применения пластмасс в ТА. Исследования показали, что при значениях коэффициента теплопроводности более 0,2 Вт/(м К) появляется возможность изготавливать, например, автомобильные радиаторы с тепловой эффективностью, почти не уступающей эффективности металлических радиаторов. Проблема низкой теплопроводности практически пропадает, если использовать в ТА фторосодержащую пластмассу с графитовыми добавками, например, диа-бон-Г с теплопроводностью 20 Вт/(м К). В США, Германии, Франции, Японии и России пластмассовые ТА используются в системах утилизации тепла, меди-
31
цинских вентиляционных системах и системах кондиционирования воздуха, есть рекомендации пластмассовые ТА использовать на угольных электростанциях, в промышленных холодильниках, градирнях, сушильных установках. В промышленности нашли применение ТА из поливинилхлорида, нарила, модифицированного РРО, ултемполиэфирамида, политетрафторэтилена и т.д. Такие ТА уже сейчас эксплуатируются при температурах до 260°С и давлениях до 3,5 бар.
1.3.2. Термомеханические проблемы в ТА
Для большого класса энергетических и силовых установок, предназначенных для транспортных и силовых объектов, вопросы динамики являются определяющими. Может оказаться, что продолжительность переходного периода составит значительную долю полного времени работы ТА. Кроме того, ТА в таких установках оказываются наиболее инерционными и поэтому решающим образом влияют на динамические характеристики всего устройства или установки в целом. Существует и другая причина. Часто характеристики ТА в периоды его пуска и останова связаны с проблемой безопасности работы установки в целом, особенно, если переходный процесс осуществляется в незапланированном порядке, например, в результате отключения электропитания. Тогда в результате быстрого изменения температуры могут быть термические напряжения, а при гидравлических ударах, - связанных с резким торможением пробок жидкости, - разрушения трубопроводов и их соединений. Для аппаратов, которые рассчитаны на режим работы с параметрами, близкими к максимально допустимым, достоверное знание динамических характеристик совершенно необходимо.
Для примера рассмотрим надежность ТА паротурбинных установок. Надежность основного и вспомогательного оборудования современных ПТУ проявляется в эксплуатации различным образом. Отказы основного оборудования (турбина, парогенератор) приводят к отказу (вынужденному останову) ПТУ. Отказы вспомогательного оборудования в ряде случаев также могут приводить к останову ПТУ (в основном из-за отказов питательных насосов, ПВД, конденсаторов). По гораздо чаще отказы в работе теплообменных аппаратов (ТА) ПТУ вызывают снижение технико-экономических показателей работы турбоустановки, не вызывая её аварийного останова. Вместе с тем массогабаритные характеристики ТА ПТУ сопоставимы (а иногда и превосходят) подобные показатели турбинного оборудования, а ресурс ТА (как расчетный, так и реальный) практически всегда меньше ресурса турбины. В силу этого комплексная оценка надежности ТА (с гладкими и различно профилированными трубками, которые в настоящее время рассматриваются как одно из наиболее перспективных направлений повышения эффективности ТА) является актуальной задачей, так же как и решение проблемы повышения их надежности.
Анализ повреждений ТА ПТУ показывает, что до 70 % повреждений обусловлено коррозионно-эрозионными процессами в аппаратах и около 25 % повреждений теплообменников связано с вибрацией трубных пучков. Для верти-
32
кальных ТА картина распределения причин повреждений практически зеркально меняется - до 70 % повреждений, по мнению специалистов, вызывается вибрацией трубок в трубных пучках. В связи с этим несомненна актуальность исследований, направленных как на изучение вибрационных характеристик (с учетом многочисленных конструктивных и эксплуатационных факторов) с целью получения научно обоснованных данных для расчета и проектирования надежных ТА, а также для их модернизации в условиях эксплуатации.
В целях восполнения данных об отказах, а также выяснения реальных сроков службы ТА ПТУ в [5] был проведен анализ технической документации по ремонту и замене ТА турбоустановок. На основе обобщения представленных материалов по 42 ПТУ, имеющим более 200 ТА, установлено, что для многих ТА характерна меньшая (в отдельных случаях в несколько раз) реальная наработка до исчерпания ресурса по сравнению с нормативными сроками службы ТА, оцениваемыми в 30 лет.
Наиболее широкий обзор литературных материалов по аналитическим, численным и экспериментальным методам исследования динамики ТА с целью выявления состояния вопроса по исследованию динамических характеристик рекуперативных ТА с однофазными теплоносителями, а также с целью обоснования и постановки задачи дальнейших исследований, дан в обзорах и грудах ЦИАМ. Несмотря на имеющиеся работы можно утверждать, что до сего времени в широкой инженерной практике нет удобного и простого метода расчета динамических характеристик ТА, с помощью которого можно было бы определять изменения интересующих величин во времени. Нет методов, позволяющих спроектировать аппарат под заданные динамические характеристики, что особенно важно для объектов, включающих ТА, к которым предъявляются высокие требования по динамике. Наконец, безусловно необходимо знание характеристик при расчете и проектировании систем автоматического управления, включающих подобные ТА.
1.3.3. Высокотемпературные ТА
Специалисты-теплотехники выделяют два основных диапазона температур работы ТА: первый - 150...250°С, второй - около 1400°С. Первый диапазон эксплуатации ТА не вызывает затруднений. Наиболее часто высокотемпературные ТА встречаются в металлургии, стекольной и нефтехимической промышленностях. Основными проблемами при проектировании и изготовлении таких ТА является учет радиационного переноса тепла и выбор термостойких материалов. Здесь в настоящее время выделяют только керамические ТА.
Современные керамические материалы позволяют сегодня создавать высокоэффективные компактные теплообменники. Например, в работе [6] продемонстрирован пластинчато-ребристый микротеллообменник для системы утилизации отходящих газов газотурбинного двигателя. При размерах 0,37x0,37x0,2 м и толщине стенок 0,3 мм, толщине ребер 0,2 мм его тепловая мощность составляет 210 кВт, тепловая эффективность 90%, температура и давление рабочих сред - до 1300К и до 4 бар.
33
Однако сдерживающим фактором и здесь является дороговизна керамики и малое количество исследований, относящихся к керамическим ТА.
1.3.4. Повышение компактности ТА
Современные тенденции к росту мощностей многих теплосиловых установок, к их форсированию приводит к необходимости создания высокоэффективных и компактных ТА. Радиаторы, например, современных ДВС занимают 25...30% от объема двигателей, что уже сейчас создает трудности при их компоновке.
Задача повышения эффективности и компактности ТА удачно решается использованием новых перспективных способов интенсификации теплообмена в ТА и новых схем ТА.
Опыт создания и эксплуатации различных ТА показал, что разработанные к настоящему времени методы интенсификации теплообмена обеспечивают снижение габаритов в 1,5...2 и более раз по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей.
Исследования интенсификации теплообмена ведутся в различных странах, причем в заметно возрастающем темпе. Необходимо отметить, что проводимые в нашей стране исследования внесли значительный вклад в решение этой проблемы. Достаточно вспомнить работы по интенсификации теплообмена В.М.Ангуфьсва, В.М.Бузника, Г.И.Воронина, Г.А.Дрейцера, В.Е. Дуброве кого, Н.В.Зозули, Э.К.Калинина, В.К.Мигая, В.К.Щукина и многих других ученых. И только практической незаинтересованностью промышленности ко внедрению высокоэффективных ТА и в экономии металла можно объяснить слабое внедрение отечественных разработок в наше народное хозяйство.
К настоящему времени предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена [7].
Применительно к течению однофазных теплоносителей используются турбулизаторы потока на поверхности, шероховатые поверхности, развитые за счет оребрения поверхности, закрутка потока спиральными ребрами, шнековыми устройствами, завихрителями, установленными на входе в канал, подмешиванием к потоку жидкости газовых пузырей, а к потоку' газа - твердых частиц или капель жидкости, вращение или вибрация поверхности теплообмена, пульсации потока теплоносителя, воздействие на поток электростатических полей, отсос потока из пограничных слоев, струйные системы. Эффективность этих способов различна, в лучшем случае удается увеличить теплоотдачу в 2...3 раза, но для разных способов интенсификации при существенно различных затратах энергии. Интенсификация теплообмена при кипении обеспечивает не только рост теплоотдачи при пузырьковом кипении, но и увеличение максимального теплового потока при пузырьковом и минимального при пленочном кипении, а также увеличение соответствующих критических температурных напоров, т.е. сдвиг кривой кипения в область более высоких температурных напоров и тепловых потоков. Необходимо отметить, что возможности интенсификации теп-
34
лообмена при кипении большие, чем в однофазных потоках. Так, коэффицент теплоотдачи при пленочном кипении удается увеличить до 10 раз, а критический тепловой поток более чем в 3 раза. Наряду с турбулизаторами, закручивающими устройствами, оребрением для интенсификации теплообмена при кипении используют нанесение на поверхность пористых материалов, устанавливают неизотермические ребра, используют шероховатые поверхности.
Для интенсификации теплообмена при конденсации предлагают турбули-заторы или ребра, разрушающие пленку конденсата, несмачиваемые покрытия, жидкие стимуляторы для создания капельной конденсации, закрутку потока или вращение поверхности теплообмена.
Высокоэффективным часто оказывается применение комбинированных методов интенсификации: комбинирование турбулизаторов с оребрением поверхности или с закруткой потока, применение закручивающих устройств при течении суспензий, при кипении - использование турбулизаторов с пористыми покрытиями.
В результате систематических экспериментальных исследований теоретически обоснован и экспериментально подтвержден наиболее эффективный из известных на сегодня метод рациональной интенсификации процесса теплообмена. Он характеризуется условием
' N11 " >
^Мигл ^ КеЧйет Ке=1с1ет
Далее рассмотрим некоторые новые способы компоновки ТА и интенсификации теплообмена в них.
1.3.4.1. Поверхностные гттенсификаторы теплообмена.
Рельефы из сферических выемок.
Повышенный интерес к использованию сферических выемок в качестве интеисификаторов теплообмена связан в основном с тем, что было замечено, что спортивные снаряды, имеющие на своей поверхности элементы шероховатости в виде канавок, траншей, выемок различной формы имеют тенденцию пролетать большее расстояние. В первую очередь это относится к мячу для гольфа, где отношение размеров (глубины, диаметра или другого поперечного размера) выемок к размеру (диметру) самого мячика имеют максимальное значение.
Большинство тел для полетов имеет профиль в соответствии с проектом или по своей природе с минимальным аэросопротивлением. Но мяч для гольфа должен иметь форму шара, гак как он предназначен быть воздушным «пробойником», а не воздушным «ножом»! То есть, его аэросопротивление должно быть значительным. Воздух натекает на фронт шара, создавая высокую прижимную область, и обтекает его вокруг по всем сторонам. Однако отрыв потока от поверхности шара создает мапый прижимной след. Комбинация высокого
35
давления на фронт шара с низким давлением на задней части - главный источник сопротивления шара. Решением проблемы стало нанесение сферических выемок на поверхность шара. В этом случае тонкий слой воздуха рядом с шаром (в пограничном слое) турбулизируется. Это приводит к тому, что вместо того, чтобы течь в непрерывном ламинарном пограничном слое), потоку придаются микроколебания. Поток лучше отслеживает кривизну профиля шара, т.е. отрыв потока наступает довольно поздно. Это более долгое движение потока вокруг шара перед отрывом создаст намного меньший след, и очень значительно уменьшает сопротивление (в 2 раза) [8-10]. Единственное что необходимо подчеркнуть, подъемную силу создает вращение мяча в полете, а выемки могут только усилить ее, но не создать.
Исследования гидродинамики и сопротивления мяча для игры в гольф П.В.Бирмана и Дж.К.Харвея [11] показало и доказало принципиальную возможность возникновения более раннего ламинарно-турбулентного перехода и уменьшения аэродинамического сопротивления шара, поверхность которого структурирована мелкими (Б/1Х),1) сферическими выемками. Авторы работы
[11] утверждали, что поверхностные углубления не являются крупномасштабной шероховатостью, а обладают свойствами, оказывающими специфическое влияние на аэродинамическое сопротивление и переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Данный вывод сделан и в обзоре Р. Мехты [12]. К.Вигхардтом [13] и Л. Тиллманном [14] были опубликованы результаты исследования рельефов поверхностных турбулизаторов на плоской пластине, имеющей размер в направлении потока 2 мм, а поперек него 25 мм. Однако, каких-либо особенностей в аэродинамических характеристиках обтекания таких рельефов К.Вигхардт и Л.Тиллманн не обнаружили.
То есть, по сравнению с цилиндрической поверхностью или поверхностью сферы, имеющих тыльную по отношению к потоку поверхность, использование выемок на плоской поверхности не приводит к снижению аэрогидросопротивления. Подробное обсуждение исследований П.В.Бирмана и Дж.К.Харвея, К.Вигхардта и Л.Тиллманна приведено в работах А.А.Хататова [15,16] и Г.И.Кикнадзе и др. [17]. :
Описанный выше метод уменьшения аэрогидросопротивления с помощью сферических выемок на криволинейных поверхностях вызвал интерес у спсциалистов-теплотехников с целью создания теплообменного оборудования обладающего высокой теплогидравлической эффективностью. Основная задача исследований ~ возможность реализации в теплообменном оборудовании необходимых режимов обтекания рельефов из сферических выемок. Предшествующие исследования аэро- и гидродинамики показали, что возможно получение и снижения сопротивления тел и поверхностей, и его повышения в зависимости от конфигурации тела обтекания. Вследствие этого, необходимо выявление оптимальной конфигурации поверхности для обеспечения потенциально высоких теилогидравлических характеристик теплообменного оборудования. Влияющими факторами на режимы течения на поверхностях со сферическими выемками являются в первую очередь скорость натекающего потока и геометрия обтекаемой поверхности (плоская поверхности или на продольно или попе-
36
речно обтекаемом цилиндре, выемки с различным сочетанием отношения глубины и диаметра выемки, округленность кромок выемки, стесненность канала или отношение глубины или диаметра выемок к высоте канала или расстоянию между цилиндрическими поверхностями, шахматное или коридорное расположение выемок и т.д.).
В ранней работе Г.И.Кикнадзе и др. [181 ПРИ обтекании водой полусферических выемок, выдаштенных на донной поверхности канала, при небольших скоростях натекающего потока наблюдается лишь слабое искажение траекторий течения жидкости в районе выемки, причем на периферии эти траектории отклонялись в сторону от выемки, а частицы, пролетающие над выемкой, стремятся «нырнуть» в нее. Очевидно, на этом этапе имело место ламинарное безотрывное обтекание выемок. В дальнейших работах Г.И.Кикнадзе и др. [17,19] обтекание выемок лишь с искривлением линий тока течения сплошной среды приписывается только мелким вогнутостям, т.е. при минимальных соотношениях глубины И и диаметра выемок Э (Ь/Е>=0,05-0,2) и малых скоростях течения теплоносителя - до 1 мм/с. По мнению авторов работ [17,18-20], обтекание мелкой выемки является практически безотрывным, если при указанном отношении Ь/О радиус закругления таков, что происходит плавный переход от поверхности канала к поверхности выемки, т.е. выпуклый участок длится не менее глубины выемки Ь или если радиус закругления пренебрежимо мал, то максимальный угол при касательной не превышает величины около 0,1 радиана. Обтекание сферической выемки жидкостью или газом обуславливает расширение потока в створе выемки за счет локального изменения геометрических характеристик канала. Это расширение потока в створе выемки вызывает торможение движущихся частиц на ее передних скатах [20]. Поток сплошной среды втягивается в выемку, вблизи краев выемки происходит увеличение средней скорости, а в середине - ее замедление. Этот факт подтвержден экспериментами В.Н.Афанасьева и Я.П.Чудновского [21]. Измерения профиля статического давления в продольном направлении показали, что передняя по ходу потока половина выемки обтекается диффузорным потоком, а задняя - конфузорным. При этом в выемке, подобно диффузорно-конфузорным каналам, могут существовать нестационарные микроотрывы.
Проведенные эксперименты в работе [20] указывают, что даже при скоростях, составляющих доли единиц или единицы миллиметров в секунду (мм/с), возникающее торможение оказывается достаточным для образования возвратного течения, обтекающего левый и правый по потоку скаты выемки, что приводит к возникновению зоны рециркуляции, расположенной в выемке поперек течения.
Дальнейшее увеличение скорости при сохранении ламинарного течения основного потока приводит образованию в ней симметричной вихревой структуры, линии тока которой не замыкаются внутри вогнутости [19,20]. Визуализация течения, приведенная в работе [17], с помощью лазерного «ножа» в выемках с относительной глубиной №=0,17-0,25 также указывает, что, начиная со скорости \¥0=0,3-10_2 м/с, в обтекаемой выемке возникает вторичное течение
37
в виде вихревой структуры, вращающейся поперек направления скорости основного потока (рис.1.5).
а. Число Рейнольдса по диаметру лунок Ь. Число Рейнольдса по диаметру лунок Яео=8-10 , скорость \У6»0. 1 м/сек Кеп=3-103, скорость \vrF0.3 м/сек
с. Число Рейнольдса по диаметру лунок б. Число Рейнольдса по диаметру лунок 1*е„=8'10\ скорость №о=0.8 м/сск Кеп=Ю4, скорость \vcpl.0 м/сек
Рис.1.5. Визуализация процесса обтекания сферической выемки [17,22]. Поток направлен слева направо.
Более подробное рассмотрение данного режима приведено в работе [22]. В медленных потоках сплошной среды, обтекающих рельеф из сферических выемок (числа ЯегЯЮ3), внутри углубления наблюдаются уже сформировавшиеся динамические структуры, имеющие, на первый взгляд, вид симметричных образований (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Визуализация процесса обтекания углубления [22]
В работе К.К.Бивеса, Т.Дж.Барбера и Э.Леонарди [23] была проведена визуализация течения в выемке. Одной из задач визуализации было определение влияния времени на местоположение центра вращения рециркуляционной зоны в пределах выемки (рис. 1.7). Экспериментальные исследования были проведе-
38