3777

С.В. Дахин, И.С. Аношин, А.А. Пригожин

ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА САМООРГАНИЗАЦИИ СМЕРЧЕОБРАЗНЫХ СТРУЙ ПРИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ

В ТЕПЛООБМЕННОМ ОБОРУДОВАНИИ

Учебное пособие

Воронеж 2015

УДК 621.31

Дахин С.В. Применение эффекта самоорганизации смерчеобразных струй при энергосбережении в теплообменном оборудовании: учеб. пособие [Электронный ресурс]. - Электрон. текстовые и граф. данные (14,9 МБ) / С.В. Дахин, И.С. Аношин, А.А. Пригожин. - Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2015. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. -

Систем. требования: Windows XP/Vista/7/8; Adobe Reader 10 или бо-

лее поздняя версия; CD-ROM дисковод. - Загл. с экрана.

В учебном пособии рассматривается возможность энергосбережения в теплообменном оборудовании за счѐт применения интенсификаторов теплоотдачи на оребрѐнной поверхности. Приведѐн подробный пример результатов численного моделирования в программном комплексе ANSYS CFX.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению 13.04.01 "Теплоэнергетика и теплотехника", программе магистерской подготовки "Промышленная теплоэнергетика", дисциплине "Проблемы ресурсо- и энергосбережения в теплоэнергетике, теплотехнике и теплотехнологии". Также может быть полезно аспирантам соответствующих направлений подготовки.

Табл. 5. Ил. 90. Библиогр.: 6 назв.

Рецензенты: ООО НПП "ИнтерПолярис" (канд.-т техн. наук Д.П. Шматов); д-р техн. наук, проф. И.Г. Дроздов

©Дахин С.В.,Аношин И.С., Пригожин А.А., 2015

©Оформление. ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2015

ВВЕДЕНИЕ

Переход на интенсивный путь развития народного хозяйства потребовал превращения энергоресурсосбережения в решающий источник удовлетворения растущих потребностей народного хозяйства.

Необходимость превращения энергосбережения в приоритетное направление хозяйственной политики диктуется непрерывным удорожанием производства топливноэнергетических ресурсов из-за перемещения центров их добычи в труднодоступные области, что связано со значительным увеличением затрат на обустройство территории, создание коммуникаций, транспортирование и переработку. В связи с этим быстро возрастает объем необходимых капиталовложе-

ний [1].

Так говорили об энергосбережении в ходе реализации решений XXVII съезда КПСС (1986 г.). И сегодня, всѐ вышесказанное является не только актуальным, но и крайне необходимым для индустриального развития России.

Обычно, решением в данной области является установка теплообменных аппаратов - котлов-утилизатооров, регенераторов, экономайзеров. Поэтому необходимость уменьшения эксплуатационных затрат и габаритно-массовых характеристик теплообменных аппаратов, особенно газо-газовых и газожидкостных, очевидна.

Поиск и исследование методов интенсификации, как и наука о теплообмене вообще, имеет достаточно продолжительную историю. Основываясь на интуитивном представлении об интенсивном перемешивании как средстве интенсификации теплообмена, многими исследователями были предложены и испытаны самые разнообразные турбулизирующие вставки, модифицированные формы каналов, различные искусственные формы шероховатости поверхности. На базе развитых расчетных моделей турбулентности и с применением численного моделирования сложных течений, в относительно недавнее время, были получены достаточно четкие представ-

3

ления о механизме интенсификации теплообмена, влиянии таких факторов, как свойства жидкости (число Прандтля), режим течения (число Рейнольдса), ускорение или торможение потока (течение в конфузоре или диффузоре). Развиваются методы различных физических воздействий с целью интенсификации переноса, такие как акустические и электромагнитные воздействия.

Конвективные рекуперативные теплообменные аппараты типа "газ - газ", "жидкость - жидкость", "газ - жидкость", "газ - двухфазная среда", "жидкость - двухфазная среда" широко используются в настоящее время как в промышленной (нефтехимия, металлургия, авиация, судовая, холодильная техника и т.п.), так и в станционной энергетике.

На изготовление таких теплообменников расходуется большое количество металла. Эксплуатация их связана с повышенными затратами энергии, прежде всего, на прокачку теплоносителей. Рост объемов производства сопровождается увеличением массы и габаритов теплообменников, а также затрат энергии на их эксплуатацию. Поэтому задача уменьшения массы теплообменных аппаратов (особенно "газ - газ" и "газ - жидкость"), с одной стороны, и эксплуатационных затрат, с другой, является здесь также весьма актуальной.

Эти задачи могут быть решены только посредством интенсификации теплообмена со стороны одного или обоих теплоносителей при умеренном росте гидродинамического сопротивления, так как энергетическая эффективность теплообменного аппарата определяется соотношением между полезным эффектом (тепловым потоком) и материальными затратами (расход металла и энергии).

Научное содержание этой проблемы определяется теми противоречивыми требованиями, которые предъявляются к теплообменным аппаратам: наибольший тепловой поток, наименьшие затраты мощности, наименьшая площадь поверхности.

Противоречивость этих требований очевидна: интенсивность теплообмена при прочих равных условиях возрастает

4

примерно пропорционально скорости теплоносителя в первой степени, а затраченная мощность - пропорционально скорости в кубе. Кроме того, тепловой поток в целом пропорционален площади поверхности.

Поэтому, решение проблемы повышения энергетической эффективности теплообменного аппарата сводится к тому, чтобы при данной площади и средней скорости теплоносителя создать такую физическую обстановку, при которой перенос теплоты происходит с возможной наибольшей интенсивностью, а процесс переноса количества движения (определяющего затраты мощности) - с наименьшей.

Сложность этой задачи обусловлена двумя обстоятельствами:

1)оба процесса переноса осуществляются одними и теми же элементами среды, которые одновременно являются носителями и теплоты и количества движения;

2)в общем случае следует рассматривать вопросы интенсификации теплообмена и уменьшения затрат на прокачку для обоих теплоносителей, имеющих общую, разделяющую их поверхность.

Очевидно, что физическая ситуация, соответствующая вышеописанной схеме процесса, весьма необычна, отличается большой сложностью и может создана только искусственно при хорошо продуманном и тщательно осуществляемом управлении развитием процесса.

Одним из таких специальных условий, на наш взгляд, может являться применение технологии, основанной на использовании смерчеобразных струй ("смерчевые технологии", TLJT) [2]. При этом используется явление самоорганизации вторичных смерчеобразных вихрей – закрученных струй при обтекании ими трѐхмерных углублений на граничных поверхностях. Соответствующий подбор профиля углублений и режима обтекания поверхности позволяет интенсифицировать теплообмен без дополнительных затрат на прокачку теплоносителя.

5

Для сравнения поверхностей с различными способами интенсификации теплообмена обычно используют отношение повышения эффективности передачи теплоты к росту сопротивления при вводе интенсификаторов теплообмена. Это отношение называется аналогией Рейнольдса, которая в общем виде записывается как

где: , - число Нуссельта и коэффициент трения на поверхности с интенсификаторами теплообмена, , - число Нуссельта и коэффициент трения на гладкой поверхности, k - критерий аналогии Рейнольдса.

Кроме того, при практической реализации интенсификации теплоотдачи в теплообменных аппаратах приходится сталкиваться с проблемами правильного выбора метода интенсификации и геометрических параметров интенсифицирующих элементов, учитывать то, что изготовление интенсифицированных поверхностей требует определѐнных дополнительных затрат (учѐт технологичности и стоимости), а также принимать во внимание случаи снижения эффективности от интенсификации при загрязнении поверхности теплообмена, еѐ эррозионного и коррозионного износа. Таким образом, возникает необходимость выбора оптимального метода исходя из длительной эксплуатации, способов очистки поверхности теплообмена и т.п., то есть с позиций надѐжности теплообменного аппарата.

6

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ АНАЛОГИИ РЕЙНОЛЬДСА

Для интенсификации теплообмена существуют разные типы интенсификаторов. На рисунке 1.1 приведена диаграмма,

Рис. 1.1. Теплогидравлическая эффективность поверхностей с различными интенсификаторами теплообмена:

1 – интенсификация теплообмена по сравнению с гладкой поверхностью; 2 – рост гидравлического сопротивления по сравнению с гладкой поверхностью; 3 - параметр теплогидравлической эффективности

7

на которой показан относительный рост гидравлического сопротивления, интенсификация теплообмена и теплогидравлическая эффективность исследуемых поверхностей, по сравнению с гладкой поверхностью [3]. В качестве параметра теплогидравлической эффективности взято выражение, полученное из уравнения для кривой Нуннера

Видно, что применение интенсификаторов теплообмена обычно ведет к существенному увеличению гидравлического сопротивления. Тем интереснее результаты, полученные на теплообменных поверхностях с вихревыми интенсификаторами ("лунки"), так как в данном случае существенному росту теплообмена соответствует практически равноценный рост гидравлического сопротивления.

При обтекании потоком текучей среды углублений в виде лунок возникают крупномасштабные динамические вихревые структуры, наблюдаемые как при ламинарном, так и при турбулентном режимах течения. Наличие которых на поверхности теплообмена приводит к разрушению пограничного слоя и, соответственно, интенсифицирует процессы теплообмена. Естественно, возникновение возмущающих факторов в потоке влияет и на гидродинамику течения.

На рис. 1.2 представлен сравнительный анализ различных способов интенсификации теплообмена.

Проведенный авторами [3] анализ публикаций показал, что большинство исследований гидравлического сопротивления и интенсификации теплообмена проведены на неглубоких сферических выемках (отношение глубины лунки h к диаметру d до h/d < 0,2). Как видно из рис. 1.3, основной массив экспериментальных точек, полученных на таких выемках, концентрируется вблизи линии

8

Последнее соотношение обычно принимают для течения воздуха, т.е. .

Рис. 1.2. Сравнительный анализ различных способов интенсификации теплообмена:

1– внутреннее кольцевое оребрение; 2 – сферические выпуклости; 3 – скрученные ленты; 4 –цилиндрические "штырьки"; 5 – вихревая матрица; 6 – сферические углубления; 6a – сферические углубления ; 6b – сферические углубления [Moon H.K., O'Konnel T., Glezer B.]; 7 – внутренние спиральные канавки; 8

– чередующиеся сферические выпуклости-углубления; 9 – внутренние канавки; 10 – винтовые трубы; 11 – риблеты; 12 – сферические углубления (кипение); 13 – каналы переменного сечения; 14 – зигзагообразные каналы; 15 – криволинейные каналы; 16 – овальные скрученные трубы; 17 – закрученное течение в трубе; 18 – 90 ° разрезные ребра; 19, 20 – 60° сплошные и разрезные ребра; 21 – внутреннее циклонное охлаждение (трехканальная петлевая схема); a: линия аналогии Рейнольдса

На рис. 1.4 представлены результаты исследований "облуненных" поверхностей различных конфигураций, вместо от-

9