Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Рейнольдса Reh в степени 0,75. При обобщении выявлено влияние на комплекс Nuh / Re0h,75 безразмерного параметра – относительная высота выступа h/D.

Константа при комплексе Nuh / Re0h,75 пропорциональна относительной высоте выступа h/D степени 0,526. Установлено, что с увеличением h/D от 0,21 до 0,5 теплоотдача увеличивается в 1,5÷2 раза. Не выявлено влияние безразмерного параметра - относительная высота канала H/D на теплоотдачу при турбулентном режиме.

Критериальное уравнение для теплоотдачи при турбулентном течении

Зависимость (4.11) описывает все экспериментальные точки с отклонением не более ±20% при доверительной вероятности 0,95. Зависимость справедлива в диапазоне изменения определяющих параметров – Reh=530÷16000; h/D=0,21÷0,5; H/D=0,7÷1,68.

4.5.Рекомендации по расчету гидросопротивления и теплоотдачи

вканалах со сферическими выступами

Для инженерных расчетов и оптимизации конструкции теплообменных аппратов с интенсификаторами теплоотдачи в виде сферических выемок можно использовать обобщающие зависимости, представленные в табл.4.6.

Таблица 4.6

Обобщающие зависимости по экспериментальному исследованию гидросопротивления и теплоотдачи в каналах со сферическими выступами

Переходный режим обтекания поверхности со сферическими выступами

Переходный режим обтекания поверхности со сферическими выступами

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Таблица 4.6 (продолжение)

Турбулентное отрывное обтекание поверхности со сферическими выступами:

Reh=530...16000;

Nuh = 0,075Re0h,75 (h D)0,527 (4.11) H/D=0,7÷1,68;

h/D=0,21÷0,5.

4.6. Выводы

При нанесении сферических выемок, рассмотренных в главе 3, на теплообменные поверхности на обратной стороне образуются сферические выступы. Поэтому исследование данных интенсификаторов интересно и необходимо.

Анализ литературных данных показал, что интенсификация теплоотдачи в каналах со сферическими выступами выше, чем в каналах с выемками и достигает в не стесненных каналах значений 3–3,5 раза. Однако каналы с выступами обладают более значительными уровнем гидравлических потерь (за исключением результатов работы [6]).

В рассмотренной литературе практически не приводятся обобщающие зависимости и рекомендации по расчету теплообмена и гидросопротивления в каналах со сферическими выступами, что не позволяет производить инженерные расчеты и оптимизацию ТА с данным видом интенсификаторов.

В ходе экспериментального исследования выявлено влияние основных режимных и геометрических параметров на картину течения в каналах со сферическими выступами. Установлены границы переходов режимов. Установлено и математически описано влияние режимных и геометрических параметров на гидросопротивление и теплоотдачу в каналах со сферическими выступами при всех видах ламинарного и турбулентного режимов. Проведен анализ влияния стесненности канала на гидродинамику и теплоотдачу в каналах с выемками. Установлена граница начала влияния стесненности канала. Даны рекомендации для инженерного расчета теплообменных аппаратов с интенсификаторами в виде сферических элементов.

390

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ГЛАВА 5. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА С ПОМОЩЬЮ ЗАКРУТКИ ПОТОКА

Посредством интенсификации теплообмена возможно многократно повысить коэффициент теплоотдачи и значительно улучшить массогабаритные характеристики теплообменного оборудования и энергоустановки в целом. Интенсификация теплообменных процессов экономически целесообразна во всех отраслях промышленности: теплоэнергетике, ядерной технике, авиационной технике, химическом и нефтеперерабатывающем производстве, судостроении, сельскохозяйственном и транспортном машиностроении и т.д.

Посредством интенсификации теплообмена возможно улучшить режим работы теплообменника, например, снизить температурный напор, т.е. снизить температуру стенки при фиксированной температуре теплоносителя или увеличить температуру теплоносителя при заданной максимально допустимой температуре стенки.

При разработке теплообменного оборудования используется довольно широкий перечень способов интенсификации, некоторые из них являются для теплоэнергетики достаточно традиционными: использование турбулентного режима течения теплоносителей; уменьшение диаметра каналов; выбор оптимальной формы поперечного сечения каналов; тесные пучки труб; повышение скорости течения сред; оребрение поверхности теплообмена; применение турбулизаторов потоков теплоносителей; использование шероховатых поверхностей теплообмена; закручивание потоков теплоносителей; применение коротких каналов и прерывистых поверхностей теплообмена; наклон трубного пучка при конденсации пара на трубах; пленочное течение среды по поверхности теплообмена; использование криволинейных каналов; применение псевдоожиженного слоя; устройство поперечных перегородок в трубном пучке.

Среди известных и технически интересных способов интенсификации теплообмена выгодно отличается высокими теплогидравлическими, экономическими и технологическими качествами дискретная шероховатость поверхности каналов в форме кольцевых и спиральных выступов. Зарубежные фирмы серийно производят для нужд энергетики интенсифицированные трубы с накатанными поперечными и спиральными выступами.

391

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Например, при ламинарном и переходном режиме движения вязких сред в трубе наиболее перспективными способами интенсификации теплоотдачи являются: пружинные проволочные вставки; накатанные поперечные кольцевые и спиральные выступы; ленточные закручиватели потока.

Общие физические принципы, лежащие в основе этих способов и объясняющие возможность получения положительного эффекта, в случае их применения, известны уже длительное время, однако, количественные зависимости для расчета теплообмена и гидросопротивления в широком диапазоне изменения геометрических параметров интенсификаторов теплообмена и гидродинамических условий течения определены пока далеко не в полной мере. Поэтому исследования известных способов интенсификации продолжаются. Одновременно разрабатываются новые разновидности известных способов, требующие дополнительных обширных исследований. Кроме того, как продукт современного развития науки и техники, появляются принципиально новые способы интенсификации теплообмена.

Повышение технического уровня теплообменного оборудования посредством интенсификации теплообмена улучшает общие характеристики теплоэнергетической установки, включающей интенсифицированные теплообменники. На настоящем этапе развития энергетики, при условии использования современных конструктивных сталей, возможности повышения тепловой экономичности ПТУ (и др. теплоэнергетических установок) путем совершенствования тепловой схемы, повышения начальных параметров пара и повышения КПД турбин и котлов практически исчерпаны. Снижение удельного расхода топлива существенно зависит от совершенства вспомогательного (теплообменного) оборудования энергоустановок. Поэтому интенсификация теплообмена служит мощным средством повышения эффективности не только теплообменного оборудования, но и теплоэнергетической установки в целом.

Большой практический эффект, который можно ожидать от применения интенсификации теплообмена при создании теплообменного оборудования, привел к активному исследованию и значительному внедрению в промышленность различных способов интенсификации теплообмена в нашей стране и за рубежом. В современной научно-технической литературе число публикаций по исследованию способов интенсификации растет с течением времени по экспоненциальной зависимости. Соответственно, в мировой практике прогнозируется расширенное применение различных способов интенсификации и нарастающее серийное производство интенсифицированных поверхностей теплообмена.

392

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

а

г

Рис.5.1. Типы закрутки потока в современных теплообменных аппаратах: а – теплообменные аппараты с закруткой потока в межтрубном пространстве с помощью спиральной перегородки; б – теплообменный аппарат с трубами с проволочной навивкой; в – теплообменный аппарат с витыми трубами; г – закручиватели потока: скрученные ленты, спиральные проволочные и пластинчатые вставки, витые трубы, шнековые вставки

393

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

д

\

ж

Рис.5.1 (продолжение). Типы закрутки потока в современных теплообменных аппаратах: д – витые трубы, схемы течения; ж – теплообменный аппарат с закруткой потока в проволочной спиральной вставкой

Закручивание потока теплоносителя в трубе существенно интенсифицирует теплоотдачу. В закрученном потоке центробежные силы оттесняют поток к стенке трубы, при этом возникает вторичное поперечное течение среды и увеличение пристенной скорости потока, что и содействует улучшение теплообмена. Закрутка потока обеспечивается закрученной металлической лентой, вставленной по всей длине канала и создающей постоянную закрутку вдоль трубы, или местными закручивателями потока (шнековый завихритель), интенсивность закрутки за которыми постепенно затухает под влиянием вязкого трения в потоке. Возможны и другие способы закрутки (рис.5.1). Закручивание потока открывает возможность значительного повышения эффективности энергетических теплообменников.

Расчеты для воздухоподогревателя энергоблока мощностью 800 МВт при поперечном обтекании шахматного пучка и спиральными лентами в трубах показали, что поверхность нагрева уменьшается на 23% при одинаковом гидросопротивлении с обычной гладкотрубной конструкцией. При толщине ленты 1 мм расход металла на закручиватели составляет примерно 4% от расхода на трубы. В парогенерирующих трубах котлоагрегатов закрутка двухфазного по-

394

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

тока приводит к вытеснению пара от стенки жидкостью, отбрасываемой к стенке под влиянием центробежных сил закрутки. Обеспечивается интенсивное охлаждение стенки жидкостью, задержка кризиса теплообмена и соответсвующее предотвращение опасного перегрева стенки. Эффективно применение закрутки и для не кипящего потока.

Интенсификация теплообмена посредством закручивания потока широко используется в каналах тепловыделяющих элементов ядерных энергетических установок.

Ленточные и другие завихрители потока эффективно применяются в технологических и промышленных котлах с дымогарными трубами при работе их на относительно чистых горячих газах (сжигание газа, мазута). Ленточный завихритель, производимый серийно одной зарубежной фирмой, при шаге закрутки 0,712 м, ширине ленты 66 мм и толщине 1,4 мм увеличивает теплоотдачу на 65%, а гидросопротивление на 160% по сравнению с гладкой трубой при прочих равных условиях. Такие завихрители, интенсифицируя теплообмен, приводят к существенной экономии расхода топлива на подогрев жидкости в котле.

При определенных гидродинамических условиях применение скрученной ленты эффективно в прямоугольном канале.

Возможный недостаток закручивателей потока, смонтированных непрерывно вдоль трубы, заключается в существенном увеличении гидросопротивления. Уменьшение гидросопротивления при сохранении достаточно высокого уровня теплообмена может быть достигнуто установкой в трубе последовательно ряда отдельных закручивателей (например шнековых). Теплоотдача в таком канале зависит от геометрии закручивателей и расстояния между ними. Монтаж в трубе отдельных закручивателей потока технологически сложнее, чем установка непрерывного завихрителя.

При тангенциальном подводе газа на вход в трубу теплоотдача падает при удалении от входа (закрутка затухает), однако закрутка вызывает значительно большую интенсивность теплообмена, чем на начальном термическом участке незакрученного потока, и на большей длине трубы.

Для интенсификации теплообмена закрутка потока используется не только в трубах, но и в межтрубном пространстве теплообменников. Разработан теплообменник с плотным пучком из овальных винтообразных закрученных труб, соприкасающихся между собой. При продольном межтрубном обтекании пучка теплоноситель закручивается в винтообразных каналах между трубами. Определены соотношения для расчета теплообмена и гидросопротивления в таких теплообменных аппаратах. Объем теплообменника уменьшается в 1,5–2 раза по сравнению с обычным аппаратом из круглых труб.

395

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Исследование процессов тепломассопереноса в межтрубном пространстве при различной геометрии закрученных труб обнаружило, что необходимо использовать пучки с постоянным углом закрутки всех труб относительно оси пучка. При этом повышается интенсификация теплообмена и достигается более равномерное поле температур в поперечном сечении пучка (особенно при неравномерном подводе тепла) и, соответственно, повышение надежности работы теплообменника.

Двухсторонний подогрев теплоносителя в канале существенно интенсифицирует теплообмен. Основанный на этом принципе подогреватель нефтепродуктов имеет блочно-элементную конструкцию, при которой жидкость в кольцевом зазоре труб подогревается паром, подаваемым в центральную трубу и в межтрубное пространство наружных труб. В кольцевом зазоре расположены продольные ребра центральной трубы. Оптимальные компоновки подогревателей для ТЭС позволяют в два раза уменьшить массу аппарата.

Интенсификация радиационно-конвективного теплообмена и двухсторонний подогрев газа полезно реализуются в высокотемпературных рекуператорах типа газ-газ. В межтрубном потоке горячего газа устанавливают радиационные пластины, которые, подогреваясь от газа, излучают тепло на поверхность труб дополнительно к конвективному подогреву их. Внутри труб устанавливаются закручиватели потока холодного газа из скрученных крестообразных лент. Закручиватели нагреваются радиационным потоком от труб и обеспечивают интенсифицированный радиационно-конвективный подогрев холодного газа в трубе (двухсторонний: от трубы и от закручивателя). При температуре горячего газа 800 ºС подогрев газа в трубах интенсифицируется в 1,8 раза.

Возможны другие комбинированные способы интенсификации теплообмена, положительный эффект которых превышает результат применения одного способа. Например: шероховатая труба с ленточным закручивателем; труба с внутренним оребрением и ленточным закручивателем и прочие. Но эти способы исследованы пока недостаточно.

Конструкции современных парогенераторов и др. теплообменных аппаратов широко включают поверхность нагрева в форме винтовых спиральных змеевиков с малым радиусом гиба труб. При поперечном обтекании змеевиков достигается высокая интенсивность теплообмена в межтрубном потоке, интенсификация теплоотдачи в трубах обеспечивается интенсивными вторичными течениями в криволинейных каналах. Змеевики исключают термические напряжения в трубном пучке при расширении труб. Конструкция особенно удачна для теплообменников с газовым теплоносителем.

Использование оребренной (развитой) поверхности для интенсификации теплообмена целесообразно как при внешнем обтекании пучков труб, так и при

396

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

течении в каналах. Расчетные соотношения для теплоотдачи и гидросопротивления в трубах и кольцевых каналах с продольными ребрами (например, мазутоподогревателей и маслоохладителей ТЭС) указаны в справочной литературе.

Экономически оправдано применение труб с внутренними относительно низкими спиральными ребрами, в которых интенсификация теплообмена достигается за счет развития поверхности и закрутки потока. При одинаковых мощности прокачивания теплоносителя и количества передаваемого тепла ребра, параллельные оси трубы (высота ребра менее 2 мм), обеспечивают снижение металлоемкости пучка труб на 10%, а спиральные ребра (угол подъема спирали 30º) – на 49%. Максимальная экономия металла получается для спиральных ребер высотой 1–1,5 мм.

Анализ показывает, что с возрастанием закрутки потока спиральные ребра увеличивают теплоотдачу больше, чем гидросопротивление, поэтому выгода применения труб с такими ребрами очевидна. Область использования труб со спиральными ребрами для интенсификации теплообмена весьма широка: в потоках однофазных жидкостей и газов; при кипении и конденсации с одновременным вынужденным течением теплоносителя (в конденсаторах и парогенераторах).

Внедрение оребренных поверхностей теплообмена в оборудовании ТЭС, АЭС и промышленных предприятий является одним из основных путей создания эффективного и экономичного энергооборудования.

Для труб со спирально накатанными выступами на внутренней поверхности выполнен определенный теоретический анализ процессов течения и теплообмена в трубе, проведены довольно обширные опытные исследования, осуществлены промышленные испытания. Доказана техническая целесообразность их применения в теплообменном оборудовании. Разработаны и производятся промышленные образцы такого оборудования. Например, ЛМЗ изготовил конденсатор со спирально накатанными трубами 200 КЦС – 2 для паровой турбины мощностью 200 МВт.

В трубах со спиральными низкими выступами или с внутренними низкими спиральными ребрами интенсификации теплообмена обусловлена совместным проявлением двух факторов: турбулизацией и разрушением пристенного слоя течения выступами и закруткой пристенного потока под действием выступов (или ребер). Интенсифицирующее воздействие частичной закрутки течения (только пристенной зоны) низким выступом (или ребром) реализуется через увеличение пристенной скорости потока. Этот способ, вероятно, следует отнести к комбинированным способам интенсификации теплообмена, так как одновременно воздействуют на поток два фактора: турбулизация течения и закрутка.

397

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Промышленные испытания теплообменного оборудования с пучками спирально накатанных труб представили количественную оценку экономического выигрыша от их применения. В конденсаторах паровых турбин уменьшается заливка конденсатом нижних рядов труб, коэффициент теплопередачи возрастает на 20 – 25 %; в сетевых подогревателях теплопередача увеличивается на 50 – 70 %. Масса конденсаторов снижается на 25 %, а вертикальных сетевых подогревателей – на 50 %.

Прочностные и вибрационные качества накатанных труб не уступают гладким трубам. Загрязняемость труб со спиральными выступами одинакова с гладкими по весу отложений на 1 м2 поверхности. Равноценно у них и влияние загрязняемости на снижение тепловой эффективности.

Экспериментальное исследование теплообмена в трубах со спиральными выступами выполнено в ряде работ. Уравнение для расчета теплоотдачи в широком диапазоне чисел Рейнольдса (Re = 2 103 −105 )имеет вид:

Nu = 0,056 Re0,8 Pr0,43 ( Prf / Prw )0,25 (t / D)−0,3 (h / D)0,15 ,

где обозначения и физический смысл величин, входящих в уравнение, традиционные Re = Wcp D / ν; Nu = α D / λ; за исключением Wcp – среднерасходная

осевая скорость в трубе, м/с; α – средний вдоль трубы коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К). Опыты проведены при h = 0,3 – 1,5 мм; t = 18-100 мм; n=3; t/h = 10 – 15; h/D = 0,035–0,04; радиус закругления накатывающего ролика 4,5 мм.

При поперечном обтекании пучков спирально накатанных труб эффективность возрастает приблизительно на 10 %, а теплоотдача при конденсации водяного пара повышается на 10 – 70 % по сравнению с гладкими трубами (из – за стягивания пленки конденсата в канавки).

Примерно одинаковыми свойствами (в условиях конденсации) обладают трубы с поперечной накаткой.

Область применения спирально накатанных труб идентична сфере использования труб с поперечной накаткой.

По тепловой эффективности, при теплообмене в канале, трубы с низкими внутренними спиральными ребрами и трубы со спиральной накаткой являются конкурирующими вариантами, однако спиральная накатка более предпочтительна, так как трубы с ребрами имеют большую металлоемкость.

В трубах воздухоподогревателей котлов при сжигании мазута и угля эффективны пластинчатые закручиватели газов (вставные спиральные ребра), теплогидравлические свойства которых близки к спиральным ребрам и накатке.

398