Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ГЛАВА 7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОМЫШЛЕННО ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИНТЕНСИФИКАТОРОВ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ЛАМИНАРНЫХ И ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЯ В КАНАЛАХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

7.1.Анализ методов оценки эффективности ИТ, каналов, ТА

По проблеме методов оценки эффективности ТА, которые почти полностью приложены к оценке ИТ и ТА с ИТ, опубликовано весьма значительное множество работ. Однако обилие предложенных методов является, в существенной мере, кажущимся, т.к. абсолютное большинство этих методов фактически сводится к одному – энергетическому коэффициенту акад. М.В.Кирпичева

– E = Q/N (Q – теплопроизводительность ТА, N – мощность прокачивания теплоносителей). Практически предложен ряд некоторых незначительных, не принципиальных, часто ухудшенных модификаций метода М.В.Кирпичева. Далее этот тезис достаточно детально обосновывается.

Три главных параметра характеризуют ТА – Q , N и площадь поверхности теплообмена F. Назначение ТА – максимально эффективный теплообмен между теплоносителями. По А.А.Гухману возможность теплообмена ( Q ) “покупается” за счет затрат на сопротивление ( N ), откуда следует основная (и принципиальная!) задача конструктора ТА: “купить” (передать в ТА) наибольшее количество тепла Q за некоторое (желательно наименьшее) количество гидропотерь N . Реализация этой задачи обеспечивается при достижении максимально возможного теплогидродинамического совершенства ТА – E = max . Кроме того, при проектировании интенсифицированного ТА с использованием ИТ конструктору необходимо стремиться к выгодному соотношению некоторых характерных параметров такого ТА по сравнению, например, с серийным гладкостенным (индекс “0”) вариантом. Обычно сравниваются (при прочих равных условиях) размеры ТА F/F0 , их объемы V/V0 , теплопроизводи-

тельности Q/Q0 , мощность прокачивания N/N0 и некоторые др.

Для ТА стационарной энергетики конкретные значения относительных параметров вида F/F0 и др. должны быть лишь следствием выполнения прин-

ципиальной задачи проектирования – получения E = max (или E / E0 = max ),

что соответствует государственной политике энергосбережения.

При сравнении эффективности различных ИТ (т.е. каналов или ТА с ИТ) на базе коэффициента E в расчетных данных, сопровождающих сравнение,

431

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

присутствует информация, позволяющая вычислить все относительные параметры вида F/F0 и др.

В.И.Антуфьев предложил записать энергетический коэффициент в форме, исключающей влияние температурного напора ∆t :

где α - коэффициент теплоотдачи; F = Π l ; Π - периметр поперечного сечения канала; l - длина канала. Разумно использовать коэффициент E′ или его относительную форму E′ = E′/ E′0 . Сопоставление кожухотрубных ТА с раз-

личными ИТ (или с гладкими каналами) целесообразно проводить при следующих одинаковых для всех ТА условиях (которые не ограничивают область сравнения!):

где равенство параметров, заключенных в скобки, есть следствие одинаковости других величин, входящих в (7.1); D - диаметр гладкой части трубы, N1 - чис-

ло труб в ТА; G , V - массовый и объемный расходы теплоносителя. Тогда расчетное соотношение αα0 позволяет судить (при ∆t = idem ) о соотношении те-

плопроизводительностей интенсифицированного и гладкостенного каналов (ТА) QQ0 в условиях (7.1). Одновременно величина αα0 показывает воз-

можности сокращения поверхности канала с ИТ F относительно поверхности гладкого - F0 . Величина отношения вычисленных при Q = idem коэффициентов

сопротивления ξ/ ξ0 характеризует соотношение мощностей прокачивания N/N0 . Следовательно, коэффициент E′ и сопутствующие его определению

расчётные данные гарантируют возможность сравнения при условиях (7.1) всех основных параметров - Q , N , F для каналов (ТА) с различными ИТ и без них, т.е. обеспечивается полноценное сопоставление разнообразных ИТ между собой. Поэтому коэффициент E′ необходимо классифицировать в качестве просто и физически ясного, основополагающего критерия оценки эффективности ИТ, каналов, ТА. Теплообменник, имеющий качество на уровне E′ = max , и ИТ, обеспечившие такое качество, являются максимально эффективными (оптимальными).

Дополнительное преимущество метода оценки эффективности с помощью коэффициента E′ заключается в том, что открывается возможность непосредственного сравнения параметров E′, Q , N , F, V1 для разнообразных, реаль-

но проектируемых вариантов ТА без предварительного пересчёта их с целью приведения сравниваемых ТА к некоторым условным аппаратам, имеющим, например, равные мощности прокачивания или теплопроизводительности.

432

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Разумеется, что основная цель преобладающего большинства остальных методов оценки эффективности ТА (существующих или только замышляемых)

– сравнение главных параметров ТА: Q , N , F (при равенстве некоторых прочих условий) для нескольких аппаратов. Следовательно, остальные методы принципиально обречены на существенное повторение идеи коэффициента E′ или тех относительных параметров ( QQ0 , NN0 ), которые можно извлечь из ре-

зультатов расчётов, сопутствующих вычислению величины E′ для сравниваемых ТА.

Например, для оценки эффективности использования ИТО в ТА в литературе часто рекомендуется коэффициент η = (NuNu0 )(ξξ0 ), который можно

переписать в форме η = E′E′0 , т.е. представить отношением коэффициентов E′

для ТА с ИТ и для обычного ТА (гладкостенного). Повторение идеи E′ в содержании коэффициента η очевидно. Необходимо отметить, что форма коэффициента η = E′E′0 предпочтительна, т.к. она отчётливо и в полной мере де-

монстрирует индивидуальное совершенство и соотношение качеств интенсифицированного и обычного ТА. Запись в виде η = (NuNu0 )(ξξ0 ) представля-

ет лишь косвенную, неявную информацию о совершенстве сравниваемых ТА. Сравнение интенсивности теплоотдачи в каналах и теплопроизводитель-

ности ТА (каналов) при условии N ; F = idem предлагается проводить с помощью коэффициентов R3 = αα0 (А.Берглс) и KQ = QQ0 [2]. Во-первых, при

практическом поиске оптимального ТА на основе проектирования ряда вариантов функцией цели должно служить условие E′ = max , требование фиксированной мощности прокачивания N = idem при сравнении реально разрабатываемых вариантов ТА – искусственное, оно является существенным недостатком коэффициентов R3 и KQ . Фактически эти коэффициенты более предназначены

для сопоставления неких условных вариантов ТА (пересчитанных на одинаковую мощность), чем для выполнения роли инструмента ориентировки в процессе реального проектирования (Коэффициенты R3 , KQ могут быть востребова-

ны, точнее возникнут как самоочевидные критерии, только в одном частном случае – при проектировании ТА на заранее заданные допустимые потери давления). Относительно новизны коэффициенты KQ по сравнению с E можно

добавить, что KQ = EE0 (при N = idem ), т.е. коэффициент KQ в относитель-

ном видеповторяет содержание критерия E . Во-вторых, безразмерные параметры αα0 и QQ0 представляют предварительную, промежуточную инфор-

мацию при расчёте коэффициентов E′, и в этом смысле коэффициенты R3 , KQ

не приносят новых сведенеий по сравнению с коэффициентом E′ для условий (7.1). В-третьих, легко заметить, что по своему содержанию величины R3 , KQ

фактически дублируют друг другасравнивают теплообменные свойства ТА. В- четвёртых, параметр R3 однозначен и корректен, а KQ содержит суммарные

433

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

сведения по влиянию на Q величин α и ∆t без выяснения доли воздействия

каждой.

Согласно методу расчётных затрат (при простейщей трактовке) ниаболее эффективный ТА соответствует условию З= И + Э = min , И- затраты (в руб.) на изготовление ТА, Э – затраты на эксплуатацию (в руб.) ТА в течение некоторого периода времени, З – суммарные затраты.. Величина И преимущественно определяется размерами рабочей поверхности ТА - F, а параметр Э – затратами мощности на прокачивание - N . Площадь F (при прочих равных условиях) может служить эквивалентом Q , тогда определение наиболее выгодного ТА

записывается в форме Q + N = min (при некоторой потребной фиксированной теплопроизводительности Q = idem для ряда ТА), откуда следует, что в методе расчётных затрат (как и при использовании коэффициента E′!) оптимальный ТА соответствует наиболее выгодному соотношению величин Q и N (При Q = idem нежелательно достичь N = min ). Именно поэтому, результаты оптимизации ТА по параметрам З и E′ в большинстве случаев совпадают [3,4]. При этом необходимо заметить, что критерий E′ более компактен и удобен, чем З.

Если при оптимизации ТА из рассуждений выпадает коэффициент E , то это может привести к разработке ошибочных методов поиска наивыгоднейших выриантов ТА. Например, в случае применения ИТО в литературе рекомендуется находить лучший ТА посредством сравнения размеров поверхностей теплообмена F интенсифицированного и гладкостенного ТА при условии Q = Q0 , G = G0 , N = N0 . Очевидно, что в процессе поиска оптимального ТА ав-

томатически закладывается постоянство коэффициентов E = QN = const для

любых вариантов ТА, т.е. закрывается возможность теплогидродинамического усовершенствования (увеличения E ) лучшего, искомого ТА с ИТ.

Анализ многих распространённых методов объективно даёт, что наиболее обоснованным и лаконичным методом оценки эффективности ИТ (ТА) является энергетический коэффициент E (или E′), который и используется в новейшей литературе [5].

С практической точки зрения сопоставление ТА в условиях (7.1) соответствует процессу оценки возможных полезных эффектов от последовательного применения различных ИТ в одном и том же существующем (эксплуатируемом) ТА посредством сравнения вариантов модернизированных, интенсифицированных ТА (с разными ИТ) между собой и с гладкотрубным ТА. Модернизация эксплуатируемых ТА в условиях (7.1) осуществляется при неизменных конструкции, размерах ТА и расходах теплоносителей. В случаях такой модернизации ТА изменение ТА связано лишь с формированием ИТ на стенках каналов. В нестеснённых каналах при турбулентном потоке рассматриваемые ИТ позволяют, как правило, получить NuNu0 < ξ/ ξ0 , и NuNu0 < 2,5 . Для огра-

ниченного интервала размеров ИТ возможно некоторое превышение роста теплоотдачи над увеличением сопротивления NuNu0 ≥ ξ/ ξ0 . Следовательно, в

большинстве случаев модернизация существующих ТА с помощью ИТО харак-

434

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

теризуется соотношением E′ ≤1. Выигрыш в теплопроизводительности может быть значительным и определяется параметром NuNug . Итак, модернизация

серийных ТА обсуждаемым образом не обеспечивает значительного (более, чем на десятки процентов) повышения эффективности ( E′) интенсифицированного ТА по сравнению с обычным (гладкостенным) [6].

Если при модернизации ТА имеется возможность снижения скорости теплоносителя по сравнению с её значением в гладкостенном ТА или в случае проектирования нового ТА с ИТ, когда конструктор располагает широким полем выбора исходных параметров ТА, тогда эффективность ( E′) теплообменного оборудования с ИТ может быть повышена в несколько раз! по сравнению с гладкостенным [3,6].

Очевидно, что соотношение E′ ≤1, сопровождающее сравнение каналов (ТА) с ИТ и гладкостенных каналов (ТА) в условиях (7.1) совершенно не означает, что теплогидравлические качества интенсифицированных каналов всегда хуже, чем гладких. Интенсификаторы с оптимальными размерами для соответствующего числа Re весьма значительно увеличивают эффективность канала (ТА) [3,6]. Выражение E′ ≤1 лишь подчёркивает важное опытное положение: теплогидравлическое качество гладкостенного канала невозможно значительно повысить за счёт использования рассматриваемых ИТ в условиях (7.1), когда значение скорости потока в гладком канале сохраняется неизменным при монтаже ИТ в этом гладком канале.

Как отмечено выше, сравнение эффективности каналов с ИТ в условиях (7.1) позволяет выяснить теплогидравлическую ценность рассматриваемых ИТ.

В качестве логического вывода из анализа проблемы оценки эффективности ИТ впервые формулируется цель промышленно рационального применения ИТО. Использование ИТ во вновь проектируемых ТА целесообразно лишь при удовлетворении условий: α > α0 , E > E0 (выполнение которых должно сопро-

вождаться улучшением, по крайней мере, одного из главных параметров ТА - Q , N , F), соответствующие ИТ–эффективные. Равенство E = E0 (или незначи-

тельное снижение E относительно E0 ) допустимо только при модернизации

серийного действующего гладкостенного парка ТА за счёт внедрения в конструкцию теплообменника ИТ [6]. Эта ситуация соответствует модернизации и сравнению ТА в условиях (7.1).

7.2. Технология сравнения интенсификаторов, оптимизация их геометрических параметров

Вполне очевидно, что корректное сравнение эффективности различных типов ИТ должно предполагать сопоставление свойств оптимальных (максимально эффективных) вариантов ИТ для каждого отдельного типа ИТ (при Re = idem ). В пределах совокупности возможных, технически целесообразных размеров ИТ данного типа оптимальные геометрические параметры ИТ (пре-

435

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

дельно эффективный ИТ) определяются условием достижения E′ = max для канала (ТА) при этих размерах ИТ. Сравнение различных ИТ осуществляется по-

В настоящей работе оптимальные размеры кольцевых поперечных выступов в трубе находились следующим конктретным образом. При некотором фиксированном числе Re ( Re = idem ) для ряда постоянных значений относительных высот выступов hD =0,01-0,06, рекомендованных в [1] при всех раз-

мерах шагов выступов в разумном диапазоне th =4-10 вычислялись величины E′. Случай E′ = max указывал оптимальные размеры выступов ( hD ; th ) opt для заданного числа Re = WDν. ( D - внутренний диаметр гладкой части тру-

бы). Расчёты проводились для опытно исследованной в [1] области чисел Re . Результат расчётов – график зависимости максимальных значений коэффици-

выполнялись расчёты для других типов рассматриваемых ИТ.

При вычислении коэффициента E′ расчёт теплоотдачи и сопротивления проводился по уравнениям подобия, поэтому величину E′ удобно записать в форме

E′ = c Nuε ,

где значение «c » постоянно для фиксированного числа Re и неизменных свойств потока λ, ρ, ν = idem . Для круглых труб константа «c » имеет вид

для каналов любого поперечного сечения:

2ПλD3

c2 = SRe3 ρνЭ3 ,

где П – периметр поперечного сечения канала, S - площадь сечения канала, DЭ

- эквивалентный диаметр гладкой части канала. Для всех сравниваемых каналов

с ИТ (и гладкого) необходимо выдерживать условие D = DЭ = idem .

436

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

7.3.Краткая характеристика различных интенсификаторов для турбулентных режимов течения. Влияние положения выступов относительно потока на эффекты интенсификации теплоотдачи

Фундаментальное изучение труб с кольцевыми поперечными выступами при турбулентном и переходном течении теплоносителя выполнено авторами [1], в трудах В.К.Мигая [7], в некоторой мере оно продолжено в работе [3]. Оказалось, что эффект ИТО достигает уровня αα0 ≈ 2,5 [1], подобная высокая

интенсивность теплоотдачи получена в опытах и на прямоугольных каналах с поперечными выступами на двух противоположных стенках [8-10]. Явление ИТО в каналах (и трубах) с поперечными выступами объясняется последствиями отрывного обтекания выступов: обновлением и турбулизацией пограничного слоя за каждым выступом [1,3,4,7].

Экспериментально и теоретически подтверждено значительное снижение

солеотложений из потока воды снаружи и внутри труб с накатанными высту-

пами. В опытах получена существенная интенсификация теплоотдачи снаружи труб при поперечном обтекании трубного пучка однофазным потоком.

Теплогидравлические свойства труб и других каналов со спиральными

выступами изучены недостаточно. Интересно обсудить их более подробно. Для

труб со спирально накатанными выступами на внутренней поверхности выполнен определённый теоретический анализ процессов течения и теплообмена в

трубе, проведены довольно обширные опытные исследования, осуществлены

промышленные испытания. Разработаны и проводятся промышленные образцы такого оборудования. Например, ЛМЗ изготовил конденсатор со спирально на-

катанными трубами 200 КЦС – 2 для паровой турбины мощностью 200 МВт.

В трубах со спиральными низкими выступами (или с внутренними низкими спиральными ребрами) интенсификация теплообмена обусловлена соаме-

стным проявлением двух факторов: турбулизацией и разрушением пристенного

слоя течения выступами и закруткой пристенного потока под действием выступов (или рёбер) [7]. Интенсифицирующее воздействие частичной закрутки те-

чения (только пристенной зоны) низким выступом (или ребром) реализуется через увеличение пристенной скорости потока [7]. Этот способ, вероятно, сле-

дует отнести к комбинированным способам интенсификации теплообмена, так как одновременно воздействуют на поток турбулизация и закрутка.

Геометрические параметры трубы со спиральными выступами включают:

внутренний диаметр по гладкой поверхности D ; высоту выступа h ; число за-

ходов спирали n ; расстояние (шаг) между соседними выступами вдоль трубы t ; шаг спирали S1 = nt ; угол между осью трубы и продольной осью выступа

(угол атаки) ϕ, при этом tgϕ = πDS1 ; форму выступа. Определяющее влияние

на гидросопротивление и теплообмен имеют относительные высота и шаг выступов hD и th . Форма поперечного сечения выступа изменяет гидросопро-

тивление и очень мало влияет на теплообмен [7]. Природа теплоносителя оказывает влияние на структуру потока в трубе. Визуализация течения и измере-

437

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ния профиля скоростей в потоках воды и воздуха показали, что поток воды закручивается существенно, а воздуха – слабо. Профили скоростей для воды и воздуха отличаются между собой. Очевидно, различия в динамике течения и неодинаковая теплопроводность вязкого подслоя приводят к зависимости теплообмена от вида теплоносителя. Влияние высоты спирального выступа на теплообмен и трение аналогично воздействию поперечного кольцевого выступа. По мере приближения угла ϕ к величине π2 влияние спирального выступа на

поток в трубе сводится к действию поперечных кольцевых выступов (закрутка в потоке исчезает). Соответственно новым исследованиям интенсификации те-

плообмена в различных каналах (круглых и прямоугольных трубах) посредст-

вом спиральных выступов в научно-технической литературе сделан следующий вывод: при углах атаки ϕ < π2 выступ обладает лучшими характеристиками,

чем при ϕ = π2 (Важно заметить, что все соображения, цитируемые по известной литературе, о превосходстве качества выступов при ϕ<90º по сравнению с поперечными выступами - ϕ =90º справедливы только в случае hD ; th = idem для тех и других выступов). Оказалось: для плоского канала макси-

мальный прирост коэффициента теплоотдачи на единицу увеличения коэффи-

циента сопротивления достигается при ϕ =45º ( th =10); в кольцевом канале с проволочной навивкой – максимум увеличения коэффициента теплоотдачи, приходящийся на единицу мощности прокачки, будет при ϕ =33º (th =8); в круглой трубе наиболее высокая эффективность ( Nuε) получается при ϕ =50º–60º ( th =10–15); в квадратном канале с выступами на двух стенках –

при ϕ =45º–30º тепловая эффективность на 10–12% выше, а мощность прокач-

ки на 20–50% ниже, чем при ϕ =90º [5,11,12].

Экспериментальное исследование теплообмена в трубах со спиральными

выступами выполнено в работах [7,13-15], аналитическое изучение – в [3,4],.

Опытным путём показано, что при возрастании числа Re потока эффект интенсификации снижается; в некотором диапазоне размеров выступа возможно

уменьшение коэффициента теплоотдачи шероховатой трубы по сравнению с

гладкой, объясняющееся подавлением закруткой пристенной турбулентности

потока, создаваемой выступами, а также возникновением застойных циркуля-

ционных зон между высокими выступами. Интенсификация теплообмена в таких трубах связана с закруткой потока выступами и влиянием отрывных тече-

ний около них, поэтому очевидна сильная зависимость процесса интенсификации от величины угла ϕ. При малых углах ϕ существенная закрутка потока

подавляет турбулентность от выступов и снижает её влияние на течение, при больших ϕ закрутка потока мала, при этом возрастает воздействие на поток от-

рывного течения за выступом и турбулентных возмущений, сопровождающих отрыв.

Опытные формулы для расчёта гидросопротивления в рассматриваемых трубах представлены в работах [13,14,16], аналитический расчёт – в [3,4]. В за-

438