Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ленного применения рассматриваемых ТА. Трубы с выступами внесены в ГОСТ на водо–водяные подогреватели.

ты оценки эффективности применения разработанного МАИ метода интенсификации теплообмена в ТА блоков абонентских станций для целей отопления и горячего водоснабжения, выпускаемых НПО «Биотех». Параметры турбулизаторов: d/D=0,925…0,93; t/D=0,5. данные параметры использовались как для ТА отопительных целей, так и для целей водоснабжения.

Для оценки эффективности выполнены теплогидравлические расчеты отопительных ТА из труб с кольцевыми турбулизаторами. Установлено, что использование труб с кольцевыми турбулизаторами позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи внутри труб в 2,15 раз, а в межтрубном пространстве – в 1,4 раза по сравнению с гладотрубным ТА. При этом коэффициент теплопередачи увеличится в 1,8 раза, а, следовательно, потребная длина ТА уменьшится. Это означает, что вместо двух гладкотрубных ТА в блок достаточно поставить один ТА повышенной эффективности из труб с кольцевыми турбулизаторами. Несмотря на значительный рост гидравлического сопротивления в ТА с кольцевыми турбулизаторами (внутри труб, например, ξ/ ξгл=4) гидравлическое со-

противление увеличится в этом случае не более, чем вдвое, поскольку уменьшится число ТА. Потери давления по холодной стороне в этом случае практически остаются на том же уровне, что и для гладкотрубных ТА (с учетом уменьшения числа ТА).

Теплогидравлические расчеты ТА из труб с кольцевыми турбулизаторами для целей горячего водоснабжения показали, что использование труб с кольцевыми турбулизаторами позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи внутри труб (по холодной стороне) в 1,75…2,2 раза и в 1,2 раза в межтрубном пространстве (по горячей стороне). Это приводит к увеличению коэффициента теплопередачи в 1,5 раза и, следовательно, к уменьшению потребной длины ТА. По этой причине вместо двух гладкотрубных ТА в блоке достаточно устано-

470

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

вить один ТА повышенной эффективности из труб с кольцевыми турбулизаторами.

Таким образом, использование разработанного МАИ метода интенсификации теплообмена применительно к ТА блоков отопления и горячего водоснабжения позволило за счет интенсификации процессов теплообмена внутри труб и в межтрубном пространстве значительно уменьшить потребное количество ТА для целей отопления и горячего водоснабжения, а, следовательно, уменьшить объем и массу стоимости блоков.

8.2. Улучшение теплогидравлического качества маслоохладителей ТЭС посредством интенсификации теплообмена

В теплообменных аппаратах для охлаждения масла типа МБ соотношение коэффициентов теплоотдачи воды и масла равно αB / αM ≥10 . Значительное

различие величин αB иαM – серьезный недостаток аппаратов МБ. Вполне оче-

видно, что для форсирования теплопередачи между маслом и водой необходимо использовать рациональные методы интенсификации теплообмена (ИТО) со стороны масла. Применение продуктивных интенсификаторов теплоотдачи требует отказа от поперечного обтекания пучка труб межтрубным потоком масла и перехода к реализации продольного (вдоль труб) межтрубного течения масла (как в маслоохладителях типа М-240, М-45 с петельно-проволочным оребрением снаружи труб) или движения масла в канале (кольцевой канал с продольными ребрами в охладителях типа МБРГ). При этом для ограничения мощности на прокачку масла NM разумным пределом в потоке масла следует обеспечивать диапазон чисел Re, характерный для ламинарного (или переходного) режима течения масла в гладком канале.

Посредством ИТО увеличивается количество тепла, передаваемого через единицу поверхности теплообмена, достигается более выгодное соотношение между передаваемым количеством тепла и мощностью прокачивания теплоносителей (соответственно обеспечивается экономия электроэнергии на собственные нужды ТЭС). Высокое техническое качество интенсифицированного теплообменного оборудования улучшает общие характеристики энергоустановки.

В случае ламинарного (переходного) течения в канале (трубе) ИТО достигается закруткой потока, посредством ленточных закручивателей, или применением искусственной дискретной шероховатости стенки канала, выполненной накаткой выступов в трубе или установкой в ней спиральных проволочных вставок. Размер шероховатости (высота поперечных или спиральных выступов

471

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

идиаметр проволоки) существенно увеличиваются по сравнению с интенсификаторами в турбулентном потоке.

Закрутка потока активизирует процессы переноса поперек потока за счет центробежных сил. Дополнительное увеличение теплообмена возникает из-за эффекта оребрения при наличии ленточного закручивателя в трубе. Положительное влияние закручивателя на теплообмен в трубе связано и с возможностью более раннего перехода к турбулентному режиму под воздействием закрутки.

ИТО поперечными кольцевыми выступами основана на возмущении пристенной зоны потока вихреобразованием при отрывном обтекании выступов и эффектами обновления пограничного слоя за каждым выступом, кроме того, нарастание уровня теплообмена может быть связано с ускоренным переходом от ламинарного режима к турбулентному около шероховатой стенки. В случае применения спиральных выступов (или вставок) в потоке дополнительно существует воздействие закрутки. Некоторое возрастание теплообмена объясняется

иувеличением общей поверхности канала при нанесении выступов на его стенку.

Очевидно, что при любом режиме течения в трубе интенсификация теплоотдачи приводит обязательно к росту сопротивления. При этом и в ламинарном и в переходном режимах существуют области выгодного соотношения между увеличением теплообмена и возрастанием сопротивления.

Полезно рассмотреть максимально достижимые уровни теплообмена при интенсификации процессов переноса в условиях ламинарного и переходного режимов.

Ленточные завихрители в этой области режимов особенно эффективны, они позволяют увеличить теплоотдачу в несколько раз (до 10) при ориентировочно одинаковом росте гидросопротивления. Для ламинарного течения наиболее предпочтителен диапазон шагов закручивателя S =(6–10)·D (D – внутренний диаметр гладкой трубы), при котором поверхность теплообмена возможно сократить в 1,6–1,7 раза или получить экономию энергии на прокачивание теплоносителя в размере 6–8 % по сравнению с гладким каналом. При этом оптимальная скорость теплоносителя снижается примерно в два раза. Увеличение теплоотдачи, полученное с помощью закручивателей, в переходном и турбулентном режимах значительно падает, и поэтому использовать закручиватели при больших числах Re для потока в трубе не рекомендуется. Ленточные закручиватели (ретардеры) успешно применяются в теплообменниках, например, при течении масел в трубах.

Спиральные проволочные вставки при ламинарном потоке в трубе обеспечивают нарастание теплоотдачи на 350–400 % или соответствующее умень-

472

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

шение поверхности теплообмена на 70–80 % относительно гладкой трубы при одинаковой мощности прокачивания.

Установлена экономическая полезность применения вставок при малых числах Rе ≤ 1200, особенно привлекательно область Rе ≤ 100–200 c точки зрения постоянно возрастающего стремления к снижению энергозатрат на прокачивание теплоносителя в трубах (экономия энергии) при достаточном уровне теплообмена. При Re > 6·103 устанавливается постоянное отношение α/αтл ≈1,5. Предпочтительны вставки с малым шагом спирали для интенсификации теплообмена потоков вязкой жидкости. Необходимо учитывать, что спиральная вставка может увеличить поверхность теплообмена в трубе на 10–40 % и более. Монтаж спиральной вставки в трубе желательно осуществлять с гарантированным зазором между поверхностью трубы и вставкой, это обеспечит простоту и скорость сборки аппарата и разборки его при чистке и ремонте. Спиральную вставку необходимо фиксировать в трубе, чтобы исключить сжатие ее потоком холодного (вязкого) масла при запуске и обеспечить нормальный режим работы оборудования. Спиральные вставки успешно используются в подогревателях и охладителях масел зарубежного и отечественного производства. Например, в маслоохладителях ПО ЛМЗ спиральные вставки позволили существенно сократить габариты и массу аппаратов.

Положительные эффекты от применения спиральных вставок достигаются в различных областях техники. При ламинарном течении хладоносителя в трубах теплообменника холодильной установки использование спиральных вставок с шагом спирали, примерно равным 3D, обеспечило экономию энергии на прокачку около 5 %, сокращение поверхности теплообмена на 10 % по сравнению с гладкотрубным вариантом. Оптимальная скорость хладоносителя упала при наличии вставок в два раза.

В промышленных водомасляных кожухотрубчатых теплообменниках при течении масел в трубах с малыми числами Re = 100–300 могут оказаться экономически выгодными трубы с высокими поперечными кольцевыми выступами

2 h/D = 0,345; 0,6 (h–высота выступа).

Трубы типа конфузор-диффузор перспективны для применения как в турбулентном, так и в ламинарном и переходном режимах течения различных сред в трубах теплообменников. Эксперименты показали, что при одинаковых с гладкой трубой энергозатратах на прокачивания масла такие трубы при переходном режиме поднимают теплосъем на 40–70 %, соответственно снижая расход труб для маслоохладителя на 40–70 %.

Трубы с продольными внутренними ребрами имеют одинаковые показатели по теплообмену и сопротивлению с трубами, в которых смонтированы спиральные вставки.

473

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

При поперечном обтекании труб с низкими накатанными ребрами теплосъем с наружной ребристой поверхности пучка труб в маслоохладителе может возрасти на 25–100 % (по сравнению с гладкими трубами).

Основываясь на сравнении позитивных возможностей различных методов ИТО и опыте проектирования маслоохладителей типа М и МБРГ, следует полагать, что высокая эффективность (Е) будет присуща маслоохладителю с противоточным движением масла и воды, например, масла в трубах, а воды в межтрубном пространстве.

При течении масла в трубах ТА с накатанными поперечными кольцевыми выступами высотой h/D = 0,04–0,1 и шагом t/D = 0,33 – 1,94 в интервале чисел Re = 30–1200 для одинаковых мощности прокачивания и размеров труб повышение теплоотдачи по сравнению с гладкой трубой достигает αм/αгл=4–7. Важно, что относительное увеличение интенсивности теплоотдачи αм/αгл в этом случае превышает возрастание относительного коэффициента сопротивления канала ε/ εгл в 1,25–3 раза и более. В продольном межтрубном потоке воды

такого варианта маслоохладителя следует выдерживать минимальное число Re, которое, при условии использования для ИТО кольцевых выступов снаружи трубы, позволит реализовать целесообразное соотношение αB/αм≈1. Тогда поверхность теплообмена интенсифицированного маслоохладителя уменьшится в 4–7 раз относительно гладкотрубного варианта ТА.

Расчетное исследование с помощью математических моделей серийных маслоохладителей типа М и их модернизированных вариантов (посредством введения интенсификации теплообмена в базовую серийную конструкцию) подтвердило существенно более высокое теплогидравлическое совершенство оптимальных модернизированных аппаратов по сравнению с серийными. Например, при использовании в качестве интенсификаторов теплообмена поперечных выступов внутри труб и снаружи их (вместо петельно-проволочного ореберения, не оправдавшего паспортных данных при эксплуатации) в маслоохладителях М-240, М-45 энергетический коэффициент интенсифицированного аппарата Е почти в три раза превысил аналогичный показатель серийного.

Внедрение в конструкцию маслоохладителей перспективных методов интенсификации теплообмена гарантирует значительное (многократное) повышение эффективности (энергосбережения) ТА. При использовании интенсификаторов теплообмена в маслоохладителях, вероятно, наиболее выгодно продольное (вдоль труб) течение межтрубного теплоносителя.

Задача настоящей работы – разработать уточненную математическую модель маслоохладителей типа МБ и с ее помощью выполнить расчетный анализ возможности совершенствования эксплуатируемых маслоохладителей посредством их модернизации путем внедрения интенсификаторов теплообмена. В

474

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

модифицированном варианте в маслоохладителях типа МБ-63-90, МБ-25-37 целесообразна интенсификация теплообмена со стороны воды (с помощью накатанных кольцевых выступов в трубах) и в поперечном межтрубном потоке масла (с помощью поперечных канавок снаружи труб). Для повышения точности модели, используется уменьшенный элемент расчетной схемы в виде отрезка одной трубки между двумя соседними перегородками вместе с потокам воды внутри и прилегающим снаружи объемом масла. В элементе точно реализуются канонические случаи теплообмена: при течении воды внутри круглой трубы; при поперечном обтекании маслом круглой трубки в пучке.

Определяющие характеристики смежных элементов должны удовлетворять уравнениям и балансовым соотношениям, связывающим потоки массы и теплоты внутри этих элементов и между ними. Совокупность указанных зависимостей образует систему уравнений относительно значений характеристик в элементах. Элементы сетки естественным образом соответствуют конструктивным элементам ТА. Значения характеристик в элементах можно считать узловыми значениями, балансовые межэлементные соотношения – разностными уравнениями, а совокупность всех зависимостей и соотношений – системой сеточных уравнений для ТА.

Учет перетоков производится в модели введением в число сеточных уравнений соотношений между интенсивностью перетоков и перепадом давлений и учетом перетоков в балансных соотношениях для масла.

Все элементы в модели разделены на группы в соответствии с номером хода масла (индекс i), хода воды (индекс j) и условным рядом в пучке (считая от центра к кожуху, индекс k). Считается, что элементы одной группы работают в одинаковых условиях.

Конкретное содержание соотношений для одного элемента ТА вполне очевидно: уравнение расхода в трубе, уравнение Дарси для потерь давления, уравнения подобия для определения коэффициентов сопротивления и теплоотдачи внутри и снаружи трубы.

Для масла уравнения баланса должны учитывать перетоки через зазор между трубой и перегородкой:

Gмэ1 = Gмэ0 + Gэu − Gэh ,

где Gэu – переток из смежного (через перегородку) элемента снизу, Gэh – переток вверх в смежный элемент.

Значение среднего расхода масла в элементе

475

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Gмэ = Gмэ0 + Gэu − Gэh

2

определяет характерную скорость (по узкому сечению) и потери давления

где dг – удвоенная величина среднего зазора (гидравлический диаметр); ∆pu – перепад давлений между смежными элементами. Аналогичное соотношение

для Gэh .

Уравнения баланса позволяют связать qэ с температурами теплоносите-

лей:

где tfмu – это tfм в смежном элементе снизу, при этом считается, что для простоты различием значений теплоемкости cpм при tfм и tfмu можно пренебречь ввиду малости как самих этих различий, так и Gэu по сравнению с Gэu0 , Gэu1.

Для поперечного обтекания пучка труб с кольцевыми канавками коэффициенты теплоотдачи повышаются примерно на 20 % .

При описании межэлементных связей полагалось, что в пределах одного хода каждого теплоносителя элементы работают последовательно.

Элементы одного хода масла делятся на четыре группы в соответствии с номером хода воды. Расчет характеристик масла по этим группам ведется отдельно. При подходе к отверстию в кольцевой перегородке, масло из разных групп элементов будет иметь разную температуру. Принимается, что в отвер-

476

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

стии перегородки оно полностью перемешивается и поступает на вход первого ряда всех групп следующего хода при температуре

причем его расход между группами делится поровну. Здесь Gj – выходной расход масла из промежутка труб j-й группы, tj – его температура.

Потеря давления масла между двумя кольцевыми перегородками определяется как средняя из ∆p j( j =1, 2, 3, 4) , рассчитанных отдельно для групп.

Реализованная модель показала свою работоспособность. Для принятых данных при обычной точности процесс последовательных приближений сходится за 3–5 итераций. Время расчета одного варианта на компьютере класса Pentium-200 составляет менее секунды, т.е. модель пригодна и для решения задач типа «обратных» и экстремальных.

Полученные характеристики ТА отвечают номинальным паспортным данным. Для маслоохладителя МБ-63-90 приведены дополнительные данные для разных режимов. Совпадение с ними в целом удовлетворительное. Например, для серийного маслоохладителя МБ-63-90 температура воды на выходе по

гут объясняться неполным совпадением конструктивных параметров ТА: рассматриваются первые образцы с площадью теплообмена 63 м2, а здесь – последующие, с площадью 66 м2. Кроме того, реальные размеры зазоров и их распределение в пределах испытываемого аппарата, видимо, отличались от номинальных. Размеры зазоров между поверхностью трубок и отверстиями в перегородках принимались dотв – dн = 0,3 мм, между корпусом и перегородками dкорп

– dпер = 1 мм (для МБ-63-90), 0,2 мм и 0,8 мм соответственно для МБ-25-37. Расход масла выбран по паспорту.

При выборе предпочтительного варианта ТА следует учитывать, что в данном частном случае достаточно рассмотреть ряд вариантов и выбрать тот, который дает повышение тепловой производительности без ухудшения критерия E при допустимом повышении мощности прокачки теплоносителей. Здесь

477

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

E – энергетический коэффициент E=Q/N, где Q - теплопроизводительность ТА, N – мощность прокачивания обоих теплоносителей.

Ниже даны некоторые расчетные параметры для предпочтительных вариантов модернизированных и серийных гладкотрубных ТА.

По результатам расчетов оптимальна накатка снаружи труб кольцевых канавок глубиной 0,2 мм с шагом 15 мм (dвн=14 мм) для обоих типов ТА. В этом случае теплопередача увеличивается примерно на 10 % при сохранении значения критерия E, т.е. мощность на прокачку теплоносителей повышается также примерно на 10 %.

Расчеты показывают, что коэффициенты теплоотдачи масла αм ( в серийном и интенсифицированном ТА) в 10 раз меньше, чем для воды αв. Недостаточная интенсификация теплообмена масла с помощью мелких канавок в данном конкретном ТА ограничивает суммарный положительный эффект от внедрения интенсификаторов теплообмена. Однако достигнутый рост теплопроизводительности ТА экономически значителен.

Если использовать продольное течение масла (вдоль пучка), а для интенсификации теплообмена масла применить выступы – проволочные кольца, размещенные в канавках, то коэффициент Е увеличивается почти в три раза.

Многовариантные расчеты, выполненные в настоящей работе и в других трудах, по определению оптимальных размеров выступов для модернизируемых ТА в условиях неизменной (серийной) скорости турбулентного потока в трубах обнаружили, что оптимальные размеры шагов выступов располагаются в диапазоне относительно больших значений:

tr / hr = 35...75 (hr / dвн’ ≤ 0,05).

Расчетный оптимальный шаг для ТА марки МБ, равный tr / hr = 75 , соответствует экспериментально полученным рекомендациям: tr / dвн’ ≤1.

478