Монография Попов т3

УДК 536.24 ББК 31.3

Г74

Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Олимпиев В.В., Щелчков А.В., Каськов С.И. Г74 Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Интенсификация теплообмена: монография / под общ. ред. Ю.Ф.Гортышова. –

Казань: Центр инновационных технологий, 2009. – 531 с.

ISBN 978–5–93962–322–2

Монография посвящена проблемам повышения эффективности современного теплообменных теплообменных аппаратов и теплообменных элементов теплотехнологического и энергетического оборудовния. Показаны тенденции развития рынка теплообменного оборудования в мире и в России. Изложены основные требования в современному теплообменному оборудованию. Произведена оценка теплогидравлической эффективности промышленно перспективных методов поверхностной интенсификации теплообмена. Представлены результаты исследований гидросопротивления и теплоотдачи в каналах с интенсификаторами теплообмена. Даны рекомендации по использованию различных типов поверхностных интенсификаторов теплоотдачи в теплообменном оборудовании.

Рецензенты: докт.техн.наук, проф. А.Н.Николаев (Казанский государственный технологический университет);

докт.техн.наук, проф. Н.И.Михеев (Исследовательский центр проблем энергетики Казанского научного центра Российской академии наук)

Под общей редакцией проф. Ю.Ф.Гортышова

ISBN 978–5–93962–322–2 © Ю.Ф.Гортышов, И.А.Попов,

В.В.Олимпиев, А.В.Щелчков, С.И.Каськов, 2009

©Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева, 2009

©Центр инновационных технологий, 2009

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Предисловие

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,

втом числе теплообменных аппаратов (ТА). Задача повышения эффективности

икомпактности ТА в основном решается использованием новых перспективных способов интенсификации теплообмена в ТА 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.

Цель монографии – систематизировать имеющиеся данные по гидродинамике и теплообмену при вынужденной конвекции теплоносителя в каналах с промышленно перспективными интенсификаторами теплообмена, проанализировать технико–экономическую целесообразность их использования в различных отраслях промышленности и энергетике, дать рекомендации по их использованию.

Монография содержит как информационно–справочную, так и аналитическую информацию по исследованиям перспективных видов интенсификаторов теплоотдачи в теплообменном оборудовании в виде поперечных периодических выступов, закрутки потока, оребрения, рельефов из сферических выступов и выемок.

Основные результаты работы получены авторами в Казанском государственном техническом университет им.А.Н.Туполева – КАИ, Казанском государственном энергетическом университете и Московском государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана.

3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Монография подготовлена коллективом авторов: Ю.Ф.Гортышовым (главы 3,7, общее руководство работой, редакция), И.А.Поповым (главы 1,3,4,7), В.В.Олимпиевым (главы 2,3,5,7,8), А.В.Щелчковым (главы 3,4), С.И.Каськовым (глава 6). Перевод иностранных публикаций осуществлен И.А.Поповым.

Авторы выражают благодарность канд. техн. наук Рауфу Данияловичу Амирханову, канд. техн. наук, доценту Анатолию Борисовичу Яковлеву за совместное проведение и обработку результатов экспериментов, канд. техн. наук Виктору Юрьевичу Путилину за предоставленные материалы для главы 6, инженеру Виталию Сергеевичу Колкунову за помощь в организации проведения экспериментальных исследований и изготовление прототипов интенсифицированного теплообменного оборудования. Авторы искренне благодарны кафедре МТ–2 Московского государственного технического университета им.Н.Э.Баумана и лично докт. техн. наук, проф. Николаю Николаевичу Зубкову за предоставленный для испытаний микротеплообменник и информацию по нанесению оребрения деформирующим резанием.

Авторы выражают искреннюю признательность рецензентам докт. техн. наук, заведующему лабораторией Исследовательского центра проблем энергетики Казанского научного центра РАН Николаю Ивановичу Михееву и докт. техн. наук, профессору Казанского государственного технологического университета Андрею Николаевичу Николаеву.

Появлению монографии во многом способствовали всесторонняя поддержка и дискуссии с академиком Российской Академии наук Александром Ивановичем Леонтьевым, докт. техн. наук, профессорами Московского авиационного института Генрихом Александровичем Дрейцером и Александром Сергеевичем Мякочиным, докт. техн. наук, профессором Андреем Викторовичем Щукиным, докт. техн. наук, заведующим лабораторией Института теплофизики им.С.С.Кутателадзе Сибирского отделения РАН Виктором Ивановичем Тереховым, докт. техн. наук, профессором Академии гражданской авиации Сергеем Александровичем Исаевым. Авторы выражают благодарность докт. техн. наук, профессору, члену–корреспонденту Национальной Академии наук Украины Артему Артемовичу Халатову за всестороннюю поддержку исследований и предоставленные опубликованные материалы своих исследований.

Монография подготовлена по материалам исследований и издана в рамках работ по грантам Российского фонда фундаментальных исследований №04–02–08250–офи–а, 06–08–08145–офи, 07–08–00189–а, 08–08–00352–а, 09– 08–00224–а и программам Минобразования РФ №02.516.11.6025 и 2.1.2.6501, 2.1.2.5495.

4

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Условные обозначения

Латинские

В, b – ширина, м;

c – теплоемкость, Дж/(кг К);

D, d – диаметр выемки, выступа, канала, м; Dэ – эквивалентный диаметр канала, м;

Е – коэффициент эффективности ребра; F – площадь, м2;

Fр – площадь поверхности ребер, м2;

Fтр – площадь наружной поверхности трубы, не занятая ребрами, м2; G – массовый расход, кг/с;

Н, h – высота, м;

hр – высота оребрения, мм; I – сила тока;

j=ρw – плотность массового потока, кг/м2с; 1, L –длина, м;

М – масса, кг;

N – мощность на прокачку теплоносителя, Вт; Р – давление, Па;

S – площадь поверхности каркаса, м2; S, s – шаг расположения;

sр – шаг оребрения, мм; T – температура, K;

Q – тепловой поток, Вт;

q – плотность теплового потока, Вт/м2;

R, r – радиус, м; V – объем, м3;

U – сила тока;

w, u, v – скорость, м/с; х, y, z – координата, м.

z1 – число рядов труб поперек потока;

z2 – число рядов труб вдоль потока

Греческие

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2•К); αпр – приведенный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2•К);

5

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

αк – конвективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2•К);

αп – угол;

γ- угол подъема винтовой линии ребра,˚; ∆ – перепад; δ – толщина пограничного слоя, толщина;

δт – толщина теплового пограничного слоя, м; δд – толщина динамического пограничного слоя, м.

δ – межреберное расстояние, мм; δр – толщина ребра, мм;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);

µ– коэффициент динамической вязкости, м2/с;

η, ν – коэффициент кинематической вязкости, Па· с;

ηВ - эффективность оребренных труб по потерям давления на прокачку воздуха вентилятором; ηТ - эффективность оребренных труб по тепловым нагрузкам;

ηV - эффективность оребренных труб по компактности;

π– число Пи;

ρ– плотность, кг/м3;

τ – время, с; касательные напряжения; ϑ, θ – избыточная температура;

ξ – безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления; ψ – коэффициент развития поверхности (оребрения); ψисх – коэффициент развития поверхности относительно исходной

поверхности;

ψD – коэффициент развития поверхности относительно поверхности по наружному диаметру оребрения;

Безразмерные комплексы

E=Q/N – критерий Кирпичева;

E′=Q/(N ∆t ) – модифицированный критерий Кирпичева – коэффициент Антуфьева;

E′= E′/ E′гл– критерий теплогидравлической эффективности;

Eu – критерий Эйлера; Nu – критерий Нуссельта; Рr – критерий Прандтля; Rе – критерий Рейнольдса; St – число Стантона.

Индексы

0 – невозмущенный поток; D – диаметр канала;

f – поток;

6

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

g – гладкий канал; w – стенка.

х – местное (локальное) значение; вх – вход; вых – выход;

гл, 0 – пустой, гладкий канал; ж – жидкость; мин - минимальное значение;

опт - оптимальное значение; ор –основание ребра; отн – относительный; р – ребро; ср – средний; т – тепловой;

тр - канал с трубами; э – эквивалентный; эф – эффективный.

Сокращения

ВЛПС – внутренний ламинарный пограничный слой; ВТПС – внутренний турбулентный пограничный слой; ГТУ – газотуринная установка; ИТ – интенсификация теплообмена;

ИТО – интенсификатор теплообмена; КСВ – канала со сферическими выемками; ЛТП – ламинарно–турбулентный переход; РЗ – рециркуляционная зона;

ПСВ – поверхность со сферическими выемками; ПГУ – парогазовая установка; ПТУ – паротурбинная установка; СВ – сферическая выемка; СВП – сферический выступ; СС – сдвиговый слой; ТА – теплообменный аппарат;

ТЭ – теплообменный элемент; ТЭС – тепловая электростанция; ТЭЦ – тепловая электроцентраль;

УПМ – упорядоченный пористый материал; ХК – хромель-копель; АЭС – атомная электростанция.

Условные обозначения, не вошедшие в список, поясняются в тексте.

7

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

ГЛАВА 1. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ – АКТУАЛЬНОСТЬ, ОБЗОР, ПРОБЛЕМЫ

1.1.Роль теплообменных аппаратов в развитии техники

итехнологий

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

ипищевой 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.

Вконструкциях 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

иназначений определяются уровнем обоснованности решений при проектировании конструкций макро- и микроструктуры поверхностей теплообмена. Это в основном относится к кожухотрубным, трубчаторебристым, 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 ТА и различного рода ребристых ТА.

8

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

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 проектносметных 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 усиливающимся присутствии поставщиков из других регионов мира.

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;

9