Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

данных теплообменников из указанных материалов приведены на рис.1.17. Был проведен сравнительный анализ представленных теплообменников по площади теплообмена, при чем при сравнении учитывался также подобный теплообменник из меди той же мощности при одинаковых расходах теплоносителей. Результаты сравнения представлены ниже.

Как видно из сравнения, нейлоновый теплообменник по площади теплообмена при заданной тепловой мощности ТА не уступает медному ТА, что говорит о достижении в нем высоких коэффициентов теплопередачи. Приведенные здесь данные показывают перспективность использования полимерных материалов, важность выбора материала и возможность замещения дорогих цветных металлов.

В работе Лиу и др. (2000 г.) также проведен сравнительный анализ трубчатых теплообменников из полимеров типа «жидкость–жидкость» другой конструкции. Был проведен сравнительный анализ представленных теплообменников по площади теплообмена, при чем при сравнении учитывался также подобный теплообменник из меди той же мощности при одинаковых расходах теплоносителей. Схема сравниваемых теплообменников представлена на рис.1.18. Результаты сравнения представлены ниже.

Рис.1.18. Полимерный кожухотрубный теплообменник типа «жидкость– жидкость».

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Как видно из сравнения, нейлоновый теплообменник по площади теплообмена при заданной тепловой мощности ТА уступает медному ТА при данной конструкции. Однако по стоимости полимерные теплообменники на 20% дешевле. Приведенные здесь данные показывают необходимость выбор оптимальной компоновки ТА.

Результаты исследования полимерного кожухотрубного теплообменника типа «жидкость–жидкость» из полого полимерного волокна приведены в работе Закардаса и др. (2005 г.). Прочность полимерных полых волокон позволяет создавать кожухотрубные теплообменники без перегородок. При создании прототипов ТА использовалась полые волокна (фибра) с внутренним/внешним

диаметром 425/575 мкм и 150/360 мкм.

ный перекрестноточный микротеплообменник типа «газ–жидкость» (рис.1.21). В работе представлено сравнение полимерного теплообменника с теплообменниками из других перспек-

41

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

тивных материалов – керамики, алюминия, никеля, при фиксированной тепловой мощности Q. Результаты сравнения приведены в таблице.

Из сравнения видно, что исследованный полимерный теплообменник имеет большую фронтальную площадь F по потоку воздуха и, как следствие, объем V, но в то же время наименьшую массу m.

Рис.1.21. Полимерный перекрестноточный микротеплообменник типа «газ– жидкость»

42

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

–эквивалентный диаметр – 10,42 мм, Параметры металлического теплообменника:

–скорость воздуха – 2 м/с,

–скорость воды – 0,25 м/с,

–тепловая мощность ТА – 8,8 кВт,

–потери давления по воздушной стороне – 66 Па,

–потери давления по водяной стороне – 68 Па.

При создании полимерных теплообменников использовались трубы из высокотемпературного нейлона диаметром 3,8 мм и толщиной стенок 0,2 мм и из перекрестно–плетенного полиэтилена диаметром 9,5 мм и толщиной стенок 1,8 мм. Результаты сравнения полимерных теплообменников представлены в таблице.

Как видно из сравнения, нейлоновый теплообменник имеет гораздо меньший вес и объем, мощность на прокачку воды по сравнению с полиэтиленовым ТА. Как указывают авторы работы – нейлоновый ТА имеет на 18% меньший объем и на 71% меньший вес, чем металлический прототип.

Рис.1.26. Полимерные высокопористые материалы различной структуры

Для систем регенерации тепла зданий сегодня предлагается большой спектр высокопористых полимерных материалов (рис.1.26) в качестве набивки

44

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

для регенеративных теплообменников. Проблемы повышения теплофизических характеристик материалов решаются созданием гибридных пористых полимеров – смесь полимера с порошковым высокотеплопроводным металлом.

1.4.2. Термомеханические проблемы в ТА

Для большого класса энергетических и силовых установок, предназначенных для транспортных и силовых объектов, вопросы динамики являются определяющими. Может оказаться, что продолжительность переходного периода составит значительную долю полного времени работы ТА. Кроме того, ТА в таких установках оказываются наиболее инерционными и поэтому решающим образом влияют на динамические характеристики всего устройства или установки в целом. Существует и другая причина. Часто характеристики ТА в периоды его пуска и останова связаны с проблемой безопасности работы установки в целом, особенно, если переходный процесс осуществляется в незапланированном порядке, например, в результате отключения электропитания. Тогда в результате быстрого изменения температуры могут быть термические напряжения, а при гидравлических ударах, - связанных с резким торможением пробок жидкости, - разрушения трубопроводов и их соединений. Для аппаратов, которые рассчитаны на режим работы с параметрами, близкими к максимально допустимым, достоверное знание динамических характеристик совершенно необходимо.

Для примера рассмотрим надежность ТА паротурбинных установок. Надежность основного и вспомогательного оборудования современных ПТУ проявляется в эксплуатации различным образом. Отказы основного оборудования (турбина, парогенератор) приводят к отказу (вынужденному останову) ПТУ. Отказы вспомогательного оборудования в ряде случаев также могут приводить к останову ПТУ (в основном из-за отказов питательных насосов, ПВД, конденсаторов). Но гораздо чаще отказы в работе теплообменных аппаратов (ТА) ПТУ вызывают снижение технико-экономических показателей работы турбоустановки, не вызывая её аварийного останова. Вместе с тем массогабаритные характеристики ТА ПТУ сопоставимы (а иногда и превосходят) подобные показатели турбинного оборудования, а ресурс ТА (как расчетный, так и реальный) практически всегда меньше ресурса турбины. В силу этого комплексная оценка надежности ТА (с гладкими и различно профилированными трубками, которые в настоящее время рассматриваются как одно из наиболее перспективных направлений повышения эффективности ТА) является актуальной задачей, так же как и решение проблемы повышения их надежности.

Анализ повреждений ТА ПТУ показывает (согласно работам Ю.М.Бродова), что до 70% повреждений обусловлено коррозионноэрозионными процессами в аппаратах и около 25% повреждений теплообменников связано с вибрацией трубных пучков. Для вертикальных ТА картина распределения причин повреждений практически зеркально меняется - до 70 % по-

45

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

вреждений, по мнению специалистов, вызывается вибрацией трубок в трубных пучках. В связи с этим несомненна актуальность исследований, направленных как на изучение вибрационных характеристик (с учетом многочисленных конструктивных и эксплуатационных факторов) с целью получения научно обоснованных данных для расчета и проектирования надежных ТА, а также для их модернизации в условиях эксплуатации.

В целях восполнения данных об отказах, а также выяснения реальных сроков службы ТА ПТУ в [5] был проведен анализ технической документации по ремонту и замене ТА турбоустановок. На основе обобщения представленных материалов по 42 ПТУ, имеющим более 200 ТА, установлено, что для многих ТА характерна меньшая (в отдельных случаях в несколько раз) реальная наработка до исчерпания ресурса по сравнению с нормативными сроками службы ТА, оцениваемыми в 30 лет.

Наиболее широкий обзор литературных материалов по аналитическим, численным и экспериментальным методам исследования динамики ТА с целью выявления состояния вопроса по исследованию динамических характеристик рекуперативных ТА с однофазными теплоносителями, а также с целью обоснования и постановки задачи дальнейших исследований, дан в обзорах и трудах ЦИАМ. Несмотря на имеющиеся работы можно утверждать, что до сего времени в широкой инженерной практике нет удобного и простого метода расчета динамических характеристик ТА, с помощью которого можно было бы определять изменения интересующих величин во времени. Нет методов, позволяющих спроектировать аппарат под заданные динамические характеристики, что особенно важно для объектов, включающих ТА, к которым предъявляются высокие требования по динамике. Наконец, безусловно необходимо знание характеристик при расчете и проектировании систем автоматического управления, включающих подобные ТА.

1.4.3. Высокотемпературные ТА

Специалисты-теплотехники выделяют два основных диапазона температур работы ТА: первый - 150...250°С, второй - около 1400°С. Первый диапазон эксплуатации ТА не вызывает затруднений. Наиболее часто высокотемпературные ТА встречаются в металлургии, стекольной и нефтехимической промышленностях. Основными проблемами при проектировании и изготовлении таких ТА является учет радиационного переноса тепла и выбор термостойких материалов. Здесь в настоящее время выделяют только керамические ТА

(рис.1.27).

Современные керамические материалы позволяют сегодня создавать высокоэффективные компактные теплообменники. Например, в работе [6] продемонстрирован пластинчато-ребристый микротеплообменник для системы утилизации отходящих газов газотурбинного двигателя. При размерах 0,37х0,37х0,2 м и толщине стенок 0,3 мм, толщине ребер 0,2 мм его тепловая

46

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

мощность составляет 210 кВт, тепловая эффективность 90%, температура и давление рабочих сред – до 1300K и до 4 бар.

Рис.1.27. Пластинчато-ребристый микротеплообменник для системы утилизации отходящих газов газотурбинного двигателя.

Однако сдерживающим фактором и здесь является дороговизна керамики и малое количество исследований, относящихся к керамическим ТА.

1.4.4. Повышение компактности ТА

Современные тенденции к росту мощностей многих теплосиловых установок, к их форсированию приводит к необходимости создания высокоэффективных и компактных ТА. Радиаторы, например, современных ДВС занимают 25...30% от объема двигателей, что уже сейчас создает трудности при их компоновке.

Представленная на рис.1.28 диаграмма показывает, что теплогидавлическая эффективность в конечном счете определяет практически все основные показатели производства и эксплуатации теплообменного оборудования.

Рис.1.28. Взаимосвязь основные показатели производства и эксплуатации теплообменного оборудования

Задача повышения эффективности и компактности ТА удачно решается использованием новых перспективных способов интенсификации теплообмена в ТА и новых схем ТА.

Опыт создания и эксплуатации различных ТА показал, что разработанные к настоящему времени методы интенсификации теплообмена обеспечивают

47

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

снижение габаритов в 1,5...2 и более раз по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей.

Исследования интенсификации теплообмена ведутся в различных странах, причем в заметно возрастающем темпе. Необходимо отметить, что проводимые в нашей стране исследования внесли значительный вклад в решение этой проблемы. Достаточно вспомнить работы по интенсификации теплообмена В.М.Антуфьева, В.М.Бузника, Г.И.Воронина, Г.А.Дрейцера, В.Е.Дубровского, Н.В.Зозули, Э.К.Калинина, В.К.Мигая, В.К.Щукина и многих других ученых. И только практической незаинтересованностью промышленности ко внедрению высокоэффективных ТА и в экономии металла можно объяснить слабое внедрение отечественных разработок в наше народное хозяйство.

К настоящему времени предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена [7].

Применительно к течению однофазных теплоносителей используются турбулизаторы потока на поверхности, шероховатые поверхности, развитые за счет оребрения поверхности, закрутка потока спиральными ребрами, шнековыми устройствами, завихрителями, установленными на входе в канал, подмешиванием к потоку жидкости газовых пузырей, а к потоку газа - твердых частиц или капель жидкости, вращение или вибрация поверхности теплообмена, пульсации потока теплоносителя, воздействие на поток электростатических полей, отсос потока из пограничных слоев, струйные системы. Эффективность этих способов различна, в лучшем случае удается увеличить теплоотдачу в 2...3 раза, но для разных способов интенсификации при существенно различных затратах энергии. Интенсификация теплообмена при кипении обеспечивает не только рост теплоотдачи при пузырьковом кипении, но и увеличение максимального теплового потока при пузырьковом и минимального при пленочном кипении, а также увеличение соответствующих критических температурных напоров, т.е. сдвиг кривой кипения в область более высоких температурных напоров и тепловых потоков. Необходимо отметить, что возможности интенсификации теплообмена при кипении большие, чем в однофазных потоках. Так, коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении удается увеличить до 10 раз, а критический тепловой поток более чем в 3 раза. Наряду с турбулизаторами, закручивающими устройствами, оребрением для интенсификации теплообмена при кипении используют нанесение на поверхность пористых материалов, устанавливают неизотермические ребра, используют шероховатые поверхности.

Для интенсификации теплообмена при конденсации предлагают турбулизаторы или ребра, разрушающие пленку конденсата, несмачиваемые покрытия, жидкие стимуляторы для создания капельной конденсации, закрутку потока или вращение поверхности теплообмена.

Высокоэффективным часто оказывается применение комбинированных методов интенсификации: комбинирование турбулизаторов с оребрением поверхности или с закруткой потока, применение закручивающих устройств при

48

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

течении суспензий, при кипении - использование турбулизаторов с пористыми покрытиями.

Далее рассмотрим некоторые новые способы компоновки ТА и интенсификации теплообмена в них.

Пластинчато-ребристые ТА являются одной из основных элементных баз практически любого инженерного проекта техники - транспортные средства, энергетические и нефтехимические установки, криогенная техника и т.д. Уменьшение габаритов, массы и стоимости является актуальной задачей. Ее решение требует разработки и экспериментального подтверждения эффективной физической модели процесса интенсификации теплообмена в некруглых каналах. Основные работы в последние годы по пластинчато-ребристым ТА принадлежат В.Е.Дубровскому [8]. В результате систематических экспериментальных исследований теоретически обоснован и экспериментально подтвержден наиболее эффективный из известных на сегодня метод рациональной интенсификации процесса теплообмена. Он характеризуется условием

На этой базе было разработано и внедрено новое поколение высокоэффективных пластинчато-ребристых ТА для авиации и космонавтики, автомобильного транспорта, которые обеспечили уменьшение их габаритов и массы в 1,5...2,4 раза по сравнению с существующими конструкциями.

С начала 80-х годов особый интерес проявляется к способам пристенной интенсификации теплообмена. Эти способы обладают важным преимуществом перед остальными [9] – они имеют высокую энергетическую эффективность за счет турбулизации лишь пристенной области течения. Поток турбулизируется там, где имеет место максимальный поперечный градиент температуры. В результате этого затраты энергии на прокачку теплоносителя через тракт значительно сокращаются по сравнению с затратами при турбулизации всего потока.

В конструкциях подавляющего большинства теплообменных аппаратов, применяемых во всех этих отраслях, теплота от горячего теплоносителя к холодному передается через стенку. Поэтому технико-экономические показатели теплообменных аппаратов всех типов и назначений 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. Именно гидродинамические и теплообменные процессы в пристенном (пограничном) слое в конечном счете определяют эффективность и компактность теплообменных аппаратов.

Пристенные интенсификаторы теплообмена могут иметь различное конструктивное исполнение. Это - цилиндрические, сферические, призматические и др. выступы и выемки с поперечным, продольным, нормальным или наклон-

49