«национальный исследовательский мордовский государственный университет
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Н. П. ОГАРЕВА»
Институт механики и энергетики
Кафедра теплоэнергетических систем
Отчет о научно-исследовательской работе
Автор_______________________________________________ Р. А. Шершенов
подпись, дата
ОбозначениеОТЧ-02069964-13.04.01-52-18
Преподаватель__________________________________________С. А. Мальцев
подпись, дата
Саранск 2018
Анализ методов интенсификации теплоотдачи со стороны газового потока.
Достаточно актуальной проблемой в наше время является проблема создания современного высокоэффективного, а главное наименее затратного теплообменного оборудования. Согласно государственной программы Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 декабря 2010 г. №2446 [1], наша целью стоит снижение валового продукта РФ на 13,5. Энергосбережение и повышение энергетической эффективность необходимо рассматривать как один из основных источников экономического роста. Согласно подпрограммам вышеупомянутой государственной программы, планируется осуществление технический мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности тепло- и электростанциях. Предлагается техническое перевооружение действующих станциях с выводом из эксплуатации неэкономичного, морально устаревшего паросилового оборудования газовых тепловых станций и замена его новыми установками с использованием газотурбинных и парогазовых технологий, модернизация и реконструкция действующих конденсационных и теплофикационных установок и станций с использованием современного энергоэффективного оборудования. Планируется реализация мероприятий по снижению среднего удельного расхода топлива на отпуск тепловой энергии от тепловых электростанций до 300 
. Ключевыми элементами энергосбережения и повышения энергетической эффективности являются наличие российских или иностранных технологий. Условием, необходимым для выполнения задач по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в электроэнергетике, является разработка новых технологий и освоение отечественным энергетическим машиностроением производства нового оборудования.
В данной диссертации предлагается способ интенсификации теплообмена в конвективной части котла ТВГ-8 посредством внедрения ударного узла. К данному способу мы пришли, исследовав способы увеличения теплоотдачи, предложенные российскими изобретателями и учеными.
В настоящее время интенсификация конвективного теплообмена является одной из перспективных и сложных проблем теории переноса. Традиционно считается, что эта задача наиболее актуальна для теплоносителей, которым присущи высокие значения чисел Рейнольдса[2].
Однако элементарные объемы жидкости, перемещаясь по сложным траекториям в пристенной области, могут переносить теплоту более эффективно, чем количество движения из-за различий в распределении полей температуры и вектора скорости. Очевидно, что такая ситуация может возникнуть как результат продуманного интенсифицирующего воздействия на процесс теплообмена, как следствие свойств жидкости или как совместный результат того и другого.
Разработаны и исследуются самые различные методы интенсификации теплообмена. Принципиально их классифицируют на две категории:
1) активные методы интенсификации: механическое воздействие на поверхность теплообмена (вращение или вибрация поверхности, перемешивание жидкости и т. п.); воздействие на поток электрическим магнитным или акустическим полем, пульсациямидавления; вдув или отсос рабочей среды через пористую поверхность и др.
2) пассивные методы, в основе которых - воздействие на поток формой поверхности теплообмена: применение вставных интенсификаторов (винтовых, локальных и пластинчатых закручивателей потока), различное оребрение поверхности теплообмена и др.).
Интенсификация теплообмена при использовании периодически кольцевых выступов. Это один из наиболее эффективных и исследованных способов интенсификации. Стоит отметить, что накатка кольцевых канавок достаточно технологична, так как не увеличивает наружный диаметр труб, позволяя использовать данные трубы в тесных пучках и не менять существующей технологии сборки теплообменных аппаратов. Кольцевые диафрагмы и канавки турбулизируютпоток в пристенном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена снаружи и внутри труб.
Рис. 1. Продольный разрез трубы с кольцевой накаткой
Для труб с кольцевымитурбулизаторами получены обобщающие зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления от числа РейнольдсаRe, шага расположения турбулизаторов t / D и высоты турбулизатора d / D. Во всех нижеприведенных зависимостях при вычислении коэффициентов теплоотдачи в трубах с кольцевымитурбулизаторами и в пучках труб увеличение поверхности теплообмена не учитывалось, т. е. плотность теплового потока определялась по поверхности гладкой трубы.
При расчете Re и ^ скорость потока находят по проходному сечению гладких каналов. Опытные данные по средней теплоотдаче при нагревании и охлаждении газов (Tcm / Tn = 0,13...1,6) обобщают формулами, погрешность которых составляет ± 12 %.
Закрутка потока в трубах с помощью винтовых вставок. При закрутке потока местные пристеночные скорости увеличиваются, и общее течение изменяется. Закрутка потока в трубах осуществляется при использовании закрученных лент и шнеков (рис. 2). При этом оно поддерживается непрерывно по всей длине трубы, что обеспечивает постоянство соотношения тангенциальной и осевой составляющей скорости.
При закрутке потока лентой в поперечном сечении жидкость перетекает от периферии к центру в результате действия градиента давления. Кроме того, жидкость из пограничного слоя проникает в ядро потока. Эти движения приводят к возникновению четырех вихревых областей (рис. 3), которые способствуют усилению теплообмена и совместно с действием центробежных сил уменьшаюттакже способствует возникновению турбулентного течения при меньших числах Re.
Рис. 2. Винтовые вставки: 1 - закрученная лента; 2 – шнек
Рис. 3. Схема образования вторичных течений в трубе с закрученной лентой
Турбулентное течение теплоносителей в теплообменных аппаратах предпочтительнее, так как оно обеспечивает выгодное соотношение между уровнем теплообмена и величиной потерь давления по сравнению с ламинарным режимом.
Однако ламинарное и переходное течения также реализуются в каналах теплообменного оборудования как при нерасчетных режимах работы (пониженные расходы сред), так и при нормальных режимах эксплуатации. При ламинарных режимах течения определяющим механизмом переноса тепла является теплопроводность (поперек потока, по нормали к стенке), поэтому интенсивность теплоотдачи относительно мала. В отличие от турбулентного течения, в ламинарном (переходном) потоке термическое сопротивление в канале более равномерно распределено по всему его поперечному сечению, поэтомудля интенсификации теплоотдачи необходимо возмущающее воздействие на обширную зону пристенного течения. Ленточные заверите-ли в этой области режимов особенно эффективны. Для ламинарного течения предпочтителен диапазон шагов закручивателяS = (6... 10)D. Анализ, проведенный в различных работах, показывает, что увеличение теплоотдачи, полученное с помощью закручивателей, в переходном и турбулентном режимах с ростом числа Re значительно падает, и поэтому использовать закручиватели при больших числах Re для потока в трубе не рекомендуется.
Каналы со спиральными выступами и пружинными вставками. В трубах со спиральными выступами интенсификация обусловлена совместным действием двух фак-торов: турбулизацией и разрушением пристеночного слоя течения выступами и закруткой пристеночного потока под действием выступов. Интенсифицирующее воздействие частичной закрутки течения низким выступом.
(только пристеночной зоны) реализуется через увеличение пристеночной скорости потока. Этот способ следует отнести к комбинированным способам интенсификации теплообмена, так как на поток одновременно действует турбулизация и закрутка.
Интенсификаторы типа «диффузор–конфузор». Трубчатые поверхности теплообмена с волнистыми стенками состоят из участков конфузоров и диффузоров, которые изготавливаются путем накатки специальными роликами (рис. 4). Углы расширения диффузоров и конфузоров выбираются по условию получения потока с нестационарными отрывными явлениями. Такие отрывы потока интенсифицируют теплообмен.
Рис. 4. Продольный разрез трубы типа конфузор–диффузор
При малой относительной длине диффузора и при наличии подпора за счет конфузора отрывы потока носят нестационарный характер, что благоприятно сказывается на интенсификации теплообмена. Внешняя турбулентность при отрицательном градиенте давления способствует ин-тенсификации теплообмена. Указанные условия реализуются в рассматриваемом случае следующим образом: турбулентность генерируется в диффузорной области и благоприятно воздействует в конфузорной области.
Данные трубы характеризуются относительно низким сопротивлением и высоким теплообменом. Теплосъем при равном сопротивлении увеличивается приблизительно в 1,5 раза.
Трубы типа «конфузор–диффузор» перспективны для применения и в ламинарном, и в переходном режимах течения различных сред в трубах теплообменников. Эксперименты показывают, что при одинаковых с гладкой трубой энергозатратах на прокачивание масла в таких трубах при переходном режиме теплосъем увеличивается на 40... 70 %.
Выбор оптимального метода интенсификации тепло-обмена определяется многими условиями, которые в каждом конкретном случае должны быть учтены. Приведем важнейшие из этих условий:
- цели и задачи интенсификации теплоотдачи в конкретном классе ТУ;
- величина допустимых энергетических затрат на интенсификацию теплообмена и вид располагаемой для этого энергии;
- гидродинамическая структура потока, в котором требуется интенсифицировать теплоотдачу; характер распределения плотности тепловых потоков или поле температур в теплоносителе; доступные способы управления структурой потока;
- технологичность изготовления ТУ с интенсификацией теплоотдачи, удобство и надежность в эксплуатации.
Интенсификация теплоотдачи трубного канала при профилировании его накаткой достигается за счет дополнительной турбулизациипристенных слоев жидкости, что приводит к увеличению коэффициента переноса тепла на стенку. Как найдено авторами накатки и рядом ее исследователей, оптимальным значением является приблизительно d/D=0.92-0.94. Большее сужение проходного сечения трубного канала, хотя и приводит к большему росту коэффициента переноса тепла на стенку, сопровождается заметно возрастающей диффузией турбулентности во внутренний объем канала, существенными потерями энергии на прокачку теплоносителя, и, по ныне устоявшемуся мнению, не нужно, ибо ядро потока теплоносителя в турбулентном режиме и так является достаточно турбулизованным.
Тем не менее, опираясь на опыт исследований тепломассопереноса при проведении химических реакций в турбулентных потоках, в ИХФ РАН было предположено, что и для интенсификации теплообмена вполне можно использовать турбулизацию всего потока, включая его ядро. Эта дополнительная турбулизация может быть осуществлена путем большего изменения величины проходного сечения, чем это считается допустимым для накатки. Предложенный метод был назван методом глубокого профилирования.
Сущность его заключается в том, что при интенсивной турбулизации всего потока в целом вблизи стенки, помимо увеличения коэффициента переноса, имеет место и увеличение градиента температуры (т.е., температурного напора, определяющего, наряду с коэффициентом, величину диффузионного потока тепла на стенку) за счет «выполаживания» ее радиального профиля. Исследования, проведенные в ИХФ РАН, показали, что несмотря на существенный рост потерь энергии на прокачку теплоносителя, могут быть найдены такие значения конструктивных и расходных параметров, учитывая при этом, что DP~v2, а Nu~vm, где m<1, которые обеспечат приемлемые значения характеристик процесса теплообмена.
Результаты проведенных нами исследований опубликованы, см., например. В целом они указывают на применимость метода глубокого профилирования для практического использования, и потому мы хотели бы ознакомить заинтересованного читателя с их, по крайней мере, основными результатами. Тем более, что на наш взгляд, именно этот метод представляется наиболее эффективным и перспективным среди известных на сегодняшний день.
Понятно, что правильный выбор того или иного метода интенсификации теплообмена при решении тех или иных технологических задач может быть осуществлен лишь на основе надлежащей оценки их свойств и параметров. Эта оценка, понимаемая часто как эффективность интенсификации, должна быть построена на соотнесении эффекта интенсификации и затрат на ее осуществление и носить сравнительный характер. Она может быть получена путем сопоставления данных для оцениваемого теплообменника (или его канала) с уже известными данными, в качестве которых чаще всего и удобнее всего использовать данные для гладкотрубных теплообменников (каналов).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. ФЗ о государственной программы Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года».
2. А.Г. Лаптев, Н.А. Николаев, М.М. Башаров Методы интенсификации и моделирования тепломассообменных процессов. Учебно-справочное пособие. – М.: «Теплотехник», 2011. – 335 с.
3. У. Х. Ибрагимов, С. Б. Шамуратова, Б. Р. Рахмонов Интенсификация теплообмена в каналах. «Молодой ученый» №8 – 2016
4. А. А. Кишкин, М. В. Краев, А. А. Зуев А. А. Кишкин, М. В. Краев, А. А. Зуев ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА. «Авиационная и космическая техника» - 2005
5. А.А.Коноплев, Г. Г.Алексанян, Б.Л.Рытов Интенсификация конвективного теплообмена глубоким профилированием. Компактные и эффективные трубчатые теплообменники. "Новости теплоснабжения"- Берлин Ал.Ал.. 2016. Т.48. №2
6. Коноплев А.А., Алексанян Г.Г., Рытов Б.Л. Об эффективных трубчатых теплообменниках. Теорет. основы хим. технологии. Берлин Ал.Ал.. 2015. Т. 49. №1
7. РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛИТЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИНТЕНСИФИКАЦИЕЙ ТЕПЛООБМЕНА В ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЕ С ГАЗИФИЦИРУЕМОЙ МОДЕЛЬЮ [Электронный ресурс] / О.И. ШИНСКИЙ [и др.]. // Литье и металлургия. — Электрон.дан. — 2017. — № 4. — С. 60-67. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/journal/issue/309278.
8. Макеев, А.Н. К ВОПРОСУ ЛОКАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ИМПУЛЬСНО-КОЛЕБЛЮЩЕЙСЯ ЦИРКУЛЯЦИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ [Электронный ресурс] // Бюллетень науки и практики. — Электрон.дан. — 2018. — № 5. — С. 254-262. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/journal/issue/307903.
9. Ван, В. АНАЛИЗ ПАССИВНЫХ МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ ВЫСОКОЙ ВЯЗКОСТИ [Электронный ресурс] / В. Ван, А.Н. Макеев. // Бюллетень науки и практики. — Электрон.дан. — 2018. — № 3. — С. 112-120. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/journal/issue/306675.
10. Zou, T., G. Kang, M. Zhou, M. Li, and Y. Cao. 2019. "SubmergedVacuumMembraneDistillationCrystallization (S-VMDC) withTurbulentIntensificationfortheConcentrationofNaClSolution." SeparationandPurificationTechnology 211: 151-161.
11. Amaris, C., M. Vallès, and M. Bourouis. 2018. "VapourAbsorptionEnhancementusingPassiveTechniquesforAbsorptioncooling/heatingTechnologies: A Review." AppliedEnergy 231: 826-853.
12. McDonough, J. R., R. Law, D. A. Reay, and V. Zivkovic. 2018. "IntensifiedCarbonCaptureusingAdsorption: HeatTransferChallengesandPotentialSolutions." ThermalScienceandEngineeringProgress 8: 17-30.
13. Evdokimenko, I. A. and P. D. Lobanov. 2018. "HeatTransferinBubblyDownwardFlowatLowGasFlowRates".
14. Seredyński, M. 2018. "NumericalInvestigationofPassiveStabilizationoftheSurfaceTemperatureusing PCM andMetalFoam.".
15. Farnam, M., M. Khoshvaght-Aliabadi, and M. J. Asadollahzadeh. 2018. "HeatTransferIntensificationofAgitated U-TubeHeatExchangerusingTwisted-TubeandTwisted-TapeasPassiveTechniques." ChemicalEngineeringandProcessing - ProcessIntensification 133: 137-147.
16. Chakravorty, A. 2018. "ProcessIntensificationbyPulsationandVibrationinMiscibleandImmiscibleTwoComponentSystems." ChemicalEngineeringandProcessing - ProcessIntensification 133: 90-105.
17. Sosnowski, M., K. Grabowska, J. Krzywański, W. Nowak, K. Sztekler, and W. Kalawa. 2018. "TheEffectofHeatExchangerGeometryonAdsorptionChillerPerformance.".
18. Kulkarni, S. R., L. A. Vandewalle, A. Gonzalez-Quiroga, P. Perreault, G. J. Heynderickx, K. M. VanGeem, and G. B. Marin. 2018. "ComputationalFluidDynamics-AssistedProcessIntensificationStudyforBiomassFastPyrolysisin a Gas-SolidVortexReactor." EnergyandFuels 32 (10): 10169-10183.
19. Grabowska, K., M. Sosnowski, J. Krzywanski, K. Sztekler, W. Kalawa, A. Zylka, and W. Nowak. 2018. "TheNumericalComparisonofHeatTransferin a CoatedandFixedBedofanAdsorptionChiller." JournalofThermalScience 27 (5): 421-426.
20. СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА СРЕД И ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, РЕАЛИЗУЮЩИЙ СПОСОБ: пат. 2 246 675 Рос. Федерация: F28D 9/00 (2000.01) F28F 3/00 (2000.01) Ерёмин Ю.Н., Павловский Л.М., Тятинькин В.В., Френкель А.И., Шерр А.С.; заявитель и патентообладатель Ерёмин Ю.Н., Павловский Л.М., Тятинькин В.В., Френкель А.И., Шерр А.С – 2002111476/06, 30.04.2002; опубл. 27.11.2003 Бюл. № 33
21. СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА: пат. 2 652 700 Рос. Федерация: F28F 13/00 (2006.01) Шкилев В. Д., Коржавый А. П., Жинов А. А., Голиков А. С.; заявитель и патентообладатель Шкилев В. Д., Коржавый А. П., Жинов А. А., Голиков А. С. – 2016136462, 12.09.2016; опубл. 15.03.2018 Бюл. № 8
22. ПОВЕРХНОСТЬ ТЕЛА ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ТРЕНИЯ И ПОВЕРХНОСТЬ ТЕЛА ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА: пат. 2 425 260 Рос. Федерация: F15D 1/1(2006.01) Кикнадзе Г. И., Гачечиладзе И. А.; заявитель и патентообладатель Кикнадзе Г. И., Гачечиладзе И. А.– 2009111020/06, 31.08.2006; опубл. 27.07.2011 Бюл. № 21
23. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТАКТА ГАЗА С ЖИДКОСТЬЮ: пат. 169 750 Рос. Федерация:B01F 5/04 (2006.01) B01F 3/04 (2006.01) Леонтьев В. К., Кораблева О. Н., Смирнова О. В., Погодина Т. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ярославский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ЯГТУ") – 2016112026, 30.03.2016; опубл. 31.03.2017 Бюл. № 10
24. Водогрейный котел: пат. 184 842Рос. Федерация: F24H 1/00 (2006.01) F24H 1/24 (2006.01) Якимович Ю. К., Злодеев Ю. Г.; заявитель и патентообладатель Якимович Ю. К., Бутко А.А., Злодеев Ю. Г.– 2018131443, 31.08.2018; опубл. 12.11.2018 Бюл. № 32
25. СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ): пат. 2 631 120 Рос. Федерация: G21C 1/00 (2006.01) Балакирев В. Г.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество "Красная Звезда" (АО "Красная Звезда") – 2016123400, 14.06.2016; опубл. 19.09.2017 Бюл. № 26
26. ТЕПЛООБМЕННАЯ ТРУБА: пат. 2 496 072 Рос. Федерация: F28F 1/00 (2006.01) Олимпиев В. В., Мирзоев Б. Г.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВПО "КГЭУ") – 2012120495/06, 17.05.2012; опубл. 20.10.2013 Бюл. № 29
27. АППАРАТ ДЛЯ КОНТАКТА ГАЗА С ЖИДКОСТЬЮ С КОМБИНИРОВАННЫМ СОПЛОВЫМ ЭЛЕМЕНТОМ: пат. 152 989 Рос. Федерация: B01F 5/04 (2006.01) Леонтьев В. К., Кораблева О.Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный технический университет" ФГБОУВПО "ЯГТУ" – 2014148319/05, 01.12.2014; опубл. 27.06.2015 Бюл. № 18
28. ТЕПЛООБМЕННИК: пат. 140 783 Рос. Федерация: F28D 7/00 (2006.01) Бандуров С. В., Мартынов В. А., Лазарев Н. М., Тренькин В. Б.; заявитель и патентообладатель Открытое Акционерное Общество "Инжиниринговая Компания "ЗИОМАР" – 2013142200/06, 16.09.2013; опубл. 20.05.2014 Бюл. № 14
29. СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА: пат. 2 652 700 Рос. Федерация: F28F 13/00 (2006.01) Шкилев В. Д., Коржавый А. П., Жинов А. А., Голиков А. С.; заявитель и патентообладатель Шкилев В. Д., Коржавый А. П., Жинов А. А., Голиков А. С. – 2016136462, 12.09.2016; опубл. 28.04.2018 Бюл. № 13