Совершенствование теплообменных аппаратов водяных систем теплоснабжения повышением энергетической эффективности

В последние годы в России проводится замена устаревшего тепломеханического оборудования в тепловых пунктах систем теплоснабжения. Используемые ранее кожухотрубные водоподогреватели (КТТО) заменяют пластинчатыми теплообменниками (ПТО), поверхности теплообмена которых набирают из гофрированных пластин. Причем заменяют кожухотрубные аппараты преимущественно на ПТО разборного типа (РПТО). Пластинчатые теплообменные аппараты отличаются более высокими, чем кожухотрубные (КТТО) с гладко-стенными трубками, коэффициентами теплопередачи и соответственно меньшими габаритными размерами. Достоинством РПТО является также удобство монтажа, разборки и чистки греющих поверхностей и, как следствие, — меньшие (до 30%) эксплуатационные затраты. Для изготовления теплопередающих пластин используют нержавеющие стали, более стойкие, чем латунь, из которой изготавливают трубчатые поверхности нагрева КТТО, что ведет к увеличению срока службы теплообменников. В ПТО, кроме того, медленней образуются отложения на поверхности теплообмена. Однако недостатками применяемых в настоящее время пластинчатых теплообменников являются повышенные гидравлические сопротивления каналов, образованных гофрированными пластинами. Поэтому при их расчете и подборе скорость воды не рекомендуется принимать выше 0,4 м/с (в кожухотрубных до 1,5 м/с), что ограничивает возможность интенсификации теплообмена увеличением скорости теплоносителя. Еще одним недостатком ПТО является то, что изменение площади поверхности теплообмена увеличением или уменьшением количества пластин ведет неизбежно к изменению проходных сечений каналов обоих теплоносителей, что создает определенные трудности его расчета и подбора. Тогда как в теплообменниках, набираемых из кожухотрубных секций, этого недостатка удается избежать.

Основная трудность расчета, подбора и дальнейшего совершенствования ПТО связана с тем, что их расчет осуществляется по компьютерным программам зарубежных фирм-разработчиков, при написании которых используются не обобщенные, а частные теплогидравлические характеристики (зависимости по теплообмену и сопротивлению), полученные для каждого типоразмера пластин и теплообменников по результатам их натурных испытаний. При этом фирмы-разработчики и изготовители теплообменников не приводят полной информации о геометрии пластин и образованных ими каналов в каталогах, справочных материалах и протоколах-распечатках результатов расчета и подбора ПТО. Указанные обстоятельства затрудняют проверку сделанного выбора наиболее рационального типоразмера водоподогревателей, препятствуют проведению работ по совершенствованию их конструкции.

Альтернативным решением может стать применение кожухотрубных секций с профилированными трубками. Для поверхностей теплообмена, набираемых из профилированных труб, имеется относительно большое количество эмпирических зависимостей по теплообмену и сопротивлению. Но их анализ показал, что при обработке опытных данных некоторые особенности геометрии (в частности форма интенсификатора) не принимались во внимание или учитывались не полностью. Поэтому возникают проблемы при их обобщении. Более того, от заводов-изготовителей имеется информация о значительном сокращении срока эксплуатации профилированных труб, изготовленных холодной прокаткой, по сравнению с гладкими.

Получение обобщенных теплогидравлических характеристик ПТО и профилированных труб представляется весьма актуальной и полезной с научной и практической точек зрения задачей. Это позволит сделать более универсальными методы их расчета, глубже изучить механизм интенсификации теплообмена в профилированных трубах и каналах, более обоснованно выбирать эффективные поверхности теплообмена и теплообменные аппараты.

Объект исследования:

Разборные пластинчатые теплообменные аппараты, кожухотрубные теплообменные аппараты с профилированными трубками.

Целью работы является разработка рекомендаций по совершенствованию ПТО путем повышения показателей энергетической эффективности на основе результатов расчетного, численного и экспериментального исследований теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с профилированными стенками.

Задачи работы:

— численное исследование процессов теплообмена и сопротивления в трубах с кольцевой поперечной накаткой;

— получение обобщенных теплогидравлических характеристик для РПТО;

— экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик перспективных поверхностей нагрева для РПТО;

— сравнение показателей энергетической эффективности современных пластинчатых и трубчатых теплообменников и теплообменников с перспективными поверхностями нагрева;

— формулирование рекомендаций по внедрению перспективных поверхностей нагрева;

— оценка энергосбережения при использовании ПТО с перспективными поверхностями нагрева водяных систем теплоснабжения.

Научная новизна:

1. Впервые получена сводка частных теплогидравлических характеристик РПТО, выпускаемых рядом отечественных и зарубежных производителей.

2. На основе результатов проведенных расчетных исследований получены обобщенные теплогидравлические характеристики для современных РПТО, позволяющие рассчитывать теплообмен в каналах таких аппаратов со среднеквадратичным отклонением ± 2,7 — 19,1 при максимальном 37,1% и сопротивление со среднеквадратичным отклонением ± 3,8 — 21, при максимальном 38,2%.

3. Уточнен перечень и правила вычисления безразмерных переменных, используемых при получении обобщенных теплогидравлических характеристик РПТО.

4. В процессе обобщения теплогидравлических характеристик РПТО доказана необходимость введения дополнительного фактора, учитывающего влияние неравномерности распределения потоков теплоносителей по ширине и глубине пакета пластин в ПТО.

5. На основе результатов численного исследования с использованием специализированного пакета «Р1иеп1—6.3.26» подтверждено, что формирование течения в трубах с поперечной кольцевой накаткой практически завершается на первых трех периодах их продольного профиля.

6. Получены новые экспериментальные данные по теплообмену и сопротивлению каналов, образованных пластинами с шахматно-расположенными плоскими прерывистыми ребрами.

Практическая ценность:

1. Полученные частные и обобщенные теплогидравлические характеристики позволяют рассчитывать и подбирать РПТО, а также оптимизировать их конструктивные размеры и режимные параметры расчеты РПТО, основанные на методах среднего температурного напора и эффективности.

2. Уточненный в работе метод обобщения теплогидравлических характеристик РПТО с использованием безразмерный переменных, может быть использован для получения аналогичных характеристик продукции вновь появляющихся на рынке производителей и поставщиков РПТО.

3. Полученные результаты сравнения энергетических показателей исследованных поверхностей нагрева, а также проведенная оценка энергосбережения, доказывают практическую ценность и перспективность применения в ПТО пластин с шахматно-расположенными плоскими прерывистыми ребрами.

4. Исследования теплообмена и сопротивления в трубах с профилированными стенками с помощью специализированного пакета «Р1иеп1−6.3.26» подтверждают возможность получения надежных данных, не прибегая к более дорогостоящему физическому эксперименту;

5. Результаты научной работы рекомендованы для применения в проектных институтах и организациях при разработке исполнительной документации систем теплоснабжения. Использованы при выполнении НИР и НИОКР по разработке эффективных теплообменников с интенсифицированными поверхностями нагрева в соответствии с госконтрактами № 02.516.11.6025 от 26 апреля 2007 и № 02.526.11.6014 от 10.07.2009 с Федеральным агентством по науке и инновациям РФ, а также НИР по теме «Исследования иеизотермического течения нелинейно-вязкой жидкости в профильно-витых каналах» в рамках тематического плана Рособразования в 2007;2008 гг. Достоверность.

Приведенные в диссертационной работе результаты и выводы базируются на проведенных расчетно-экспериментальных и численных исследованиях, а также на сопоставлении части результатов исследования с имеющимися результатами других авторов.

На защиту выносятся:

— частные и обобщенные зависимости по теплообмену и гидродинамическому сопротивлению для ряда современных РПТО;

— проведенные автором результаты экспериментальных исследований РПТО с перспективными поверхностями нагрева;

— результаты численных исследований процессов теплообмена и гидравлического сопротивления в трубах с поперечной кольцевой накаткой;

— результаты сопоставления современных РПТО, КТТО с профилированными трубками и РПТО с шахматно-расположенными плоскими прямоугольными прерывистыми ребрами;

— результаты проведенной оценки энергосбережения при использовании ПТО с перспективными поверхностями нагрева водяных систем теплоснабжения.

Апробация работы.

Основные положения работы, результаты расчетно-экспериментальных и численных исследований докладывались и обсуждались на:

— 11, 12, 13, 14, 15 -ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.;

— Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. Вынужденная конвекция однофазной жидкости. М.: МЭИ, 2006.;

— XVI школе-семинаре молодых ученых и аспирантов под руководством академика А. И. Леонтьева: Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках. 20−25 мая 2007 г., г. Санкт-Петербург.

— Четвертой Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов. Энергосбережение. Теория и практика. М.: МЭИ, 20−24 октября 2008 г.

— ежегодных семинарах аспирантов кафедры ТМПУ (2006 — 2009 гг.).

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих опубликованных работах:

1. Юркина М. Ю., Ефимов A.JI. Численное моделирование процессов теплообмена и гидравлического сопротивления при движении вязких и нелинейно-вязких жидкостей в профилированных каналах // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. — № 2 — С. 72 — 74.

2. М. Yu. Yurkina, E.V. Ovchinnikov, A.L. Efimov., Generalization of the Data on Heat Transfer and Resistance for a flow in Profiled Channels and Plate Heat Exchangers // Heat Transfer Research. 2009. — Vol. 2 -No. 3 — p. 225 — 234.

3. Бережная O.K., Ефимов A.JI., М. Ю. Юркина. Обобщение данных по теплообмену и сопротивлению профилированных каналов теплообменников // Труды Четвертой национальной конференции по теплообмену: В 8 томах. Т.6.

Дисперсные потоки и пористые среды. Интенсификация теплообмена. — М.: МЭИ, 2006. — с. 219−222: ил.

4. A. J1. Ефимов, В. О. Данилов, М. Н. Попова, М. Ю. Юркина. Режимы работы и особенности расчета паропровода системы теплоснабжения промышленного предприятия при переменной тепловой нагрузке. // Научная конференция по теплоэнергетике НКТЭ-2006, 4−8 сентября 2006 г. Материалы докладов, под. ред. Ю. Г. Назмеева, В. М. Шлянникова. — Казань: Иссл. Центр пробл. энерг. КазаНЦРАН, 2006. -Т.1.-392 с.

5. A. J1. Ефимов, Е. В. Овчинников, М. Ю. Юркина. Обобщение данных по теплообмену и сопротивлению в профилированных каналах и для пластинчатых теплообменных аппаратов. // Труды XVI школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева. «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». 21−25 мая 2007 г., Санкт-Петербург. В 2 томах. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007. С. 376−379.

6. A. J1. Ефимов, Е. В. Овчинников, М. Ю. Юркина. Моделирование процессов теплообмена и гидродинамики в профилированных каналах с использованием пакета FLUENT 6.3.26. // Энергосбережение — теория и практика: труды Четвертой международной школы-семинара молодых ученых и специалистов. М.: МЭИ, 2008. — с. 125 — 127.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 179 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения. Работа содержит 52 рисунка и 28 таблиц, 4 приложения, список использованных источников содержит 95 наименований.

выводы.

1. Впервые получена сводка частных теплогидравлических характеристик РПТО (таблицы 3.1.3.2), выпускаемых рядом отечественных и зарубежных производителей.

2. На основе результатов проведенных расчетных исследований получены обобщенные теплогидравлические характеристики для современных РПТО. Полученные теплогидравлические характеристики позволяют рассчитывать теплообмен в каналах таких аппаратов со среднеквадратичной погрешностью ± 2,7 — 19,1% при максимальном 37,1% и сопротивление со среднеквадратичной погрешностью ± 3,8 — 21%, при максимальном 38,2% (рисунки 3.7.3.18).

3. На основе результатов численного исследования с использованием специализированного пакета «Р1иеп1—6.3.26» подтверждено, что формирование течения в трубах с поперечной кольцевой накаткой практически завершается на первых трех периодах их продольного профиля.

4. Получены новые экспериментальные данные по теплообмену и сопротивлению каналов, образованных пластинами с шахматно-расположенными прерывистыми ребрами (таблицы 4.1.4.4).

5. Уточнен перечень и правила вычисления безразмерных геометрических переменных, используемых при получении обобщенных теплогидравлических характеристик ПТО (таблица 3.1). В процессе обобщения тепло-гидравлических характеристик ПТО доказана необходимость введения дополнительного фактора, учитывающего влияние неравномерности распределения потоков теплоносителей по ширине и глубине пакета пластин в ПТО, Ха (эмпирический коэффициент), позволяющий учесть неравномерность распределения потока по глубине и ширине пакета пластин.

6. В результате выполнения обобщения данных для учета влияния геометрии на теплообмен и сопротивление был получен геометрический ком.

1=к плекс в виде Ег =^хк, р, особенностью которого является то, что показа1 тели степени при каждом строго говоря, не отражают истинного влияния каждого из этих факторов, являющихся, как правило, взаимозависимыми, на величину N11 или.

7. Доказано, что для расчета коэффициента теплообмена и гидродинамического сопротивления можно использовать формулы А. Р. Витинга. Среднеквадратичные отклонения экспериментальных значений коэффициентов теплопередачи от рассчитанных с использованием зависимостей от формул составили: для шахматно-расположенных плоских прерывистых ребер — 0,24.27,49%. Причины в отсутствии идеального контакта между основаниями ребер и пластинами и различие условий обтекания ребер потоком теплоносителя в зависимости от формы оребряющих вставок (рисунок 4.5).

8. На основании полученных результатов сравнения теплообменников и оценки энергосбережения в качестве наилучшего выбран вариант 2, для которого экономия электрической энергии — АЭ— 6,5. 12,6, кВтч/год, а экономия топлива Д5=1,5.2.9, т у.т./год (таблица 5.2), величина ТТЧ2 г составила 1206 т у.т./т.