CC BY
335
УДК 536.24
Е. А. Колядин Астраханский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ ЗАКРУТКИ ПОТОКА ГАЗОВ НА КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В УТИЛИЗАЦИОННЫ1Х ГАЗОТРУБНЫ1Х КОТЛАХ
Введение
В решении общей проблемы повышения эксплуатационной эффективности пропульсив-ной установки современного судна (морского, речного или смешанного плавания - «рекаморе») частная задача повышения эффективности ее утилизационного комплекса на первый взгляд не представляется существенной или по крайней мере играющей сколько-нибудь важную роль. Это объясняется, в первую очередь, самим положением теплотехнических процессов утилизационного комплекса в нижней части термодинамического цикла судовой энергетической установки (СЭУ), что принципиально обусловливает относительно низкий термический КПД в рабочих процессах утилизации отбросной теплоты. Как следствие, это как бы предопределяет некоторую небрежность в отношениях к задачам утилизации теплоты на уровнях проектирования, изготовления и эксплуатации агрегатов утилизационных котлов (УК).
Между тем правильно организованная во всех отношениях работа УК в большей степени обеспечивает, во-первых, высокую эффективность всей СЭУ, включая главные двигатели, и, во-вторых, что не менее важно, нормальную жизнедеятельность судового экипажа. Напротив, неудовлетворительная работа утилизационного комплекса снижает уровень техникоэкономических показателей СЭУ и, следовательно, судна и в случаях недопустимых технических ошибок в эксплуатации УК может привести к тяжелым последствиям для судна в целом.
Немаловажным фактом в повышении эксплуатационной эффективности СЭУ является повышение эффективности УК интенсификацией конвективного теплообмена.
Методы интенсификации теплообмена в утилизационных водогрейных котлах
В результате интенсификации процессов теплообмена можно добиться существенного уменьшения массы и габаритов утилизационных котлов, а также обеспечить заданный температурный уровень элементов котлов и повысить надежность их работы.
Выбор того или иного метода интенсификации теплообмена содержит в себе ряд задач. Во-первых, это теплофизическая задача исследования и изыскания гидродинамических и тепловых условий, обеспечивающих оптимальное соотношение между интенсивностью теплообмена и гидравлическими потерями при высоком уровне теплообмена. Во-вторых, это задача очистки поверхности нагрева от термически вредных отложений и обеспечения минимальности этих отложений. В-третьих, это обеспечение длительной и надежной работы модернизированных поверхностей теплообмена (проблемы эрозии, коррозии, прочности и т. д.). В-четвертых, это создание достаточно дешевой и легко выполнимой технологии изготовления этих поверхностей.
Анализируя работы исследователей в области интенсификации конвективного теплообмена в различных областях науки и техники [1-6], рассмотрим те, которые наиболее эффективны и приемлемы для использования в утилизационных водогрейных котлах (УВК) газотрубного типа (табл.).
Высокоэффективным для теплообменных аппаратов часто оказывается применение комбинированных методов интенсификации: комбинирование турбулизаторов с оребрением поверхности или с закруткой потока, использование закручивающих устройств при течении суспензий, при кипении - применение турбулизаторов с низкотеплопроводными покрытиями.
Необходимо отметить, что при выборе на практике того или иного метода интенсификации теплообмена приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и ее универсальность для различных однофазных и двухфазных теплоносителей, технологичность изготовления поверхности, технологичность сборки утилизационного котла, прочностные требования, загрязняемость поверхности, особенности эксплуатации и т. д. Все эти обстоятельства существенно снижают возможности выбора одного из многочисленных исследованных методов интенсификации.
Методы интенсификации теплообмена
Метод интенсификации
| Х/Хо
Ие 104-2^104
Достоинства
Недостатки
Кольцевые
диафрагмы
2,6-2,7
2-4
Разработанная методика изготовления труб с кольцевыми турбулизаторами
Повышенная загряз-няемость; изменение конструкции
Винтовая ленточная вставка
1,8-2,34
2,6-4,5
Простота изготовления и установки без изменения конструкции
Высокое значение гидравлического сопротивления
Шнековая вставка
1,1-1,75
2,2-4,8
Простота установки без изменения конструкции
Высокое значение гидравлического сопротивления
Сферические выступы и выемки на стенках канала
0,95-1,3
1-1,7
Применение в реальных установках
Сложность изготовления выемок; повышенная загрязняе-мость лунок; изменение конструкции
Спиральные
перегородки
2,6
Ликвидация застойных зон, участков с продольным омыванием труб и с торможением, поворотом и разгоном потока
Сложность изготовления винтовой перегородки
Плотноупакован-ные пучки витых труб с поперечными канавками
2,5-3
1,5
Увеличение теплоотдачи внутри и снаружи труб при умеренном росте гидравлического ______сопротивления_______
Повышенная загряз-няемость; изменение конструкции
Акустическое поле (пульсация потока газа, вибрация поверхности теплообмена)
1,5-2
Очистка поверхности теплообмена от загрязнений; применение в реальных установках; возможность управления процессом теплообмена; сохранение конструкции
Повышенная шум-ность и вибрация; установка дополнительного оборудования и как следствие -снижение надежности и удорожание
Электромагнитное поле
2-2,5
Возможность управления процессом теплообмена; отсутствие сопротивления потоку теплоносителя; сохранение конструкции
Повышенное значение напряженности поля и частоты тока; необходимость в установке дополнительного оборудования
1
Экспериментальная модельная установка
Для экспериментальных исследований различных методов интенсификации конвективного теплообмена создана экспериментальная модельная установка утилизационного водогрейного котла. Схема установки показана на рис. 1, а, внешний вид - на рис. 1, б.
В качестве горячей (греющей) среды применяется горячий воздух, подаваемый вентилятором 20 и нагреваемый в нагревателе 5, который проходит внутри трубы, а в качестве холодной (нагреваемой) - вода, которая омывает межтрубное пространство. Движение воды происходит по принципу прямотока.
Установка работает следующим образом. Холодный воздух, подаваемый вентилятором 20, с необходимым расходом проходя через нагреватель 5, нагревается и подается в трубопровод 11, в котором температура горячего воздуха измеряется ртутным термометром 13, установленным в потоке воздуха. Оттуда воздух поступает в расширительную камеру 3 теплообменника 1, далее - в теплопередающую трубу 2, где является греющей средой и нагревает ее. Из теплообменника воздух выходит в выхлопной трубопровод 12, в котором измеряется температура воздуха и его расход. Из выхлопного трубопровода воздух выбрасывается в атмосферу. В то же время охлаждающая вода из водопровода поступает к теплообменному аппарату 1 по трубопроводу 6 через регулирующий вентиль 10 и счетчик 14. Омывая межтрубное пространство теплообменника, вода нагревается. Нагретая вода поступает в трубопровод 9, где измеряется ее температура, и отводится в канализацию.
На экспериментальной установке проводили исследования теплообмена и аэродинамического сопротивления в трубе с винтовой ленточной вставкой, выполненной из стального листа толщиной 2 мм с различным шагом закрутки 5, который варьировался таким образом, чтобы получить относительный шаг 5/С 6, 8 и 12 для внутреннего диаметра теплопередающей трубы С = 50 мм.
а б
Рис. 1. Экспериментальная модельная установка:
1 - газоводяной теплообменник; 2 - теплопередающая труба; 3 - входная расширительная камера;
4 - выходная расширительная камера; 5 - нагреватель; 6 - уравнительная емкость; 7 - переливной трубопровод; 8 - трубопровод подачи воды; 9 - трубопровод отвода воды; 10 - регулирующий вентиль;
11 - трубопровод горячего воздуха; 12 - выхлопной трубопровод; 13 - термометр; 14 - счетчик воды; 15 - диафрагма; 16 - дифференциальный манометр; 17 - хромель-копелевые термопары; 18 - термостат; 19 - многопозиционный переключатель; 20 - вентилятор; 21 - регулятор напряжения;
22 - потенциометр ПП63; 23 - универсальный измерительный прибор Р4833
Для каждой винтовой вставки проводили 4 опыта, отличающиеся массовым расходом воздуха, которые впоследствии позволили описать функциональными зависимостями теплоотдачу и аэродинамику каждой вставки. Все измерения вели с учетом рекомендаций [7, 8]. Для получения надежных данных измерения дублировали: температуру воздуха до и после экспериментального участка измеряли при помощи лабораторных ртутных термометров и хромель-копелевых термопар. Как показали результаты опытов, оба метода измерения температуры приводили к одним и тем же значениям.
Результаты экспериментальных исследований
Результаты экспериментальных исследований по эффективности интенсификации теплообмена в трубах винтовыми вставками представлены на рис. 2.
I полая труба А закрутка Sid 12
I закрутка Sid= 8 • закрутка Sid 6
♦ закрутка 5/С = 12 ■ закрутка 5/с= 8 Ф закрутка 5/с = 6 ■ полая труба
б
Рис. 2. Зависимость теплоотдачи (а) и гидравлического сопротивления (б) от Яе для вставок с различными S/d
а
Диапазон чисел Re, при которых проводили исследования, соответствует числам Re в реальных УВК. Как видно из графиков, в интервале Re 104+2,5-104 при изменении шага закрутки ленты S/d от 6 до 12 увеличение теплоотдачи Nu/Nu0 = 2,32+1,6 сопровождается ростом гидравлического сопротивления ХХ0 = 1,9+1,4.
Выводы
1. Анализ исследований по интенсификации теплообмена в трубах теплообменных аппаратов показал высокую эффективности применения винтовых ленточных вставок при Re = 104+2-104.
2. Создана экспериментальная модельная установка, позволяющая исследовать теплоотдачу и аэродинамику при интенсификации теплообмена в трубах.
3. При экспериментальных исследованиях винтовых ленточных вставок с различными шагами закрутки получено увеличение теплоотдачи в 1,6^2,3 раза, сопровождающееся ростом гидравлического сопротивления в 1,4+1,9 раза.
Проведенные исследования являются частью научно-исследовательской работы кафедры «Эксплуатация водного транспорта» института морских технологий, энергетики и транспорта АГТУ по изучению процессов интенсификации теплообмена в судовых утилизационных котлах с целью повышения их эксплуатационной эффективности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. - М.: Машиностроение, 1990. - 200 с.
2. Щукин В. К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. - М.: Машиностроение, 1980. - 240 с.
3. Мигай В. К. Повышение эффективности современных теплообменников. - Л.: Энергия, 1980. - 143 с.
4. Гухман А. А. Интенсификация конвективного теплообмена и прооблема сравнительной оценки теплообменных поверхностей // Теплоэнергетика. - 1977. - № 4. - С. 5-8.
5. Дрейцер Г. А. Эффективность использования закрутки потока для интенсификации теплообмена в трубчатых теплообменных аппаратах // Теплоэнергетика. - 1997. - № 11. - С. 61-65.
6. Бузник В. М. Интенсификация теплообмена в судовых установках. - Л. : Судостроение, 1969. - 364 с.
7. Трембовля В. И., Фингер Е. Д., Авдеева А. А. Теплотехнические испытания котельных установок. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 413 с.
8. Бошняк Л. Л. Измерения при теплотехнических испытаниях. - Л. : Машиностроение, 1974. - 488 с.
Получено 20.11.2006
THE INFLUENCE OF GAS FLOW SWIRLING ON CONVECTIVE HEAT EXCHANGE IN EXHAUST GAS SMOKE-TUBE BOILERS
E. A. Kolyadin
The intensification of heat exchange processes allows reducing considerably the mass and sizes of exhaust gas boilers, and providing set temperature level of boilers’ elements, and improving their reliability. An experimental model boiler was created for experimental research of different methods of intensification of convective heat exchange. Heat exchange and aerodynamic resistance in the pipe with screw-tape insertion, made of 2 mm thick steel plate with different swirling step (S), which varied in such a way to get a relative step (S/d) 6, 8 and 12 for internal diameter of a heat-transfer pipe (d = 50 mm), were investigated.
Changes of the step of tape swirling (S/d) from 6 till 12 are resulted in the increase in heat transfer (Nu/Nu0 = 2.32+1.6), which is accompanied by an increase in aerodynamic resistance (£/£o = 19+1.4).
