авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Совершенствование теплообменных аппаратов водяных систем теплоснабжения повышением энергетической эффективности

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Юркина Мария Юрьевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ВОДЯНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОВЫШЕНИЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность 05.14.04 Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2009

Работа выполнена на кафедре Тепломассообменных процессов и установок Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель Кандидат технических наук, профессор

Ефимов Андрей Львович

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Щеренко Александр Павлович

Кандидат технических наук, доцент

Яворовский Юрий Викторович

Ведущая организация Московский государственный университет

путей сообщения (МИИТ)

Защита диссертации состоится «24» декабря 2009 г. в 15 часов 30 минут в аудитории Г 406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, дом 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Автореферат разослан «23» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного

совета Д 212.157.10

д.т.н., доц. Попов С.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

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 гладкостенными 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 ресурсо- и 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 «Fluent-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 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 «Fluent-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 неизотермического 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.

Автор защищает:

  • 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 прерывистыми ребрами;
  • результаты проведенной оценки ресурсо- и энергосбережения при использовании ПТО с перспективными поверхностями нагрева водяных систем теплоснабжения.

Личное участие

Основные результаты получены лично автором под руководством к.т.н., проф. Ефимова А.Л.

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.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ





Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, дается ее общая характеристика, определяются направления исследований, устанавливаются перспективы научного и практического значения решаемой задачи.

В первой главе рассмотрен вопрос о теплогидравлических характеристиках разборных пластинчатых и кожухотрубных теплообменников. Проведен анализ литературных данных и анализ работ по проблеме исследования теплообменников с интенсифицированными поверхностями теплообмена и методов расчета их теплогидравлических характеристик.

Опыт создания и эксплуатации различных тепломассообменных устройств показал, что разработанные к настоящему времени методы интенсификации обеспечивают снижение габаритов и металлоемкости (массы) этих устройств в 1,5…2 раза и более по сравнению с аналогичными устройствами, выпускаемыми серийно, при одинаковой тепловой мощности либо мощности на прокачку теплоносителей.

Несмотря на большое количество работ по данной проблеме основным способом получения теплогидравлических характеристик остается физический и теплотехнический эксперимент, как наиболее надежный и достоверный, но требующий значительных затрат сил и времени. Поэтому при проведении расчетов по теплообмену и гидродинамике в каналах сложной геометрии приходится пользоваться эмпирическими зависимостями, полученными для каждого типа поверхности. Кроме того, при использовании указанного подхода специфика геометрии каналов учитывается, как правило, не полностью. Что, в свою очередь, ведет к росту погрешности расчетов выбранного типа теплообменного аппарата. Разработанные к этому времени полуэмпирические методы расчета теплоотдачи и гидродинамического сопротивления базируются преимущественно на аналогии Рейнольдса. Они содержат дополнительную информацию и позволяют определять теплоотдачу по экспериментально найденной величине коэффициента сопротивления канала лишь приближенно.

Таким образом, разработка моделей и методов для расчета эффективных поверхностей и каналов теплообмена является теоретически и практически актуальной задачей. Оценку эффективности ПТО, применяемых в ТП систем водяного теплоснабжения, целесообразно проводить по методу М.В. Кирпичева, модифицировав показатель энергетической эффективности и приведя его к следующему виду: E = Q / (t (N1+N2)).

В второй главе проводится численное исследование процессов теплообмена и гидродинамики в каналах сложной геометрии. Численные расчеты процессов гидродинамики и теплообмена на исследуемых поверхностях проведены с помощью программы численного моделирования FLUENT (версия 6.3.26, лицензия MPEIO 0015170FE cd 7241).

При этом проверка достоверности результатов, полученных численным методом с использованием пакета Fluent 6.3.26 на основе их сопоставления с известными и надежными опытными данными В. Нуннера [6, 8] по теплообмену и сопротивлению в трубах с поперечными кольцевыми вставками, выбранных в качестве эталонных, поскольку экспериментальное исследование было проведено в широком диапазоне геометрических и режимных параметров.

Для обеспечения возможности сопоставления результатов численных и экспериментальных исследований модели профилированных труб, для которых были построены расчетные сетки, были выбраны геометрические характеристики труб, представленных в таблице 1.1. Результаты численного исследования представлены на рисунках 1.1…1.2.

Таблица 1.1 – Геометрические характеристики труб с внутренней поперечной кольцевой накаткой (экспериментальные данные В. Нуннера)

№ трубы Обозначение трубы Форма сечения кольца n , мм S, мм dв/D, мм kF
1 А 20 24 2 2,5 46/49,82 1,09
2 В 80 6 2 4 46/49,95 1,01
3 B 20 24 2 4 46/49,82 1,047
4 C 80 6 2 15 46/49,82 1,006
5 D 20 12 4 8 42/49,5 1,04
6 D 10 24 4 8 42/49,92 1,08
7 D 5 48 4 8 42/47,78 1,06
8 D 2 122 4 8 42/43,85 1,4


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.