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 |

Увеличение эффективности теплообменников посредством интенсификации теплообмена на поверхностях со сферическими углублениями

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Власенко Алексей Сергеевич

УВЕЛИЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

ПОСРЕДСТВОМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА НА ПОВЕРХНОСТЯХ СО СФЕРИЧЕСКИМИ УГЛУБЛЕНИЯМИ

Специальность 05.14.04 Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2011

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сергиевский Эдуард Дмитриевич
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Глазов Василий Степанович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Яновский Леонид Самойлович
доктор технических наук, профессор Галактионов Валерий Витальевич
Ведущая организация: Московский государственный университет леса (МГУЛ)

Защита диссертации состоится “24 “ марта 2011 года 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: г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 17.

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

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

Автореферат разослан: “ “ _________ 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного

совета Д 212.157.10

к.т.н., доцент Степанова Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Проблема разработки эффективных теплообменных аппаратов актуальна для любой сферы народного хозяйства - в промышленной энергетике, ЖКХ, транспортной, химической и др. отраслях.

Для улучшения характеристик теплоэнергетического оборудования необходимо разрабатывать новые конструкции теплообменных аппаратов, увеличивать эффективность теплообменных поверхностей, применять современные подходы к проектированию теплообменных аппаратов, создавать новые технологии их производства. Правильный выбор теплообменников и их теплообменных поверхностей представляется исключительно важной и актуальной задачей.

В промышленной теплоэнергетике наиболее распространены пластинчатые и кожухотрубчатые теплообменники. Поверхностные интенсификаторы (шероховатость, выступы, и т.д.), которые в них используются при заметном увеличении коэффициента теплоотдачи ведут (за редкими исключениями) к более заметному росту коэффициенту сопротивления (т.е. росту перепада давления и, как следствие, росту мощности на прокачку). Повышение тепловой эффективности теплообмена на 30-40% ведет к росту сопротивления на 40-60%. В то же время такой способ интенсификации как нанесение поверхностных сферических углублений (лунок) выделяется заметным ростом коэффициента теплоотдачи, опережающим увеличение коэффициента сопротивления.



Вихревые способы интенсификации теплообмена, к которым относятся сферические лунки, является одним из самых перспективных, поскольку при его реализации возможен опережающий рост относительного коэффициента теплоотдачи по сравнению с ростом относительного коэффициента сопротивления.

Актуальность работы определяется также тем, что все ранее опубликованные работы по исследованию этого способа интенсификации выполнены либо для обтекания пластины (либо для канала с большой высотой), либо для очень узкого канала (с уже развитым режимом течения), поэтому в данной работе, в первую очередь, исследуются тепловые и гидродинамические характеристики при изменении высоты канала, а также оценивается влияние этого способа интенсификации на характеристики пластинчатых и кожухотрубных теплообменников и выявляется влияние различных факторов, таких как: высота канала, степень турбулентности набегающего потока, расположение лунок, их глубина, продольное или поперечное обтекание теплообменной поверхности.

Часть исследований, которые вошли в диссертацию были выполнены в рамках гранта РФФИ № 05-08-18265.

Целью работы является разработка метода расчета теплообменников промышленной теплоэнергетики (пластинчатых и трубчатых) в части локальных характеристик, коэффициентов теплоотдачи и оценка повышения их эффективности при нанесении полусферических лунок на теплопередающую поверхность. Для этого необходимо решить следующие задачи:

  1. Провести экспериментальные исследования, состоящие из следующих частей:
  • Исследование теплообмена в каналах с лунками на нижней поверхности методом регулярного теплового режима с использованием тепловизионной аппаратуры;
  • Исследование структуры вихревых выносов из лунок в канале при различной его высоте методом дымовой визуализации.
  • Определение потерь давления традиционными средствами измерения;
  1. Проведение численного исследования каналов с лунками на нижней поверхности для оценки их влияния на теплообмен и гидравлическое сопротивление. Сравнение полученных данных с результатами экспериментальных исследований.
  2. Проведение расчетов сопряженной задачи для модели рабочего участка при развитом режиме течения и учете влияния начального участка c целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками;
  3. Получение обобщающих соотношений и проведение расчетов для двух типов теплообменных аппаратов, определение количественных данных по повышению их эффективности.

Научная новизна:

  1. Впервые определено влияние таких факторов как степень турбулентности набегающего потока, высота канала, расположение и параметры лунок, а так же направление обтекания теплообменной поверхности на относительные коэффициенты теплоотдачи и гидродинамики. Это позволило установить зависимости для расчета относительных чисел Нуссельта и коэффициентов сопротивления, как для плоского канала, так и для поперечного обтекания трубы с лунками на её поверхности.

2. Адаптирован метод регулярного режима с помощью тепловизора ИРТИС-200 для поверхности с лунками и получены количественные результаты по коэффициентам Нуссельта с использованием этого метода при турбулентном режиме течения.

3. На основании проведенных экспериментальных визуальных данных и проведенных расчётов проанализирован механизм интенсификации теплообмена, заключающийся в образовании больших вихрей выносимых из области лунок в набегающий поток, которые могут приводить к увеличению коэффициента теплоотдачи.

4. Проведены расчёты сопряженной задачи и выявлено влияние материала пластины на распределение температуры на характеристики в канале с лунками.

  1. Уточнены значения коэффициентов в пристенных функциях, с помощью которых можно находить значения коэффициентов теплообмена по локальным значениям температур при использовании вычислительного комплекса PHOENICS.
  2. Показан эффект при использовании поверхностей с углублениями на примерах пластинчатых теплообменниках, используемых в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) и трубчатых рекуператорах, используемых в схемах высокотемпературных установок (ВТУ) при проведении процессов плавления и варки стекла, что позволяет сэкономить металл при неизменном расходе топлива, либо при той же металлоёмкости аппарата сократить расход топлива.

Достоверность подтверждается удовлетворительной согласованностью расчётных и экспериментальных данных, применением современных экспериментальных методик и вычислительного комплекса PHOENICS, а также удовлетворительным согласием результатов исследования с результатами других авторов.

Практическая ценность. Полученные в работе критериальные выражения удовлетворяют по точности инженерным требованиям и позволяют производить расчеты теплогидравлических параметров в пластинчатых теплообменниках ЖКХ, не прибегая к затратным экспериментальным методам. Предложены мероприятия по экономии природного газа в трубчатых рекуператорах, используемых при проведении плавильных процессов в схемах плавления и варки стекла, которые могут быть частично или полностью реализованы в других отраслях промышленности. Результаты работы используются при чтении курсов «Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий» и «Математическое моделирование и оптимизация систем теплоснабжения и кондиционирования».

Основные положения, выносимые на защиту:

  • результаты экспериментального исследования теплоотдачи, гидравлического сопротивления и структуры потока в каналах разной высоты;
  • результаты численного моделирования турбулентного течения и теплопереноса в каналах теплообменников с интенсифицированными поверхностями и расчеты сопряженной задачи на модели рабочего участка при развитом режиме течения и учете влияния начального участка c целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками;
  • зависимости для расчета теплопереноса и гидравлических потерь в исследуемых теплообменниках;
  • мероприятия по повышению эффективности теплообменного оборудования на базе проведенного исследования и оценка энерго- и ресурсосберегающего эффекта.

Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на II научной школе-конференции “Актуальные вопросы авиационных и аэрокосмических систем. Процессы, модели, эксперимент” НАН Украины в 2004 году; IV национальной конференции по теплообмену в 2006 году; III Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках в 2008 году» и XVI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в 2010 год.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 7 опубликованных работах, две из них в изданиях рекомендованных ВАК. Список указанных работ приведен на последней странице автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, состоящего из 85 наименований, и приложения. Общий объём диссертации составляет 135 страниц, включая рисунки, таблицы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования.

В первой главе рассмотрен вопрос о теплообмене и гидравлическом сопротивлении в теплообменниках с интенсификацией теплообмена за счёт углублений. Проведен обзор литературных данных и анализ работ по проблеме исследования каналов теплообменников с интенсификацией теплообмена и методах расчета их теплогидравлических характеристик. Обзор литературы показывает, что расчет теплообмена и гидравлического сопротивления теплообменников с интенсифицированными поверхностями нагрева проводят преимущественно по эмпирическим зависимостям. В подавляющем большинстве случаев рекомендуемые расчетные формулы, получены по результатам экспериментов на опытных или находящихся в эксплуатации штатных установках.

Имеющиеся обобщенные зависимости для расчета теплопереноса и гидравлических потерь в каналах таких теплообменников имеют разрозненный характер, неполнота информации по рациональной интенсификации теплообмена затрудняет разработку высокоэффективного оборудования такого типа.

В связи с этим сформулированы следующие задачи работы: 1) Проведение экспериментальных исследований при различной высоте канала и по структуре вихревых выносов из лунок; 2) Проведение расчетов сопряженной задачи на модели рабочего участка при начальном и развитом режиме течения c целью апробирования метода расчета локальных характеристик в канале с лунками; 3) Получение обобщающих соотношений; 4) Проведение расчетов для двух типов теплообменных аппаратов и определение количественных данных по повышению их эффективности; 5) Анализ поперечного обтекания пучка труб с нанесёнными на них лунками.





Во второй главе приводятся результаты экспериментального исследования по определению коэффициентов теплоотдачи, гидравлического сопротивления и структуры потока. Физический эксперимент реализовывался на дозвуковой аэродинамической установке открытого типа, работающей на нагне­тание. Схема установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Экспериментальная установка

Объектом исследования являлся теплогидравлический процесс в канале, нижняя стенка которого содержала полусферические выемки (лунки). Параметры исследуемого канала, геометрические характеристики лунки и формулы для расчета её площади поверхности, объема и радиуса кривизны поверхности приведены на рис. 2.

 Параметры рабочего канала (а) и-1

 Параметры рабочего канала (а) и-2

Рис. 2 - Параметры рабочего канала (а) и полусферической выемки (б)

В качестве нижней стенки канала использовались пластины из разных материалов: алюминий, сталь, латунь, медь. Геометрические характеристики этих пластин с нанесенными полусферическими лунками на их поверхностях представлены в табл. 1.

Для определения относительного роста изменения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления за счет применения «луночных» интенсификаторов в эксперименте в качестве эталона использовались гладкие пластины.

Таблица 1 - Параметры пластин, профилированных полусферическими выемками

Шифр Размещение лунок Параметры лунки
s1, мм s2, мм s'2, мм R, мм D, мм h, мм
1 ШК-2804012.5-Al 12/12 8/16 10/20 4.17 8 3
2 Ш-2804011.5-Al 12.2 16 17.12 4.73 8.8 3
3 К-2804010-Ст3 10 17 19.7 8 3
4 К-2804011.4-Ст 10.4 10.4 14.71 4.42 8.6 3.4
5 Ш-4806012-Ст 9.8 10 11.1 4.1 8.2 4.1
6 К-4806012-Ст 9.8 10 14.0 4.1 8.2 4.1

Исследования проводились при высотах канала: 0,08; 0,04 и 0,015 м и скоростях потока на входе 6, 8 и 15 м/c. При этом числа Рейнольдса, рассчитанные по характерному расстоянию от входа в канал до центра первого ряда лунок, лежали в диапазоне от 6000 до 200000. В нижней части рабочего участка находился плоский источник теплоты мощностью в 50 Вт.

Методика проведения эксперимента по определению коэффициентов теплоотдачи.

Для определения коэффициентов теплоотдачи в работе адаптирован метод регулярного теплового режима, в соответствии с которым определяется темп охлаждения предварительно нагретой нижней стенки канала. Суть метода заключается в расчете коэффициента теплоотдачи, исходя из темпа охлаждения пластин Для определения поля температуры на поверхности пластины Tw был использован тепловизионный комплекс ИРТИС-200 и соответствующее программное обеспечение. Тарировка тепловизионного метода была проведена ранее в работе1. На рис. 3 представлены тепловизионные снимки нижней стенки канала при разной его высоте и схем расположения поверхностных интенсификаторов – полусферических выемок (лунок).

Из полученных экспериментальных данных видно, что на пластине образуются зоны с повышенными и пониженными температурами. В передней части лунки (по потоку) заметно повышение температуры, в то время как в задней части и за лункой температура уменьшается. Такая картина повторяется от лунки к лунке, также можно отметить эффект влияния предыдущих лунок на последующие. Кроме того, при наличии лунок осреднённая температура потока оказалась выше, чем для гладкой поверхности. Данный факт можно объяснить выносом тепла из лунок в общий поток.

Полученные по методу регулярного режима коэффициенты теплоотдачи при различной высоте канала представлены в табл. 2. В эксперименте температура и скорость воздуха на входе в канал были равны 22 оС и 6 м/с, соответственно.

Высота канала 0,08 м Высота канала 0,04 м
Высота канала 0,015 м Высота канала 0,08 м


Pages:   || 2 | 3 |
 

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.