авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< 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

Разработка методик расчета пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения промышленных предприятий на основе обобщенных зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления

На правах рукописи

Такташев Ринат Нявмянович РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА ПЛАСТИНЧАТЫХ ПАРОЖИДКОСТНЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА ОСНОВЕ ОБОБЩЕННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2012 2

Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и установок» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследователь ский университет «МЭИ».

Научный консультант: кандидат технических наук, профессор кафедры ТМПУ НИУ МЭИ Ефимов Андрей Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ка федры «Процессы, аппараты и теплотех нологии пищевых производств» Москов ского государственного университета пи щевых производств, почетный работник высшего профессионального образования РФ Щеренко Александр Павлович кандидат технических наук, доцент кафед ры ПТС НИУ МЭИ Гашо Евгений Геннадьевич

Ведущая организация: ООО «Энергодиагностика», г. Москва

Защита диссертации состоится «22» ноября 2012 года в 15 часов 30 минут в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказармен ная ул., д. 17.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим при сылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. к.т.н., доцент Т. А. Степанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пластинчатые парожидкостные подогревате ли используются в водогрейных установках ТЭЦ и котельных, в тепловых пунктах систем теплоснабжения, в технологических установках различных отраслей промышленности и др.

В последние годы в России используемые ранее кожухотрубные подог реватели выводятся из эксплуатации, а на их место устанавливаются, как правило, разборные пластинчатые теплообменные аппараты. Пластинчатые подогреватели отличаются более высокими коэффициентами теплопередачи и существенно меньшими габаритами, чем кожухотрубные аппараты с глад кими трубами, что удобно при проектировании и эксплуатации.

Основная трудность подбора, расчета и дальнейшего совершенствова ния и выбора режимов эксплуатации пластинчатых парожидкостных подог ревателей связана с тем, что их подбор и расчет осуществляются по компью терным программам фирм, при написании которых используются частные теплогидравлические характеристики аппаратов, полученные по результатам натурных испытаний образцов каждого подогревателя из типоразмерного ря да. При этом изготовители не предоставляют эксплуатирующей организации полной информации ни о геометрических характеристиках пластин и образо ванных ими каналов, поверхностей теплообмена, ни о расчетных зависимо стях по теплообмену и гидравлическим сопротивлениям. Обобщенные зави симости по теплообмену и гидравлическому сопротивлению в каналах этих подогревателей практически отсутствуют.

Объект исследования разборные пластинчатые парожидкостные подогреватели.

Целью исследования является разработка методик расчета пластинча тых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения промышлен ных предприятий на основе обобщенных зависимостей для расчета коэффи циентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления при конденсации движущегося пара.

Задачи исследования:

- Разработка экспериментального стенда для изучения процесса тепло обмена при конденсации движущегося водяного пара в трубе с профилиро ванной поверхностью теплообмена;

- Экспериментальное определение влияния режима течения, темпера турного перепада «пар-стенка» и теплофизических свойств теплоносителей на процесс теплообмена при конденсации движущегося водяного пара в тру бе с профилированной поверхностью теплообмена;

- Определение влияния режима течения, теплофизических свойств теп лоносителей, температурного перепада «пар-стенка», геометрических харак теристик поверхностей теплообмена на коэффициенты теплоотдачи и гид равлических сопротивлений при конденсации движущегося пара в каналах пластинчатых подогревателей систем теплоснабжения промышленных пред приятий;

- Получение аналитической зависимости для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления при конденсации движущегося пара с уче том влияния коэффициента теплопередачи, температурного перепада «пар стенка», теплофизических свойств теплоносителей, геометрических характе ристик поверхностей теплообмена на гидравлическое сопротивление паро жидкостных подогревателей систем теплоснабжения промышленных пред приятий;

- Разработка методик конструктивных и поверочных расчетов пластин чатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения промышлен ных предприятий по методам среднего температурного напора и эффектив ности на основе обобщенных зависимостей для расчета коэффициентов теп лоотдачи и гидравлического сопротивления при конденсации движущегося пара.

Научная новизна:

1. С использованием экспериментального стенда определено влия ние режима течения, температурного перепада «пар-стенка» и теплофизиче ских свойств теплоносителей на процесс теплообмена при конденсации дви жущегося водяного пара в трубе с профилированной поверхностью теплооб мена.



2. Определен вид приведенных к безразмерной форме степенных функциональных зависимостей (уравнений подобия с переменными в виде чисел подобия) для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при конденсации движущегося пара в каналах пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения.

3. Получены обобщенные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при конденсации движущего ся пара в каналах пластинчатых парожидкостных подогревателей систем те плоснабжения. Среднеквадратичные отклонения значений Nu/Pr0,4 и, полу ченных в результате расчетного исследования, от значений, рассчитанных по обобщенным зависимостям, аппроксимирующим расчетные значения, со ставляют по теплообмену ±7,41% и гидравлическому сопротивлению ±10,9%.

4. Получена аналитическая зависимость для расчета гидравлическо го сопротивления со стороны конденсирующегося пара с учетом влияния ко эффициента теплопередачи, температурного перепада «пар-стенка», тепло физических свойств теплоносителей и геометрических характеристик по верхностей теплообмена. Использование зависимости позволило снизить среднеквадратичное отклонение значений, полученных в результате рас четного исследования с использованием компьютерной программы, от зна чений, рассчитанных по обобщенной зависимости, аппроксимирующей рас четные значения коэффициентов гидравлического сопротивления подогрева телей систем теплоснабжения, с ±67,2% до ±10,9%.

Практическая значимость работы 1. Полученные обобщенные зависимости для расчета коэффициен тов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при конденсации движу щегося пара, в сочетании с известными аналогичными зависимостями для вынужденного течения однофазных жидкостей, в каналах пластинчатых па рожидкостных подогревателей позволяют рассчитывать и подбирать пла стинчатые парожидкостные подогреватели, а также оптимизировать их кон структивные размеры и режимные параметры.

2. Числа подобия в зависимостях для расчета коэффициентов теп лоотдачи и гидравлического сопротивления при конденсации движущегося пара в каналах парожидкостных подогревателей могут быть использованы при получении аналогичных зависимостей для теплообменного оборудова ния с иными геометрическими характеристиками.

3. Разработаны методики конструктивных и поверочных расчетов пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения по методам среднего температурного напора и эффективности на основе обоб щенных зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравли ческого сопротивления при конденсации движущегося пара в пластинчатых парожидкостных подогревателях систем теплоснабжения промышленных предприятий. Разработанные методики позволяют производить расчет и под бор парожидкостных подогревателей, в которых в качестве греющего тепло носителя используется как водяной пар, так и пары других ньютоновских жидкостей.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обусловлена: детальным и корректным анализом исходных теоретических положений и результатов расчетов, проведенных автором эксперименталь ных исследований и обобщений, а также удовлетворительным совпадением результатов расчета по обобщенным зависимостям и методикам автора дис сертационной работы с результатами расчетов по компьютерным програм мам, с экспериментальными данными других исследователей, имеющимися в научных публикациях.

На защиту выносятся:

- Результаты экспериментальных исследований теплообмена в кожу хотрубном подогревателе с профилированной поверхностью теплообмена;





- Аналитическая зависимость для расчета коэффициентов гидравличе ского сопротивления при конденсации движущегося пара с учетом влияния коэффициента теплопередачи, температурного перепада «пар-стенка», теп лофизических свойств теплоносителей, геометрических характеристик по верхностей теплообмена;

- Обобщенные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений пластинчатых парожидкостных подогревате лей при конденсации движущегося водяного пара;

- Методики расчета пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения на основе обобщенных зависимостей для расчета ко эффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при конденса ции движущегося пара и известных аналогичных зависимостей для вынуж денного течения однофазных жидкостей.

Апробация работы Основные положения и результаты работы докладывались и обсужда лись на:

1. 16, 17, 18-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва 2010, 2011, 2012 гг.;

2. VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е.Алемасова, Казань 2010 г.;

3. XI международной молодежной научной конференции «Север геоэкотех-2010», Ухта 2010 г.;

4. 17-ой Межвузовской научно-практической конференции моло дых ученых и студентов, г. Волжский, 2011г;

5. 5-ой Международной школе-семинаре молодых ученых и спе циалистов «Энергосбережение. Теория и практика», Москва 2010г.

Публикации Основные научные положения и выводы изложены в 7 опубликован ных работах, в том числе в одной публикации из перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 106 наименований, и 5 приложений. Общий объем диссертации составляет 168 страниц, включая 79 рисунков и 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертационной работы, дана ее общая характеристика, определены направления исследований, уста новлены перспективы научного и практического значения решаемых задач.

В первой главе на основе анализа результатов исследований процесса теплообмена при конденсации пара В. Нуссельта, Д.А. Лабунцова, Г.Н. Кру жилина, К.Д. Воскресенского, П.Л. Капицы, других исследователей, а также режимов работы теплообменных аппаратов, используемых в качестве паро жидкостных подогревателей, результатов исследования процессов теплооб мена и гидродинамики при вынужденном течении однофазных жидкостей в каналах пластинчатых и других типов теплообменников с профилированны ми поверхностями теплообмена, выполненных ранее на кафедре ТМПУ МЭИ, сделаны следующие выводы.

1. Процессы теплообмена и гидродинамики при конденсации дви жущегося пара в каналах теплообменников, образованных гофрированными пластинами или трубами с профилированной поверхностью, изучены недос таточно;

2. Зависимости для получения надежных результатов расчета коэф фициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при конденсации движущегося пара в подогревателях с профилированными поверхностями теплообмена практически отсутствуют;

3. При конденсации пара, движущегося со скоростями до десятков м/с, пленка конденсата на поверхности теплообмена значительно турбулизи рована. Поэтому возможен капельный унос конденсата в поток пара, что ин тенсифицирует теплообмен, за счет увеличения эффективной площади по верхности теплообмена. Режим течения пароконденсатной смеси в каналах пластинчатых парожидкостных подогревателей является дисперсно кольцевым (Ku 3,1);

4. Результаты опубликованных экспериментальных работ Л.Л. То важнянского, Н.В. Барановского, A. Jokar, других авторов, противоречивы и применимы только для расчета теплообмена и гидравлических сопротивле ний аппаратов, имеющих форму и размеры поверхностей теплообмена, реа лизованных при проведении исследований;

5. К числам подобия, позволяющим учесть влияние режима течения пароконденсатной смеси, зависимости теплофизических свойств пара и кон денсата от температуры, особенностей формы и геометрических размеров поверхности теплообмена на интенсивность процессов теплообмена и гидро динамики при конденсации движущегося пара в аппаратах с профилирован ными поверхностями теплообмена, относятся Reк, Prк, Frк, Weк, Ga, Ku, (к / п) и 2F0/f0, а также отношения геометрических размеров Dу/(L4+Dу);

(L2+Dу)/(L4+Dу).

6. Расчет и подбор пластинчатых парожидкостных подогревателей выполняется, как правило, по компьютерным программам фирм разработчиков этих аппаратов с использованием частных зависимостей для расчета теплообмена и гидравлических сопротивлений, полученных по ре зультатам натурных испытаний образцов каждого номера подогревателей из типоразмерного ряда. Способ введения зависимостей в программы делает их недоступными для пользователей программ. Информация о размерах по верхностей теплообмена и каналов для прохода теплоносителей в описании программ дается не полностью.

Во второй главе представлены методики проведения и результаты экспериментов по теплообмену при вынужденном движении воды и конден сации насыщенного водяного пара в подогревателях «труба в трубе» с глад кой и профилированной поверхностями теплообмена.

Для исследования однофазного теплообмена использовалась экспери ментальная установка, схема которой представлена на рисунке 1.1.

1 – водонагреватель;

2 – насос;

3 – ресивер;

4 – пьезометрические трубки;

5 – тер мопары;

6 – манометры;

7 – расходомеры;

8 – фильтр;

9 – шаровой кран;

10 – подогреватель «труба в трубе» Рисунок 1.1 Схема экспериментальной установки для исследования однофазного теплообмена при вынужденном течении жидкостей Наружный диаметр dн = 7 мм, толщина стенки ст = 1 мм, длина рабочей части гладкой трубы — 370 мм, материал — латунь с коэффициентом теплопроводности ст = 100 Вт/(мК). Внутренний диаметр кожуха — 14 мм.

На наружной поверхности трубы с профилированной поверхностью имелось 18 пар вмятин, нанесенных с периодом в 20 мм приспособлением из расположенных крестообразно (под углом 60о) стальных стержней диаметром 3,4 мм. Изменение формы поперечных сечений трубы по ходу движения теплоносителя показано на рисунке 1.2. При переходе от одного сечения канала к другому их форма изменялась, однако периметр оставался примерно постоянным и равным 15,7 мм. Площадь поперечного сечения межтрубного пространства составила 0,00005652 м2. Виды трубы по направ лениям А и Б (см. рисунок 1.2) показаны на фотографиях (рисунки 1.3 и 1.4).

Конструкция лабораторных подогревателей показана на рисунке 1.5.

На первом этапе была проведена серия экспериментов с подогревателем «вода-вода», внутренняя труба которого имела профилированную поверхность теплообмена. Зависимость 0,43 0, Nu1/(Pr (Prж/Prст) ) от числа Рейнольдса воды в трубном пространстве по догревателя представлена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.2 – Разрез трубы с профилированной поверхностью тепло обмена Рисунок 1.3 – Внешний вид трубы с профилированной поверхностью теплообмена: вид А Рисунок 1.4 – Внешний вид трубы с профилированной поверхностью теплообмена: вид Б 1 – патрубок для присоединения пьезометрической трубки;

2 - патрубок для при соединения соединяющих трубок Рисунок 1.5 – Конструкция лабораторного подогревателя Результаты эксперимента при Re2=1255,4 – 4377,2 и Pr2 = 3,49 – 4, были аппроксимированы степенной зависимостью 0, Prж 0, 54 0, (1.1) Nu 2 0,279 Re Pr.

2 Prст Погрешность аппроксимации не превысила ±13,7%.

y = 0,279Re0, 0 5000 10000 15000 20000 Рисунок 1.6 – Зависимость Nu2/(Pr20,43(Prж/Prст)0,25) от числа Рейнольдса воды в трубном пространстве подогревателя с профилированной поверхно стью теплообмена Далее были произведены серии экспериментов по конденсации движущегося насыщенного водяного пара в трубных пространствах обоих подогревателей.

Пар из парогенератора поступал в трубное пространство подогревателей, нагреваемая вода – в межтрубное. Сконденсировавшийся пар сливался в канализацию. Конденсат откачивался насосом в конденсатосборник, масса конденсата измерялась на электронных весах с точностью до 0,001 кг. Измерение температуры производилось хромель алюмелевыми термопарами (тип K), установленными во входных и выходных патрубках подогревателей.

При проведении измерений использованы следующие приборы:

- термометр высокотемпературный RST07831(41);

- пирометр Fluke 568 с входом для присоединения термопары типа K;

- термометр контактный ETI thermometr 2001 с входом для присоеди нения термопары типа K;

- весы электронные ATH-84;

- секундомер механический СОПпр-2а-2-010.

Принципиальная схема экспериментальной установки для исследования теплообмена при конденсации движущегося пара показана на рисунке 1.7.

Для получения пара использовался электрический парогенератор мощностью 1,5 кВт. Температура пара поддерживалась практически неизменной на протяжении всех серий опытов и составляла, по показаниям термометров RST07831(41), от 99,7 0С до 100,1 0С.

ПГ – парогенератор;

Т – термопара Рисунок 1.7 – Принципиальная схема экспериментальной установки для исследования теплообмена при конденсации движущегося пара Зависимости Nu1/(Prк0,4 Reк0,9) от числа фазового перехода K для парожидкостных подогревателей «труба в трубе» с гладкой и профилированной поверхностями теплообмена представлены на рисунках 1.8 и 1.9.

Окончательно получены следующие зависимости, аппроксимирующие результаты эксперимента:

для гладкой поверхности теплообмена при Reк=71,56 – 272,34;

K = = 8,12 – 34,41;

Prк = 1,587 – 1, Nu 0,0084Re 0,9 K 1,19 Prк0,4 (1.2) к и для профилированной поверхности теплообмена при Reк = 85,56 – 113,98;

K = 8,98 – 17,31;

Prк = 1,587 – 1,590.

(1.3) Nu 0,0117Re 0,9 K 1,01 Prк0,4.

к Погрешность аппроксимации для случая конденсации движущегося пара в трубе с гладкой поверхностью теплообмена не превысила ±9,0%, с профилированной ±7,36%.

0, y = 0,0084K1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40, Рисунок 1.8 – Зависимость y = Nu/(Prк0,4Reк0,9) от числа фазового перехода K для гладкой поверхности теплообмена 0, y = 0,0117K1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,00 5,00 10,00 15,00 20, Рисунок 1.9 – Зависимость y = Nu/(Prк0,4Reк0,9) от числа фазового перехода K для профилированной поверхности теплообмена В третьей главе получены обобщенные зависимости для расчета теп лообмена и гидравлических сопротивления пластинчатых парожидкостных подогревателей. Для этого были выполнены расчеты парожидкостных подог ревателей при следующих условиях:

Греющий пар – сухой насыщенный;

1.

Нагреваемый теплоноситель – вода;

2.

Допустимые потери давления на стороне пара 30 кПа, на сто 3.

роне воды 30 кПа;

Материал пластины – нержавеющая сталь AISI 316;

4.

Теплофизические свойства теплоносителей изменяются в зави 5.

симости от температуры;

Максимальное давление теплоносителей – 1,6 МПа;

6.

Максимальная температура теплоносителей – 150 0С.

7.

Расчеты выполнялись при следующих фиксированных температурах насыщенного пара на входе в подогреватель 120, 130, 140 и 150 0С. Нагрев воды осуществлялся от 5 до 65, от 45 до 85 и от 70 до 130 0С. Конденсация пара полная и происходила на всей длине пластины, конденсат не переохла ждался.

Расчеты выполнены для парожидкостных подогревателей с пластина ми, общий вид и геометрические характеристики которых представлены на рисунке 1.10 и в таблице 1.1.

Всего рассмотрено 27 типоразмеров пластин:

- 9 пластин с углом раскрытия гофров = 600;

- 11 пластин с углом раскрытия гофров на пластине = 1200;

- 7 поверхностей со смешанной компоновкой из чередующихся пластин с углами раскрытия гофров 60 и 120о.

Рисунок 1.10 – Основные геометрические характеристики пластин Таблица 1.1 – Геометрические размеры пластин № пласти- F0, м2 f010-5, Dу, Dн, L1, L2, L3, L4, ны мм мм мм мм мм мм м 1 32 38 451 381 141 70 0,042 26, 2 50 57 500 394 228 126 0,073 45, 3 32 38 726 656 141 70 0,084 26, 4 50 57 798 694 228 126 0,15 45, 5 50 57 998 894 228 126 0,21 45, 6 100 108 874 719 380 225 0,24 83, 7 150 159 1102 890 502 296 0,68 105, 8 100 108 1520 1365 380 225 0,5 86, 9 150 159 1504 1292 502 296 0,68 111, 10 200 219 1355 1091 658 395 0,68 153, 11 150 159 1906 1694 502 296 0,9 105, При угле раскрытия гофров 600 их продольный шаг S1 = 26 мм, шаг по нормали Sн = 12 мм. При 1200 S1 = 10 мм, Sн = 9 мм. Высота гофров h = 3 мм. Толщина пластины = 0,4 и = 0,5 мм. Гидравлические диаметры каналов имеют следующие значения: d = 0,00465 м при 600;

d = 0,00487 м при 1200 и d = 0,00476 м для каналов, образованных пластинами с углами наклона гофров 600 и 1200, расстояние между пластинами = 6 мм.

В распечатках результатов расчета, выполненных по использованной в исследованиях компьютерной программе, имеются значения только коэффи циентов теплопередачи и термического сопротивления отложений на по верхности теплообмена, значения коэффициентов теплоотдачи греющего и нагреваемого теплоносителей не приводятся.

Поэтому коэффициенты теплоотдачи конденсирующегося пара были вычислены по формуле 1.

ст 1 1 (1.4) 2 Rотл 2 ст k где коэффициенты теплоотдачи со стороны нагреваемой жидкости опреде ляются по зависимостям вида 2 Re n Pr2. 2 (1.5) A2.

d Обобщение результатов расчетов проведено в два этапа.

Из экспериментального исследования процесса теплообмена при кон денсации пара в трубе с профилированной поверхностью были установлены числа подобия, определяющие теплоотдачу. Также в зависимость для расчета процесса теплообмена введена поправка на изменение теплофизических свойств конденсата в пленке в виде (Prкн/Prкст)0,25.

Зависимости для гидравлических сопротивлений имеют вид широко известной формулы Кармана, в которой определяющим является только чис ло Рейнольдса конденсата Reк.

Сначала были получены частные обобщающие зависимости для расче та коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления 0, Prкн 0, nl (1.6) Nu ARe K Pr ;

к к Prкст m (1.7) BRe, к каждая из которых справедлива только для одного конкретного номера по догревателя из типоразмерного ряда. Значения констант в зависимостях (1.6) и (1.7), а также соответствующие им среднеквадратичные погрешности ап проксимации приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 – Значения констант в частных зависимостях для расчета теплообмена и гидравлических сопротивлений № пластины А Nu, %, % n l B m = 60 2 23,93 0,485 0,781 0,0018 -0,535 9,72 5, 4 245,9 0,295 0,550 0,0028 -0,626 5,10 9, 5 49,87 0,311 0,935 0,0031 -0,667 3,84 6, 6 369,9 0,162 0,683 0,0045 -0,661 1,32 8, 7 49,78 0,421 0,721 0,0025 -0,616 1,29 0, 8 0,291 0,922 1,16 0,0039 -0,656 1,19 1, 9 1,43 0,690 1,21 0,0041 -0,683 6,43 5, 10 10,11 0,522 0,963 0,0085 -0,749 6,43 1, 11 6,43 0,508 1,08 0,0075 -0,794 1,96 2, = 1 0,0460 0,596 1,00 0,0034 -0,568 0,31 3, 2 0,0381 0,528 1,18 0,0051 -0,620 2,43 4, 3 0,0085 0,583 1,29 0,0045 -0,664 7,04 3, 4 0,0015 0,707 1,53 0,0025 -0,558 8,11 7, 5 0,0269 0,414 1,16 0,0063 -0,715 0,59 2, 6 0,0421 0,439 1,15 0,0150 -0,783 2,86 7, 7 0,0085 0,526 1,32 0,0073 -0,710 2,63 2, 8 0,0031 0,736 1,10 0,0056 -0,662 7,58 3, 9 0,0240 0,393 1,10 0,0070 -0,709 7,96 1, 10 0,0019 0,785 1,25 0,0081 -0,683 4,89 5, 11 0,0013 0,785 1,15 0,0053 -0,689 1,09 0, = 600 и = 4 10,40 0,432 1,10 0,0078 -0,741 2,13 3, 6 84,40 0,292 0,78 0,0115 -0,748 0,52 3, 7 0,829 0,760 1,15 0,0018 -0,525 3,99 10, 8 5,929 0,490 1,09 0,0027 -0,573 9,64 14, 9 3,560 0,476 1,27 0,0076 -0,729 5,58 2, 10 5,424 0,601 0,908 0,0062 -0,669 2,95 2, 11 5,104 0,416 1,26 0,0044 -0,679 3,12 4, Окончательно результаты расчетно-экспериментального исследования теплообмена при конденсации движущегося пара были аппроксимированы зависимостью -1 0, lк к 2 F0 Prкн mк n 0,9 0, (1.8) Ku 1 Pr Nu A Re K X, к к к к t п f0 Prкст x x где Xt0 =C1[Dy/(L4+Dy)] 1 [(L2+Dy)/(L4-Dy)] 2 фактор, учитывающий влияние на теплообмен продольной и поперечной неравномерности распределения потоков теплоносителей по каналам пакета пластин.

Результаты обобщения коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара в каналах пластинчатых подогревателей по компьютерной программе приведены в таблице 1.3.

Характерной особенностью процесса конденсации движущегося пара является взаимное влияние процессов теплообмена и гидродинамики. Поэто му пользоваться формулой Дарси для расчета потерь давления некорректно.

Она не учитывает характер протекания процесса теплообмена и его влияния на гидродинамику.

Таблица 1.3 – Результаты обобщения коэффициентов теплоотдачи № пластины Ак Nuк, % mк lк n1 Xt = 2 0,969 3, 4 1,014 1, 5 1,01 1, 6 1,007 6, 1,658 0,95 0,051 -0, 7 0,988 4, 8 1,01 2, 9 0,979 1, 10 0,976 1, 11 0,984 0, = 1 0,994 3, 2 0,962 2, 3 0,996 3, 4 0,975 1, 5 1,011 0, 1,011 1,1 0,078 0, 6 0,991 0, 7 1,007 0, 8 1,024 1, 9 1,040 0, 10 1,039 1, 11 1,05 1, = 600 и = 4 0,942 0, 6 0,984 4, 7 1,063 7, 2,456 1,0 0,088 0, 8 0,972 0, 9 1,027 1, 10 0,977 0, 11 1,017 0, Полученное в диссертационной работе аналитическое решение показа ло, что влияние теплообмена на гидродинамику может быть выражено зави симостью 2 p тр.

2 F0 1 k t 0, п к (1.9) f 2 F0 Prкст пw f0 Prкн 2 1000 rw По аналогии с теплообменом, для учета изменения теплофизических свойств пленки конденсата на начальном участке введена поправка (Prкст/Prкн)0,65.

Окончательно результаты расчета коэффициентов гидравлического со противления были аппроксимированы зависимостью b lк к 2 F n (1.10) Bк Re X g0, к п f x x где Xg0 = C2[Dy/(L4+Dy)] 3 [(L2+Dy)/(L4+Dy)] 4 фактор, учитывающий влия ние продольной и поперечной неравномерности распределения потоков, ана логичный Xt0.

Результаты обобщения коэффициентов гидравлического сопротивле ния по компьютерной программе приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 – Результаты обобщения коэффициентов гидравлического сопротивления № пластины к, % Bк n lк b Xg = 2 1,065 1, 4 1,006 5, 5 0,908 5, 6 1,227 5, 0,0086 -0,6 0,02 -0, 7 1,057 0, 8 1,304 3, 9 1,106 2, 10 1,339 2, 11 1,028 6, = 1 0,970 11, 2 0,993 12, 3 0,744 3, 4 0,857 5, 5 0,79 6, 0,017 -0,5 0,070 -0, 6 1,068 10, 7 0,932 3, 8 1,026 6, 9 1,000 6, 10 1,197 5, 11 0,901 10, = 600 и = 4 0,757 3, 6 1,051 2, 7 0,865 7, 0,0041 -0,55 0,078 -0, 8 1,099 5, 9 0,999 8, 10 1,108 6, 11 0,890 7, В четвертой главе дано описание разработанных методик конструк тивного и поверочных расчетов водоподогревателей как для монопакетов пластин, так и пакетов, части которых составлены из пластин различных ти пов. Выполнено сравнения результатов расчетов по методикам с результата ми аналогичных расчетов по компьютерным программам.

Для монопакетов пластин выполнено сравнение результатов расчетов по методикам с результатами аналогичных расчетов по компьютерным про граммам. Отличие значений площади поверхности теплообмена не превыси ло 8,1%, коэффициентов теплопередачи — 9,3%, тепловой мощности аппара тов — 2,37 %, конечных температур теплоносителей — 0,11%. Типоразмеры подогревателей, полученные в обоих случаях, совпадают. В таблице 1.5 по казаны результаты, полученные при проведении расчетов по разработанным методикам, и по компьютерным программам.

Таблица 1.5 – Сравнение результатов расчетов парожидкостных подог ревателей по разработанным методикам и по компьютерной программе Расчет по ме- Расчет по ме- Расчет по ме Расчет тодике конст- тодике №1 по- тодике № Параметр по про руктивного верочного рас- поверочного грамме расчета чета расчета Типоразмер пластин 9 9 9 Угол раскрытия гофр 1200 1200 1200 Расход пара, кг/с 0,83 0,82 0,819 0, Расход воды, кг/с 7,0 7,0 7,0 6, Температура пара, оС на входе 140 140 140 Температура воды, 0С на входе 70 70 70 на выходе 130 139,88 139,95 139, Потери давления по пару, кПа 12,03 12,97 12,66 13, Потери давления по воде, кПа 28,4 29,9 29,8 29, Тепловая мощность, кВт 1772 1771,2 1769,5 Общее число пластин 55 55 55 Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К) с учетом загрязнения 1595 1520 1563 без учета загрязнения 1860 1687 1737 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Получена эмпирическая зависимость, учитывающая влияние ре жима течения, температурного перепада «пар-стенка» и теплофизических свойств теплоносителей и позволяющая рассчитать процесс теплообмена при конденсации движущегося водяного пара в трубе с профилированной по верхностью теплообмена при при Reк=85,56 – 13,98;

K=8,98 – 17,31;

Prк = 1,587 – 1,590.

2. Получена обобщенная эмпирическая зависимость для расчета ко эффициента теплоотдачи при конденсации движущегося пара в трубе с про филированной поверхностью теплообмена при Reк=85,56 – 13,98;

K=8,98 – 17,31;

Prк = 1,587 – 1,590. Максимальное отклонение значений чисел Нус сельта, полученных из эксперимента, от значений чисел Нуссельта, получен ных по обобщенной зависимости, не превысило ±9,0%.

3. Получена обобщенная эмпирическая зависимость для расчета ко эффициента теплоотдачи при вынужденном течении воды в трубе с профи лированной поверхностью теплообмена при Re =1255– 4377 и Pr = 3,49 – – 4,82. Максимальное отклонение значений чисел Нуссельта, полученных из эксперимента, от значений чисел Нуссельта, полученных по обобщенной за висимости, не превысило ±13,7%.

4. Определен вид приведенных к безразмерной форме зависимостей (уравнений подобия с переменными в виде чисел подобия) для расчета коэф фициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений, позволяющих обобщить результаты расчетных и экспериментальных исследований тепло отдачи и гидравлических сопротивлений при конденсации движущегося пара в каналах парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения в диапа зонах изменения чисел подобия Reк = 307,94 – 2873,00;

Ku = 3,72 – 27,1;

K = 5,81 – 54,3;

(к/п) = 357,6 – 883,9;

2F0/f0 = 317,46 – 1699,72;

Dy/(L4+Dy) = 0,284 – 0,336;

(L2+Dy)/(L4+Dy) = 2,17 – 6,75;

при температурах пара tн=120 – 150 0С и нагреваемой воды tв = 5 – 120 оС.

5. Получены обобщенные полуэмпирические зависимости для рас чета коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при кон денсации движущегося пара в каналах пластинчатых парожидкостных по догревателей систем теплоснабжения. Среднеквадратичные отклонения зна чений Nu/Pr0,4 и, полученных в результате расчетного исследования с ис пользованием компьютерной программы, от значений, рассчитанных по обобщенным зависимостям, аппроксимирующим расчетные значения, со ставляют по теплообмену ±7,41% и гидравлическому сопротивлению ±10,9%.

6. Получена аналитическая зависимость для расчета гидравлическо го сопротивления со стороны конденсирующегося пара с учетом влияния ко эффициента теплопередачи, температурного перепада «пар-стенка», тепло физических свойств теплоносителей, геометрических характеристик поверх ностей теплообмена на гидравлическое сопротивление пластинчатых паро жидкостных подогревателей. Использование зависимости позволило снизить среднеквадратичное отклонение значений, полученных в результате рас четного исследования с использованием компьютерной программы, от зна чений, рассчитанных по обобщенной зависимости, с ±67,2% до ±10,9%.

7. Разработаны методики конструктивных и поверочных расчетов пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения по методам среднего температурного напора и эффективности на основе обоб щенных зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравли ческого сопротивления при конденсации движущегося пара и известных ана логичных зависимостей при вынужденном течении однофазных жидкостей в пластинчатых парожидкостных подогревателях при Reк = 307,94 – 2873,00;

Ku = 3,72 – 27,1;

K = 5,81 – 54,3;

(к/п) = 357,6 – 883,9;

2F0/f0 = 317,46 – 1699,72;

Dy/(L4+Dy) = 0,284 – 0,336;

(L2+Dy)/(L4+Dy) = 2,17 – 6,75;

температу рах пара tн=120 – 150 0С и нагреваемой воды tв = 5–120 оС.

Основные обозначения – теплопроводность, Вт/(мК);

– динамическая вязкость, Пас;

– кинематическая вязкость, м2/с;

– плотность, кг/м3;

сp – удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кгК);

h – энтальпия, Дж/кг;

r – теплота парообразования, Дж/кг;

– поверхностное натяжение, Н/м;

Dу – диаметр условного прохода патрубка, м;

Dн – наружный диаметр патрубка, м;

d – гидравлический диа метр, м;

– угол раскрытия гофр;

F0 – площадь поверхности теплообмена пластины, м2;

f0 – площадь поперечного сечения межпластинного канала, м2;

L1 – высота пластины, м;

L2 – вертикальное межосевое расстояние, м;

L3 – ширина пластины, м;

L4 – горизонтальное межосевое расстояние, м;

D – рас ход пара, кг/с;

G – расход воды, кг/с;

w – скорость, м/с;

Pr=/a – число Пран дтля;

Re=wd/ – число Рейнольдса;

Nu=d/ – число Нуссельта;

We=пw2пd/ – число Вебера;

К=r/(cpt1) – коэффициент фазового превра щения;

Ku=0,5пwп/(g( к-п))0,25– число Кутателадзе;

k – коэффициент теп лопередачи, Вт/(м2К);

C1 и C2 – коэффициенты пропорциональности в зави симостях для определения Xt0 и Xg0;

x1, x2, x3, и x4 – показатели степени;

«н» – насыщения;

«ст» – стенка;

«2» – для воды.

Список публикаций Ефимов А.Л., Такташев Р.Н. Расчет теплообмена при конден 1.

сации пара в каналах пластинчатых теплообменников. // Вестник МЭИ.

– 2012. – №1 – С.36 – 42.

Ефимов А.Л., Такташев Р.Н. Исследование теплообмена при 2.

конденсации чистого водяного пара в парожидкостных пластинчатых раз борных теплообменниках // Шестнадцатая международная научно техническая конференция студентов и аспирантов: тез. докл. М.: Издатель ский дом МЭИ, 2010. С. 426-427.

Ефимов А.Л., Такташев Р.Н. К вопросу расчета процесса тепло 3.

обмена при конденсации водяного пара в каналах пластинчатых разборных теплообменниках // Семнадцатая международная научно-техническая конфе ренция студентов и аспирантов: тез. докл. М.: Издательский дом МЭИ, 2011.

С. 504-505.

Ефимов А.Л., Такташев Р.Н. К вопросу расчета коэффициента 4.

гидравлического трения при конденсации водяного пара в каналах пластин чатых разборных теплообменниках // Восемнадцатая международная научно техническая конференция студентов и аспирантов: тез. докл. М.: Издатель ский дом МЭИ, 2012. С. 221-222.

Ефимов А.Л., Такташев Р.Н. Изучение процесса теплообмена 5.

при конденсации чистого водяного пара в пластинчатых теплообменниках // XI международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех 2010»: Материалы конференции: в 5ч.;

ч. 5. – Ухта: УГТУ, 2010. С.338-342.

Ефимов А.Л., Такташев Р.Н. Расчет процесса теплообмена при 6.

конденсации пара в каналах пластинчатых теплообменников // Проблемы те пломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: Материалы докладов VII школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е.Алемасова. – Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 2010. С.265-268.

Ефимов А.Л., Такташев Р.Н. Сравнение результатов расчета те 7.

плообмена при конденсации пара в каналах пластинчатых теплообменников по компьютерной программе и инженерной методике // Энергосбережение – теория и практика: Труды Пятой международной школы-семинара молодых ученых и специалистов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С.75-78.

Подписано в печать Зак. Тир. П.л.

Полиграфический центр ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д.

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

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.