Введение к работе
Работа направлена на решение технической, экономической и экологи-ской народнохозяйственной задачи интенсификации теплообменного обо-дования в различных областях промышленности.
Актуальность проблемы. Современное развитие енергетики характери-ется значительно возросшей стоимостью энергоносителей и всех видов иродных ресурсов, а также постоянно увеличивающимися трудностями ох-ны окружающей среды от воздействия ТЭС, АЭС и промышленных предприя-й. Энергосбережение, экономия топлива и др.природных ресурсов, веерное совершенствование энерготехнологии являются приоритетными задами развития народного хозяйства. В перспективных теплоэнергетических тановках: базисных ПТУ, пиковых ПТУ и ГТУ; ПТУ; в ядерных энергоус-новках (ЯЭУ); в установках, основанных на альтернативных источниках ергии, тешюобменное оборудование составляет преимущественно основ-га часть по габаритам, металлоемкости и функциональному значению и во огом определяет общие техникоэкономические показатели установки. В временных условиях и в перспективе один из главных путей повышения юномичности энергоустановок - совершенствование теплообменного обо-дования, реализовать которое можно с помощью внедрения эффективных 'особов интенсификации теплообмена. Посредством интенсификации тепло-мена увеличивается количество тепла, передаваемого через единицу по-рхности теплообмена, соответственно, уменьшаются массогабаритные по-затели теплообменника, достигается более выгодное соотношение между редаваемым количеством тепла и мощностью прокачивания тегоганосите-й. Высокое техническое качество интенсифицированного теплообменного іорудования улучшает общие характеристики энергоустановки.
Для промышленного использования наиболее перспективна интенсифика-;я теплообмена в каналах за счет искусственной дискретной шерохова-істи стенки в форме поперечных кольцевых или спиральных выступов.
Интенсификация теплообмена выделилась в отдельную специальную об-ість тепломассообмена. Теория интенсификации находится на начальном апе развития, что справедливо и для расчета процессов переноса в гскретно шероховатых каналах. Основа тешюгидравлического расчета та-[х каналов - эмпирические соотношения, имеющие ограниченную область )именения. Однако существует дефицит даже этих опытных формул. Из-ютные крайне малочисленные полувмпирические методы расчета теплоот-
дачи и трения в каналах с дискретними виступами при турбулентном течі ний теплоносителя базируются преимущественно на аналогии Рейнольдса ее модификациях), содержат вспомогательную эмпирическую информацию позволяют определять теплоотдачу только по экспериментально найден» величине коэффициента сопротивления канала. Модели для численного ра< чета турбулентного течения с отрывом и рециркуляцией в каналах с ва тупами пока несовершенны для инженерного применения.
Следовательно существует проблема: проектирование нового эффекта: ного интенсифицированного теплообменного оборудования и модернизация йствующего оборудования при условии использования дискретно шерохова' каналов не обеспечены прикладными методами теплогидравлического расчі Поэтому экспериментальные исследования теплообмена и гидродинамики т< ния в дискретно шероховатых каналах, а также разработка моделей и ме1 дик для их теплогидравлического расчета (на что ориентирована настоя работа) являются теоретически и практически актуальными.
Цель работы - комплексное экспериментальное и расчетно-теоретиче кое исследование теплообмена и трения в дискретно шероховатых канала: разработка универсальных моделей и методик тепогидравлического расч та дискретно шероховатых каналов, расчетное исследование промышленно: теплообменного оборудования с дискретно шероховатыми каналами, его о: тимизация и определение эффективности. В работе решались следующие к нкретные задачи.
-
Разработка методик экспериментальных исследований, опытны стендов и программ обработки опытных данных на ЭВМ. Выполнение вкспе риментальных исследований, их обобщение и получение: новой информац по тонкой структуре турбулентного потока в канале с дискретными выст пами; опытных сведений о границах переходного течения и нестабильное процессов переноса в этом режиме; эмпирических соотношений для расче теплообмена и трения в переходном и ламинарном режимах.
-
Разработка моделей турбулентного течения в дискретно шерохов тих каналах (с поперечными и спиральными выступами) и соответствующи оперативных инженерных методик расчета теплоотдачи и трения, основан ных на интегральных методах теории пограничного слоя. Обосновани справедливости и диапазона применения моделей и методик расчета.
3- Разработка, в качестве технического приложения моделей, мето дик и ЭВМ-программ расчета теплоотдачи и трения в дискретно шерохова тых каналах реального енергооборудования: в плоском охлаждающем кана
турбинной лопатки ГТУ; в трубе конденсатора с кольцевыми и спиральными выступами; в кольцевом канале с поперечными выступами на одной и двух стенках; в продольно обтекаемом пучке тволов ядерного реактора (ЯР) с поперечными выступами на оболочке.
-
Разработка методик и ЭВМ-программ для теплогидравлического расчета и оптимизации промышленного внергооборудования с дискретно шероховатыми каналами (и с применением других способов интенсификации теплообмена) в условиях проектирования и модернизации: пароводоподогрева-теля системы горячего водоснабжения завода; аппаратов воздушного охлаждения (АВО) промышленных продуктов; ЯР, охлаждаемых однофазным теплоносителем (в том числе для модернизированного серийного ВВЭР-1000).
-
Выполнение расчетного исследования вышеуказанного промышленного серийного внергооборудования, модернизированного посредством применения дискретной шероховатости каналов, с целью поиска оптимального варианта параметров шероховатости и оборудования в целом, а также - сравнения эффективности оптимального варианта оборудования с гладкостен-ной серийной конструкцией. Формулировка рекомендацій для промышленного енергомашиностроения.
-
Разработка приближенных соотношений для оценки теплоотдачи поверхности выступов, гидросопротивления шероховатых каналов, теплоотдачи каналов с выступами в переходном режиме, а также формул для определения границ переходного течения.
-
Усовершенствование конструкции теплообменника с дискретно шероховатыми каналами.
Научная новизна. Предложены и расчетно-эксперимептальным путем обоснованы новые модели и методики расчета теплообмена и трения турбулентного течения в каналах произвольного поперечного сечения с дискретными поперечными и спиральными выступами. Приведены методики расчета ряда конкретных вариантов конструкции каналов реального оборудования с дискретными выступами на стенках.
Посредством термоанемометрического исследования структуры потока газа в реальном канале с поперечными кольцевыми выступами получена новая информация по распределению осредненной и пульсационной скорости, интенсивности турбулентности, касательного напряжения трения (на стенке) и коэффициента сопротивления в ядре течения, слое шероховатости и во внутреннем пограничном слое. Расширено представление механизма действия выступов.
В неисследованном диапазоне режимов течения и параметров шерох< тости для переходного и ламинарного режимов течения газа и вязкой j
КОСТИ В Трубах С ПОПереЧНЫМИ КОЛЬЦеВЫМИ BUCTynaMH ПОЛучеНЫ НОВЫе 01
ные уравнения подобия для расчета теплообмена и сопротивления. Опр< лена область и амплитуда нестабильного теплообмена. Выяснен диап; аффективного технического использования шероховатых труб.
Экспериментально обнаружена возможность автоколебательного возм; ішя потока виступами в трубе. Сформулированы условия возникновения ai резонансных колебаний течения, дана методика расчета соответствуй параметров выступов, трубы и потока.
Предложены формулы для определения границ переходного режима теч< ния в каналах с дискретными выступами.
Предложены формулы для приближенной оценки теплоотдачи выступов 1 каналах и сопротивления каналов.
Показана конструктивная возможность регулирования теплопроизводи-тельности и гидросопротивления теплообменников с дискретно шероховат] ми каналами. Предложена рациональная форма выступов для интенсификац; теплообмена.
Предложены методики и программы тешюгидравлического расчета и oj тимизации на ЭВМ промышленного оборудования с шероховатыми каналами пароводоподогревателя, АВО, ЯР. Выполнено расчетное исследование это: оборудования, доказана его высокая эффективность.
Практическая ценность работы заключается в возможности теологи, равлического расчета и оптимизации перспективного (и модернизированні го) интенсифицированного теплообменного оборудования с дискретно шер ховатыми каналами на этапе его проектирования с помощью разработанны: моделей, методик, ЭВМ-программ (и эмпирических уравнений подобия) : техническом диапазоне изменения параметров потока и шероховатост: стенки.
Результаты экспериментальных исследований и разработанные метода расчета целесообразны для практического применения во многих отрасл промышленности: энергетике, авиационной технике, химической технолог: судостроении и т.д.
Теоретические и опытные результаты работы использованы при моде низации теплообменного оборудования в ПО "Казаньбытхим" и в ПО "Тат нерго" (подтверждено документально).
Апробация работы. Основные теоретические и опытные результаты ра
Зоты опубликованы в статьях автора в журналах "Теплоэнергетика", Известия вузов "Авиационная техника", отраслевых и межвузовских сборниках. Результаты работы докладывались на: 1-й Всесоюзной конференции ю "Математическому моделированию физико-химических процессов в энергетических установках" (Казань, 1991); Первом симпозиуме Татарстана по энергетике, окружающей среде и экономике (международный, Казань, 1992); Научной конференции студентов и преподавателей вузов ТССР (Казань, 1991); Республиканской научно-практической конференции "Пути по-зышения надежности и эффективности теплоснабжения промышленных предприятий" (Казань, 1989); Республиканской научнотехнической конференции "Повышение эффективности энергоснабжения промышленных предприятий" (Казань, 1990); Юбилейной научной конференции Казанского филиала МЭИ, юсвященной 25-летию КФ МЭИ (Казань, 1993); научно-технических конференциях Казанского филиала МЭИ (1980-1991 г.г.); научном семинаре кафедры ТОТ КАИ (1990, 1994); кафедре теплотехники МАИ (1994). Автором юлучено 4 авторских свидетельства на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (общим объемом 319 стр.), приложения (122 стр.), списка использованной литературы из 353 наименований и содержит: 41 рисунок, 2 таблицы.