Введение к работе
Актуальность темы. Трубные теплообменные поверхности - трубные пучки широко используются во многих теплотехнических устройствах. Компоновка труб в пучке является основой при создании наиболее компактных форм поверхностей теплообмена с продольным и поперечным оребрением труб. В связи с этим поиск и теплофизические исследования более эффективных способов размещения труб в гладкотрубных пучках, наряду с исследованиями компактных оребрённых поверхностей теплообмена, является актуальным.
Трубные пучки широко используются в газожидкостных теплопередающих системах - аппаратах воздушного охлаждения (АВО, ВКУ), котлах - утилизаторах ИГУ, энергетических котлах и т.п. Для них характерно повышенное аэродинамическое сопротивление и сравнительно низкие значения коэффициентов теплоотдачи. Это приводит к необходимости применять малорядные пучки и использовать оребрение обтекаемых газом труб.
Известно, что формирование вихрей, связанное с закруткой потока в межтрубных каналах пучков приводит к усилению обменных процессов. При этом теплообмен происходит одновременно с потерями энергии на вихреобразование. Известные методы интенсификации, основанные на организации диффузорного течения, позволяют разрабатывать новые компоновки пучков труб при организации межтрубного течения с положительным градиентом давления. В этой связи представляется актуальной постановка задачи, как по интенсификации процесса теплообмена, так и по снижению аэродинамического сопротивления, т.е. задачи разработки методики компоновки трубных пучков, как из гладких, так и оребрённых труб с повышенной энергоэффективностью.
Целью работы является разработка физической модели теплоаэродинамиче-ских процессов перспективных трубных систем и обоснование возможности применения этой модели для повышения энергоэффективности трубных систем. Создание физической модели позволяет проводить составление трубных пучков с заданными теплоаэродинамическими характеристиками. Поставленная задача может быть решена на основе локальных характеристик: поверхностного трения, статического давления, локальной теплоотдача. Локальные характеристики позволяют составить картину течения в межтрубных каналах поперечноомываемых пучках труб. Кроме того, исследование теплоаэродинамических характеристик перспективных трубных систем гладких и оребрённых труб, позволяет проводить анализ их энергетической эффективности, выявить перспективные компоновки. Значение работы для практики связано с обоснованием возможности комплексного решения задач повышения энергоэффективности трубных теплотехнических устройств.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработан метод повышения энергетической эффективности поперечно-
омываемых пучков труб, заключающий в себе решение проблемы создания новых
энергоэффективных компоновок трубных пучков конфузорно-диффузорного типа,
обеспечивающих существенное снижение аэродинамического сопротивления, что
открывает возможности повышения компактности теплопередающих устройств.
2. Предложена физическая модель течения и теплообмена в пучках, основан
ная на рассмотрении присоединенных вихрей в условиях градиента давления в
межтрубных каналах.
-
Получено новое аналитическое решение уравнения баланса турбулентной энергии с введением линейной функции продольной координаты М(х). Для плоских каналов с полу цилиндрическими выступами интегральные соотношения позволяют рассчитывать локальную теплоотдачу на плоской поверхности ниже по течению от области присоединения потока.
-
Впервые получены экспериментальные данные по теплоаэродинамическим характеристикам для новых нетрадиционных компоновок пучков гладких и ореб-ренных труб. Получены средние значения поверхностного трения, лобового сопротивления и подъемной силы, их распределение по рядам труб пучков. Впервые обнаружена несимметрия течения и теплообмена на плоской и цилиндрической поверхностях. Выявлена связь несимметрии течения и присоединения в канале с несимметрией областей отрыва на цилиндрических поверхностях. Получены обобщенные соотношения по теплообмену и гидродинамике для плоской и цилиндрической поверхностей в плоских каналах исследованных пучков труб.
-
Проведены исследования теплоаэродинамических характеристик диффу-зорных и конфузорных оребренных пучков труб. Впервые установлено, что для диффузорной компоновки опережающее снижение аэродинамического сопротивления приводит к повышению энергетической эффективности теплоотдачи.
-
Впервые получены экспериментальные данные по распределению теплоотдачи, статического давления и трения на поверхности цилиндров гладкотрубных пучков конфузорно-диффузорной, извилистой и коридорно-диффузорной компоновок, позволяющие составить схему течения теплоносителя в межтрубных каналах новых компоновок пучков труб. Получены значения средних теплоаэродинамических характеристик и результаты обобщения в критериальном виде.
-
Впервые получены экспериментальные данные по теплоаэродинамическим характеристикам воздушного водоохладителя с синтезированной компоновкой пучка спирально-проволочнооребренных труб конфузорно-диффузорного типа. Обнаружено, что теплоотдача в смежных рядах труб распределяется неравномерно.
Разрабатываемые новые компоновки трубных пучков соответствуют уровню изобретений, по которым получены охранные свидетельства («Конвективная трубчатая поверхность» А.С. № 1560896. Бюллетень. «Открытия. Изобретения». №16.1990.; «Система охлаждения конденсатора паротурбинных установок». Полезная модель. (Б №Гос. per. 98115190. Бюллетень, 1998).
Практическая ценность работы. Полученные результаты по теплоаэродинамическим характеристикам исследованных пучков труб позволяют создавать компоновки трубных теплообменных систем как для малорядных (до 6^-8 рядов, воз-духоохлаждаемые установки), так и многорядных (конвективные поверхности котлов). Полученные результаты измерения локальных характеристик теплоотдачи и аэродинамики расширяют возможности математического моделирования.
Локальные характеристики позволяют проводить расчеты температурных режимов элементов поверхностей теплообмена, работающих в теплонапряжен-ных участках теплотехнических систем, что может повысить надежность и безопасность работы теплоэнергетических устройств.
Разработаны высокоэффективные поверхности теплообмена. Предлагаемые конструкции трубных секций АВО позволяют (при прочих равных условиях) снизить мощность электропривода в 1,5-К2 раза и уменьшить металлоемкость
конструкции до 60%. В связи с этим результаты диссертационной работы представляют практическую ценность и введены в информационную базу системы проектирования АВО, функционирующую во ВНИИнефтемаше (см. справку о внедрении). Ряд разделов диссертации включен в курс «Интенсификация процессов конвективного теплообмена в энергетических установках» для студентов, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика». Автор защищает:
Метод физического моделирования сложных течений в межтрубных каналах пучков труб, включающий выявление общих закономерностей вихреобразо-вания, а также их особенностей;
Общий подход в построении физических моделей компоновок трубных пучков, основанный на использовании сочленения отдельных трубных групп при наличии в пучках крупномасштабного градиента давления;
Модели, основанные на решении дифференциального уравнения для турбулентной кинетической энергии и проникновения тепла в присоединенный вихрь, позволяющие проводить эскизное проектирование разрабатываемых компоновок трубных пучков в современных вычислительных средах (ANSIS, FLUENT и т.п.);
— Результаты измерения теплоаэродинамических характеристик и оценки
энергетической эффективности разработанных пучков гладких и оребренных труб;
— Способы компоновки труб пучка с улучшенными энергетическими пока
зателями, малорядных и многорядных, для теплотехнического (АВО) и тепло
энергетического оборудования котла.
Работы в данной области выполнялись по договору с МКНТ (договор №ЭН/8 «Разработка воздушного конденсатора нового поколения для электростанций и изготовление модуля опытно-промышленной установки ВК») и отмечены грантами: Совета по поддержке научной школы НШ-1414.2003.8., Грантом РФФИ №06-08-01537 «Расчетно-экспериментальное исследование переносных свойств и теплообмена в вихревых потоках веществ угле фторидного состава».
Личный вклад автора. В основу диссертации легли результаты исследований, выполненные автором на кафедре Теоретических основ теплотехники им. Вукаловича М.П.
Постановка задач и способ их решения, а также анализ и обобщение результатов экспериментального исследования осуществлялись при непосредственном участии автора. Разработка принципов моделирования, методов исследования и их анализ, а также разработка методов синтеза компоновок осуществлялись лично автором.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на 2, 3-ем Минских международных форумах по тепло- и массообмену (Минск, 1992, 1996), на 1, 2, 3, 4-ой Российских национальных конференций по теплообмену (Москва, 1994, 1998, 2002, 2006), на 5-ой Международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов» КХТП-5 (Казань, 1999), Международной научно-практической конференции «Экология энергетики - 2000» (Москва, 2000), на Юбилейной научно-практической конференции АНТОК СНГ, (Москва, 2001), на 5-ой международной конференции по экспериментальному теплообмену (Греция, г. Салоники, 2001), на научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках» (Тверь, 2001), на Международном симпозиуме по компактным теплообмен-
никам (Франция, г. Гренобль, 2002), на электронной конференции по программе «Топливо и энергетика» (Москва, МЭИ, 2002 E-mail: httpVnir.mpei.ac.ru/konf/), на 5^-10-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 1999^-2004), на Второй Российской конференции: «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 печатных работ в научных изданиях, из них 1 Авторское Свидетельство, 1 Свидетельство на Полезную Модель, 2 доклада в иностранных издательствах в трудах Международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения. Она изложена на 379 страницах машинописного текста и снабжена по тексту 149 иллюстрациями. Список литературы содержит 135 наименований.
