Обоснование и выбор теплообменной поверхности с оптимальными теплопередающими характеристиками

JUSTIFICATION AND SELECTION OF A HEAT EXCHANGE SURFACE WITH OPTIMAL HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS

Maxim Manko

Student, Russian University of Transport», (RUT(MIIT)), Russia, Moscow

Eugene Pirogov

Candidate of Technical Sciences, associate Professor in Federal State Institution of Russian University of Transport, (RUT(MIIT)), Russia, Moscow

Введение. Высокая тепловая эффективность и низкая металлоемкость теплообменников с развитыми теплообменными поверхностями обеспечили их широкое применение в различных промышленных сферах. Однако, существующие тенденции развития, направленные на ресурсо- и энергосбережение, обуславливают необходимость проведения исследований в области обоснования и выбора теплообменных поверхностей с оптимальными теплопередающими характеристиками. В качестве объекта для исследования выбраны поверхности теплообменников с развитыми комбинированными поверхностями.

Основная часть. Вопросы идентификации, исследования, а также оптимизации процессов теплообмена рассмотрены в работах таких ученых, как Ю.В. Видина, A.A. Гухмана, проф. B. Н. Санина, д. т. н. Р. А. Андрианова, и др. [1]. Были выявлены различные рациональные подходы на основе применения аналитических методов и применения математического моделирования с целью создания новых с повышенной эффективностью теплообменных аппаратов. Однако, одновременно существует проблематика, которая связана с ограниченностью применения методик и подходов для оценки теплообменных поверхностей. В частности, касаемо специфики математического моделирования теплообменных процессов в развитых комбинированных поверхностях теплообмена.  Методика оценки эффективности была сформулирована впервые М.В. Кирпичевым. В соответствии с последней энергетическую эффективность характеризует отношение теплоты Q, которая передана в теплообменнике, и энергозатрат N на преодоление гидравлических сопротивлений. И при этом, чем больше значение E, тем лучше способ интенсификации теплообмена, а также конструкция аппарата. 

Недостаток такого подхода видят в неоднозначности изменения коэффициента Е в зависимости от скоростей рабочих сред и соотношений коэффициентов теплопередачи и т.п. Так, с возрастанием скоростей рабочих сред значение Е_о уменьшается, т.к. энергозатраты пропорционально кубу скорости растут.

Универсальный энергетический коэффициент в результате дальнейших разработок данной методики был выведен В.М. Антуфьевым

где ∝– коэффициент теплоотдачи.

Можно согласиться с мнением, что «эффективность ТА» — это величина коэффициента теплопередачи и потери давления в фиксированных, т.е. эталонных условиях сравнения. При таком подходе расчет числа единиц эффективности теплообменного аппарата Е_т ведут на удельные показатели: на единицу площади поверхности теплообмена F = 1 м²; на единицу среднего температурного напора At; на единицу энергозатрат на преодоление гидравлического сопротивления N_o = 1 Вт/м². Эти показатели позволяют распространить результаты сравнения на весь ряд теплообменных аппаратов при любых внешних параметрах.  Авторы пришли к выводу о наиболее эффективных пластинчатых теплообменных аппаратах [2].

Также для обоснования и выбора теплообменной поверхности с оптимальными теплопередающими характеристиками применяют следующие два метода: первый - аналитический с разработкой математического решения дифференциальных уравнений теплопроводности; и второй- численный для решения задач теплопроводности, основанный на использовании метода конечных разностей.

Можно говорить о следующих наиболее распространенных направлениях по повышению эффективности и надежности работы теплообменной поверхности, которые обычно выделяются:

1) повышение коэффициента теплоотдачи к воздуху за счет: применения более эффективного оребрения; подбора оптимального шага разбивки трубных досок;

2) повышения коэффициента теплоотдачи к маслу за счет установки внутренних ребер и турбулизаторов потока;

3) снижение контактного сопротивления биметаллических труб;

4) снижение энергопотребления привода вентиляторов за счет: установки вентиляторов с более совершенной аэродинамической формой, совершенствования диффузоров вентиляторов и др.

Далее стоит более подробно остановиться на оребренных конструкциях, которые широко применяются для интенсификации теплопередачи и уменьшения размеров различных теплообменных установок.

Для ребер с малым термическим сопротивлением температура поверхностей теплообмена с теплоносителем или внешней средой мало отличается от температуры базовой поверхности, на которой установлены ребра. В этом случае эффективность оребрения связана в основном с увеличением (развитием) площади поверхности теплообмена [3].

Интенсификация процесса теплообмена в современных энергетических установках приводит к тому, что термическое сопротивление теплоотдачи к теплоносителю становится сопоставимым с термическим сопротивлением ребер. Их температура оказывается существенно переменной по поверхности, а определение температурного поля в оребренной конструкции входит как необходимый элемент в полный расчет теплообменных устройств. Такой расчет дополнительно усложняется в случае, если условия теплообмена переменны по поверхности оребрения и, кроме того, сильно зависят от температуры.

Согласно [4] для интенсификации конвективного теплообмена в ТА зачастую применяют развитые поверхности теплообмена путем оребрения и ошиповки.  Оребрение поверхности применяется со стороны теплоносителя с меньшим коэффициентом теплоотдачи. Оребрение поверхности теплообмена целесообразно не только по высоким значениям коэффициента теплопередачи, но и по весовым показателям, т.к. поверхность оребрения, в 5-10 раз превосходящая несущую поверхность трубок, не подвержена давлению, а поэтому оребрение изготавливается из более тонкого материала, чем трубки, тем самым обеспечивается значительный весовой эффект [4].

Количественную оценку тепловой энергии, в общем случае, [Вт], которая может быть передана за 1 ч через оребренную поверхность труб, можно представить следующим образом:

,                                                                                             (1)

где:   — это значения средних температур теплоносителей;  - значение площади ребристой поверхности стенки, которую можно определить как сумму площадей ребер и стенки в промежутках между ребрами, м²:

,                                                                                                           (2)

 - коэффициент теплопередачи ребристой стенки, [Вт/м²]:

,                                                                                                (3)

где:  - значение коэффициента теплоотдачи относительно гладкой стороны,  - значение приведенного коэффициента теплоотдачи относительно стороны ребристой поверхности,  - значение термического сопротивления загрязнений ребристой поверхности;  - значение толщины материала стенки, т.е. стенки трубок без ребер или плоской стенки;  - значение коэффициента материала стенки, т.е. стенки трубок без ребер или плоской стенки.

При оребрении стремятся к выполнению условия:

                                                                                                        (4)

Приведенный и расчетный коэффициент теплоотдачи ребристой поверхности с учетом неравномерности теплообмена относительно поверхности ребра можно определить следующим образом:

,                                                                                                  (5)

где:   - площадь оребрения на 1 м длины;  - значение внешней поверхности трубы;  - значение полной внешней поверхности 1 м трубы, которая состоит из поверхностей трубы, не занятых ребрами, и ребер;  - значение разности между температурами поверхностей теплоносителя и ребер;  - значение разности между температурами теплоносителя и основной поверхности трубы.

После детерминирования коэффициента теплоотдачи относительно внешней ребристой поверхности необходимо далее выполнить расчет по классическим формулам и теорий теплопередачи.

С этой же целью предлагается уменьшение геометрических размеров поверхности теплообмена, а также применение пластинчатых и спиральных теплообменников. Это обосновывается тем, что пластинчатая поверхность теплообмена позволяет получить более высокие значения удельной поверхности, а также создать компактные теплообменные аппараты. Если при этом предпринять дополнительные меры по интенсификации теплообмена либо за счет воздействия на поток, либо за счет оребрения, то можно получить высокоэффективную поверхность теплообмена.

Исследование и совершенствование конструкции теплообменных аппаратов за счет применения различных методов интенсификации должно приводить к одному из двух возможных результатов: либо к уменьшению массы теплообменной аппаратуры и ее себестоимости, либо же к повышению эффективности теплопередачи, и следовательно снижению эксплуатационных расходов [5, 6].

Оценку работы ТП с точки зрения практического использования теплообменников обычно производят на основе теплового КПД. Однако этот критерий не является достаточно объективным. Такой вывод исходит из того, что он не учитывает потери качества передаваемого тепла, а также потери, которые обусловлены гидравлическими сопротивлениями аппарата. Потому, одним из вариантов решения проблемы видится в введении другого критерия, который основан на первом и втором законах термодинамики - эксергетический КПД. Здесь подтверждена необходимость установления корреляционной взаимосвязи между разными критериями эффективности теплообмена: тепловым КПД  и эксергетическим КПД [7]:

,                                                                                            (6)

где:  - значение температуры окружающей среды;  - значение тепловых эквивалент нагреваемой и греющей сред соответственно; ,  - значение температур греющей и нагреваемой сред;  - значение теплового КПД.

Уравнение (6) дает возможность проведения сопоставительной количественной оценки критериев  и  при эквивалентных условиях работы теплообменника. Из всех компактных поверхностей именно применение пластинчато-ребристых поверхностей наиболее целесообразно. В частности, при осуществлении теплообмена между газовым и жидкостным потоками.

Заключение Подводя итог, следует отметить, что сделан небольшой общего характера обзор методов и подходов для исследования, обоснования и выбора теплообменной поверхности с оптимальными теплопередающими характеристиками. В ходе исследования можно сделать вывод о необходимости применения комбинированного метода на основе аналитико-численного метода с подтверждением результатов методом имитационного моделирования. Оценку же результатов подтверждать эмпирически методом анализа согласно смешанных критерий эффективности и оптимизации теплообменных поверхностей при помощи термодинамики-эксергетического КПД. Также можно сделать вывод, что коэффициент теплоотдачи в пластинчатых аппаратах выше, чем в трубчатых аппаратах.