Интенсификация теплообмена в газотрубных котлах с использованием профилированных поверхностей теплообмена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Шахлина, Наталья Александровна

• Шахлина, Наталья Александровна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шахлина, Наталья Александровна

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Методы интенсификации конвективного теплообмена.

1.2 Факторы, влияющие на интенсификацию теплообмена.

1.2.1 Влияние числа Рейнольдса.

1.2.2 Влияние формы профиля кольцевой диафрагмы.

1.2.3 Влияние высоты и шага диафрагм.

1.2.4 Влияние полного шага закрутки потока ленточного турбулизатора.

1.3 Интенсификация теплообмена в высокотемпературных потоках.

1.4 Способы оценки эффективности различных методов интенсификации теплообмена

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация теплообмена в газотрубных котлах с использованием профилированных поверхностей теплообмена»

В настоящее время широкое распространение в малой энергетике и ЖКХ получили водогрейные газотрубные котлы малой и средней мощности, обладающие простой конструкцией и не требующие больших материальных и трудовых затрат на их монтаж и дальнейшее обслуживание при их эксплуатации. Одним из таких котлов является котёл стальной водогрейный автоматизированный КСВа-2,0 ГС «ВК-21», предназначенный для теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий с абсолютным давлением воды в системе не выше 0,6 МПа (6 кгс/см) и максимальной температурой нагрева воды - 115 °С. Основными недостатками котлов этого типа является высокая температура уходящих газов на выходе из котла при использовании гладких труб (около 350 С), низкий коэффициент теплоотдачи о^

-35 Вт/м К) и как следствие низким коэффициент полезного действия котла.

Около 80 % внутренней поверхностью нагрева котлов данного типа составляют дымогарные трубы, поэтому наиболее действенным способом повышения эффективности их работы является интенсификация теплообмена в трубах. Это связано с тем, что основными требованиями при создании теплообменных устройств различного назначения являются обеспечение, как можно меньших объёмов, массы и энергозатрат на транспортирование рабочего вещества и в то же время как можно большей теплопередающей способности.

На сегодняшний день существует множество методов интенсификации теплообмена с использованием профилированных поверхностей: трубы с кольцевой накаткой, трубы со вставками в виде скрученной ленты (шнек, проволочные вставки), а также трубы с кольцевой накаткой с установленными в них скрученными лентами. Наибольший интерес представляют трубы с кольцевой накаткой и установленными в них скрученными лентами, по которым практически отсутствуют как экспериментальные данные, так и надежные расчетные зависимости, необходимые для определения параметров теплообмена и гидравлического сопротивления.

В случае с газотрубными котлами помимо конвективной составляющей теплообмена необходимо также учитывать лучистый поток теплоты, т.к. при температуре газов на входе в трубную часть -1200 °С заметную роль в суммарном теплообмене будет играть излучение от ленточного турбулизатора к стенке трубы.

Одновременное использование кольцевой накатки и установки скрученной ленты позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи на величину большую, чем дают отдельные методы интенсификации теплообмена. Данный эффект достигается за счёт непрерывной закрутки потока (установка скрученной ленты) и турбулизации пограничного слоя (кольцевая накатка).

Учёт лучистой составляющей и получение кривых распределения температур газа и ленточного турбулизатора по длине трубы позволит более точно определить влияние различных факторов на теплообмен.

В настоящей работе приведены результаты исследования интенсификации теплообмена методом кольцевой накатки, непрерывной закрутки потока с помощью скрученной ленты и комбинированным методом, включающим в себя два предыдущих. Приведены экспериментальные и расчетные данные о влиянии лучистой составляющей на теплообмен в целом и изменении температуры газов и турбулизатора по длине трубы.

Работа выполнена на кафедре промышленной теплоэнергетики УГТУ-УПИ. Результаты экспериментов получены на экспериментальной установке, находящейся в проблемной лаборатории УГТУ-УПИ.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Шахлина, Наталья Александровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена формула для определения конвективного коэффициента теплоотдачи при использовании профилированных поверхностей теплообмена в виде кольцевой накатки и скрученных лент, а также получены аппроксимации для определения коэффициента гидравлического сопротивления.

2. Предложена методика расчета изменения температуры газа и температуры вставки по длине трубы с учетом лучистой составляющей. Использование этой методики хорошо согласуется с экспериментальными данными.

3. Определено, что при температуре газового потока равной 300 °С, доля лучистого теплообмена составляет 25-30%, а при температуре 1200 °С достигает 40% при номинальной нагрузке котла. Использование вставок является эффективным способом интенсификации теплообмена в высокотемпературных потоках.

4. Рассмотрено влияние полного шага закрутки вставки в виде скрученной ленты на долю лучистого теплообмена. Влияние данного параметра является незначительным и составляет около 6% за счет увеличения площади вставки.

5. Применение комбинированного метода интенсификации теплообмена позволяет интенсифицировать теплообмен по отношению к гладкой трубе в 42,8 раза при h=3.5 мм S=300 мм; 3,7-2,3 раза при h=3.5 мм S=600 мм; 3-1,9 раза при h=2 мм S=300 мм; 2,5-1,6 раза при h=2 мм S=600 мм в диапазоне чисел Рейнольдса 5-103-5 104.

6. Предложена методика расчета суммарного коэффициента теплоотдачи в трубах с кольцевой накаткой и установленными в них вставками в виде скрученных лент применительно к газотрубным котла малой и средней мощности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шахлина, Наталья Александровна, 2007 год

1. Справочник по теплообменникам в 2т. Т.1. Под ред. Петухова Б.С., Шикова В.К. М.: Энергоатомиздат, 1987. 560 с.

2. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Ленинград: Энергоатомиздат, 1987.

3. Мигай В.К. Повышение эффективности современных теплообменников. Л.: Энергия, 1980

4. Роскин А.Б., Каусов М.А. Применение профилированных труб в теплообменных аппаратах // Новости теплоснабжения. 2002. №12. С. 3741.

5. Zimparov V.D., PenchevP.J., Meyer J.P. Performance evaluation of tube-in-tube heat exchangers with heat transfer enhancement in the annulus // Thermal Science. V. 10. 2006. №1. P. 45-56.

6. Интенсификация теплообмена: Успехи теплопередачи. Т.2 / Ю.В. Вилемас, Г.И. Воронин, Б.В. Дзюбенко и др. / Под. ред. проф. А. А. Жукаускаса и проф. Э. К. Калинина. Вильнюс: Мокслас, 1988.

7. Ануфриев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева // Издательство «энергия». Москва. 966. Ленинград, 182 с.

8. Nunner W. Warmeubergang und Druckabfall in rauchen Rohren // VDI. 1956. N455.

9. O.Koch R. Druckverlust und Warmeubergang bei verwirbelter Stromung // VDI -Forsch. 1958. B. 469. S. 44.

10. Калинин Э.К., ДрейцерГ.А., Ярхо C.A. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: машиностроение, 1990. 208 с.

11. Калинин Э.К., ДрейцерГ.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: машиностроение, 1972. 220 с.

12. Мигай В.К., Новожилов И.Ф. Теплообмен в трубах с поперечными выступами // Изв. вузов. Сер. Энергетика. 1965. №11 С. 36-43.

13. Н.Калинин Э.К., Ярхо С.А. Влияние числа Рейнольдса и Прандтля на эффективность интенсификации теплообмена в трубах // ИФЖ. 1966. №4. С. 426-431.

14. Новожилов И.Ф., Мигай В.К. Разработка и исследование теплообменных поверхностей с интенсивной теплоотдачей для регенераторов ГТУ большой мощности // Труды ЦКТИ. Л., 1962. №27. С. 8-17.

15. Галин Н.М. Теплообмен при турбулентном течении газов у шероховатых стенок // Теплоэнергетика. 1967. №5. С. 67-73.

16. Миллионщиков М.Д. Турбулентные течения в пограничном слое в трубах. М.: Наука, 1969.

17. Мигай В.К. Теплообмен в шероховатых трубах // Известия АН СССР. 1968. №3. С. 34-37.

18. Кирпиков В. А. Интенсификация конвективного теплообмена путем создания в потоке неоднородностей давления. Дисс. . .доктора техн. наук. М.: 1987.

19. Авдуевский B.C., Крюков В.Н., Солнцев Б.П. Экспериментальное исследование структуры пограничного слоя и теплообмена на шероховатой поверхности // Исследование теплообмена в потоках жидкости и газа. М.: Машиностроение, 1965. С. 55-90.

20. Солнцев В.П., Крюков В.Н. Экспериментальное исследование влияния на теплообмен формы шероховатости // Темат. сб. научных трудов МАИ. М.: 1978. Вып. 463. С. 7-10.

21. Солнцев В.П., Крюков В.Н. Экспериментальное исследование теплообмена на поверхности с шероховатостью различного относительного шага // Темат. сб. научных трудов МАИ. М.: 1978. Вып. 463. С. 3-6.

22. Структура турбулентного потока и механизм теплообмена в каналах / М.Х. Ибрагимов, В.И. Субботин, В.П. Бобков и др. М.: Атомиздат, 1978.

23. Влияние скругления острых выступов шероховатостей на теплоперенос и падение давления в канале / ВЦП. № М-15887. - 21 с. Пер. ст. Sparrow Е.М., Hossfeld L.M. из журн.: International Journal of Heat and Mass Transfer, 1984, vol. 27, № 10, p. 1715-1723.

24. Светлов Ю.В. Интенсификация гидродинамических и тепловых процессов в аппаратах с турбулизаторами потока. М.: Энергоатомиздат, 2003. 504 с.

25. Жукаускас А.А. Интенсификация конвективного теплообмена искусственной шерохокватостью // Теплоэнергетика. №3.1984. С. 10-14.

26. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982. 471 с.

27. Гомелаури В.И. Влияние искусственной шероховатости на конвективный теплообмен: Сб. научн. трудов / Ин-т физики АН Груз. ССР. Тбилиси. 1963. Т.9. С. 111-145.

28. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1988. 408 с.

29. Дрейцер Г.А. Современные проблемы интенсификации теплообмена в каналах // ИФЖ. Т.74. №4. 2000. С. 33-40.

30. Дрейцер Г.А. Эффективность использования закрутки потока для интенсификации теплообмена в трубчатых теплообменных аппаратах // Теплоэнергетика. 1997. №11. С. 61-65.

31. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М.: Машиностроение, 1980.

32. Эффективность интенсификации теплообмена в трубах при охлаждении газа / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, В.А. Кузьминов, А.С. Неверов //Изв. АН БССР. Сер. физ.-энерг. наук. 1971. №3. С. 52-61.

33. Kalinin Е.К., Dreitser G.A., Yarkho S.A. The experimental study of the heat transfer intensification under conditions of forced flow in channels // Proc. JSME 1967 Semi International Symposium, 4-8th September 1967. V. 1. 1967. Tokyo. P. 65-77.

34. Исаченко В.П., Агабабов С.Г., Галин H.M. Экспериментальное исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления при турбулентном течении воды в трубах с искусственной шероховатостью // Тр. МЭИ. 1965. Вып. 63. С. 27-37.

35. Павловский В.Г. К вопросу о влиянии конфигурации турбулизаторов на тепловую эффективность поверхности стенки канала // ИФЖ, 1969. Т. 17. №1. С. 156-159.

36. Дрейцер Г.А. Методика оценки эффективности интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах // Известия вузов. Машиностроение. №6. 1999. С. 67-72.

37. Назмеев Ю.Г., Николаев Н.А. Оценка эффективности завихрителей потока, интенсифицирующих процесс теплообмена // ИФЖ. Т. 36. №4. 1979. С. 653-657.

38. Дубровский Е.В., Васильев В.Я. Метод относительного сравнения гидравлической эффективности теплообменных поверхностей и теплообменников // Теплоэнергетика. №5. 2002. С. 47-53.

39. Калафати Д.Д., ПопаловВ.В. Сравнение эффективности теплоотдачи при течении газов в гладких и шероховатых каналах // ТЭ. №5. 1977. С. 70-73.

40. Невский А.С. Лучистый теплообмен в печах и топках. М.: Металлургия, 1971.440 с.

41. Исаченко В.П., ОсиповаВ.А., СукомелА.С. Теплоотдача. М.: Энергоиздат, 1981. 417 с.

42. БлохА.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением. М.: Энергоатомиздат, 1991. 432 с.

43. Савчук В.П. Обработка результатов измерений. Физическая лаборатория. 41. Одесса: ОНПУ, 2002. 54 с.

44. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: «Энергия», 1978. 704 с.

45. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А., Соловьев С.Л. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Издательство МЭИ, 2003. 470 с.

46. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

47. Гортышев Ю.Ф., Олимпиев В.В., Байгалиев Б.Е. Теплогидравлический расчет и проектирование оборудования с интенсифицирующим теплообменом // Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. 2004. 432 с.

48. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). Издание 3-е, переработанное и дополненное. Издательство НПО ЦКТИ, СПб, 1998. 256 с.

49. Шахлина Н.А., Мунц В.А., Мудреченко А.В. Оптимизация тепловых характеристик газотрубных котлов. // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №4. С. 49-51.

50. Шахлина Н.А., Мунц В.А., Мудреченко А.В. Повышение эффективности работы газотрубных котлов за счет использования профилированных поверхностей теплообмена. // Промышленная энергетика. 2007. №9. С. 2830.