Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
BBK 38 Строительство
The article is devoted to necessity of application of heat exchangers in heating systems, utilities and energy. Special attention is given to the main task of the development of heat exchangers. It is the increase of heat transfer coefficient. ways of improving heat transfer coefficient are considered. Investigated the turbulence of the heated fluid in the annular space of shell and tube heat exchanger for utilities and energy. The results of theoretical studies of turbulence changes with different configurations of the geometry of the heat transfer surface. The proposed location of the elements of the heat exchange surface, including the design of devices made according to State standard 27590 (RF).
turbulence, heat exchanger, fin of circular cross section, heat transfer
Введение. Применение теплообменных аппаратов в системах ЖКХ необходимо главным образом для нужд горячего водоснабжения (ГВС), что регламентировано № 417-ФЗ от 07.12.2011 г. Согласно этому закону, все реконструируемые и вновь строящиеся объекты должны быть подключены к системе ГВС по закрытой схеме. Данное требование подразумевает непосредственное использование теплообменных аппаратов. В системах теплоснабжения ЖКХ и энергетики в основном используются кожухотрубные теплообменные аппараты, производимые по ГОСТ 27590. При этом теплообменный аппарат может быть расположен: в индивидуальном тепловом пункте, в центральном тепловом пункте, источнике тепловой энергии (котельной, ТЭЦ, АЭС).
Применение теплообменных аппаратов так же широко распространено на ТЭС и ТЭЦ, АЭС для приготовления теплоносителя на отопление, вентиляцию, ГВС и технологические нужды [1].
Основной проблемой при разработке теплообменных аппаратов является повышение коэффициента теплопередачи k, Вт/(м К), – важнейшей характеристики аппарата. Добиться этого возможно несколькими способами: изменением геометрии теплообменной поверхности; выбором надлежащего гидродинамического режима; применением внешней энергии (ультразвук, электромагнитное поле); комбинированными способами (изменение геометрии теплообменной поверхности плюс применение ультразвука) и т.д. [2–4].
Именно выбор верных технических решений позволит сконструировать теплообменные аппараты для различных температурных и гидравлических режимов и, соответственно, расширить их применение в теплоснабжении и других сферах промышленности [5–8].
Представляет интерес использование способа изменения геометрии теплообменной поверхности. В корпусе кожухотрубного теплообменного аппарата расположены теплообменные трубки с системой перегородок для закручивания потока жидкости. Самыми распространенными являются теплообменные аппараты с гладкими трубками, с профильными применяются крайне редко.
Методика. Основной проблемой теплообмена горячей твердой поверхности и холодной жидкости является характер режима обтекания. В классических работах Кутателладзе С.С., Жукаускаса А.А., Шлихтинга Г., Хинце И.О. [9–11] установлено, что при обтекании потоком жидкости цилиндра, начиная с Re =60, за кормовой частью образуется зона завихрений, а при Re =5000 и выше за кормовой частью – полное турбулентное перемешивание. Это приводит к уменьшению толщины ламинарного подслоя жидкости у пластины, а, следовательно, увеличению передачи теплоты через этот слой.
В отличие от схемы, в которой рассмотрено обтекание вертикального стержня [6], нами предложена схема обтекания круглого цилиндра, за которым образуется зона повышенной турбулизации потока (рис. 1). Круглый цилиндр является элементом оригинального кожухотрубного теплообменного аппарата (патент РФ №149737), разработанного в БГТУ им. В.Г Шухова (г. Белгород) на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции.
Рис. 1. Развитие вихревого движения жидкости за ребром цилиндрической формы при омывании
1 – зона завихрений и повышенной турбулизации, 2 – пластина, 3 – ребро цилиндрической формы;
Wж – касательная скорость при омывании ребра цилиндрической формы, м/с, W0 – скорость основного потока жидкости, м/с
Представляет интерес изучение влияние величины скорости жидкости, регламентируемой [12] на величину турбулизации нагреваемой жидкости, а также влияние длины зоны завихрений.
Нами проведен вычислительный эксперимент изучения влияния гидродинамических характеристик потока межтрубного пространства на турбулизацию потока и длину зоны завихрений. Исследование производилось при помощи программного комплекса «Ansys CFX». Данное программное обеспечение предназначено для вычислений в гидродинамике [13, 14].
Основная часть. Особенностью предложенного нами кожухотрубного теплообменного аппарата являются теплообменные трубки, оснащенные пластинами с расположенными на них ребрами цилиндрической формы [15]. Оснащение пластин 2 ребрами 3 позволяет увеличить теплообменную поверхность и создать дополнительную турбулизацию потока нагреваемой жидкости при обтекании этих ребер [16]. Важно отметить, что расстояние между ребрами l и высота ребер H – новые конструктивные параметры теплообменного аппарата, которые необходимо определить для скоростных режимов эксплуатации, регламентированных [12] (рис. 2).
|
|
|
Рис. 2. Элемент теплообменной поверхности кожухотрубного теплообменного аппарата
1 – трубка, 2 – пластина, 3 – ребра цилиндрической формы
Для начальной стадии определения оптимальных геометрических параметров кожухотрубного теплообменного аппарата был проведен поисковый вычислительный эксперимент [13] с геометрическими размерами: d = 8 мм, H= 4 мм. На основании этого эксперимента для дальнейших исследований приняты следующие исходные данные:
- при скорости 1 м/с зона завихрений, образующаяся за ребром, охватывает значительную лобовую часть следующего ребра, то вероятно предположить, что зона завихрений может быть длиннее расстояния 9Н при скорости 1 м/с. Поэтому целесообразно провести исследование при расстоянии, большем 40 мм между ребрами круглого сечения, которое составит 70 мм.
- максимальная высота (радиус) ребра круглого сечения должна быть такой, чтобы ребра не выходили за габариты теплообменной трубки (рис.2), т.е. должно соблюдаться условие: 2Н+δ ≤ D. Согласно [17], D = 16 мм. Данному условию соответствуют следующие значения: Н=7,5 мм (максимальное значение), δ = 1 мм. Поэтому исследовались длина и высота зоны завихрений при различной высоте ребра: 2 мм и 6 мм (шаг 2 мм);
- необходимо изучить влияние повышенной скорости жидкости в межтрубном пространстве большей, чем 1 м/с, на длину и высоту зоны завихрений, так как с увеличением скорости жидкости, обтекающей твердую поверхность, повышается и коэффициент теплопередачи [6]. Для исследований принимаем значение скорости – 1,3 м/с.
Результаты исследований представлены в виде графического распределения интенсивности турбулизации при различных скоростях поперечного обтекания ребер круглого сечения (рис. 3-5).
|
а) скорость поперечного обтекания 0,7 м/с |
|
б) скорость поперечного обтекания 1 м/с |
|
в) скорость поперечного обтекания 1,3 м/с |
|
|
Рис. 3. Графические распределения степени турбулентности потока при различных скоростях поперечного
обтекания ребер цилиндрической формы высотой 2 мм
|
а) скорость поперечного обтекания 0,7 м/с |
|
б) скорость поперечного обтекания 1 м/с |
|
в) скорость поперечного обтекания 1,3 м/с |
|
|
Рис. 4. Графические распределения степени турбулентности потока при различных скоростях поперечного
обтекания ребер цилиндрической формы высотой 4 мм
|
а) скорость поперечного обтекания 0,7 м/с |
|
б) скорость поперечного обтекания 1 м/с |
|
в) скорость поперечного обтекания 1,3 м/с |
|
|
Рис. 5. Графические распределения степени турбулентности потока при различных скоростях поперечного
обтекания ребер цилиндрической формы высотой 6 мм
Значение турбулизации потока принимается равным 10 %, так как при данном значении поток принято считать высокотурбулизированным [6].
После измерений длины зоны турбулизации для каждого случая (при высоте ребра 2, 4, 6 мм и скоростях потока 0,7; 1,0; 1,3 м/с) получены следующие значения относительной длины l0 зоны турбулизации (представлены в таблице 1), которые рассчитываются:
(1)
где – длина зоны завихрений.
Таблица 1
Геометрические характеристики зоны повышенной турбулизации
|
Высота ребра круглого сечения, мм |
Относительная длина зоны турбулизации при скорости потока, м/с |
Высота зоны турбулизации над пластиной при скорости потока, м/с |
||||
|
0,7 |
1 |
1,3 |
0,7 |
1 |
1,3 |
|
|
2 |
8,75 |
10,94 |
11,65 |
3,51 |
3,52 |
3,58 |
|
4 |
8,85 |
11,56 |
13,80 |
6,82 |
7,29 |
7,77 |
|
6 |
9,43 |
9,76 |
10,29 |
12,1 |
Свыше 15 мм |
|
В ходе вычислительного эксперимента получены следующие результаты:
- Относительная длина зоны повышенной турбулизации для ребер с высотой (диаметром) 2, 4 и 6 мм и скоростями потока 0,7; 1 и 1,3 м/с лежит в пределах 12Н, как и указано в [6].
- Высота зоны повышенной турбулизациидля ребра высотой 2 мм в пределах значения скоростей 0,7; 1 и 1,3 м/с меняется незначительно (увеличение при каждом повышении скорости на 0,3 м/с не превышает 1,7 %).
- Высота зоны повышенной турбулизациипри высоте ребра 4 мм в пределах значения скоростей 0,7; 1 и 1,3 м/с меняется в среднем на 7 %.
Из анализа результатов вычислительного эксперимента можно сделать вывод, что увеличение теплообмена (в конечном итоге коэффициента теплопередачи К) в кожухотрубном аппарате с измененной геометрией теплообмена [15] будет достигнуто при высоте ребра 4 мм, скорости 0,7–1,3 м/с, длине зоны завихрений 12 Н. При этом будет решена основная задача кожухотрубного теплообменного аппарата – нагрев большего количества теплоносителя при одинаковых габаритных размерах существующих теплообменных аппаратов.
Для проверки эффективности работы кожухотрубного теплообменного аппарата разработана полупромышленная установка «Незавивисимая система отопления многоэтажного жилого дома», (рис. 6).
Рис. 6. Незавивисимая система отопления многоэтажного жилого дома
1 – подающий трубопровод от источника теплоснабжения, 2 – циркуляционный насос, 3 – регулирующее устройство, 4 – расходомер, 5 – термометр, 6 – подающий трубопровод от теплообменного аппарата,
7 – потребители, 8 - обратный трубопровод от системы отопления, 9 - теплообменный аппарат, 10 – обратный трубопровод к источнику теплоснабжения, 11 – источник теплоснабжения,
12 – отключающее устройство (шаровый кран), 13 – манометр,14 – тепловычислитель
Основной целью эксперимента является исследование высокоэффективного кожухотрубного теплообменного аппарата с выполнением требований СП 41-101-95 «Проектирование тепловых пунктов». Режимы работы аппарата приняты согласно температурам наружного воздуха, определяемым СП 131.13330.2012 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* (с Изменением N 2)». Исследования проведены для температурного графика отпуска тепловой энергии от отопительной котельной пгт. Майский Белгородского района (водогрейные котлы: 3 котла «Энтророс» и 2 котла «АВ-4»).
Выводы. Следовательно, для интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменных аппаратах целесообразно изменение геометрии теплообменной поверхности, что позволит турбулизировать поток нагреваемой жидкости. Это в конечном итоге приведет к повышению коэффициента теплопередачи кожухотрубного теплообменного аппарата.
*Работа выполнена в рамках Программы развития опорного университета на базе БГТУ им. В.Г. Шухова.
1. Sterman L.S., Tevlin S.A., Sharkov A.T. Teplovye i atomnye elektrostancii. Uchebnik dlya VUZov. 2-e izd., ispr. i dop. M.: Energoizdat, 1982. 456 s.
2. Alhasova D.A. Issledovanie i gidrodinamicheskie raschety vnutriskvazhinnyh teploobmennikov s prodol'nymi rebrami : diss. kand tehn. nauk. Mahachkala. 2009. 143 s.
3. Ugryumova S.D., Popova E.Yu., Akimov S.A. Intensifikaciya processov nagrevaniya i ohlazhdeniya v kompaktnyh teploobmennyh apparatah // Nauchnye trudy Dal'rybvtuza. 2011. № 33. S. 204-210.
4. Kireev V.V. Nauchnye osnovy i prakticheskie rezul'taty povysheniya effektivnosti teploobmennyh apparatov : diss. dokt. tehn. nauk. Angarsk. 2006. 337 s.
5. Miheev M.A., Miheeva I.M. Osnovy teploperedachi. M.: «Energiya», 1977. 344 s.
6. Zhukauskas A.A. Konvektivnyy perenos v teploobmennikah. M.: Nauka,1982. 472 s.
7. Aleksandrova A.A., Kuznecova I.K., Dmitriev E.A. Optimal'nye po tehniko-ekonomicheskim kriteriyam konstrukcii kozhuhotrubnyh teploobmennikov, poluchennye s pomosch'yu graficheskogo metoda // Uspehi v himii i himicheskoy tehnologii. 2007. №2. T. 21. S. 62-66.
8. Taborek J. Evolution of heat exchanger design techniques // Heat Transfer Eng. 1979. №1. Pp. 15 - 29.
9. Kutatelladze S.S. Osnovy teorii teploobmena. M.:Atomizdat, 1973. 416 s.
10. Shlihting G., Teoriya pogranichnogo sloya. M.: Nauka, 1974. 712 s.
11. Hinze J.O. An introduction to its mechanism and theory. London.:McGraw-Hill book company, 1959. P. 680.
12. SP 41-101-95 «Proektirovanie teplovyh punktov». M., 1995. 79 s.
13. Kuschev L.A., Nikulin N.Yu., Feoktistov A.Yu., Yakovlev E.A. Intensifikaciya teplovyh processov v kozhuhotrubnom teploobmennom apparate // Nauchnyy vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arhitektura. 2016. №3. S. 9-17.
14. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal. 1994. № 8. Pp. 1598-1600.
15. Pat. 149737 Rossiyskaya Federaciya MPK F28D 7/100/ Kozhuhotrubnyy teploobmennyy apparat / N.Yu. Nikulin, L.A. Kuschev, D.Yu. Suslov; zayavitel' i patentoobladatel' BGTU im. V.G. Shuhova. №2014134083/06, zayavl. 19.08.14, opubl. 20.01.15, Byul. №2. 4 s.
16. Nikulin N.Yu., Kuschev L.A., Semenok V.S. Razrabotka kozhuhotrubnogo teploobmennogo apparata s izmenennoy geometricheskoy poverhnost'yu [Elektronnyy resurs]. Sistem. trebovaniya: AdobeAcrobatReader. URL: http://www.scienceforum.ru/2015/pdf/17842.pdf (data obrascheniya 14.07.17).
17. GOST 27590-2005. Podogrevateli kozhuhotrubnye vodovodyanye sistem teplosnabzheniya. Obschie tehnicheskie usloviya. M.: Standartinform, 2007. 24 s.
