Научные основы и практические результаты повышения эффективности теплообменных аппаратов Киреев, Владимир Васильевич

Содержание к диссертации

Глава I.

1.1. 1.2. 1.3.

1.4.

1.4.1.

1.4.2.

1.5.

1.6.

Глава 2. 2.1.

2.2. 2.3. 2.4. 2.5.

2.6. 2.7.

Глава 3.

3.1. 3.2. 3.3. 3.4.

3.5. 3.6. 3.7.

3.7.1.

3.8.

3.9.

Введение к работе

Современное состояние проблемы отвода тепла в окружающую среду

Открытые системы оборотного водоснабжения Закрытые системы оборотного водоснабжения Теоретические основы процессов тепломассообмена при испарении

Основные характеристики электростатических полей и их применение в промышленности Электростатическое распыление Интенсификация теплообмена ЭСП

Целесообразность применения воздушных конденсаторов в холодильных установках Выводы

Теоретический анализ процессов теплообмена

Теплообмен при воздушном охлаждении

Теплообмен при испарительном охлаждении

Теплообмен при охлаждении в электростатическом поле

Анализ результатов охлаждения в ЭСП

Активизация границ взаимодействия теплоносителей как

принцип новых технологических и аппаратурных решений

Теплообмен в пористой пластине

Выводы

Экспериментальные стенды, методика и результаты экспериментальных исследований

Описание экспериментальных стендов Методика проведения экспериментов Оценка погрешности измерений

Зависимость изменения коэффициента теплоотдачи от поверхности теплообмеппого элемента при охлаждении в ЭСП Аппроксимация экспериментальных исследований Сопоставление экспериментальных и теоретических данных Исследования тепловых и газодинамических характеристик пористых ребер

Описание экспериментального стенда и методика проведения экспериментов

Влияние вольт-амперных характеристик ЭСП на теплообмен в пористом ребре

Исследование теплообмена в конденсаторе воздушного охлаждения малой холодильной машины

стр. 7

Список используемой литературы 254

Приложения

Условные обозначения

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/ м²' К; q ~ плотность теплового потока, Вт/м2; j - плотность орошения, г/м ; р - коэффициент массоотдачи, м/с;

є - относительная диэлектрическая проницаемость среды; єо - электрическая постоянная; Е - напряженность поля, В/м; к — подвижность ионов;

g - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м; a_q - коэффициент поверхностного натяжения заряженной капли, Н/м; R - радиус капли, м; Ros - радиус заряженной капли, м; U - напряжение, В;

Uk - напряжение, соответствующее появлению тока коронного разряда, В; Н - межэлектродное расстояние, м; р - плотность, кг/м ;

Р_по- парциальное давление паров воды в ядре потока воздуха, Па; Р_пс- парциальное давление паров воды в воздухе над пленкой жидкости, Па; С_р - удельная теплоемкость, Дж/(кгК);

С_ПчС - концентрация водяного пара над поверхностью пленки, кг/м ; С_п,о" концентрация водяного пара в ядре потока, кг/м³; D_c - коэффициент молекулярной диффузии, отнесенный к разности концентраций, м^э/с;

(О² - скорость движения капли; Ь- коэффициент теплопроводности, Вт/{м К); Т -температура, К; N - Мощность, кВт; t - время, с;

и - кинематический коэффициент вязкости, м /сек;

№ - динамический коэффициент вязкости, Н -сек/ м²;

V - объемный расход, м /сек;

ДР - потери давления, Па;

0 - средний температурный напор, К;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/ м² -К;

W,, -скорость воздуха в порах, м/сек;

J - удельная энтальпия, Дж/кг;

г- радиус-вектор, м;

g - плотность потока влаги, вызванного испарением, кг/(м -с);

ф_в - относительная влажность воздуха, %;

W, - влагопритоки к воздуху камеры;

G - массовый расход, кг/с;

Q - холодопроизводительность, кВт;

^ип ср - средний поровыи диаметр, м;

Подстрочные индексы

в- воздух, с- стенка;

w- вода; ж- жидкость;

л - лед; вн- внутренняя;

м - металл; нар- наружная;

пр - продукт; ф- угол атаки;

п - поверхность; пл - пленка;

ор - основание ребра; ио- испарительное охлаждение;

q- заряд капли; ф- форсунка;

к- конденсация; тр- трубный пучок;
ц- центр-

Критерии:

Re = ш_т *d І0_Ж- критерий Рейнольдса;

г Г = Ш I g К₀_ критерий Фру да;

&^ar -g'R₀^^v - критерий Галилея; We = [j{x)Y²_qplR₀ - критерий Вебера;

_ V P^f - ~ - критерий Прандтля;

*-*^е - критерий Льюиса;

^лг - -2 - критерии Архимеда;

_{П =Іл±}

w у _w - критерии, определяющий влияние поперечного потока массы на поле скоростей;

/7 = Jn -П -Рг —^-

г) n ^{w D} d - критерий, отражающий влияние поперечного потока на поле парциальных давлений;

П ~ Jn⁹'*^n _ it p_r zlL

¹¹т ~ 2 ~ ^w с " ^кР^итеР^ий> определяющий влияние попе-

речного потока массы на поле температур.

ВВЕДЕНИЕ

Современные промышленные предприятия различных отраслей народного хозяйства имеют большое количество аппаратов и машин, нуждающихся в охлаждении. Количество отводимого тепла от технологического оборудования пропорционально росту промышленного производства и в настоящее время составляет сотни миллионов киловатт тепла [18, 143]. Так, например, на предприятиях химической промышленности количество воды, используемой для охлаждения технологического оборудования, составляет около 75% общего водопотребления этой отрасли.

Большая часть тепла, выделяющегося в технологическом оборудовании, отводится циркуляционной водой и в специальных аппаратах рассеивается в окружающую среду, С возрастающим дефицитом воды в природных источниках отвод тепла циркуляционной водой становится одной из важных проблем развития промышленного производства.

Решение энергетической проблемы, непосредственно связанной с повышением эффективности производства, возможно за счет использования возобновляемых и разработки новых нетрадиционных источников энергии, совершенствования технических средств получения и применения холода, создания новых перспективных технологий в химической и пищевой промышленности, позволяющих эффективно использовать энергетические ресурсы,

В последнее время все большее применение в промышленности находят технологические процессы, основанные на использовании воздействия электростатического поля на заряженные диспергированные частицы и материалы. Эти технологические процессы являются наиболее прогрессивными и в плане решения названной выше задачи.

Интенсификация процесса теплообмена в холодильной технике - один из наиболее эффективных способов снижения энергозатрат. Одним из спосо-

8 бов интенсификации тепломассообмена является применение электротехнологий, использующих действие сильных электрических полей.

Интерес к использованию этого способа воздействия особенно возрос в последнее время в связи с энергетическим кризисом и повышением требований к охране окружающей среды.

Электрическое поле воздействует непосредственно на среду без промежуточной трансформации энергии, упрощается автоматизация в связи с безынерционностью управления потоком заряженных частиц, а также сокращается потребление энергии, интенсифицируются тепло- и массообмен в аппаратах и технологических процессах.

На современных промышленных предприятиях применяются многочисленные технологические процессы, в которых выделяется большое количество тепла. Количество отводимого тепла от технологического оборудования пропорционально росту промышленного производства и в настоящее время составляет сотни миллионов киловатт,

В химических и пищевых производствах до 70% теплообменников применяют для сред жидкость - жидкость и пар - жидкость при давлениях до 1 МПа (10 кгс/см²) и температурах до 473 К. Для этих условий разработаны и серийно изготовляются теплообменные аппараты общего назначения: воздушные, испарительные и водяного охлаждения. Теплообменный аппарат, в котором происходит охлаждение и конденсация паров хладагента вследствие отвода теплоты охлаждающей водой или воздухом, называют конденсатором. Конденсация пара происходит при соприкосновении его с охлаждающей средой через стенку, температура которой ниже температуры насыщения пара, соответствующей давлению в аппарате.

В связи с возрастающим дефицитом пресной воды нерационально использовать проточные системы водяного охлаждения. В настоящее время в промышленности применяются, в основном, две системы водяного охлаждения технологического оборудования: открытые и закрытые. Характерной особенностью работы открытых систем охлаждения является постоянное на-

копление загрязнений в технологической воде и приемных резервуарах. Система становится источником загрязнения окружающей среды. Перспективным решением является создание замкнутых систем охлаждения с применением воздушных охладителей- В этих системах теплоноситель движется внутри труб и через стенки передает тепло воздуху.

Существенные проблемы при эксплуатации воздушно-испарительных конденсаторов вызывают отложения солей карбоната кальция на теплообменных поверхностях в виде водяного камня в комплексе с продуктами биологического происхождения, коррозией и пылью из воздуха. Это приводит, как правило, к снижению охлаждающей способности теплообменной поверхности за счет увеличения аэродинамического сопротивления проходу воздуха и, соответственно, уменьшению его расхода. Солевым отложениям и загрязнению наиболее подвержены конденсаторы с малым шагом оребрения и, соответственно, с малыми каналами для прохода воды и воздуха [111].

Наложение электростатического поля (ЭСП) между охлаждающей средой и теплообменной поверхностью в значительной мере устраняет эти недостатки.

Задача интенсификации процессов теплообмена и создания высокоэффективных теплообменных аппаратов воздушного охлаждения является весьма актуальной в современной энергетике. Трудность выполнения этой задачи заключается не только в достижении высоких тепло- и аэродинамических показателей, но и, помимо этого, теплообменные аппараты должны быть надежными в эксплуатации, простыми по конструкции, технологичными в изготовлении, иметь малые габариты и небольшую стоимость. Возможность изготовления теплообменной аппаратуры из дешевых недефицитных материалов является также не менее важной.

Создание новых рекуперативных теплообменных аппаратов с пористыми элементами позволяет решить вышеперечисленные проблемы. Необходимо установить возможность использования имеющихся методик расчета и режимных параметров работы применительно к рекуперативным теплооб-

10 менникам с пористым оребрением.

В разработке энерго- и ресурсосберегающих холодильных технологий и технических средств большую роль сыграли труды многих отечественных и зарубежных ученых (Бражников A.M., Исаченко B.IX, Курылев Е.С., Рю-тов ДГ., Чумак И.Г., Головкин ИЛ,, Шеффер А.П₃ Алямовский И.Г., Стефа-новский В.М., Планк Р., Локкер Р., Хамм Р., Хоникель К. и др.)-

Перспективным представляется применение естественного холода в теплообменных аппаратах холодильных машин [53]. Период с отрицательной температурой 263 К и ниже в регионе Восточной Сибири сохраняется в течение 2591 часа, что составляет 30% от общего количества часов в году (8640), а температура 243 К и ниже - 192 часа. Средняя продолжительность периода с температурой 263 К и ниже имеет наибольшее значение в январе, а с температурой 243 К и ниже - в декабре. Для Северных районов Иркутской области длительность периода с отрицательными температурами увеличивается, следовательно, возникает необходимость целесообразного использования его на предприятиях химической и пищевой промышленности.

Целью настоящей работы является создание научно-теоретических и методологических основ повышения эффективности теплообменных аппаратов на основании аналитических и экспериментальных исследований с применением электротехнологий, естественного холода и сетчатых ребер.

В соответствии с основным научным направлением и целью работы поставлены следующие задачи:

К Разработать методы воздушного и испарительного охлаждения, позволяющие повысить эффективность теплообмена.

1. Провести анализ климатических особенностей Восточной Сибири и обосновать целесообразность применения аппаратов воздушного охлаждения.

2. Изучить влияние ЭСП на распыляемую жидкость и механизм этого воздействия на интенсивность теплоотдачи при испарительном охлаждении.

4, Провести экспериментальные исследования по охлаждению тепло
выделяющего элемента в ЭСП, Результаты обобщить методами подобия,
пригодными для практических инженерных расчетов,

5. Изучить влияние сетчатых ребер на интенсивность теплоотдачи в
аппаратах воздушного охлаждения.

6- Изучить влияние электростатического поля на теплообмен в сетчатых ребрах при различных условиях,

7. Разработать конструкцию и провести испытания теплообменника с
сетчатыми ребрами.

8. Конструктивно разработать методы охлаждения пищевых продуктов с использованием электростатического поля и естественного холода и определить рациональные режимы проведения процессов,

9. Реализовать разработанные технические решения на химических и пищевых предприятиях Восточной Сибири,

Похожие диссертации на Научные основы и практические результаты повышения эффективности теплообменных аппаратов

Повышение эффективности работы выпарных аппаратов в условиях критических тепловых потоковГолубева, Ольга Алексеевна

Повышение эффективности смесительных тепломассообменных процессов и аппаратов : (На примере пищевых и биотехнологических производств)Ильясов, Станислав Валентинович

Повышение эффективности процесса сокодобывания в сахарном производстве на основании аппаратов секционного типаБлаженко, Сергей Иванович

Исследование эффективности пылеулавливания и массоотдачи в роторном аппарате с внутренней циркуляцией жидкостиПлотников Константин Борисович

Моделирование процесса непрерывного смешивания в центробежных аппаратах на основе кинетических моделейБелоусов Григорий Николаевич

Исследование вязкости жидких сред пищевой технологии на усовершенствованном аппарате и на основе модели "состав - структура - свойство"Макеева Оксана Валерьевна

Основы теории процессов и аппаратов кавитационной дезинтеграции пищевых средШестаков Сергей Дмитриевич

Научные основы электроконвекции в процессах и аппаратах холодильной техникиБабакин, Борис Сергеевич

Научные основы создания высоко-эффективных аппаратов для сушки и гранулирования зернисто-волокнистых материаловНурмухамедов, Хабибулла Сагдуллаевич

Энергетические основы процесса стерилизации консервов в современных аппаратах периодического и непрерывного действияВерхивкер, Яков Григорьевич