Содержание к диссертации
Введение
1. Теплотехнические аспекты применения поверхностей в низкотемпературных утилизацишных теплообменниках 12
1.1. Низкотемпературные утилизационные установки 12
1.2. Пластинчатые тешюобменные поверхности 16
1.3. Конструктивные и теплогидродинамические характеристики современных профильно-пластинчатых теплообменников 20
1.4. Сравнение профильно-пластинчатых поверхностей по тепловым показателям 27
1.5. Выводы и постановка задач исследования. 28
2. Особенности теплообмена и аэродинамического сопротивления в пластинчатых каналах 31
2.1. Теплообмен и сопротивление при движении сухих газов 31
2.2. Оптимизация геометрических параметров пластинчатых поверхностей со сфероидальной формой выступов 35
2.3. Теплообмен в условиях конденсации водяных паров.. 37
Выводы 41
3. Исследование теплообмена и аэродинамического сопротивления пластинчатых теплообменных поверхностей с полусфери ческими выступами... 43
3.1. Моделирование поверхностей 43
3.2. Описание стенда. Методика измерений 46
3.3 Обработка опытных данных и оценка погрешностей измерений 49
3.4. Результаты экспериментов 52
3.5. Сравнение тепловой эффективности исследованных пластинчатых поверхностей и оптимизация их геометрических параметров 61
Выводы. 65
4. Экспериментальное и технико-экономическое иссщование процесса оюшдения уходящих дымовых газов в натурном пластинчатом теплообменнике 67
4.1. Устройство натурного пластинчатого теплообменника и схема опытной установки 67
4.2. Измерение тепловых параметров. 73
4.3. Основные экспериментальные зависимости 75
4.4. Сопоставление натурного пластинчатого теплообменника с другими типами теплообменников по тепловым, массовым, объемным и стоимостным показателям 85
4.5. Определение оптимальных конечных температур при доохлаждении уходящих дымовых газов 95
Выводы. 106
5. Применение профиімо-пластинчатьк теплообменников для утилизации тепла уходящих дымовых газов 108
5.1. Разработка метода определения тепловой эффективности утилизационных теплообменников 108
5.2. Режимы работы утилизационного теплообменника в дымовом тракте 115
5.3. Выбор материалов.
Конструктивные и технологические особенности изго товления. 118
5.4 Результаты промышленного испытания утилизационного профильно-пластинчатого теплообменника 126
5.5. Экономическая эффективность внедрения131
5.6. Область применения утилизационных профильно-пластин чатых теплообменников 138
Выводы141
Заключение 143
Литера'еура
- Конструктивные и теплогидродинамические характеристики современных профильно-пластинчатых теплообменников
- Оптимизация геометрических параметров пластинчатых поверхностей со сфероидальной формой выступов
- Обработка опытных данных и оценка погрешностей измерений
- Сопоставление натурного пластинчатого теплообменника с другими типами теплообменников по тепловым, массовым, объемным и стоимостным показателям
Введение к работе
В условиях ограниченности топливных ресурсов в Европейской части СССР и возрастающих масштабов производства электрической и тепловой энергии вопросы экономии топлива приобретают исключительно важное народнохозяйственное значение [1,2] . Каждый про-цемент экономии топлива выражается в масштабе страны 20 млн.т у.т. [3 ]. Борьба за экономию топлива не кратковременная компания, а постоянная целенаправленная политика в народном хозяйстве СССР. В " Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" поставлена задача обеспечить в 1985 году по сравнению с 1980 годом экономию топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве в количестве 160-170 млн.т условного топлива Г 4] .
В перспективе роль энергетических ресурсов в создании материально-технической базы остается одной из определяющих. В напряженном топливном балансе критерий выгодности или невыгодности мероприятий по экономии топлива, исходя только из цены замещаемого топлива, уже не является основным. Уменьшение потерь тепла, хотя и связано с некоторыми дополнительными капитальными вложениями, но в масштабе народного хозяйства страны, кроме реальной экономии топлива, приводит к значительной экономии единовременных затрат за счет сокращения капитальных вложений в добычу и транспорт топлива и в замещаемые энергетические установки.
Капиталовложения в установки, улучшающие топливоиспользова-ние, значительно ниже и окупаются значительно быстрее, чем капиталовложения в развитие топливной базы [5,6,7 J . Необходимо учитывать и ущерб от возможного снижения выпуска продукции из-за нехватки топлива. Не случайно в США и в других развитых капитали-
стических странах разработаны специальные программы, направленные на экономию топлива [8,9,10,11,12,13 ] В нашей стране программа экономии топлива сформулирована в " Основных направлениях...1* [4 ] , где сказано: и Продлить работу по более широкому внедрению в хозяйственный оборот вторичных материальных и топливно-энергетических ресурсов...п.
Среди потерь тепла значительное место занимают потери с уходящими дымовыми газами в топливоиспольщующих установках, в частности, в котельных установках, работающих на природном газе. С течением времени народнохозяйственная ценность природного газа существенно возрастает [ 3 ] , что определяется нарастающей трудностью освоения новых ресурсов топлива и его транспорта из удаленных и труднодоступных районов, повыаением под влиянием роста мировых цен стоимости экспорта данного вида топлива, необходимостью использования газа для производства ценных продуктов вместо прямого сжигания. При этом основным является принцип; чем мельче потребитель, тем более высококачественным топливом его следует обеспечивать.
Советский Союз обладает большими геологическими запасами природного газа: на долю СССР приходится 31-34% мировых запасов
[14,15,16,17 ]. В прошедшие годы потребление природного газа непрерывно возрастало и к 1981 году доля природного газа в топливном балансе страны составляла 25,8% ,а в топливном балансе котельно-печного топлива - 37% [18,19,20 ] . Доля газа в топливном балансе электрических станций достигает 22%, котельных - более 40% [21 ] . Прогнозируемая структура мирового топливно-энергетического баланса до 2000 года говорит об увеличении в абсолютном исчислении потребления природного газа [22, 23] В перспективе, в связи с борьбой за чистоту окружающей среды, газовое топливо ( продукты переработки твердого топлива,
водород ) приобретает важное значение в топливно-энергетическом балансе [24,25,26,27,28,29] . Имея ряд ценных качеств, газовое топливо дает возможность повысить эффективность топливосжигающе-го оборудования не только за счет более совершенной организации топочного процесса,но и за счет более глубокого охлаждения чистых, малоагрессивных, не содержащих твердых веществ, продуктов сгорания.
В настоящее время основную роль в газовом балансе Европейской части СССР играет природный газ, поданный из дальних районов ( Сибирь,Средняя Азия ). Использование этого газа должно быть очень экономичным, т.е. с максимальным использованием его энергетического потенциала за счет глубокого охлаждения уходящих газов. В условиях опережающего роста промышленности, а также повышения роли естественного топлива как сырья, задача обеспечения топливом народного хозяйства выдвигает повышенные требования к эффективности его использования. Поэтому совершенствование утилизационных установок является одним из важных направлений научных исследований.
В тепловом балансе современного котельного агрегата потери тепла с уходящими газами составляют 6-12%, а температура уходящих газов находится в пределах 120-180С. Дальнейшее снижение температуры уходящих газов приводит к резкому росту хвостовых поверхностей нагрева вследствие уменьшения температурного перепада между теплоносителями. Между тем, при работе котлов на природном газе или жидком малосернистом топливе точка росы водяных паров в уходящих газах довольно низка ( 50-70С), что предоставляет возможность значительно понизить их конечную температуру.При-менение для этих целей традиционных конструкций теплообменных поверхностей ( трубчатых или чугунных ребристых ) неэффективно иэза их большой металлоемкости и громоздкости.
В данной работе показано,что по технико-экономическим показателям наиболее эффективными теплообменными устройствами поверхностного типа для доиспользования тепла сравнительно чистых продуктов сгорания являются теплообменники с пластинчатой поверхностью теплообмена, в частности, пластинчатые поверхности с полусферическими выступами. Утилизационные пластинчатые теплообменники наиболее полно отвечают современным требованиям массового,поточного производства с использованием для антикоррозионной защиты металлических и неметаллических покрытий.
В ходе решения основных задач работы обоснован выбор наиболее эффективной пластинчатой поверхности. Исследован ее теплообмен и аэродинамическое сопротивление. Разработан метод оптимизации геометрических параметров пластинчатых поверхностей со сфероидальными выступами. Изучены особенности процесса глубокого охлаждения дымовых газов, усовершенствован графо-аналитический метод стоимостного сравнения теплообменных поверхностей, найдены зависимости для определения тепловой эффективности утилизационных теплообменников, определены оптимальные конечные температуры до-охлаждения уходящих дымовых газов.
На основании полученных результатов разработан и прошел промышленное испытание утилизационный профильно-пластинчатый теплообменник, предназначенный для использования низкопотенциального тепла уходящих дымовых газов. Теплообменник обеспечивает экономию тепла в размере 3-5% при снижении температуры газов от 120-160С до 65-80С.
На защиту выносятся:
I. Способ снижения температуры уходящих дымовых газов с помощью утилизационных теплообменников с профильно-пластинчатыми поверхностями и конструктивное решение утилизаторов.
- II -
Результаты экспериментального исследования теплоотдачи и аэродинамического сопротивления пластинчатых поверхностей с полусферическими выступами.
Метод и результаты оптимизации геометрических параметров пластинчатых поверхностей со сфероидальными формой выступов.
Обоснование, экспериментальное и технико-экономическое подтверждение эффективности утилизаторов с профильно-пластинчатыми поверхностями и результаты определения оптимальных конечных температур доохлаждения уходящих газов*
Метод определения тепловой эффективности утилизаторов низкопотенциального тепла при доохлаждении уходящих газов топли-воиспользующих установок.
Конструктивные и теплогидродинамические характеристики современных профильно-пластинчатых теплообменников
Применение пластинчатых теплообменников характеризуется широким диапазоном рабочих сред: жидкость - жидкость, жидкость -газ, газ - газ, газ ( жидкость ) - двухфазная среда ( испарители, конденсаторы ). Требования к профильно-пластинчатым теплообменникам в зависимости от конкретных условий работы очень разнообразны. По этой причине имеет место большое количество типоразмеров пластин, отличающихся величиной поверхности теплообмена, формой гофр, компоновкой и размерами каналов,а также другими конструктивными особенностями. Условия работы диктуют также выбор материала пластин,прокладок и необходимость применения разборных, полуразборных или неразборных конструкций. Разборные теплообменники необходимы, как правило, в химической и пищевой промышленности, где требуется частая чистка пластин от отложений. Сварные неразборные теплообменники применяются для рабочих сред, не дающих труднорастворимых отложений ( газоводяные, газовоздушные г. теплообменники и пр.).
В последние годы конструкция пластинчатых теплообменников в основном не изменилась, однако повышение рабочего давления до 2-2,5 МПа за счет достижений сварки и внедрения новых прокладочных материалов значительно расширило возможные области применения.
Наиболее широкое распространение пластинчатые поверхности получили в регенераторах газотурбинных установок. Так, известны конструкции регенераторов игольчато-ребристого типа,набранных из тонких листов, снабженных по обеим сторонам корытообразными ребрами со вставленной внутрь зигзагообразной изогнутой проволокой ( фирма " Эйр-Прехитерп); регенераторовдоставленных из пластин нержавеющей стали с выштампованными в них каналами,образуюпшми при сварке попарно ячейки ( фирма "Инглиш-Электрик"); пластинчатых регенераторов НЗЛ,составленных из гофрированных штампованных листов, которые образуют продольные овальные каналы для газа и волнообразные каналы для воздуха [60,70] . По сравнению с гладкотрубными пластинчатые регенераторы обладают большей компактностью ( 130-250 лг/м3), а коэффициент теплопередачи в них выше. Дальнейшим развитием пластинчатых регенераторов в сторону повышения теплоаэродинамических показателей являются пластинчато-ребристые поверхности для ГТУ-50-800, разработанные ВТИ, и поверхность из волнистых листов с мелкозернистыми выступами [60, 71] . Для изготовления газотурбинных пластинчатых регенераторов рекомендуются [60] следующие сорта сталей ( в порядке понижения стойкости от коррозии): нержавеющая, алитированная малоуглеродистая, хромированная малоуглеродистая и обычная малоуглеродистая.
Кейс и Лондон приводят табулированные данные по теплообмену и сопротивлению для тридцати трех пластинчато-ребристых поверхностей: с гладкими, волнистыми, жалюзийными, прерывистыми и стерженьковыми ребрами [49] . Тищенко З.В. и Бондаренко В.Н. подробно исследовали пластинчатые поверхности с гладким и волнистым оребрением в сопоставлении с другими видами оребрения и оптимизацией основных показателей [73,74] .
Пластинчатые поверхности НЗЛ, образующие два типа каналов - двухгольные и волнообразные ( поверхности 4 и 5 рис.1.2 ),тоже достаточно хорошо исследованы [72,75,76] и применяются в конструкциях регенераторов ГТУ. Разновидностью двухугольных каналов являются каналы, образованные трапецеидальными выступами ( поверхность 8 на рис.1.2 ). Они обеспечивают пластинчатым поверхностям более высокие тепловые показатели [77] . Теплоотдача и сопротивление (на один выступ) этих поверхностей описываются следующими уравнениями [77] :
Перспективной является также профильно-пластинчатая поверхность теплообмена, исследованная Димитровым А.Д. и Якименко Р.И. Г 54 ] . Эта поверхность имеет двухсторонние сфероидальные выступы с чередующимися направлениями выпуклостей ( поверхность 7 на рис. 1,2 ). Она предложена для изготовления воздухоподогревателей котлоагрегатов. Данные по теплообмену и сопротивлению аппроксимируются следующими формулами: Ни-ОМЧ Re065 {-%-) (1.4) где Z - показатель степени ( найден опытным путем для каждого исследованного теплообменного элемента); cf/S - относительный шаг выступов; 1 (1.5) где і - число шагов выступов в направлении потока,
Гельфенбейном Л.Г. разработана и исследована поверхность теплообмена состоящая из волнистых листов с мелкозернистыми выступами [ 60 J . Теплопередача мелкозернистой поверхности при поперечном и продольном обтекании оказалась выше, чем для гладковол-нистой. При перекрестном обтекании газом для поверхностей, составленных из волнистых листов с мелкозернистыми сферическими высту пами, рекомендуются следующие формулы ( в интервале Кб =2800 -15000): где s и %4 - поправочные коэффициенты, учитывающие шаг трубных элементов по ширине ( определяются по экспериментальному графику); /Т7 - число рядов.
Данный тип поверхности по теплоаэродинамическим показателям лучше пластинчато-ребристых и пластинчатых поверхностей НЗЛ. Фастовским В.Г. и Петровским Ю.В. исследован пакет, состоящий из листов со сфероидальными выступами в виде полусфер ( поверхность I на рис. 1.2 ). Шаги выступов - Sy = Ss =14 мм; диаметр полусфер - 8 мм Г50J . Результаты опытов по теплообмену и сопротивлению для данного типоразмера каналов длиной 1 м, обобщены следующими зависимостями ( в интервале Re = 3870-9350): Nu=0,1052Re0 7 6 (I-8)
В опытах физические константы воздуха принимались по температуре стенки, в качестве определяющего размера введен диаметр полусферического выступа.
Исследованиям теплообмена и аэродинамического сопротивления в щелевых каналах с коническими, сферическими и овалообразными выступами посвящены работы Федорова И.Г. [53,55,78J . Выступы на листе расположены в шахматном порядке и своими вершинами соприкасаются с такими же выступами другого листа ( поверхность 2 на рис.1.2 ).
Оптимизация геометрических параметров пластинчатых поверхностей со сфероидальной формой выступов
В каналах, составленных из гладких пластин, интенсивный теплообмен можно получить только при высоких скоростях, так как сформировавшийся на некотором расстоянии от входа ламинарный подслой быстро стабилизируется. От процесса теплообмена неотделим процесс затрат энергии. Увеличение скорости потока с целью получения более высокого коэффициента теплоотдачи d приводит к росту гидравлического сопротивления. Если скн зависит от скорости примерно в степени 0,8, то затрата мощности пропорциональна третьей степени скорости. Отсюда вытекает,что гладкие пластинчатые каналы, требующие для возникновения турбулентного движения высоких скоростей ( с целью интенсификации теплообмена), вызывают повышенный расход энергии на преодоление гидравлического сопротивления.
Поверхность типа " пучок" ( внешнее обтекание ) при турбулентном режиме ( Re 1.10 ) более эффективна,чем поверхность типа "канал" [60 J , т.е. при выборе поверхности теплообмена необходимо стремиться выполнить каналы с внешним обтеканием.
Чухановым З.Ф. Г 61,62 на основании всестороннего анализа процессов теплообмена сделаны выводы, что для интенсифицированного теплообмена наивыгоднейшим режимом является турбулентный, а для интенсификации теплообмена необходима искусственная турбули-зация пограничного слоя на поверхности с внешним обтеканием.Чем меньше значение числа Re , при котором достигается турбулиза-ция пограничного слоя, тем больше возможность интенсификации конвективного теплообмена за счет увеличения скорости потока теплоносителя.
Из [бЗ] вытекает, что для интенсификации теплообмена важно создание в канале, отрывных зон или других вихревых структур.Плавные турбулизаторы позволяют выработать турбулентность с меньшими энергетическими затратами по сравнению с резко очерченными Г64] Наибольший эффект в интенсификации теплоотдачи можно получить, увеличивая коэффициент турбулентной температуропроводности ( о, м2/с ) именно в пристенном слое [63] : где с - тепловой поток, Вт/м ; Лт- коэффициент турбулентной теплопроводности, Вт/(М К); р - плотность среды, кг/м3; Ср - теплоемкость, Дж/(кг«К ; 7"- температура в градусах Кельвина; Г-толщина слоя потока, м.
В пристенном слое толщиной (0,05 0,1)- Ґ срабатывается 60 -70J& распалагаемого температурного перепада. Дополнительная турбу-лизация ядра потока, где ( и так велико, мало увеличит теплоотдачу, но приведет к большому росту гидравлических потерь. Естественно, чем меньше число Прандтля, тем на более широкий слоя целесообразно воздействовать. Из этого можно сделать важный вывод, что для газовых пластинчатых теплообменников с узкими щелями тур-булизация в пограничном слое практически является турбулизацией по всей ширине щели. Указанное положение подтверждается Питаем В. К. Г65J , который, рассмотрев данные по распределению теплового сопротивления между вязким подслоем, буферным слоем и ядром, делает вывод, что для газов необходимо турбулизировать весь поток. G учетом того, что турбулизаторы в пластинчатых теплообменниках также нужны из конструктивных соображений для получения заданного расстояния между пластинами,применение выступов на всю ширину щели является вполне оправданным.
Итак,для интенсификации теплообмена в пластинчатых теплообменниках необходимо применять следующие методы: - оребрение поверхности или создание выступов с целью турбулизации потока,уменьшения толщины пограничного ламинарного подслоя,увеличения поверхности теплообмена. При этом выработка турбулентности должна производиться за счет плавных турбулизаторов,более выгодных в энергетическом отношении; - турбулизация потока за счет выступов на всю ширину щели; - уменьшение эквивалентного диаметра проходных сечений.
Уровень интенсификации теплообмена в значительной степени зависит от количества и размеров турбулизаторов.Поэтому несомненный интерес представляет оптимизация геометрических параметров пластин с турбулизаторами,которую целесообразно выполнить для пластинчатых поверхностей со сфероидальной формой выступов, имеющих,как показано в первой главе,высокие теплоаэродинамические показатели.
Оптимизация геометрических параметров пластинчатых поверхностей со сфероидальной формой выступов Единство процессов переноса количества движения и теплоты в турбулентном потоке предопределяет количественную связь между теплоотдачей и гидравлическим сопротивлением: Nu=f(up;Re;Pr) С2.4)
При этом интенсивность теплообмена связана с так называемым "полезным" сопротивлением,т.е.потерей энергии на перенос тепла за счет молярного переноса вещества и потерей энергии на уменьшение толщины вязкого подслоя за счет турбулентных пульсаций скорости. Потери давления (Ар ) и число Re зависят от величины свободного сечения канала и расстояния между турбулизаторами. Эти геометрические параметры для пластинчатых каналов со сфероидальной формой выступов характеризуются поперечным и продольным шагами (5 , 5,2), а также шириной канала ( h ).
Увеличение количества выступов от нулевого их числа (гладкие пластины ) до максимально возможного за счет уменьшения шагов Si и Ss вызывает рост коэффициента теплоотдачи от минимума (гладкие пластины ) до максимума. Одновременно увеличивается гидравлическое сопротивление, которое при определенных значениях шаг гов опережает рост коэффициента теплоотдачи. Приведенные в Г54] данные по теплообмену и сопротивлению пластинчатых поверхностей со сфероидальными выступами показывают, что однотипные пластинчатые поверхности, отличающиеся соотношением величин S-f , $& , h при одинаковых энергетических затратах имеют существенно неодинаковую тепловую эффективность.
Обработка опытных данных и оценка погрешностей измерений
Измерение расхода воздуха производилось с помощью двойной диафрагмы 20, имеющей постоянный коэффициент расхода в широком диапазоне чисел Рейнольдса Г80,81] и микроманометра. Одновременно при расходах воздуха меньших 10 м3/ч расход контролировался двумя параллельно включенными ротаметрами РС-5. При этом расхождение в определении количества воздуха не превышало 2-2,5%.Вели-чина подогрева воздуха определялась с помощью 3-х равномерно расположенных по высоте сечения канала хромель-копелевых термопар диаметром 0,5 мм, холодные спаи которых находились в потоке поступающего в канал воздуха. Тарировка термопар выполнена по образцовой платино родий-платиновой термопаре. Начальная температура воздуха и температура насыщенного пара в рабочей и компенсационной камерах измерялась с помощью лабораторных термометров с ценой деления 0,1С. Контроль температур насыщения в камерах осуществлялся по абсолютному давлению в обеих полостях. К показаниям термометров вносились поправки : поправка при градуировке термометра, поправка на температуру выступающего столбика, поправка на смещение нулевой точки термометра. Для введения необходимых поправок в показания приборов и в значения теплофизических величин рабочего тела ( воздуха ) замерялись также барометрическое давление, влажность и температура воздуха в помещении. Наименьший температурный напор на выходе из элемента нагретого воздуха составлял 6С, конечная температура 74 94С.
Сопротивление теплообменного элемента измерялось как разность статических давлений до и после рабочего участка с помощью 3-х трубок отбора статического давления и микроманометра ММН, причем, измерение аэродинамического сопротивления производилось как в изотермических, так и в неизотермических условиях. Объемный расход определялся в измерительном участке и пересчитывался для рабочих каналов по средней температуре потока и среднему давлению. С помощью найденного объемного расхода определялась средняя скорость. Ее минимальное значение равнялось 4-5 м/с, максимальное - 16-25 м/с в зависимости от типа каналов.Тепловые измерения производились после наступления стационарного режима в среднем через 1,5-2 часа. После каждого изменения расхода воздуха измерения выполнялись через 30 мин. и дублировались с интервалом 10 минут.
Измерения высоты полусферических выступов? т.е. ширины каналов, а также значений поперечного и продольного шагов производились с помощью микрометра и штангельциркуля, многократно,а затем усреднялись. Примененный при получении выступов штампобеспечил стабильность геометрических размеров исследуемых теплообменных поверхностей.
Обработка опытных данных и оценка погрешностей измерений Результаты опытов с каналами № 1-9 обрабатывались в виде зависимостей , где - коэффициент аэродинамического сопротивления. Расход воздуха при стандартных условиях Vo м3/ч определялся по формуле: V,-bmcbatk \/f f \ff сз.2) где Ыр - коэффициент расхода диафрагмы; - коэффициент расширения струи; dt - диаметр отверстия основной диафрагмы в мм; hb - абсолютное давление у диафрагмы в Па; Я? , То - давление и температура при стандартных условиях, соответственно в Па и К; Тд - температура воздуха у диафрагм в К; Пд - перепад давления на двойной диафрагме в На.; Do - плотность воздуха у диафрагм, кг/м3; Скорость воздуха в каналах определялась по формуле: и Тер- Ро _ Уо То-PL fa-5600 (з.з) ер где Тер и Цр - средние значения температуры и давления воздуха в канале; 4ж с - площадь живого сечения канала.
Плотность воздуха, а также средняя удельная теплоемкость корректировались по фактическому влагосодержанию воздуха с/ Г34J , определяемого с помощью психрометра: M=t ?95 7+ 1,607d (3.4) р р Ч+д. (3.5) где Of - влагосодержание воздуха, г/кг сухого воздуха. Найденный расход воздуха использовался для определения количества передаваемого тепла Q в кДж/ч: Q- VoC» (tt,) (3.6) где tf и t2 начальная и конечная температура воздуха,С.
Так как термическое сопротивление со стороны конденсирующегося пара и в пластине мало, то температура стенки теплообменной поверхности с обеих сторон практически одинакова и равна температуре насыщения пара. В этом случае коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха оСеозд равен среднему по поверхности теплообме на коэффициенту теплопередачи К :
В формуле (3.7): Atmr - среднелогарифмическая разность температур; г - поверхность теплообмена канала ( без учета увеличения поверхности за счет выступов).
Таким образом, в качестве тепловой нагрузки принималось тепло полученное воздухом ( метод энтальпии ). Для грубого контроля по показаниям ваттметра определялось количество тепла, выделенное электронагревателем. С учетом потерь тепла из паровой камеры расхождение теплового баланса составляло 4-10%, причем количество тепла, подсчитанное по потребляемой мощности электронагревателя всегда было больше.
Как указывалось в предыдущей главе, в качестве определяющего размера при исследовании профильно-пластинчатых поверхностей целесообразнее принимать эквивалентный диаметр. Он определялся в наиболее узком сечении канала между двумя соседними выступами. Средняя по длине канала скорость также определялась в наиболее узком сечении, а за определяющую температуру принята средняя температура потока воздуха.
Сопоставление натурного пластинчатого теплообменника с другими типами теплообменников по тепловым, массовым, объемным и стоимостным показателям
Сопоставление натурного пластинчатого теплообменника по тепловым, массовым, объемным показателям производилось по методике [52] , являющейся дальнейшим усовершенствованием метода Кирпиче-ва М.В. [89] : по тепловым показателям (Г) (4.4) по массовым показателям м = Ч ( MZ.r VbTj 4-5 fnyt/ по объемным показателям ri -v (- =v VnyJ I F / (4.6) где &р, o(Mf o(0g - коэффициенты теплоотдачи,отнесенные соответственно к площади теплообмена /-"(м), массе Mnt/ кг) и объему ул{/1/Ы3) теплообменника; W- мощность,затраченная на прокачку теплоносителя (Вт); b и f - масса единицы поверхности теплооб-мена ( кг/м ) и коэффициент компактности ( м /м ). Величины #/v ( Вт/(кг.К) и с о (Вт/(м3»К) определяются по значениям o(F с помощью формул [52] : «"=-5— (4.7) QLoS =C/F/ (4.8)
Для практического выбора наивыгоднейшего типа поверхности необходимо принимать во внимание и такой важный показатель, как ее стоимость, так как затраты часто оказываются решающим фактором при выборе поверхности. Стоимостный показатель выражает зависимость количества переданного тепла от затраченной энергии, отнесенных к I руб. стоимости поверхности: Но L) C(F F ( при ДГ=1К),а стоимость поверхности L-CF Ff где CF - стоимость I УГ. Подставив выражение Q и С в формулу ( 4.9 ) и обозначив y(F/CF = 0(Ст получим: Назовем эту величину стоимостным коэффициентом теплоотдачи (Вт/(руб.-К).
По сравнению с аналитическим методом [90 J предложенный стоимостный метод сравнения дает возможность по максимальному с(ст при равных энергетических затратах выбрать из группы рассматриваемых поверхностей наиболее эффективную. С помощью этого метода можно также определять оптимальные скорости газов в исследуемых поверхностях при сходных условиях работы, зная оптимальную скорость одной из сравниваемых известных поверхностей. Для этого, исходя из равенства энергетических затрат, определяемых при оптимальной скорости известной поверхности, необходимо найти оптимальное значение стоимостного коэффициента теплоотдачи Хет исследуемой поверхности. Дальше, используя формулу (Xcrr? -&FI@F j определяем оптимальное значение коэффициента теплоотдачи с(пТ и соответствующую ему оптимальную скорость газов.
Исходные данные для сравнения поверхностей теплообмена по тепловым, массовым, объемным и стоимостным показателям представлены в таблице 4.3. Расчеты выполнены при одинаковых теплофизиче-ских параметрах дымовых газов. Коэффициент теплоотдачи 0(р со стороны газов принят равным общему коэффициенту теплопередачи.
Зависимости (4.4),(4.5), (4.6),(4.10) определялись только для турублентного режима движения, наиболее характерного для промышленных теплообменников. Сравнивались следующие группы поверхностей: пластинчатые с выступами ( исследованный натурный пластин- чатый теплообменник), пластинчатые гладкие, традиционные эконом-айзерные ( гладкотрубные и чугунные ребристые ВТИ ).
На рис.4.9 представлена зависимость коэффициента теплоотдачи от затраты мощности на преодоление аэродинамического сопротивления ( сопоставление по тепловым показателям ) четырех выбранных типов поверхностей теплообмена. показатели имеет пластинчатая поверхность с выступами (I) и глад-котрубная поверхность - тесный шахматный пучок при поперечном омывании (2). При этом эффективность поверхности І в правой части графика, соответствующей рабочим скоростям потока U = 9-15 м/с выше поверхности 2 и значительно выше поверхности 3 ( чугунные ребристые трубы ВТИ ). Обращает на себя внимание больший коэффициент теплоотдачи поверхности I по сравнению с поверхностью 4 (гладкие пластины ) при равных затратах мощности на преодоление сопротивлений, что доказывает выгодность искусственной турбулиза-ции потока. Самые низкие показатели имеет поверхность 3.
Сравнение по массовым, объемным показателям выполнено только для поверхностей 1,2,3 ,так как поверхность 4 в чистом виде не представляет интереса для практики. На рис. 4.10 и 4.II приводятся зависимости ОҐоб и &м от энергетических затрат, отнесенных соответственно к единице объема или массы теплообменника, Из рисунков вытекает, что пластинчатая поверхность I примерно в 7-8 раз эффективнее поверхностей 2,3 по массовым и объемным показателям. Если массовые показатели играют меньшее значение в стационарной энергетике, то объемные показатели имеют существенное значение в низкотемпературной энергетике, особенно при использовании низкопотенциального тепла.
Представление о габаритных размерах рассмотренных типов теплообменных поверхностей дает рис.4.12, на котором приведены результаты расчета утилизационных теплообменников для доохлажде-ния уходящих газов котла ДКВР-І0-ІЗ от 130С до 75С.
