Введение к работе
Актуальность работы. Теплообменники вязких сред, предназначенные для нагрева или охлаждения технологических потоков, широко применяются в теплоэне-регетике и промышленных теплотехнологиях. Как правило, для осуществления процесса нагрева в таких теплообменниках используются горячая вода или водяной пар, но довольно часто встречается и электронагрев в емкостях циркуляционных контуров. В процессах охлаждения обычно применяется оборотная или захоложенная вода, реже - рассольные хладоносители или хладоны систем хладоснабжения. Из-за высокой вязкости одной из рабочих сред рассматриваемые теплообменники характеризуются низкими показателями коэффициента теплопередачи, высокими показателями гидравлических потерь и удельной металлоемкости. Лимитирующее значение коэффициента теплоотдачи наблюдается со стороны вязкой среды, поэтому в рассматриваемом оборудовании широко применяются методы интенсификации, способствующие повышению данного коэффициента.
Используемые с этой целью пассивные и активные методы интенсификации имеют свои достоинства и недостатки. Так, пассивные методы характеризуются сравнительной дешевизной исполнения, чрезвычайным разнообразием предлагаемых конструкций и их геометрических параметров, но добиться опережающего роста интенсивности теплосъема над гидравлическим сопротивлением в теплообменниках вязких сред с пассивными интенсификаторами удается лишь в единичных случаях, при этом массоогабаритные показатели оборудования оставляют желать лучшего. Активные методы, напротив, более сложны в исполнении, требуют установки специальных устройств для создания вращательного, колебательного или вибрационного движения теплообменных аппаратов, а также дополнительных эксплуатационных затрат на энергообеспечение используемых механизмов и обслуживание оборудования. Тем не менее, активные методы позволяют резко снизить массогабаритные показатели теплообменника и повысить их теплогидравлическую эффективность.
Комбинированные методы интенсификации, объединяющие в себе достоинства активных и пассивных методов, в настоящее время практически не исследованы, хотя интерес к таким методам растет, и в последнее десятилетие появились работы, отражающие подходы к моделированию и созданию новых конструкций на базе теплообменников типа «труба в трубе» с вращающимся вокруг оси профилированным тепло-обменным элементом, в том числе в виде вращающегося канала диффузорно-конфузорного типа (ВКДКТ) в форме чередующихся усеченных прямых конусов. В развитие данного направления предлагается использование малогабаритных тепло-обменных аппаратов типа «труба в трубе» с вращающимся вокруг своей оси криволинейным теплообменным элементом «конфузор-диффузор» и оребренной проточной частью (ВЭКДО). Создание расчетной методики предлагаемых интенсифицированных аппаратов потребовало проведения широких теоретических исследований процессов гидродинамики и теплообмена в ВЭКДО и вращающихся криволинейных теплообменных элементах «конфузор-диффузор» с неоребренной проточной частью (ВЭКДН). Результаты исследования в работе обсуждаются на примере теплообмен-ной системы, включенной в состав узла нагрева и осушки трансформаторного масла.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта АН Республики Татарстан №05-54-233/2004 (ф) от 15.03.04 и научно-инновационных проектов по Федеральной программе У.М.Н.И.К (проект №7640 от 05.07.2007, проект №14012 от 14.01.2011).
Целью работы является разработка теоретических и методических основ создания энерго- и ресурсосберегающего теплообменного оборудования типа «труба в трубе» с ВЭКДН и ВЭКДО для нагрева трансформаторного масла в системах масло-
хозяйства нефтехимических комплексов (ТМ НК), усовершенствованные по тепловым и гидравлическим характеристикам по сравнению с теплообменниками типа «труба в трубе» с ВКДКТ.
Задачи исследования для достижения указанной цели поставлено и решено ряд научно-технических задач, включающих:
разработку математической модели теплообмена для подогрева трансформаторного масла на основе активных методов интенсификации процессов теплообмена с использованием ВЭКДН и ВЭКДО;
на основе обобщения полученных данных разработку метода инженерного расчета теплообменников вязких сред ВЭКДН и ВЭКДО;
проведение оценки энерго- и ресурсосберегающего эффекта в технологии нагрева трансформаторного масла за счет использования теплообменных аппаратов ВЭКДН и ВЭКДО.
Научная новизна заключается в том, что на основе математической модели сопряженной задачи теплообмена при ламинарном течении жидкости в ВЭКДО и ВЭКДН, построенной в трехмерной постановке на базе дифференциальных уравнений движения, энергии, неразрывности и теплопроводности для стенок канала и трехмерной теплопроводности для оребрения, выявлен характер распределения полей скоростей, давлений и температур в зависимости от конструктивных особенностей проточной части, числа закрутки, критериев Рейнольдса и Пекле. Обобщение полученных данных на базе критериальных уравнений позволило выявить методические особенности расчета аппаратов типа «труба в трубе» с ВЭКДО и ВЭДН для нагрева ТМ НК и разработать расчетный алгоритм.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается тем, что математическая модель сопряженной задачи теплообмена разработана на базе фундаментальных уравнений механики сплошной среды и уравнений математической физики; численное решение проведено с использованием известных классических приемов и методов. Результаты численных решений подтверждаются теоретическими и экспериментальными данными других авторов, полученными при исследовании ВКДКТ.
Практическая ценность работы заключается в том, что в результате исследований предложено энерго- и ресурсосберегающее теплообменное оборудование ВЭКДН и ВЭКДО для нагрева ТМ НК. Реализация результатов исследования показала, что по сравнению с теплообменниками «труба в трубе» с ВКДКТ достигается эффект снижения гидравлических потерь на 15-20%, и уменьшение массогабаритных показателей на 50-60%. На основе разработанного теплообменного аппарата предложено техническое решение по модернизации узла нагрева и осушки трансформаторного масла в системе маслохозяйства ОАО «Казаньоргсинтез». Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения теплообменного аппарата составляет 438 тыс. руб. при сроке окупаемости 2 года. ОАО «ПО ЕлАЗ» (г. Елабуга) принята программа модернизации существующего парка кожухотрубного теплообменного оборудования на базе предложенных интенсифицированных элементов в технологии охлаждения закалочного масла термогальванического производства инструментального цеха. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составит 630 тыс. руб./год.
На защиту выносятся: постановка и результаты реализации математической модели сопряженной задачи теплообмена при ламинарном течении вязкой жидкости с ВЭКДН и ВЭКДО; алгоритм численной реализации сопряженной задачи теплообмена на основе МКЭ, позволивший определить параметры давления, компоненты скоростей и температур в ребрах, стенке и проточной части канала в зависимости от чисел закрутки, критериев Рейнольдса и Пекле; обобщенные результаты исследования в виде критериальных уравнений; методика инженерного расчета аппаратов типа 4
«труба в трубе» с ВЭКДН и ВЭКДО; результаты энергетического, термодинамического и технико-экономического анализа предлагаемых технических решений; техническое решение по модернизации узла нагрева трансформаторного масла в системе маслохозяйства ОАО «Казаньоргсинтез».
Личное участие. Основные результаты работы получены лично автором под руководством д.т.н., профессора Конахиной И.А.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на научной студенческой конференции КГЭУ, Казань- 2004г.; на IX аспирантско-магистерском семинаре КГЭУ, Казань - 2005г.; на XIV Молодежной международной конференции "Туполевские чтения» КГТУ, Казань - 2006г, на Всероссийском смотре- конкурсе научно-технического творчества студентов «Эврика-2006» ЮРГТУ, Новочеркасск -2006г; на V школе- семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН Е.Е.Алемасова, КазНЦ РАН, Казань- 2006; на 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену М.: МВТУ им. Баумана - 2006г; на II Молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» КГЭУ, Казань- 2007г.; на XVII школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева НАГИ, Жуковский - 2010г.; на VIII Молодежной международной научной конференции, Самарканд - 2010г.; на Республиканской научной конференции КазГАСУ, Казань 20 Юг; на V,VI Молодежной международной научной конференциях «Тинчуринские чтения» КГЭУ, Казань - 2010, 2011 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано: 21 работа, в том числе 8 статей, из них -5 статей в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ, 7 тезисов докладов, 1 патент на изобретение, 5 патентов на полезную модель.
Объем работы. Диссертация изложена на 189 страницах, состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 43 рисунка, 1 таблицу. Список использованной литературы содержит 229 наименований.
