Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время актуальной является проблема обеспечения надежного бесперебойного охлаждения тепловыделяющего оборудования. Для отвода тепла широко используются водовоздушные трубчатые теплообменники со сплошным оребрением, в которых поток атмосферного воздуха, нагнетаемый вентиляторами, используется в качестве охлаждающего агента. Такие устройства применяются в нефтяной и газовой промышленности, черной и цветной металлургии и т.д. В электроэнергетике рекуперативные теплообменники могут применяться для охлаждения оборотной воды, поступающей в конденсаторы паровых турбин; в системах холодоснабжения и кондиционирования воздуха - в качестве конденсаторов холодильных установок. Данный тип оребренных теплообменников выпускают многие отечественные и зарубежные производители теплообменного оборудования. Их выпуск достигает десятков тысяч штук в год, поэтому даже небольшое повышение коэффициента теплоотдачи или снижение массы серийного теплообменника может дать значительный экономический эффект.
Одним из способов интенсификации теплообмена, сокращения металлоемкости и стоимости таких аппаратов является орошение их поверхности водой в наиболее жаркий период года. Теплообменные аппараты проектируются на основе климатических параметров данного региона, но при значительном изменении метеорологических условий теплообменник часто не может обеспечить снижение температуры теплоносителя до значений, требующихся потребителю. В данном случае орошение не только снижает капитальные затраты, но и увеличивает надежность работы системы охлаждения. Однако практическое внедрение таких устройств затруднено в связи с отсутствием инженерных зависимостей для расчета данного типа аппаратов. Проектирование орошаемых охладителей сопряжено с необходимостью получения экспериментальных данных по теплообмену и аэродинамическому сопротивлению для вновь создаваемых устройств.
Проведенный анализ показал, что в последнее время проявляется растущий интерес к аппаратам водовоздушного охлаждения во многих странах мира, таких как США, Германия, Сербия, Италия. Однако информация о количественном влиянии различных факторов на величину передаваемого теплового потока отсутствует.
Таким образом, решение задач, связанных с совершенствованием характеристик поверхностных водоохладителей, будет способствовать ускорению процесса модернизации систем охлаждения тепловыделяющего оборудования.
Целью работы является расчетно-экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена в трубчатых водовоздушных теплообменниках с пластинчатым оребрением при орошении их поверхности водой, описание физической картины процессов, протекающих в орошаемом
теплообменном аппарате и получение зависимости, позволяющей проводить инженерные расчеты орошаемых поверхностных водоохладителей. Научная новизна.
Получены новые результаты, показывающие влияние форсуночного орошения поверхности теплообменного аппарата на величину передаваемого в нем теплового потока. В диапазоне температур охлаждающего воздуха от 25 до 40 С при температуре охлаждаемой воды на входе в теплообменник от 35 до 48 С плотность теплового потока, передаваемого в орошаемом режиме, в 1,6 - 4,5 раз превышает плотность теплового потока, передаваемого в сухом режиме.
Впервые получены результаты, характеризующие изменение передаваемого в орошаемом теплообменном аппарате теплового потока и аэродинамического сопротивления в зависимости от скорости и температуры воздуха, плотности орошения, температуры орошающей и охлаждаемой воды.
Экспериментально определен характер изменения плотности теплового потока, передаваемого в теплообменном аппарате, при увеличении плотности орошения.
Впервые экспериментальным путем определено влияние различных теплообменных процессов (конвекция между стенкой и воздухом, испарение орошающей жидкости и теплоотдача при стекании пленки жидкости) на суммарный тепловой поток, отводимый с орошаемой поверхности теплообменного аппарата.
Получена зависимость для расчета эффективного коэффициента теплопередачи в трубчатых теплообменных аппаратах с пластинчатым оребрением при форсуночном орошении поверхности. Определены эмпирические коэффициенты, входящие в данную зависимость, для теплообменных аппаратов серии ВНВ.
Практическая ценность.
Полученный вид полуэмпирической зависимости может быть использован для обобщения экспериментальных данных по теплообмену в трубчатых теплообменных аппаратах с пластинчатым оребрением, работающих в орошаемом режиме.
Полученная обобщающая зависимость может быть использована для расчета эффективного коэффициента теплопередачи теплообменных аппаратов серии ВНВ, работающих в орошаемом режиме.
На защиту выносятся:
результаты экспериментальных исследований, отражающие влияние форсуночного орошения поверхности на теплообмен и аэродинамическое сопротивление в трубчатых оребренных теплообменных аппаратах со сплошным оребрением, в широком диапазоне режимных параметров;
результаты тепловизионного исследования распределения температур по поверхности теплообмена, позволяющие установить распределение пленки жидкости по поверхности теплообмена, полученные в различных режимах работы теплообменного аппарата;
экспериментальные данные, отражающие изменение передаваемого теплового потока в зависимости от плотности орошения: линейный рост на начальном этапе с последующей его стабилизацией;
обобщающие зависимости для расчета эффективного коэффициента теплопередачи и аэродинамического сопротивления с учетом поправок на степень неравномерности орошения в условиях, приближенных к реальной работе систем охлаждения.
Апробация работы.
Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:
13, 14, 15 и 16-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва 2007-2010 г.
Четвертой и пятой международных школах-семинарах молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика», Москва, 2008, 2010.
Международном научно-техническом семинаре "Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов", Воронеж, 2010 г.
Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» ЭНЕРГО-2010, Москва, 2010 г.
VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 2010 г.
Пятой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 2010 г.
Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 12 опубликованных работах, в том числе одна - в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 151 страница состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, и приложений, включая рисунки и таблицы.
