Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Анализ состояния вопроса 10
1.1 Общая характеристика технологических процессов
производства и получения полимерных материалов 10
Классификация и эффективность различных методов интенсификации конвективного теплообмена в трубах и каналах . 18
Математическое моделирование процессов теплообмена при ламинарных течениях в винтовых каналах 27
Глава 2. Существующие теплотехнологические схемы производства
высоковязких полимерных растворов и продуктов на их основе.. 32
Описание традиционной теплотехнологической схемы производства полиметакрилата 32
Анализ эффективности традиционной теплотехнологической схемы производства полиметакрилата 39
Описание традиционной теплотехнологической схемы производства триацетатцеллюлозной основы кинофотоматериалов 48
Анализ теплоэнергетической эффективности традиционной теплотехнологической схемы производства триацетатцеллюлозной основы кинофотоматериалов 54
Общая характеристика теплотехнологии производств изопрена и синтетического изопренового каучука 62
Существующие гидравлические системы золошлакоудаления действующих ТЭС 81
Обзор основных конструкций и эффективность серийно выпускаемых мазутоподогревателей ТЭС 103
Глава 3. Экспериментальное исследование теплообмена и гидродинамики ламинарных течений реологически сложных сред в каналах с
винтовой симметрией 108
3.1. Задачи экспериментального исследования 108
3.2 Описание экспериментальной установки и методики
проведения исследований теплообмена и гидродинамики при течении реологически сложных вязких сред в каналах с
винтовой симметрией 109
Объекты исследования теплообмена и гидродинамики при течении реологически сложных вязких сред в каналах с винтовой симметрией 117
Методика обработки опытных данных по теплообмену и гидродинамике реологически сложных вязких сред в
каналах с винтовой симметрией 118
Результаты экспериментальных исследований по интенсификации конвективного теплообмена в реологически сложных вязких средах 124
Описание экспериментальной установки и методики проведения исследований по гидродинамике реологически сложных дисперсных сред в винтовых каналах 133
Результаты экспериментальных исследований по гидродинамике движения реологически сложных дисперсных материалов в винтовых каналах 136
3.8. Метрологическое обеспечение эксперимента 140
Глава 4. Общая классическая постановка задачи теплообмена при
нестационарных ламинарных течениях реологически сложной
жидкости в каналах, обладающих винтовой симметрией 142
4.1 Основные допущения, реологическая модель, начальные и
краевые условия 142
Построение и выбор винтовой системы координат 156
Общая постановка задачи 180
Основные допущения и краевые условия задачи о движении дисперсного материала в винтовом конвейере
с U- образным кожухом 182
Об эквивалентности классического и обобщённого решений поставленной задачи в условиях прилипания жидкости на стенках канала 186
Об эквивалентности классического и обобщённого решений поставленной задачи в условиях скольжения жидкости на стенках канала 194
4.7 Баланс механической энергии и анализ возникающих
эффектов 199
Глава 5. Методика и результаты численного решения нестационарных задач гидродинамики и теплообмена при ламинарных течениях
реологически сложной жидкости в каналах с винтовой
симметрией 207
Общий алгоритм решения поставленной задачи 207
Метод Фаэдо-Галеркина решения гидродинамической
части задачи 208
Метод Фаэдо-Галеркина решения уравнения переноса энергии 213
Метод решения нелинейной системы Фаэдо-Галё'ркина 214
Результаты численных расчетов для каналов со шнековой винтовой вставкой 216
Глава 6. Частные случаи математической модели теплообмена при
течении реологически сложных сред в каналах с винтовой
симметрией 242
6.1. Постановка задачи и результаты расчётов стационарного
теплообмена при течении реологически сложных сред в
каналах с винтовой симметрией 242
6.2.Постановка задачи и результаты расчётов стационарного
теплообмена при течении реологически сложных сред в
призматических каналах 264
6.3. Постановка задачи и результаты расчетов
гидродинамических задач движения дисперсных
материалов в винтовых каналах (конвейерах). 268
Глава 7. Новые теплотехнологические схемы и процессы для производства
реологически сложных сред и материалов 281
7.1 Энергосберегающая непрерывная теплотехнологическая
схема производства триацетатцеллюлозной основы
кинофотоматериалов 281
Организация замкнутых утилизационных систем в производстве СКИ-3 на базе интенсифицированного теплообменного оборудования 296
Энергосберегающая непрерывная теплотехнологическая
схема производства полиметакрилата 308
Разработка механогидравлических систем золошлакоудаления ТЭС на базе винтовых конвейеров 339
Результаты исследований и рекомендации по модернизации
гладкотрубных подогревателей мазута серии ПМ 356
Основные результаты и выводы 381
Литература 385
Введение к работе
В современных условиях основные пути развития современных отраслей промышленности определяются современными требованиями к ресурсо- и энергосбережению.
Существенной экономии материальных и, прежде всего, энергетических ресурсов на промышленных предприятиях можно добиться несколькими подходами, а именно разработкой и применением энергосберегающих теплотехнологических схем, использованием интенсификации технологических процессов и аппаратов, повышение их эффективности и единичной мощности. Все это в полной мере относится как к технологическим схемам, так и к теплообменному оборудованию, как одному из наиболее распространенных видов технологического оборудования.
Необходимо отметить, что на большинстве предприятий нефтехимической отрасли, а также на энергогенерирующих предприятиях топливно-энергетического комплекса теплотехнологические схемы состоят из большого количества аппаратов и занимают большие площади. Это объясняется тем, что непрерывный выход производимой продукции обеспечивается несколькими параллельно работающими технологическими цепочками, состоящими из значительного количества периодически работающего оборудования. Кроме того, эти теплотехнологические схемы объединяет использование в качестве рабочих сред реологически сложных, или, по крайней мере, высоковязких жидкостей или дисперсных материалов, характеризуемых высоким значением эффективной вязкости. Подобные реологические особенности ведут к значительному усложнению анализа работы и расчёта оборудования, и, как следствие, к завышению его размеров, затрат энергии на эксплуатацию и. т.п.
Все эти особенности ведут к. недостаточной автоматизации технологических процессов, плохой экологической обстановке и всем, вытекающим из этого последствиям.
В тех отраслях современного производства, где рабочие среды имеют большую вязкость, создание подобной аппаратуры является наиболее актуальной проблемой, т.к. процессы теплообмена в таких средах, движущихся с небольшими скоростями, характеризуются весьма малыми коэффициентами теплоотдачи и невысокой эффективностью.
Из совокупности методов интенсификации тепломассообмена, ведущих к созданию высокоэффективного оборудования, можно выделить, основываясь на результатах экспериментальных исследований, в качестве наиболее
перспективного следующий - применение винтового оребрения и винтовой дискретной шероховатости. Использование которых, как показывает практика, ведёт либо к значительному уменьшению габаритных размеров и металлоёмкости теплообменного оборудования при сохранении его гидродинамической и тепловой производительности, либо к увеличению тепловой производительности существующих аппаратов при сохранении или даже уменьшении требуемых энергозатрат.
Таким образом, для интенсификации процессов конвективного переноса, и в частности, теплообмена при ламинарных течениях реологически сложных жидкостей, наиболее целесообразно применять винтовые интенсификаторы типа винтового оребрения в коаксиальном канале, ленточных винтовых вставок, винтовых проволочных вставок и винтовых накаток.
При этом, в результате проведения соответствующих теоретических исследований и расчётов, возможно создание высокоэффективных теплотехнологических схем, использующих интенсифицированные аппараты непрерывного действия, что даёт возможность осуществления полной автоматизации технологического процесса и ведёт к созданию энергосберегающих и экологически благополучных теплотехнологических схем.
Это требует, в свою очередь, создание методов расчёта сложных нестационарных теплогидродинамических систем, отличающихся своим неньютоновским вязко-упругим поведением в процессе переработки, что позволит проектировать, а затем и создавать на практике, теплотехнологические схемы различных производств и оборудование с научно-обоснованными характеристиками и режимами эксплуатации, экономить значительные материальные и энергетические ресурсы.
Работа выполнялась в рамках тематического плана научно-исследовательских работ, проводимых по заданию Министерства образования РФ (per. № 1.2.02), подпрограммы «Топливо и энергетика» программы «Научные исследования Высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (per. №01.01.053), а также в рамках гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ (№1866.2003.8).
Целью работы является проведение теоретических, экспериментальных и прикладных исследований по разработке высокоэффективных теплотехнологических схем и оборудования для крупнотоннажных производств реологически сложных дисперсных материалов и высоковязких полимерных растворов.
В качестве объектов исследования рассматриваются
теплотехнологические системы крупнотоннажных производств
полиметакрилата, сухого плёночного фоторезиста, синтетического изопренового каучука СКИ-3, системы и аппараты хранения и подготовки жидкого органического топлива и удаления золошлаковых материалов на ТЭС.
Задачами исследований являлись:
1. системный анализ теплотехнологических схем крупнотоннажных
производств реолгически сложных высоковязких материалов и полимерных
растворов;
рационализация энергопотребления теплотехнологических схем производства высоковязких полимерных растворов и продуктов на их основе на базе систем энерготехнологического комбинирования.
разработка высокоэффективных теплотехнологических схем по производству высоковязких полимерных растворов методами энерготехнологического комбинирования;
разработка высокоэффективных теплотехнологических схем и оборудования для систем хранения и подготовки жидкого органического топлива и удаления золошлаковых материалов;
разработка и исследование комплекса математических моделей нестационарных процессов теплообмена при неизотермических течениях реологически сложных сред в каналах, обладающих винтовой симметрией;
6. проведение экспериментальных исследований по изучению процессов
интенсификации теплообмена при ламинарном течении реологически сложных
сред в каналах с винтовой симметрией.
7. создание высокоэффективного теплообменного оборудования для
вязких сред за счёт интенсификации конвективного теплообмена.
Научная новизна состоит в следующем:
разработана методология создания рациональных теплотехнологических и теплоэнергетических систем промышленных предприятий с конкретным алгоритмом поиска высокоэффективных решений по энергосбережению;
впервые проведен комплексный анализ теплотехнологических схем крупнотоннажных производств реологически сложных высоковязких материалов и полимерных растворов и продуктов на их основе;
разработаны и обоснованы новые тепловые схемы теплотехнологических систем с высокими энергосберегающими показателями;
получены новые экспериментальные данные, имеющие как российский так и мировой уровень, по исследованию эффектов
интенсификации конвективного теплообмена при ламинарных течениях реологически сложных вязких сред, создавшие предпосылки для возможности теоретического описания процессов теплообмена и гидродинамики при движении реологически сложных вязких жидкостей в каналах с винтовой симметрией;
разработан в галеркинской постановке комплекс математических моделей, описывающих нестационарный теплообмен при ламинарных течениях реологически сложных сред в каналах, обладающих винтовой симметрией;
представлен общий вид координатной системы, в которой винтовой сдвиг адекватно соответствует изменению единственной независимой переменной, доказана невозможность построения ортогональной винтовой системы координат и получены наиболее удобные для описания процесса теплообмена и получения численного решения поставленной задачи виды винтовых систем координат, а также их основные характеристики;
разработан алгоритм и метод численной реализации задачи нестационарной гидродинамики и теплообмена в приближении Галеркина;
показана возможность применения разработанных математических моделей для, решения частных случаев процессов течения и теплообмена в винтовых каналах, таких как, стационарный теплообмен при движении реологически сложной жидкости в каналах, обладающих винтовой симметрией, стационарный теплообмен при движении дисперсных (сыпучих) материалов, стационарный теплообмен при движении реологически сложной жидкости в призматических каналах;
проведен анализ механизма и показаны причины возникновения эффектов интенсификации теплообмена при ламинарном течении реологически сложной жидкости в каналах, обладающих винтовой симметрией;
10) получены результаты численных исследований влияния тепловых,
гидродинамических, реологических и геометрических характеристик на
процессы гидродинамики и теплообмена в каналах с винтовыми
интенсификаторами;
Практическая ценность работы заключается в возможности применения разработанной методологии, результатов теоретических и экспериментальных исследований для решения практических задач по созданию рациональных теплотехнологических систем различных производств высоковязких полимерных растворов и систем энергоснабжения на промышленных предприятиях.
Разработанные теплофизические принципы интенсификации тепломассопереноса в технологических процессах могут быть широко
использованы в различных отраслях промышленности при разработке методов снижения себестоимости продукции.
Полученные теоретические и экспериментальные расчетные соотношения используются при разработке высокоэффективного теплообменного оборудования.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием методов системных исследований в теплоэнергетике и химической технологии, фундаментальных законов технической термодинамики, гидродинамики и теплообмена, применением апробированных методик расчета тепло- и массобменного и технологического оборудования нефтехимических производств и энергогенерирующих предприятий. Проведен анализ адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований, на основе которого была выявлена хорошая сходимость результатов.
Апробация работы. Основные положения работы и отдельные результаты диссертации представлены на 2 международных, 7 всероссийских, 3 республиканских симпозиумах и конференциях:
Республиканская научно-практическая конференция «Молодые учёные Татарии-производству» (Казань, 1984, 1986), VII Всесоюзная конференция по тепломассообмену(Минск, 1984), Научно-практическая конференция «Технология получения и методы исследования модифицированных полимерных материалов» (Устинов, 1985), Республиканская научно-практическая конференция «Экономия сырьевых, материальных и топливно-энергетических ресурсов в химической и нефтехимической промышленности» (Казань, 1986), Научно-практическая конференция «Реология и оптимизация процессов переработки полимерных материалов» (Устинов, 1986), 22nd Midwestern Mechanics Conference (Rolla, 1991), Международная конференция «Проблемы промышленной теплотехники» (Минск, 1997), П-ая Российская национальная конференция по теплообмеїгу (Москва, 1998). Российский национальный симпозиум по энергетике (Казань, 2001); Всероссийская школа-семинар молодых учёных и специалистов «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2002).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 40 печатных работах, в том числе 27 - статьи в центральных и академических журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов и рекомендаций общим объемом 409 страниц, в том числе 321 страниц текста, 156 рисунков и 50 таблиц. Список использованной литературы содержит 251 наименование.
10
* ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
1.1 Общая характеристика технологических процессов производства и
получения полимерных материалов
Обеспечение принципа энергосбережения является одним из важнейших
условий функционирования и дальнейшего развития современной
промышленности. Весьма значимой проблема энергосбережения является для
химической и нефтехимической отраслей промышленности, особенно для
производств полимерных материалов, характеризуемых наибольшей
энергоемкостью. Теплотехнологические схемы производства полимерных,
материалов отличаются малой производительностью, низкой эффективностью
^ энергоиспользования, высокой удельной долей тепломеханического
оборудования, широким разнообразием физико-химических свойств
^ используемых рабочих тел.
Основным недостатком большинства традиционных
теплотехнологических схем и установок производств полимерных материалов является периодичность их действия. В ряде случаев применяются теплотехнологические схемы, в которых непрерывное получение продукции осуществляется за счет параллельного каскадного соединения аппаратов
периодического действия, которым присущи все характерные недостатки.
Анализ различных производств полимерных материалов показывает, что
( подавляющее большинство теплотехнологических схем в качестве одного из
этапов включают в себя процессы приготовления высоковязких растворов,
которые и являются основной лимитирующей стадией на пути повышения
эффективности схем.
^ Техническим решением, позволяющим осуществлять гомогенизацию
высококонцентрированных вязких растворов полимерных материалов является
'& использование шнекового и другого оборудования (экструдеров и смесителей)
геометрия которого обладает винтовой симметрией. Анализ научных работ технологических институтов страны и доступных материалов зарубежных фирм показывает, что 53 % всех полимеров в мире перерабатывается методом экструзии. Применение такого оборудования в производствах полимерных материалов служит основой для создания принципиально новых непрерывных высокоэффективных энерго- и материалосберегающих теплотехнологий при более простом качественном уровне аппаратурного оформления теплотехнологических схем.
При разработке новых энергосберегающих теплотехнологических схем необходимо проведение сравнительного анализа теплоэнергетической эффективности, который целесообразно осуществлять с использованием эксергетического метода термодинамического анализа. Эксергетический метод позволяет определять потери максимально возможной работы, обусловленные необратимостью тепловых процессов, в отдельных установках и во всей схеме.
Обзор литературных источников показывает, что для анализа эффективности различных теплотехнологических схем и установок широко применяется эксергетический метод с использованием интегральных значений эксергии потока вещества и теплового потока. Для более точной оценки теплоэнергетической эффективности и степени термодинамического совершенства процессов, происходящих в элементах теплотехнологических схем необходимы данные о распределении дискретных значений эксергии в потоках рабочих тел, о динамике изменения величины эксергии в ходе процессов.
Очень часто текучие среды, используемые в качестве рабочих тел в теплотехнологических установках полимерных производств, обладают сложным реологическим поведением (высоким значением вязкости, наличием аномалии вязкости и упругости). Течения высоковязких сред характеризуются невысокими скоростями и происходят преимущественно в ламинарном режиме. С целью интенсификации процессов тепломассообмена при использовании
высоковязких рабочих тел применяются каналы сложной геометрии. В технологических процессах в потоках рабочих тел могут происходить химические превращения, вызывающие изменение химической формулы
вещества и реологических свойств. Вышеперечисленные особенности
существенно затрудняют анализ происходящих в установках
гидромеханических и тепломассообменных процессов.
Из изложенного следует, что для проведения подробного анализа
теплоэнергетической эффективности процессов, происходящих в установках
переработки полимерных материалов, необходимо наличие математического
аппарата для определения тепловых, гидродинамических и термодинамических
характеристик, учитывающего также реологические свойства используемых
рабочих тел, физико-химические особенности процессов, геометрию применя
ем емых каналов.
Для оценки эффективности теплотехнологических систем и установок
# широко используется метод составления энергетического баланса. Однако этот
метод имеет существенные недостатки. Энергетический баланс учитывает лишь первый закон термодинамики, поэтому критерии эффективности, основанные на анализе энергобаланса [1,2], не дают полной оценки степени совершенства теплотехнологических процессов, так как характеризуют лишь количественную их сторону без учета качества используемых энергоносителей (температура,
давление и т.д.). В случае анализа процессов, связанных с химическими
превращениями, при составлении энергетического баланса из большого
(# количества уравнений химических реакций, описывающих современные
теплотехнологические процессы, учитываются только тепловые эффекты лишь нескольких наиважнейших реакций и не всегда учитывается химическая энергия используемых рабочих тел [3,4].
В последние десятилетия широкое распространение получил
эксергетический метод термодинамического анализа эффективности
^ теплотехнологических систем и установок, учитывающий второй закон
термодинамики, использующий понятия максимально возможной работы -эксергии и потерь возможной работы (потерь эксергии). Эксергетический метод термодинамического анализа позволяет оценить степень совершенства системы, выявить элементы системы с наибольшими потерями энергии, обусловленными необратимостью процессов. Методика применения термодинамического анализа для оценки эффективности и оптимизации теплотехнологических и энергетических систем изложена в работах В.М. Бродянского, Д.П. Гохштейна, Я. Шаргута и др. [5-8].
Необходимость использования понятия эксергии и ее потерь при анализе эффективности теплотехнологического оборудования была подчеркнута авторами работ [9-13].
В [14] было доказано, что при анализе эффективности энергетических установок, наиболее объективные результаты получаются при использовании эксергетического метода. Аналогичный вывод сделан в работе [15], где были рассмотрены примеры применения метода термодинамического анализа при оценке показателей эффективности систем теплоснабжения от различных источников.
Для анализа эффективности систем выработки энергии, термодинамический метод использовался авторами работ [16-20].
В [21] разработана методика применения термодинамического анализа для оценки совершенства комбинированных ядерных установок, предложены эксергетические показатели их эффективности.
Методы оценки эффективности теплообменного оборудования, основанные на применении термодинамического анализа к процессам теплообмена, описаны в [5-7,22-24].
Определение эффективности теплотехнологических процессов металлургических производств с использованием метода термодинамического анализа, рассматривалось в [25-27].
Большое количество работ посвящено анализу совершенства различных теплотехнологических систем и процессов химических производств [28,29]. В [30] . разработана система термодинамического анализа для химико-технологических систем, приведен пример анализа процесса дегазации производства синтетического каучука.
В работе [31] приведена математическая модель энергопреобразований в стационарных химико-технологических системах, с использованием которой выполнена оценка термодинамического совершенства процесса конверсии метана.
Авторами [32] произведена эксергетическая оптимизация процесса производства аммиака при использовании вторичных энергетических ресурсов.
На основе результатов проведенного термодинамического анализа производства серной кислоты, в [33] разработана программа совершенствования и оптимизации энерготехнологической схемы, даны рекомендации по оптимизации химических производств.
В [34] получена формула для определения потерь эксергии за счет переноса массы, теплоты и импульса в газовзвесях. Эксергетический анализ технологических схем разделения газовых смесей выполнен в [35].
Использование эксергетического метода термодинамического анализа при решении задач оптимизации современных энергоемких химических производств позволяет существенно снизить трудоемкость процесса. В [36] приведена методика структурной оптимизации энерготехнологических систем, показано, что термодинамическую оптимизацию можно проводить, варьируя параметрами только того элемента (совокупности элементов), который имеет максимальное влияние на эффективность всей системы. В качестве примера рассмотрено применение методики структурной оптимизации применительно к блоку синтеза аммиака.
Авторами [37] предложено проводить оптимизацию теплообменных систем с использованием эксергетических характеристик еще до начала
проектирования, заранее определяя параметры, влияющие на общую эффективность установок.
Согласно [5,6,38], проведение технико-экономического анализа теплотехнологических систем значительно облегчается, если осуществлять его в сочетании с термодинамическим, такой метод называют термоэкономическим.
При использовании эксергетического метода термодинамического анализа для оценки эффективности теплотехнологических систем и установок, основным показателем степени термодинамического совершенства является эксергетический коэффициент полезного действия (к.п.д.). В общем виде эксергетический к.п.д., согласно [5-7], определяется следующим образом:
f е -Те
_ -^отв _ ПОДВ /_j пот /1 |\
las р ~ р » Vі-1/
ПОДВ ПОДВ
где Еотв - эксергия, отводимая из системы;
подв - эксергия, подведенная в систему;
Егют - суммарные потери эксергии в системе.
Для оценки совершенства работы теплообменных установок в [5,6,22,39] предлагается применять другую трактовку эксергетического к.п.д., которую можно записать в виде:
где Ах - увеличение эксергии нагреваемого теплоносителя;
Д, - уменьшение эксергии греющего теплоносителя.
В [22] приведена методика определения степени термодинамического совершенства процессов передачи теплоты. Эксергетический к.п.д. процесса, равен:
7« =
1---
0_
0 + AO
(1.3)
где в - безразмерная средняя температура нагреваемого теплоносителя; Ав - безразмерная разность температур между греющим и нагреваемым теплоносителями. Величины в и А<9 определяются следующим образом:
Т AT — —
_1;Д0 = __;гдед:Г = 7\-7\,
(1.4)
Здесь ДГ - средняя разность температур между греющим и нагреваемыми теплоносителями; тг и тк - средние термодинамические температуры греющего и нагреваемого теплоносителей ; То - температура окружающей среды . Средние термодинамические температуры теплоносителей вычисляются
следующим образом:
-W nrlf
* г г т»
/т„г
plt_ fl
Ijll / \
/т'
\ / к/
(1.5)
где индексы ' , " относятся к параметрам теплоносителя соответственно на входе и выходе из установки.
Величина эксергии теплового потока, согласно [5,6,22], определяется следующим образом:
7'
E = r-Q,
где Гі=1—^-,
(1.6)
(1.7)
Здесь: Q - количество подводимой теплоты;
тэ - эксергетическая температурная функция.
При анализе эффективности теплотехнологических систем целесообразно применение оценочной эксергетическои диаграммы процессов в координатах тэ- Q [5,6,22], которая позволяет в наглядном виде представить информацию о величине и соотношении потерь эксергии в элементах системы.
Величина тепловой эксергии напрямую зависит от температурного уровня окружающей среды. Методы учета изменения параметров окружающей среды, при определении эксергии, предложены авторами [40]. Первый метод заключается в использовании эксергетическои диаграммы в безразмерных величинах, второй - в построении поправочных шкал на имеющихся диаграммах.
При проведении термодинамического анализа сложных
теплотехнологических систем, в качестве температуры окружающей среды авторами [22] рекомендуется принимать минимальное значение температуры самого холодного теплоносителя, используемого в данной системе.
В том случае, если в теплотехнологической системе или установке тепловые процессы протекают совместно с химическими реакциями, входные и выходные потоки различаются не только температурой, но и составом веществ. Поэтому для анализа эффективности таких систем необходимо учитывать химическую эксэргию веществ [4,6].
В работе [41] были рассмотрены и проанализированы различные модели окружающей среды для расчета химической эксергии веществ, сформулированы основные требования к их построению. Был сделан вывод, что модель окружающей среды авторов [8] в наибольшей степени удовлетворяет всем основным требованиям.
В работах [43,44] было расширено понятие окружающей среды для расчета химической эксергии, путем включения одного из основных компонентов гидросферы. Приняв за уровень отсчета химической эксергии
бесконечно-разбавленные водные растворы и ионы высшей степени окисления, авторы повысили точность расчета.
1.2. Классификация и эффективность различных методов интенсификации конвективного теплообмена в трубах и каналах.
Теплообменные аппараты широко применяются в энергетике, авиационной и космической технике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике, в системах отопления и горячего водоснабжения, в тепловых двигателях. В настоящее время подавляющая часть этих аппаратов состоит из трубчатых поверхностей теплообмена.
Уменьшение массы и габаритных размеров трубчатых теплообменных аппаратов является актуальной проблемой. Одним из наиболее перспективных путей решения этой проблемы является интенсификация теплообмена.
К настоящему времени предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена [45-53, 56-59, 68, 69, 79, 91,97, 101, 103-125, 133-135, 138, 158-162, 166, 174, 175].
Применительно к течению однофазных теплоносителей используются шероховатые и развитые путем оребрения или создания впадин поверхности, закрутка потока спиральными ребрами, шнековыми устройствами, завихрителями, установленными на входе в канал, подмешивание к потоку жидкости газовых пузырей, а к потоку газа - твердых частиц или капель жидкости, вращение или вибрация поверхности теплообмена, пульсация потока теплоносителя, воздействие на поток электростатических полей, отсос потока из пограничного слоя, струйные системы. Эффективность этих способов различна, как правило удается увеличить теплоотдачу до 2-3 раз, при этом для различных способов интенсификации затраты энергии существенно отличаются.
На рис. 1.1 представлены наиболее распространенные способы конструктивной реализации методов интенсификации конвективного теплообмена [54,55].
Турбулиэеция яаюахигнвю слоя
Разрушение пограничного суюя
Создание блторкгтых течений
Хагусс/піс.чная
іисхретноя
шірохаіатаапа
Разры!
лаіерх-
/teemv
лограноу/гоиз
Лсрслешиданис хид/гостц
Залрцчибанос жидкости
/Уа/гвхсежг _ лан}*оро&*осл7ес? оабле/гия
Рис. 1.1. Классификация методов интенсификации конвективного теплообмена [54,55].
Однако, несмотря на то, что в научной литературе накоплен обширный экспериментальный и теоретический материал по исследованию методов интенсификации конвективного теплообмена, редко встречаются опытные и теоретические разработки для ламинарных режимов течений вязких жидкостей. Имеющиеся, в основном, опытные данные не систематизированы в виду их небольшого количества. Отсутствуют теоретические исследования для многих, интересных в практическом отношении, методов интенсификации, в частности, для методов, рассматриваемых в данной работе.
Следует отметить также, что процессы теплообмена, происходящие при ламинарных течениях, достаточно строго описываются системами дифференциальных уравнений переноса. Также строго формулируются и краевые условия. Хорошо разработаны методы решения и численной реализации систем дифференциальных уравнений в частных производных. Все это позволяет надеяться, что при достаточно строгих и физичных допущениях и удачно найденной симметрии, удастся разработать такую математическую модель, которая весьма точно будет описывать, предсказывать и объяснять возникающие эффекты.
Касаясь вопросов эффективности методов интенсификации конвективного теплообмена, целесообразно определиться с общей перспективностью применения какого- либо метода интенсификации для ламинарного режима течения. Работы видных ученых А. Берглса [56,57], ЮТ. Назмеева [51,52,59], Г.А. Дрейцера [45,53], В.А. Кирпикова [54,55], А.А. Гухмана [58], Ю.Ф. Гортышова [101], А.И. Леонтьева [122, 213] и других, указывают на несомненную перспективность применения известных методов интенсификации именно к ламинарному режиму течения жидкости.
Так в [54] определена наиболее предпочтительная область интенсификации конвективного теплообмена по числу Рейнольдса (рис. 1.2 и 1.3). Автором выделено три области по диапазону чисел Рейнольдса, при этом показано, что в областях I и II интенсифицировать теплообмен достаточно трудно. И только в области III, лежащей в диапазоне чисел Рейнольдса от 10 до 104, возможна интенсификация теплообмена, причем с наибольшей эффективностью.
Следует отметить, что методы оценки эффективности способов интенсификации теплообмена, на сегодняшний день различны. Одной универсальной методики не получено и поэтому для выбора наилучшего способа повышения интенсивности конвективного теплообмена в данных
условиях проводят сравнение применяемых вариантов по одному или нескольким критериям оптимальности.
*р
ю-
10'
10м Re
-простая поверхность
Рис. 1.2. Зависимости K0=NuPr ~А2 (Pr/Piy)'0 25=f(Re); —
(эталон);!- Ko=0.I7Rea33; 2- K0=0.2Re08; сложная поверхность. Согласно [54]!
10 і Хе
10*
4 /0J
-простая поверхность (эталон); І- = 64Re ; 2-
Рис. І.З. Зависимости = /(Re);
=0.3l6Re" D; — — — сложная поверхность. (Трубы с различной относительной
шероховатостью) согласно [54].
Методам оценки эффективности посвящено большое количество работ [45-49, 51, 52, 54, 55, 58, 59, 68-70, 97, 107, 112, 124-131, 177], где методики
подробно расписаны и объяснены. Воспользуемся известными методиками для сравнения различных интенсификаторов потока, рассмотренных в литературе.
Для сопоставления тепловой эффективности различных по конструкции интенсификаторов на основании экспериментов, проведенных разными авторами при различных средних температурах потока среды и в разных диапазонах чисел Рейнольдса и Прандтля, возможно использование соотношения [59]:
(Nu/Nu7) = /(Re), (1.8)
которое характеризует увеличение коэффициента теплоотдачи в трубе с интенсификатором по сравнению с коэффициентом теплоотдачи в гладкой трубе. Сравнение эффективности способов интенсификации по этой методике и по методикам, описанным выше, проведено в [59] и представлено в виде таблиц и графиков.
Оценка при помощи энергетического коэффициента Е0, предложенного М.В. Кирпичевым получила продолжение в виде зависимости (1.9). В [2], где вводится понятие теплоэнергетической эффективности E0=Q/N= a/No.
a-/(N0) (1.9)
где а - коэффициент теплоотдачи при данных условиях омывания поверхности; No - энергия, затраченная за единицу времени на перемещение омывающей среды, отнесенная к 1м площади поверхности. Однако энергетическая эффективность поверхности, рассчитанная в виде (1.9), должна определяться для каждой формы поверхности при одинаковых средних температурах потока рабочей среды [47,48]. И, как указано в [51], это практически исключает возможность ее применения для сравнительной оценки известных методов интенсификации по данным различных авторов.
На рис. 1.4. представлены результаты обработки опытных данных различных авторов [45, 132-135, 158] в виде зависимостей (Nu/Nu0) = /(Re), при этом значения чисел Нуссельта были приведены к числам Рейнольдса, соответствующим гладкой трубе. Такая сравнительная оценка опытных данных разных авторов позволяет сделать вывод, что наиболее перспективными с точки зрения тепловых эффектов методами интенсификации теплообмена в вязких средах являются методы, воздействующие на пристенную область течения с помощью поперечной и спиральной накаток на внутренней поверхности стенки трубы, проволочных спиральных завихрителей.
/ 10 15 Rt-Ій'-
Рис. 1.4. Сопоставление опытных данных по теплоотдаче в трубах с интенсификаторами теплообмена. 1, 1 - шнековый завихритель, ф = 45 и 75; [133]; 2, 2 - поперечная накатка, d/D = 0,983 и 0,875 [3]; 3, З" - спиральная накатка, S/D = 3,25 и 1 [134, 158]; 4, 4 -проволочный спиральный завихритель; 5, 5 - ленточный завихритель, S/D = 19 и 3,16 [132].
Как известно, применение любого из известных методов интенсификации конвективного теплообмена сопровождается также ростом гидродинамического сопротивления, являющегося одним из основных параметров, влияющих на затраты энергии и мощности, необходимых для прокачки рабочей среды. Поэтому для сопоставления полной теплогидродинамической эффективности различных по конструкции интенсификаторов часто целесообразным является применение соотношения [45]:
(N^/N^)/(c/^0) = /(Re), (1.10)
характеризующего относительное увеличение интенсивности теплообмена в трубе с интенсификатором на единицу дополнительно затраченной энергии.
Оценка теплогидродинамической эффективности при помощи (1.10) позволяет производить сравнение разных конструкций интенсификаторов, причем не только для турбулентного, но и для случаев ламинарного течения и слаборазвитой турбулентности. К недостаткам зависимости (1.10) можно отнести тот факт, что обработка должна производиться при одинаковых определяющих размерах канала с интенсификатором и гладкого канала.
На рис. 1.5 приведены зависимости, полученные в результате обработки
опытных данных разных авторов согласно зависимости (Nu/Nu0)/(/0) = /(Re). К
сожалению, отсутствие у ряда авторов опытных данных по гидравлическому сопротивлению не позволило оценить эффективность всех типов интенсификаторов, рассмотренных на рис. 1.4.
\ 0 10 Re-10
Рис. 1.5. Сопоставление эффективности различных типов интенсификаторов теплообмена: 1,2 - спиральная накатка, S/D=3,25 и 1[134]; 3,4 - проволочный спиральный завихритель, S/D=2,17 и 0,72 [135].
Из рис. 1.5 видно, что применение методов на основе искусственной периодической шероховатости позволяет получить высокую эффективность
для невысоких чисел Рейнольдса. При этом интенсивность теплоотдачи по сравнению с гидравлическими потерями повышается в 2,5 раза.
Сравнение эффективности различных методов интенсификации, но для чисел Re>104 выполнено В.К.Мигаем [48, 159] и показано на рис. 1.6.
1,6
1,5
1,4
1,1
3 4 5 6789 10*
Рис. 1.6. Сравнительная эффективность интенсификации теплообмена: 1-7 - трубы, соответственно с кольцевыми выступами, типа конфузор-диффузор, со спиральными вставками, спирально-профилированные, с волнистой осью, с перфорированными вставками, с обтекаемыми выступами.
Теплогидродинамическая эффективность здесь представлена в виде
Nu/Nu,
критерия эффективности поверхности теплообмена И=
(^о)0'267
Наилучшими показателями, при Re=104, характеризуются автором трубы с кольцевыми выступами. Причем, расчеты проведенные автором [48, 159], показали, что, с ростом числа Рг эффект интенсификации теплообмена возрастает. При больших числах Re (Re=105) перспективны трубы с кольцевой накаткой (профилированные выступы) и трубы и каналы типа конфузор-диффузор.
В [54] предлагается оценка эффективности по трем критериям: KQ -коэффициент тепловой эффективности; Kn - коэффициент
гидроэнергетической эффективности; Кр - коэффициент эффективности по
площади теплообмена. Совокупность этих коэффициентов, представленных в
виде зависимости: Ko=XRe), KN=^/(Re), Kf=J[Ro) определяет в количественном
отношении рациональность и эффективность использования
интенсифицирующих устройств в теплообменном аппарате.
Сравнительная оценка теплоотдачи для различных типов
интенсификаторов выполнена в [136] и приведена на рис. 1.7. Здесь К* -
соответствующие каждому эксперименту критериальные уравнения для
расчета чисел Nu (более подробно- см. [136]). Как видно из рис. 1.7
эффективным способом является применение многозаходовых спиральных
канавок на внутренней поверхности труб,
л*
I 60
6 в ТО* 2 Ч 6 8М
Рис. 1.7. Теплоотдача в трубах с различными типами интенсификаторов: 1- спиральные канавки; 2- ленточный завихритель; 3- винтовой змеевик; 4- лопаточный завихритель; 5-гладкая труба.
Проведенный краткий сравнительный обзор и анализ известных работ показывает целесообразность применения.практически всех пассивных методов интенсификации теплообмена для ламинарных режимов течения.
Обобщение результатов промышленных испытаний, опыта эксплуатации и проведенный на их основе технико-экономический анализ в работах авторов [158-166] показали высокую эффективность применения профильно-винтовых труб в качестве интенсификаторов конвективного теплообмена.
1.3. Математическое моделирование процессов теплообмена при ламинарных течениях в винтовых каналах.
В связи с тем, что современный уровень вычислительной техники и развитие теории численного анализа позволяет решать задачи высокой сложности, в последнее время активно развивается теория исследования теплообмена и гидродинамики [51, 52, 97, 147-154].
Интенсифицированные каналы зачастую имеют сложную конфигурацию. Поэтому при анализе механизмов возникновения эффекта повышения интенсивности теплоотдачи и сопутствующих процессов увеличения гидравлического сопротивления, моделирование течений в такого рода каналах представляет особый интерес. Наибольшее количество опубликованных работ в области интенсификации конвективного теплообмена [51,52,66-76,101] посвящено теоретическому исследованию процессов гидродинамики и теплообмена при течении газов и вязких ньютоновских жидкостей.
Из анализа известных работ, посвященных винтовым течениям [51, 52, 68, 69, 73-75, 145] можно сделать следующие выводы.
Традиционным представлением при моделировании течений в винтовом канале независимо от типа жидкости является плоская модель винтового канала. При этом, считается, что движение жидкости происходит между двумя пластинами. Нижняя неподвижна, скорость движения верхней имеет две составляющие - вдоль оси канала и в поперечном направлении (рис. 1.8).
Математическая модель, в данном случае состоит из уравнений движения для течения в зазоре между пластинами [73-75] с граничным условием скольжения или прилипания на стенках.
Известны [76-85] и более поздние и более реальные - двумерные модели течения. В этом случае движение моделируется течением в канале прямоугольного сечения с верхней подвижной стенкой (рис. 1.9).
Рис. 1.8. Схематическое изображение винтового канала и его плоской модели согласно [73-75].
//////////////
Рис. 1.9. Схематическое изображение винтового канала и двухмерной модели согласно [76-85].
Другой вариант двумерного моделирования предложен в [86]- это представление винтового шнекового канала в виде свернутого в кольцо вокруг центральной оси прямоугольного (тороидального) канала. Моделирование винтового течения также производится угловым смещением верхней стенки (рис. 1.10).
Рис.1.10. Схематическое изображение двухмерной тороидальной модели согласно [86].
Известны также работы, в которых наиболее распространенным подходом является представление шероховатости в форме единичного выступа [73,146-154].
Такой подход хорошо описывает процессы теплообмена и гидродинамики в каналах с внезапным сужением (препятствием), однако при моделировании течении в канале с конкретной формой искусственной шероховатости - высотой выступа, шагом, взаимным расположением выступов (кольцевое, спиральное и др.), возникают большие погрешности. Так, в [65, 149] отмечалось, что в данном случае возникает возможность получения нефизических решений, характеризующихся пульсациями давления и скорости.
Тем не менее, при моделировании течений в каналах с большим шагом расположения выступов этот подход, позволяет получить достаточно точное решение.
При винтовом оребрении труб и каналов в целях интенсификации конвективного переноса могут возникать самые различные формы поперечных и живых сечений. В связи с этим и возникает необходимость такого моделирования задач неизотермического течения жидкостей, которое предусматривало бы возможность рассмотрения произвольной формы сечения винтового канала.
В работах [51, 52, 87, 88] рассмотрены винтовые координаты, которые лучше всего использовать для решения большинства задач в каналах с винтовой симметрией- Их связь с цилиндрическими координатами определятся следующими соотношениями:
I 2 ^7Е 3 /л і л \
q =r,q =q> —z, q = z, (1.11)
где S - шаг винта.
Введенная в рассмотрение система координат (1.11), обладающая винтовой симметрией, является неортогональной.
В [52, 88] с помощью системы координат, представленной в виде (1.11), доказана автомодельность изотермических гидродинамических задач относительно третьей, продольной винтовой координаты. Автомодельность
заключается в условии 5/5q3=0. Это позволяет в задачах изотермического течения жидкости в канале с винтовой симметрией считать составляющие вектора скорости функцией только переменных q1 и q2.
Что касается задач неизотермического течения, то автомодельными относительно координаты q3 будут также составляющие вектора скорости v в пределах каждого численного слоя по длине канала.
Исследования сходимости расчетных характеристик показывают, что метод разработанный в [51, 52] позволяет обеспечить гладкость решения по всей длине исследуемого канала.
В случаях более сложной конфигурации винтового канала в работах [179, 180] вводятся координаты, связанные с винтовыми следующим образом:
$'=q';$2=q2±Q0t;S3=q3T%, (1.12)
где Q0- угловая скорость вращения винта; к = —; S- шаг винта; t- время.
Эти координаты позволяют упрощать запись граничных условий и сохраняют компактность математической формулировки задачи. Исходя из всего вышесказанного, представляется целесообразным применение винтовых координат (1.11) при решении задач гидродинамики и теплообмена в винтовых каналах.
