Введение к работе
Актуальность работы. Пластинчатые парожидкостные подогреватели используются в водогрейных установках ТЭЦ и котельных, в тепловых пунктах систем теплоснабжения, в технологических установках различных отраслей промышленности и др.
В последние годы в России используемые ранее кожухотрубные подогреватели выводятся из эксплуатации, а на их место устанавливаются, как правило, разборные пластинчатые теплообменные аппараты. Пластинчатые подогреватели отличаются более высокими коэффициентами теплопередачи и существенно меньшими габаритами, чем кожухотрубные аппараты с гладкими трубами, что удобно при проектировании и эксплуатации.
Основная трудность подбора, расчета и дальнейшего совершенствования и выбора режимов эксплуатации пластинчатых парожидкостных подогревателей связана с тем, что их подбор и расчет осуществляются по компьютерным программам фирм, при написании которых используются частные теплогидравлические характеристики аппаратов, полученные по результатам натурных испытаний образцов каждого подогревателя из типоразмерного ряда. При этом изготовители не предоставляют эксплуатирующей организации полной информации ни о геометрических характеристиках пластин и образованных ими каналов, поверхностей теплообмена, ни о расчетных зависимостях по теплообмену и гидравлическим сопротивлениям. Обобщенные зависимости по теплообмену и гидравлическому сопротивлению в каналах этих подогревателей практически отсутствуют.
Объект исследования разборные пластинчатые парожидкостные подогреватели.
Целью исследования является разработка методик расчета пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения промышленных предприятий на основе обобщенных зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления при конденсации движущегося пара.
Задачи исследования:
- Разработка экспериментального стенда для изучения процесса теплообмена при конденсации движущегося водяного пара в трубе с профилированной поверхностью теплообмена;
- Экспериментальное определение влияния режима течения, температурного перепада «пар-стенка» и теплофизических свойств теплоносителей на процесс теплообмена при конденсации движущегося водяного пара в трубе с профилированной поверхностью теплообмена;
- Определение влияния режима течения, теплофизических свойств теплоносителей, температурного перепада «пар-стенка», геометрических характеристик поверхностей теплообмена на коэффициенты теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при конденсации движущегося пара в каналах пластинчатых подогревателей систем теплоснабжения промышленных предприятий;
- Получение аналитической зависимости для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления при конденсации движущегося пара с учетом влияния коэффициента теплопередачи, температурного перепада «пар-стенка», теплофизических свойств теплоносителей, геометрических характеристик поверхностей теплообмена на гидравлическое сопротивление парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения промышленных предприятий;
- Разработка методик конструктивных и поверочных расчетов пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения промышленных предприятий по методам среднего температурного напора и эффективности на основе обобщенных зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления при конденсации движущегося пара.
Научная новизна:
-
С использованием экспериментального стенда определено влияние режима течения, температурного перепада «пар-стенка» и теплофизических свойств теплоносителей на процесс теплообмена при конденсации движущегося водяного пара в трубе с профилированной поверхностью теплообмена.
-
Определен вид приведенных к безразмерной форме степенных функциональных зависимостей (уравнений подобия с переменными в виде чисел подобия) для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при конденсации движущегося пара в каналах пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения.
-
Получены обобщенные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при конденсации движущегося пара в каналах пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения. Среднеквадратичные отклонения значений Nu/Pr0,4 и , полученных в результате расчетного исследования, от значений, рассчитанных по обобщенным зависимостям, аппроксимирующим расчетные значения, составляют по теплообмену ±7,41% и гидравлическому сопротивлению ±10,9%.
-
Получена аналитическая зависимость для расчета гидравлического сопротивления со стороны конденсирующегося пара с учетом влияния коэффициента теплопередачи, температурного перепада «пар-стенка», теплофизических свойств теплоносителей и геометрических характеристик поверхностей теплообмена. Использование зависимости позволило снизить среднеквадратичное отклонение значений , полученных в результате расчетного исследования с использованием компьютерной программы, от значений, рассчитанных по обобщенной зависимости, аппроксимирующей расчетные значения коэффициентов гидравлического сопротивления подогревателей систем теплоснабжения, с ±67,2% до ±10,9%.
Практическая значимость работы
-
Полученные обобщенные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при конденсации движущегося пара, в сочетании с известными аналогичными зависимостями для вынужденного течения однофазных жидкостей, в каналах пластинчатых парожидкостных подогревателей позволяют рассчитывать и подбирать пластинчатые парожидкостные подогреватели, а также оптимизировать их конструктивные размеры и режимные параметры.
-
Числа подобия в зависимостях для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления при конденсации движущегося пара в каналах парожидкостных подогревателей могут быть использованы при получении аналогичных зависимостей для теплообменного оборудования с иными геометрическими характеристиками.
-
Разработаны методики конструктивных и поверочных расчетов пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения по методам среднего температурного напора и эффективности на основе обобщенных зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления при конденсации движущегося пара в пластинчатых парожидкостных подогревателях систем теплоснабжения промышленных предприятий. Разработанные методики позволяют производить расчет и подбор парожидкостных подогревателей, в которых в качестве греющего теплоносителя используется как водяной пар, так и пары других ньютоновских жидкостей.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обусловлена: детальным и корректным анализом исходных теоретических положений и результатов расчетов, проведенных автором экспериментальных исследований и обобщений, а также удовлетворительным совпадением результатов расчета по обобщенным зависимостям и методикам автора диссертационной работы с результатами расчетов по компьютерным программам, с экспериментальными данными других исследователей, имеющимися в научных публикациях.
На защиту выносятся:
- Результаты экспериментальных исследований теплообмена в кожухотрубном подогревателе с профилированной поверхностью теплообмена;
- Аналитическая зависимость для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления при конденсации движущегося пара с учетом влияния коэффициента теплопередачи, температурного перепада «пар-стенка», теплофизических свойств теплоносителей, геометрических характеристик поверхностей теплообмена;
- Обобщенные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений пластинчатых парожидкостных подогревателей при конденсации движущегося водяного пара;
- Методики расчета пластинчатых парожидкостных подогревателей систем теплоснабжения на основе обобщенных зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при конденсации движущегося пара и известных аналогичных зависимостей для вынужденного течения однофазных жидкостей.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
-
16, 17, 18-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва 2010, 2011, 2012 гг.;
-
VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е.Алемасова, Казань 2010 г.;
-
XI международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2010», Ухта 2010 г.;
-
17-ой Межвузовской научно-практической конференции молодых ученых и студентов, г. Волжский, 2011г;
-
5-ой Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение. Теория и практика», Москва 2010г.
Публикации
Основные научные положения и выводы изложены в 7 опубликованных работах, в том числе в одной публикации из перечня ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 106 наименований, и 5 приложений. Общий объем диссертации составляет 168 страниц, включая 79 рисунков и 22 таблицы.
