Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса, постановка цели и задач исследования 12
1.1 Системы охлаждения СЭУ 12
1.2 Назначение, классификация и конструктивные особенности судовых ТА 13
1.3 Надежность и стабильность работы судовых охладителей 22
1.4 Математическая модель состояния потока 25
1.5 Методы интенсификации теплообмена в ТА 28
1.6 Ленточные интенсификаторы различных конструкций 34
1.7 Спиральные проволочные интенсификаторы 42
1.8 Методы оценки эффективности способов интенсификации теплообмена 45
1.9 Постановка цели и задач исследования 49
ГЛАВА 2 Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена внутритрубного пространства судового та 52
2.1 Описание экспериментального стенда 52
2.2 Методика проведения экспериментальных исследований 60
2.3 Ожидаемая погрешность эксперимента 61
2.4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ
2.4.1 Результаты экспериментального исследования интенсификации теплообмена в кожухотрубном теплообменном аппарате 64
2.4.2 Результаты экспериментальных исследований интенсификатора типа "витая лента" и "профилированная лента" 66
2.4.3 Экспериментальное исследование влияния шага надрезов интенсификатора типа "профилированная лента" 71
2.4.4 Определение аналитических зависимостей для расчета теплоотдачи и коэффициента гидравлического сопротивления со вставками типа “гофрированная лента с надрезами” 74
2.4.5 Обобщение результатов исследования з
2.5 Оценка теплогидравлической эффективности и выбор рациональных параметров ленточных интенсификаторов 83
ГЛАВА 3 Расчетно-теоретическое исследование влияния интенсификации теплообмена на работу судовых охладителей 89
3.1 Программное обеспечение 89
3.2 Исследование теплогидравлических характеристик судовых охладителей воды 94
3.3 Исследование теплогидравлических характеристик судовых охладителей масла с применением интенсификации теплообмена 97
3.4 Исследование интенсификации теплообмена маслоохладителя типа МХД-16 104
ГЛАВА 4 Исследование влияния случайного характера накопления отложений на параметры работы судовых охладителей 109
4.1 Определение параметров работы судовых охладителей 109
4.2 Классификация загрязнений теплообменной поверхности и влияющие параметры
4.2.1 Основные типы загрязнений 110
4.2.2 Параметры, влияющие на загрязнения
4.2.2.1 Время образования отложений 116
4.2.2.2 Температура 119
4.2.2.3. Скорость потока 121
4.2.2.4 Концентрация загрязняющего вещества и его прекурсора 123
4.2.2.5 Давление 125
4.2.2.6 Примеси 125
4.2.2.7 Параметры конструкции теплообменного аппарата 126
4.2.2.8 Свойства теплообменной поверхности 126
4.2.2.9 Интенсификация теплообмена 128
4.3 Исследование методом ИМ влияния случайного характера накопления отложений на параметры работы теплообменника 132
Заключение 146
Перечень принятых сокращений и условных обозначений 148
Список литературы 150
- Математическая модель состояния потока
- Результаты экспериментальных исследований и их анализ
- Исследование теплогидравлических характеристик судовых охладителей масла с применением интенсификации теплообмена
- Параметры, влияющие на загрязнения
Математическая модель состояния потока
Основные преимущества пластинчатых теплообменников заключаются в более высоком коэффициенте теплопередачи и, следовательно, более компактных габаритных размерах. Высокий коэффициент теплопередачи обусловлен развитой турбулизацией потока и небольшой толщиной теплопередающих пластин. Одновременно с этим, пластины являются и отрицательной стороной пластинчатого теплообменника. Наличие сложной системы уплотнений между пластинами создает неудобство в обслуживании аппарата и требует периодической замены. Все это приводит к значительным эксплуатационным затратам и снижению надежности. Также, значение допускаемых давлений и термической стойкости уплотнений относительно невелики.
По сравнению с пластинчатыми, кожухотрубные аппараты не имеют многочисленных прокладок и являются намного более надежными с этой точки зрения. Хотя они обладают пониженным коэффициентом теплопередачи по сравнению с пластинчатыми, существует целый ряд методов интенсификации теплообмена, который с достаточной легкостью применим в кожухотрубных аппаратах. Поэтому использование данных методов и правильного подхода к проектированию оптимальной конструкции кожухотрубных теплообменников позволяет им оставаться конкурентоспособными по отношению к пластинчатым, а с учетом их высокой надежности – позволяет быть востребованными в судовой технике.
Аппараты змеевикового типа являются одной из разновидностей кожухотрубных аппаратов. Такой аппарат состоит из змеевика (спиральной трубы) расположенного в корпусе. Поскольку площадь сечение змеевика значительно меньше площади сечения в корпусе для прохождения теплоносителя устанавливают заполнитель в центре аппарата. Такие теплообменники чаще всего используют как охладители или подогреватели воды для бытовых нужд, когда существует высокий температурный перепад.
Теплообменные аппараты с плоскими трубками часто применяются на судах с дизельными установками. Такие аппараты имеют меньшие габаритные размеры и вес по сравнению с кожухотрубными теплообменниками. Кожух охладителя может иметь любую необходимую форму. Плоские трубки изготовляют как гладкие, так и с применением дополнительной интенсификации теплообмена за счет лунок или решеток.
Трубки с олунением состоят из двух пластин на поверхности которых наносятся лунки диаметром 5 и глубиной 2 мм. При сборке пластин внутренние выступы лунок располагают друг напротив друга, получая сложную форму канала.
При изготовлении плоских трубок с решеткой между пластинами устанавливается турбулизатор в виде выштампованной решетки. Турбулизатор увеличивает коэффициент теплоотдачи в канале, а также придает дополнительную жесткость трубке. Одними из наиболее распространенных ТА на судах являются охладители и подогреватели воды [6] (таблица 1.1). В этих аппаратах в качестве одного из теплоносителей обычно используется пресная вода или дистиллят, которые служат для охлаждения деталей машин в СЭУ, таких как цилиндры дизелей, а также электрических машин, аккумуляторных батарей. Для охлаждения теплоносителя, воспринимающего тепло в процессе работы судна, используют, как правило, забортную воду (морскую или речную), причем забортная вода располагается в трубном пространстве аппарата. Такое расположение облегчает доступ к теплообменной поверхности наиболее подверженной загрязнению.
Судовые ТА могут иметь различное конструктивное исполнение по количеству ходов в трубном и межтрубном пространствах (таблица 1.2). Увеличение количества ходов по трубному пространству достигается за счет установки перегородок в распределительных камерах, по межтрубному – в кожухе. Увеличение количества ходов приводит к увеличению скорости потока и более эффективному использованию поверхности теплообмена, однако создает возможность для отложения механических включений (водорослей и др.) в местах поворотов камер.
Наибольшее распространение на судах получили кожухотрубные теплообменники, состоящие из кожуха и пучка труб внутри него [8].
Кожухи больших диаметров изготавливаются из листа методом развальцовки и имеют продольный сварной шов. Кожухи малого диаметра до 0,6 м выполняют из трубы. К кожуху привариваются патрубки, через которые поступает и отводится теплоноситель, омывающий трубы снаружи.
Наиболее широко используемые трубки в ТА могут быть как прямые с развальцовкой на концах в трубных досках, так и U-образные с развальцовкой в трубной доске с одной стороны [9]. Прямые трубки используют в случаях, когда необходима периодическая чистка, если внутритрубная среда содержит соли, способные осаждаться на внутренней поверхности. Среда подается в трубы через коллекторы.
Для предохранения труб от вибрации и изгибов используют перегородки (рисунок 1.3). Перегородки расположены в межтрубном пространстве и придают потоку поперечное движение относительно трубного пучка. При поперечном обтекании труб теплоотдача потока увеличивается, однако наличие перегородок также увеличивает потери давления в межтрубном пространстве.
Наружный диаметр теплообменных трубок, используемых в ТА 10-50 мм, наиболее часто используются трубки в пределах 12-20 мм с толщиной стенки 1-2 мм. Применяют трубы как из углеродистых и нержавеющих сталей, так и цветных металлов. От диаметра труб сильно зависят массогабаритные размеры.
При разности температур рабочих сред до 60С применяют конструкцию аппарата с жестко закрепленными трубами в трубных решетках. При большей разности температур используют U-образные трубы или подвижные (плавающие) трубные доски. Также, чтобы частично компенсировать разность в длине трубок и корпуса используют компенсаторы [7].
Для увеличения коэффициента теплопередачи и обеспечения требуемых скоростей рабочих сред устанавливают поворотные камеры в крышках, тем самым интенсифицируя трубное пространство и перегородки в межтрубном пространстве для организации поперечного тока.
Скорость рабочих сред, как правило, не превышает 3 м/с из-за низкой выносливости цветных металлов (мельхиор, латунь, медь, медно-никелевый сплав), часто применяемых при изготовлении судовых ТА.
Поскольку в судовых ТА рабочими средами могут быть забортная и пресная вода, масло, топливо и воздух [10] с сильно отличающимися коэффициентами теплоотдачи, то в этом случае используют оребрение для увеличения поверхности или дополнительную интенсификацию теплообмена, как правило, за счет устройств стационарного характера. Такие устройства привносят дополнительную турбулизацию потока с меньшим коэффициентом теплоотдачи.
Результаты экспериментальных исследований и их анализ
В работе [45] представлены исследования скрученной ленты с изменением угла скрутки по сравнению с обычной лентой. Значение чисел Re в данной работе от 3000 до 12000, рабочая среда – вода. Применение данной модификации увеличивает эффективность турбулизаторов за счет дополнительного возмущения, что подтверждено авторами при помощи методов визуализации потока. В отдельных случаях, значение числа Nu потока возрастает до 2,9 раз при увеличении сопротивления до 7,5 раз для модифицированной ленты по сравнению с полой трубой.
В работе [46] представлены исследования скрученных лент с небольшими надрезами по периферии. Отношение s/d = 3 было постоянно для всех лент. Частота и величина надреза варьировались. Значение чисел Re в данной работе от 1000 до 20000, рабочая среда – вода. В ходе исследования было выявлено, что данная модификация ленты значительно эффективней обычной скрученной ленты, что достигается благодаря повышению турбулизации потока именно в пристенном слое из-за наличия надрезов по периметру турбулизатора. Также авторами отмечено, что увеличению эффективности способствует увеличение надрезов и их частоты. Значение числа Nu увеличивается от 2,6 (турбулентный режим) до 12,8 (ламинарный режим) раз по сравнению с полой трубой.
В работе [47] представлены исследования скрученных лент с U-образными вырезами по краям. Отношение s/d = 2; 4,4; 6. Частота и величина надреза варьировались. Значение чисел Re в данной работе от 2000 до 12000, рабочая среда – вода. Использовалась алюминиевая лента толщиной 1,5 мм и шириной 23,5 мм. U-образные вырезы имеют ширину и длину по 8 мм и располагаются с одной стороны ленты с шагом 2/L. Применение скрученных лент с U-образными вырезами дает лишь небольшой положительный прирост числа Nu. По данным авторов эффективность (определяемая отношением коэффициента теплоотдачи трубы с турбулизатором к пустой трубе) обычной скрученной ленты составляет 1,15; 1,06; 1,02 и 1,22; для модифицированной ленты в указанных значениях числа Re и шага закрутки ленты 1,10 и 1,06.
В работах [48]-[49] представлены CFD исследования скрученных лент с эллиптическим, V-образным и квадратным вырезами по краям ленты. Значение чисел Re в данной работе от 100 до 2500. Вырезы располагаются также с шагом 2/L, но с разных сторон. Лента с параметрами: толщина 0,8 мм; ширина 24,5 мм с шагом закрутки s/d = 2,93; 3,91 и 4,89, исследовалась в трубе длиной 180 см и диаметром 25,4 мм. Глубина выреза варьировалась для всех типов лент. По результатам математического моделирования авторов, применение скрученных лент с вырезами эффективнее по сравнению с обычной скрученной лентой, но незначительно, причем увеличение числа Nu и гидравлического сопротивления происходит с уменьшением отношения s/d и глубины выреза для всех типов лент.
В работе [51] представлены исследования скрученных лент со стержнями, расположенными поперек продольной оси ленты. Медная лента с параметрами: толщина 1,4 мм; ширина 21 мм с шагом расположения стержней 30 мм. Медные стержни с параметрами: 6 мм диаметр и 21 мм длина. Значение чисел Re в данной работе от 12000 до 23000, рабочая среда – вода. Увеличение числа Nu и гидравлического сопротивления происходит с уменьшением отношения s/d. Увеличение числа Nu скрученной ленты с модификацией по сравнению с пустой трубой составляет 39%.
В работе [52] представлены исследования скрученных лент с глубокими надрезами по периферии. Значение чисел Re в данной работе от 1000 до 40000, рабочая среда – воздух. Симметричные надрезы на ленте шириной 20 мм имеют с каждой стороны глубину 7,5 мм при, расположены с шагом 5 мм и толщиной 1,5 мм. Нужно отметить, что за счет глубоких надрезов данный тип ленты возможно скрутить с меньшим отношением s/d по сравнению с обычной лентой. Диапазон исследований 1s/d2,5 в данной работе показал, что наибольшие значения чисел Nu достигаются при s/d=1,5 и 2 как для ламинарного, так и турбулентного режима течения потока. Число Nu скрученной ленты с модификацией по сравнению с обычной лентой в 1,28-2,4 раза выше и в 6,3-9,5 раза выше по сравнению с пустой трубой.
В работе [53] представлены исследования скрученных лент с отверстиями по всей ширине ленты в три ряда и шагом закрутки s/d = 4,55. Значение чисел Re в данной работе от 15000 до 45000, рабочая среда – воздух. Увеличение эффективности в 1,8-2 раза выше по сравнению с пустой трубой.
Также существуют исследования скрученных лент с коническими насадками, перфорированной и внутренне оребренной трубой, искусственной шероховатостью (микрооребрением) [54-57].
По результатам вышеизложенного обзора исследований различных авторов, можно сделать вывод, что витые ленты являются достаточно эффективным способом интенсификации теплообмена при умеренных затратах на прокачку теплоносителя.
Литературный обзор приведенных выше данных по увеличению теплоотдачи и гидравлического сопротивления при применении ленточных интенсификаторов показывает перспективность дальнейшего совершенствования их конструкции, что и будет выполнено ниже. При этом, наибольшим коэффициентом теплоотдачи обладают витые ленты с изменением их геометрической формы по периметру для создания дополнительной турбулентности в пристенном слое трубки ТА.
Исследование теплогидравлических характеристик судовых охладителей масла с применением интенсификации теплообмена
Расход горячего и холодного теплоносителей измерялся расходомерами OMEGA FTB4600, установленными согласно инструкции, с прямыми участками по 5 диаметров трубы до и после него. Связанный с ним полностью программируемый счетчик OMEGA DPF701, имеющий местный индикатор текущего значения с шестью разрядами показывал результат измерения и передавал его на ЭВМ через систему сбора данных.
Перед проведением эксперимента задавалась на ЭВМ функция масштабирования Y = mX+b (где коэффициенты m и b подбираются для отображения необходимой величины), последовательность опроса каналов.
Сбор данных производился с помощью встроенного интерфейса USB, что позволяет подключать его к ЭВМ без использования дополнительной платы ввода/вывода или преобразователя интерфейсов. Сбор, контроль и анализ данных на ЭВМ осуществляется в программном обеспечении Keysight BenchLink DataLogger. Программа работает на базе операционной системы Windows и использует среду электронных таблиц для описания измерительных данных, которые необходимо собрать. Табличный формат облегчает настройку нескольких циклов сканирования и запуск циклов сканирования с использованием заранее заданных предельных значений.
Для выполнения эксперимента указывались виды измерения, которые следует выполнить и задавались предельные значения и последовательность операций, которые должны быть выполнены. После этого в реальном времени происходил сбор данных и их обработка.
Данные поступающие на ЭВМ сохранялись в табличном виде посредством кнопки «Save» на жесткий диск через специализированное ПО Keysight BenchLink DataLogger. Для последующей обработки и расчета искомых физических величин коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления.
Анализ результатов испытаний различных конструкций завихрителей, включающих в себя варианты выполнения, как сплошных витых лент, так и модифицированных лент с насечками, рваными насечками, винглетами и т.п., показал, что существует возможность влиять как на интенсивность теплообмена, так и на гидравлическое сопротивление. Это влияние разнонаправленное, что ожидаемо, однако существует возможность нахождения компромисса, который обычно оценивается с помощью известных критериев оценки эффективности интенсификации.
Подготовка экспериментального стенда к проведению эксперимента. Эксперимент заключался в снятии показаний термопар 7, 12 (см. рисунок 2.2) на входе и выходе потоков для трубной и межтрубной сторон при различных значениях расхода холодной жидкости, измеряемом расходомером 6 и перепада давления, измеряемого дифференциальным манометром: 1. Проверить комплектность и исправность оборудования и приборов, приспособлений и инструментов, необходимых для выполнения эксперимента; 2. Включить датчики температуры, расхода, перепада давления и запустить насосы и воздушный холодильник; 3. Отрегулировать расход холодной среды вентилем при постоянном расходе горячей воды; 4. Дождаться установления стационарного режима теплообмена в рабочем участке; 5. Снять показания датчиков. При установлении стационарного режима теплообмена в рабочем участке показания датчиков записывались в опросный лист эксперимента и затем выполнялись п.3-5 для нового значения расхода холодного потока. Для каждой ленточной вставки выполнялось 20 экспериментов с разными расходами. Методика обработки экспериментальных данных приведена в Приложении А. 2.3 Ожидаемая погрешность эксперимента Данные полученные в ходе проведения любого эксперимента не могут являться абсолютно точными и имеют некоторое отклонение результатов от истинного значения. Причина этого заключается в том, что из-за наличия неточности методов и средств измерений, а также определенных приближений числовых значений уравнений и т.д. Таким образом, точность эксперимента определяется степенью приближенности полученных результатов к истинному значению искомой величины. Чем выше точность, тем меньше его погрешность.
В ходе эксперимента измерение каждой исследуемой величины производилось многократно для исключения возможных грубых погрешностей. Абсолютная погрешность эксперимента Л определась: А=х-Х, (2.4) x - значение результата измерения; X - истинное значение искомой величины. Относительная погрешность S результатов измерения: 8 = -, (2.5) Точность проведенных экспериментов выражается доверительным интервалом, в котором с доверительной вероятностью находится суммарная погрешность. Результаты представлялись в форме: A;ДотДн доДв, P , (2.6) где А - результат эксперимента; Д, Дн, Дв - абсолютная погрешность, нижняя и верхняя границы соответственно; Р - доверительная вероятность. Среднее значение измерения результатов хср при прямых измерениях: хср = -f=1Xj. (2.7) Результирующая погрешность при нормальном законе распределения составляющих погрешностей: д =+1 Д? (2.8)
При оценке точности результатов экспериментов, включая косвенные измерения, определение погрешности величин-функций происходит по известным значениям погрешностей их аргументов. Эта величина определялась выражением: Y = (p(XllX2...Xn), (2.9) где Х1,Х2,Хп- аргументы, определенные независимо друг от друга. При определении погрешности будем полагать, что погрешность определения каждого аргумента Xt обусловлена лишь неточностью численных значения а дополнительная погрешность, связанная с округлениями при вычислениях или возможным использованием приближенных методов решения уравнения во внимание не принимается. При наличии погрешности нескольких аргументов Xt появляется составляющая погрешность Yt величины Y. Таким образом, общая абсолютная и относительная погрешности определялась выражением: АГсум = ±VSf=1(Ar/)2 + /С2ЕГ=1(АУ;")2, (2.10) $сум = ±VE?=i№)2 + ff2Ei№ )2- (2Л1) Расчет погрешности измеряемых величин приведен в таблице 2.4.
Параметры, влияющие на загрязнения
Загрязнение может быть классифицировано в зависимости от механизма образования [77]-[78]: кристаллизующееся загрязнение (накипь); загрязнение в виде частиц вещества; загрязнение в результате химической реакции; загрязнение в результате коррозии; биологическое загрязнение; затвердевающее загрязнение.
Кристаллизующееся загрязнение (накипь). Осаждение растворенных веществ, как правило, неорганических, на теплообменную поверхность в виде твердого слоя. Этот процесс часто упоминается как образование накипи. Он происходит, когда раствор жидкости у теплообменной поверхности становится перенасыщенным. Перенасыщение, в свою очередь, может наступать в результате нагрева, охлаждения, испарения, изменения химического состава или смешивания. Процесс образования кристаллизованного загрязнения подразделяется на два последовательных этапа: - зарождение кристаллов; - рост кристаллов. После формирования ядра кристаллизации, требуется лишь малая величина перенасыщения для дальнейшего роста кристаллов. Таким образом, главная движущая сила появления отложений – это разница между химическим потенциалом вещества в объеме рабочей жидкости и у теплопередающей поверхности. Для жидкости с заданным составом образование кристаллизованного загрязнения, как правило, зависит от рабочих параметров, таких как скорость потока, температура жидкости и температура поверхности теплообмена [78].
Загрязнение в виде частиц вещества. Накопление взвешенных в объеме жидкости отдельных твердых частиц на теплообменной поверхности. Если отложение частиц происходит под действием силы (например, силы тяжести), то оно называется осаждением. Данный вид загрязнения происходит благодаря низкой скорости потока или на участках с отсутствием движения потока. Характерной чертой таких отложений является их низкая прочность. Частичками такого отложения могут являться вещества из внешней среды, продукты коррозии или химических реакций. - Загрязнение в результате химической реакции. Отложения формируются на теплообменной поверхности в результате протекания химических реакций, в которых сам поверхностный материал не является одним из реагентов. Состав потока жидкости и его температура являются определяющими для данного типа загрязнения, поскольку, чем выше температура, тем выше скорость реакции. - Загрязнение от коррозии. Теплообменная поверхность вступает в реакцию с рабочей жидкостью, в результате чего образуются продукты коррозии на самой поверхности, которые являются термическими сопротивлениями и могут послужить основой для других загрязнений. Также в результате усиления шероховатости поверхности увеличивается число участков образования ядер кристаллизации. Таким образом, загрязнение в результате коррозии способствует загрязнению одновременно двумя способами. - Биологическое загрязнение. Прикрепление и рост микроорганизмов (микробиологическое загрязнение) и/или отложение пленок из микроорганизмов (микробное или микробиологическое загрязнение) и продуктов их жизнедеятельности на теплообменной поверхности. Такое загрязнение часто называется биологическим обрастанием. По своим свойствам биологическое загрязнение отличается от других типов загрязнения. Для поддержания жизнедеятельности данных организмов требуются вода и питательные вещества, а также температура в пределах 0-60C. - Затвердевающее загрязнение. Замерзание жидкости или жидких компонентов в газовом потоке на охлаждаемой теплообменной поверхности. В работах [77]-[79] авторы предлагают пять главных стадий, которые могут быть присущи всем типам загрязнений, выделив их следующим образом: - Инициация загрязнения включает в себя создание условий для образования загрязнения на поверхностности. Длительность этого периода определяют материал, шероховатость, обработка и покрытие теплообменной поверхности. В его течении может происходить образование и рост центров кристаллизации. Способствует этому перенасыщенность потока и повышение температуры стенки. - Перемещение загрязняющего вещества из объема жидкости к теплообменной поверхности происходит в зависимости от физических свойств потока и разницы концентраций в объеме жидкости и пристеночном слое. - Отложение загрязнения на поверхности. На данном этапе происходит прилипание загрязнения к поверхности. Определяющими параметрами данного процесса являются свойства самой теплообменной поверхности. - Периодическое срывание загрязнения происходит благодаря силе сдвига на границе раздела жидкость – загрязнение. Сила сдвига определяется скоростью, вязкостью потока и шероховатостью поверхности. Срывание загрязнения происходит в результате растворения, эрозии и его отслаивания. - Старение загрязнения на поверхности. С течением времени может происходит изменение свойств загрязнения из-за изменений кристаллической или химической структуры. Протекающие химические реакции могут вызвать изменение химического состава загрязнения и его силу его прикрепления к стенке. Коррозия теплообменной поверхности может вызвать отравление микроорганизмов и тем самым снизить степень биологического обрастания.
Очевидно, что степень изученности для каждой стадии того или иного вида загрязнения различна. Она зависит от важности конкретного отложения для промышленности и сложности его процесса. Такая оценка степени изученности каждой стадии для всех типов загрязнений представлена в работе [80] (таблица 4.2). Цифрами обозначены номера ячеек, а интенсивностью цвета степень изученности данной комбинации загрязнения и его стадии. Более темный цвет означает более глубокую степень изученности процесса. Из данных таблицы 4.2 ясно, что некоторые стадии получили больше внимания, чем другие.