Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Анализ состояния вопроса 6
1.1. Классификация и эффективность различных методов интенсификации конвективного теплообмена в трубах и каналах 6
1.2. Математическое моделирование процессов теплообмена при ламинарных течениях в винтовых каналах 15
1.3. Обзор основных конструкций и эффективность серийно-выпускаемых мазутоподогревателей ТЭС 19
1.4. Выводы 24
Глава вторая. Теоретическое исследование процессов гидродинамики и теплообмена при течении вязкой ньютоновской жидкости в профильно- винтовых каналах 25
2.1. Общая постановка задачи 25
2.2. Постановка гидродинамической части задачи в галеркинском приближении 38
2.3- Уравнение энергии в винтовой системе координат 43
Глава третья. Численные исследования процессов гидродинамики и теплообмена при ламинарном течении вязкой ньютоновской жидкости в профильно-винтовых каналах 45
3.1. Алгоритм и методика расчета задачи теплообмена при течении вязкой ньютоновской жидкости в профильно винтовых каналах 45
3.2 Методика решения уравнения энергии методом Фаэдо-Галеркина 50
3.3. Результаты численных исследований процессов гидродинамики и теплообмена при течении вязкой ньютоновской жидкости в профильно винтовых каналах 54
Глава четвертая. Практическое использование профильно- винтовых труб в мазутоподогревателях 66
4.1. Методика уточненного теплогидравлического расчета подогревателей мазута с применением методов интенсификации теплообмена 66
4.2. Результаты исследований и рекомендации по модернизации гладкотрубных подогревателей мазута серии ПМ 78
4.3. Технико-экономическая эффективность совершенствования схем мазутных хозяйств за счет интенсификации теплообмена в мазутоподогревателях ТЭС 96
Заключение 99
Список литературы 101
- Математическое моделирование процессов теплообмена при ламинарных течениях в винтовых каналах
- Постановка гидродинамической части задачи в галеркинском приближении
- Результаты численных исследований процессов гидродинамики и теплообмена при течении вязкой ньютоновской жидкости в профильно винтовых каналах
- Результаты исследований и рекомендации по модернизации гладкотрубных подогревателей мазута серии ПМ
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Исторически сложилась ситуация когда большинство работ в области интенсификации конвективного теплообмена посвящено исследованию интенсификации теплообмена применительно к аппаратам и теплоносителям, работающим в условиях турбулентного или переходного режимов течения и только в последние годы был проявлен конкретный интерес к области ламинарного режима течения.
Появились достаточно строгие обоснования, что именно ламинарный и переходный режимы течения являются наиболее перспективной областью применения методов интенсификации конвективного теплообмена. Опубликованы работы, показывающие, что именно в этих областях принципиально возможна интенсификация теплообмена за счет применения пассивных методов воздействия на поток жидкости. Появились отдельные работы, показавшие на экспериментальном уровне высокую эффективность применения известных методов интенсификации к ламинарным течениям вязких жидкостей. Но исследований в данной области явно не достаточно.
Несмотря на определенный опыт, накопленный в результате эксплуатации теплообменного оборудования с профильно-винтовыми трубами, отсутствуют исследования, посвященные математическому моделированию движения вязких теплоносителей при ламинарном режиме течения в исследуемых каналах.
Работа посвящена теоретическому исследованию конкретного метода интенсификации конвективного теплообмена - спирального профилирования труб и выполнялась в рамках тематического плана научно-исследовательских работ, проводимых по заданию Министерства образования РФ, регистрационный № 1.2.02.
Целью работы является создание и исследование на базе галеркинского приближения математической модели процессов теплообмена при ламинарном
течении вязких ньютоновских сред в профильно-винтовых каналах, а также возможности их применения в мазутоподогревателях ТЭС.
Научная новизна состоит в следующем:
L разработана в галеркинской постановке математическая модель, описывающая процесс теплообмена при ламинарном течении вязкой ньютоновской жидкости в каналах и трубах со спиральным профилированием;
2. разработан алгоритм и метод численной реализации задачи
гидродинамики и теплообмена в приближении Галеркина;
проведен анализ механизма и показаны причины возникновения эффектов интенсификации теплообмена при ламинарном течении вязкой ньютоновской жидкости в профильно-винтовых каналах;
получены результаты численных исследований влияния тепловых, гидродинамических и геометрических характеристик на процессы теплообмена в мазутоподогревателях ТЭС с профильно-винтовыми трубами;
Практическая ценность работы.
Проведен анализ эффективности работы серийно выпускаемых мазутоподогревателей ТЭС и применения в них наиболее технологичных методов интенсификации теплообмена.
Показана возможность увеличения эффективности мазутных хозяйств ТЭС за счет применения профильно-винтовых труб - как метода интенсификации теплообмена в мазутоподогревателях.
Разработанные прикладные программы могут быть использованы для проектирования и модернизации теплообмен ного оборудования для вязких ньютоновских сред.
Результаты работы использованы при разработке технического задания на внедрение интенсифицированных мазутоподогревателей для Заинской ГРЭС.
Полученные результаты позволяют использовать их при курсовом и дипломном проектировании, чтении лекционных курсов «Гидрогазодинамика», «Тепломассообмен» и «Вспомогательное оборудование ТЭС».
Автор защищает результаты теоретических исследований процессов интенсификации теплообмена в профильно-винтовых каналах и предлагаемые на этой основе возможности их практического применения.
Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором под руководством члена-корреспондента РАН Назмеева ЮТ.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на аспирантско-магистерских семинарах КГЭУ в 2001, 2002 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Объем работы. Диссертация изложена на 112 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения. Работа содержит 34 рисунка и 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 136 наименований.
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 [7, 8, 53, 103-110],
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 [7,8,21 , 18-28,57] посвящено теоретическому исследованию процессов гидродинамики и теплообмена при течении газов и вязких ньютоновских жидкостей.
Из анализа известных работ, посвященных винтовым течениям [7,8, 24, 25, 101, 29-31] 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 [29-31] с граничным условием скольжения или прилипания на стенках.
Известны [32-35, 36-41] 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). Другой вариант двумерного моделирования предложен в [42]- 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). n Известны также работы, в которых наиболее распространенным подходом является представление шероховатости в форме единичного выступа [29,102-110]. 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 [21, 105] 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 [7, 8, 43, 44] рассмотрены винтовые координаты, которые лучше всего использовать для решения большинства задач в каналах с винтовой симметрией. Их связь с цилиндрическими координатами определятся следующими соотношениями: где S - шаг винта. Введенная в рассмотрение система координат (1.1 )у обладающая винтовой симметрией, является неортогональной. В [8, 44] с помощью системы координат, представленной в виде (1.1), доказана автомодельность изотермических гидродинамических задач относительно третьей, продольной винтовой координаты. Автомодельность заключается в условии 3/5q3 = 0. Это позволяет в задачах изотермического течения жидкости в канале с винтовой симметрией считать составляющие вектора скорости функцией только переменных q и q . 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 [7, 8] позволяет обеспечить гладкость решения по всей длине исследуемого канала. В случаях более сложной конфигурации винтового канала в работах [135, 136] вводятся координаты, связанные с винтовыми следующим образом: где У0- угловая скорость вращения винта; к = -—; S- шаг винта; t- время. Эти координаты позволяют упрощать запись граничных условий и сохраняют компактность математической формулировки задачи. Применение (1.2) целесообразно в случаях неполной симметрии винтового канала. Исходя из всего вышесказанного, представляется целесообразным применение винтовых координат (1.1) при решении задач гидродинамики и теплообмена в винтовых каналах.
Постановка гидродинамической части задачи в галеркинском приближении
Из результатов проведенного в [17, 111] анализа теплотехнологических схем мазутных хозяйств, следует, что подогреватели мазута являются наиболее энергоемким элементом схемы.
На сегодняшний день основным видом серийных стационарных подогревателей мазута, установленных на электростанциях и в котельных, являются гладкотрубные подогреватели серии ПМ.
Как указывалось в гл. 1, в процессе эксплуатации мазутоподогревателей типа ПМ был выявлен ряд существенных недостатков, таких как: значительные габариты и высокая/ металлоемкость; затрудненность очистки внутренней поверхности труб от отложений мазута и как следствие этого - невозможность использования в цикле энергоустановки конденсата греющего пара без дополнительной очистки.
Пар в подогревателях мазута движется в межтрубном пространстве, разделенном перегородками на отсеки. При большом числе перегородок, что приближенно соответствует многократно перекрестному току, можно считать, что пар движется вдоль труб и схема относительного движения теплоносителей соответствует параллельному току с постоянным давлением пара.
Кроме того, учитывая, что удельная теплоемкость пара невелика и пар быстро приходит в состояние насыщения при соприкосновении с холодной поверхностью труб, можно считать температуру пара в межтрубном пространстве постоянной и равной температуре насыщения.
В то же время, в расчетах следует учитывать теплоту перегрева при нахождении расходов пара и коэффициентов теплоотдачи со стороны пара а\. Так как низкие значения коэффициентов теплопередачи в мазутоподогревателях типа ПМ обусловлены небольшими значениями коэффициентов теплоотдачи со стороны мазута, интенсификацию теплообмена, следует проводить со стороны мазута. Течение мазута внутри труб в любом гладкотрубном серийном варианте подогревателя ПМ носит ламинарный характер. Для ламинарного течения мазута как вязкой жидкости наиболее перспективными способами интенсификации теплообмена являются [112, 113, 116-118]: 1. Применение кольцевых или спиральных выступов на внутренней поверхности труб. Так как коэффициент теплопередачи определяется и лимитируется значением коэффициента теплоотдачи со стороны мазута, то при определении коэффициента теплоотдачи со стороны пара образующиеся канавки на наружной поверхности труб в таких случаях можно не учитывать; 2. Использование спирально-винтовых проволочных вставок. В этом случае наружная поверхность труб со стороны пара остается гладкой. 3. Замена гладких теплообменных труб спирально-профилированными. Методы, использующие в своей основе принципы закрутки всего потока (скрученная в спираль лента, локальная закрутка и т.п.), значительно увеличивают металлоемкость аппаратов и гидравлическое сопротивление, затрудняют очистку поверхностей теплообмена. Рекомендованные способы интенсификации могут быть реализованы на собственных производственных мощностях энергосистем, ТЭЦ и крупных котельных. Основная идея метода численного уточненного расчета подогревателей мазута заключается в разбиении всего объема теплообменного аппарата на определенное число N=K-zr элементов по ходу мазута (элементарных теплообменников). Здесь К - произвольное количество интервалов, на которые разбивается каждый ход мазута; zT - число ходов мазута. В целом метод по-элементного расчета подогревателей мазута известен в литературе [112, 113, 119, 120] в различных модификациях и достаточно широко применяется на практике. Он имеет значительное преимущество перед известными методами (конструктивный, поверочный) и удобен для программирования. Каждый /-ый расчетный элемент (элементарный теплообменник) (при этом І = 1,N) представляет собой совокупность из nT/nz труб длиной At - — с 1С температурой мазута /, м на входе и температурой t\M на выходе из него, где пт и L - количество и длина труб в теплообменном аппарате. Тогда уточненный теплогидравлический расчет мазутоподогревателя сводится к последовательному расчету элементов ./V (элементарных теплообменников).
Результаты численных исследований процессов гидродинамики и теплообмена при течении вязкой ньютоновской жидкости в профильно винтовых каналах
В качестве примера рассмотрим теплотехнологическую схему мазутного хозяйства Заинской ГРЭС (рис. 4.4).
Номинальный массовый расход мазута в каждом подогревателе, установленном на Заинской ГРЭС равен 120000 кг/ч. Подогреватели мазута типа ПМ-10-120 (рис. 4.5) имеют 12 ходов по трубному пространству. При подогреве мазута марки М100 от 60 до 115 С число Рейнольдса равно Re=420, а гидравлическое сопротивление согласно техническим данным и проведенным испытаниям составляет Дрг = 265 кПа, а коэффициент теплоотдачи от стенок труб к нагреваемому мазуту аг«78 Вт/(м2-К). Возможен следующий вариант реконструкции мазутоподогревателей. При одной и той же номинальной нагрузке подогревателей по мазуту и одинаковой тепловой эффективности (а«ссг) скорость мазута в трубах может быть снижена с 1,4 м/с до 0,40 м/с. При этом число Рейнольдса становится равным 132, вместо 420. Число ходов трубного пространства таким образом снижается до четырех. Согласно табл. 4.14. гидравлическое сопротивление при этом составляет Ар = 160 кПа. При такой модернизации подогревателей мазута с проволочными спиральными вставками снижаются затраты электроэнергии на прокачку мазута на величину, кВт . Экономия электроэнергии на прокачку мазута через один подогреватель мазута с профильно-винтовыми трубами по сравнению с серийным гладкотрубным аппаратом составляет 39% (179,3 т.у.т./год), а с учетом того, что на Заинской ГРЭС установлено 8 подогревателей мазута ПМ-10-120, то годовая экономия составит 1434,4 т.у.т или 780 тыс. рублей. Основные выводы по результатам диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: 1) проведенный обзор литературных источников показал, что: а) профильно-винтовые трубы и каналы являются эффективным методом интенсификации конвективного теплообмена при ламинарных течениях вязкой ньютоновской жидкости; б) несмотря на наличие определенного опыта практического использования профильно-винтовых труб в теплообменном оборудовании, отсутствует математическое описание и анализ возникающих эффектов в исследуемых каналах; 2) в галеркинской постановке разработана математическая модель, алгоритм и методика численной реализации задачи теплообмена при ламинарном течении вязкой ньютоновской жидкости в профильно-винтовых каналах; 3) исследованы причины и проведен анализ механизма возникающих эффектов интенсификации теплообмена при ламинарном течении вязкой ньютоновской жидкости в профильно- винтовых каналах. Показано, что применение профильно-винтовых каналов позволяет получать более заполненный профиль вектора скорости, увеличивать значения коэффициентов теплоотдачи и значительно уменьшать длину начального теплового участка. Все это происходит в связи с перераспределением кинетической энергии в потоке и со смещением ее максимума в пристенные области течения. Как следствие, происходит уменьшение гидравлического сопротивления и затрат мощности на прокачку рабочего тела при одновременном, значительном увеличении коэффициентов теплоотдачи; 4) исследовано влияние тепловых, гидродинамических и геометрических параметров на процессы теплообмена в профильно-винтовых каналах Выявлено, что наиболее рационально использовать каналы с относительными шагами S/D=l,79 и относительной высотой выступа h/D=0,072. При этом темп роста эффективности теплоотдачи превышает рост гидравлического сопротивления от 10 до 25% в зависимости от значений числа Re; 5) проведены уточненные теплогидравлические расчеты подогревателей мазута марки ПМ с применением различных способов интенсификации конвективного теплообмена: поперечная накатка, проволочные винтовые вставки, профильно-винтовые трубы, в результате были выявлены наиболее эффективные параметры интенсификаторов теплообмена: 6) показана возможность модернизации мазутоподогревателей с помощью профильно- винтовых труб, оценена экономическая эффективность данных мероприятий (на примере Заинской ГРЭС, где экономия электроэнергии на прокачку мазута через один подогреватель мазута с профильно-винтовыми трубами по сравнению с серийным гладкотрубным аппаратом составляет 39% (179,3 т.у.т./год)), а с учетом того, что на Заинской ГРЭС установлено 8 подогревателей мазута ПМ-10-120, то годовая экономия составит 1434,4 т.у.т. или 780 тыс. рублей в год.
Результаты исследований и рекомендации по модернизации гладкотрубных подогревателей мазута серии ПМ
Основным назначением стационарных подогревателей мазута в схемах мазутных хозяйств электростанций и котельных является обеспечение необходимых значений вязкости мазута путем подогрева его перед подачей в горелочные устройства и форсунки котельных агрегатов.
Как теплообменные аппараты подогреватели мазута относятся к рекуперативным поверхностным теплообменньтм аппаратам. Рассмотрим стационарные серийные мазутоподогреватели: - кожухотрубные подогреватели ПМ, относящиеся к кожухотрубным теплообменникам с прямыми гладкими трубами; - кожухотрубные подогреватели из продольно оребренных труб ПМР. Гладкотрубные подогреватели мазута подразделяются на: аппараты горизонтального исполнения - основная часть подогревателей мазута типа ПМ; аппараты вертикального исполнения - две модификации подогревателей мазута типа ПМ-40-15 и ПМ-40-30. Подогреватели мазута типа ПМ широко распространены [51, 17]. Они рассчитаны на применение в одноступенчатых и двухступенчатых схемах мазуто подготовки. Подогреватели типа ПМ представляют собой кожухотрубные аппараты с горизонтальным исполнением, с количеством ходов по мазуту- (рис.11) Теплопередающая поверхность 6 набрана из стальных труб, ввальцованных в трубные доски корпуса, К трубным доскам на фланцах крепятся передняя крышка 2 с патрубками подвода мазута 3 и отвода подогретого мазута 4, а также днище. Полости подвода и отвода разделены перегородкой. В межтрубное пространство через патрубок 5 подается греющий пар (насыщенный) с давлением от 1 до 1,3 МПа. Межтрубное пространство разделено перегородками 7, - Конденсат греющего пара удаляется через патрубок 9. Расчетный максимальный нагрев мазута до 125 С осуществляется паром с давлением до 1,3 МПа и температурой до 250 С. В результате поиска более эффективной конструкции теплообменника был создан подогреватель мазута типа ПМР [51 ] (подогреватель мазута с поверхностью из сребренных труб). Аппараты серии ПМР - это горизонтальные кожухотрубные теплообменники с поверхностью нагрева из продол ьно-оребренных труб и предназначены для подогрева паром высоковязкого мазута, а также любых вязких жидкостей. Выпускаются на два рабочих давления вязкой жидкости: 1,3 и 6,4 МПа и рассчитаны на использование греющего пара с давлением до 1,6 МПа и температурой до 300 С. К основным сборочным единицам подогревателя относятся (рис. 12): блок-корпус, трубный пучок нагревательных элементов типа «труба в трубе», расположенных в корпусе с двухсторонним обогревом снаружи и изнутри, паровая и мазутная камеры, образованные трубными досками и эллиптическими днищами. «) В ПМР нагреваемый мазут подается в мазутную камеру, которая разделена перегородками на отдельные секции соответственно числу ходов мазута в кольцевых зазорах нагревательных элементов между наружными с диаметром 89 и 38 мм и внутренними (с продольным пластинчатым оребрением: 24 ребра высотой 19 мм и толщиной 0,8 - 1,0 мм) трубами. Наружные трубы, закрепленные в трубных досках корпуса, обогреваются паром, поступающим в них по дополнительным трубам, закрепленным в промежуточной трубной доске. Пространство в камере между трубными досками является отсеком для сбора конденсата, поступающего из нагревательных элементов. Паровая внутренняя труба на нижней поверхности имеет наклонную к оси трубы перфорацию, через отверстие которой пар выходит с соответствующей скоростью, воздействуя на поток конденсата в направлении его стекания. Оребренная труба нагревательного элемента с одного торца имеет заглушку, а вторым приваривается к трубной доске паровой камеры, что допускает свободное их расширение в сторону заглушённого конца, что облегчает разборку подогревателя для очистки от загрязнений. Паровая камера и приваренные к ней оребренные трубы могут быть отсоединены от корпуса без нарушения плотностей паровых объемов. Паровая и мазутная камеры имеют эллиптические днища, к которым приварены паровые и мазутные патрубки. В мазутной камере установлены перегородки, определяющие число ходов жидкости в аппарате. В паровом объеме имеется промежуточная трубная доска, направляющая потоки греющего пара и конденсата. Для стекания конденсата из внутренней оребренной трубы нагревательного элемента под действием силы тяжести корпус подогревателя наклонен под углом 2 градуса в сторону паровой камеры. К камере сбора и удаления конденсата из внутренних сребренных труб подсоединено водоуказательное стекло, сам слив осуществляется через патрубки в нижней части парового объема корпуса конденсатосборника паровой камеры. Предусмотрен штуцер для отвода воздуха и предохранительный клапан для сбора избыточного давления пара. Для анализа достоинств и недостатков описанных выше мазутоподогревателсй произведено сравнение их конструктивных и эксплуатационных данных, представленных в таблице 1.1. Рассматривая эффективность серийных стационарных подогревателей мазута, следует отметить, что аппараты серии ПМР являются более надежными и мощными подогревателями чем подогреватели серии ПМ [17].
Похожие диссертации на Теплообмен при ламинарном течении вязкой ньютоновской жидкости в профильно-винтовых каналах
