Диссертация (Повышение эффективности пластинчатых теплоутилизаторов посредством интенсификации теплообмена на поверхности с овальными лунками)

2ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ .........................................................................................................................................6ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................................................14ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ВНУТРИОВАЛЬНОЙ ЛУНКИ .......................................................................................................................232.1. Визуализация вихреобразования на установке с одной лункой .......................................232.2. Измерение температуры поверхности одиночной лунки при обдувании потокомвоздуха...........................................................................................................................................282.3.

Физическая модель для расчета величины теплового потока, передающегося с вихрем,выходящим из одиночной лунки ................................................................................................332.4. Проверка адекватности физической модели ......................................................................492.5. Результаты экспериментальных исследований ..................................................................582.6.

Выводы по главе ....................................................................................................................58ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА НАОЛУНЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ.................................................................................................603.1. Фильтруемая изоляция с поверхностными интенсификаторами в виде ШС ..................603.2. Оцифровка опубликованных графических данных ...........................................................653.3.

Экспериментальные исследования с применением регулярного режима .......................673.4. Обработка результатов эксперимента .................................................................................703.5. Сравнение коэффициентов теплоотдачи от поверхностей с различными типамиовальных лунок ............................................................................................................................713.6. Выводы по главе ...................................................................................................................73ГЛАВА 4.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛЕ С ОВАЛЬНЫМИ ЛУНКАМИ............................................................................................................................................................744.1. Определение коэффициента теплоотдачи в канале с овальными лунками .....................744.2. Сравнение коэффициентов теплоотдачи от поверхностей с различным типом лунок ..784.3. Экспериментальное исследование теплообмена в канале с овальными выступами ......794.4. Обработка результатов эксперимента для канала с выпуклостями .................................834.5.

Экспериментальные исследования теплообмена в канале с лунками .............................854.6. Выводы по главе ....................................................................................................................88ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕПЛООБМЕННИКА С ПОВЕРХНОСТНЫМИИНТЕНСИФИКАТОРАМИ В ВИДЕ ОВАЛЬНЫХ ЛУНОК И СРАВНЕНИЕ СТРАДИЦИОННЫМИ ТЕПЛООБМЕННИКАМИ ........................................................................895.1. Определение исходных параметров для расчета энергосберегающего эффекта приприменении различных типов пластинчатых рекуперативных теплоутилизаторов .............895.2 Расчет энергосберегающего эффекта при применении стандартных пластинчатыхтеплоутилизаторов .......................................................................................................................965.3.

Расчет энергосберегающего эффекта при применении теплоутилизатора с овальнымилунками .......................................................................................................................................1005.5 Оценка погрешности приведенных расчетов ....................................................................1225.6. Выводы по главе ..............................................................................................................123СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..............................................................................................................1253ПРИЛОЖЕНИЕ А ..........................................................................................................................135ПРИЛОЖЕНИЕ Б ...........................................................................................................................143ПРИЛОЖЕНИЕ В ..........................................................................................................................1524УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯd - эквивалентный диаметр, [м];q –плотность теплового потока, [Вт/м2];Nu – число Нуссельта;ξ – коэффициент сопротивления ;– коэффициент теплоотдачи от поверхности теплообмена, [Вт/(м2К)];ε - эффективность;Δt - перепад температур, [°C];τw - трение на стенке, [кг/(м.с2)];ΔP – перепад давления, [Па];P – импульс, [кг.м/с];G – расход воздуха, [кг/с];L – расход воздуха, [м3/ч];t - температура, [°C];x, y, z - декартовы координаты;w – скорость течения, [м/с];v – средне-массовая скорость, [м/с];u – скорость дифференциального объема, [м/с];u0 – динамическая скорость;ρ - плотность, [кг/м3];λ - коэффициент теплопроводности, [Вт/м.К];сp - удельная теплоемкость воздуха, [Дж/кг.К];ν- коэффициент кинематической вязкости для воздуха, [м2/с];Cf - коэффициент трения;5Re - число Рейнольдса;Pr - число Прандтля;Prt - турбулентное число Прандтля;St - число Стантона;Sh – число Шервуда;Q - тепловая мощность, [Вт];kQ - критерий эффективности по тепловой мощности;N - мощность на прокачку теплоносителя, [Вт];kN - критерий эффективности по мощности на прокачку;kV - критерий эффективности по объему теплообменников.ШС – шаровой сегмент;ОЛ – овальная лунка;ОВ – овальный выступ.6ВВЕДЕНИЕПроблема разработки эффективного теплообменного аппарата актуальнадля любой сферы народного хозяйства - в промышленной энергетике, ЖКХ,транспортной, химической и др.

отраслях.Дляулучшенияхарактеристиктеплоэнергетическогооборудованиянеобходимо разрабатывать новые конструкции теплообменных аппаратов,увеличиватьэффективностьтеплообменныхповерхностей,применятьсовременные подходы к проектированию теплообменных аппаратов, создаватьновые технологии их производства.

Правильный выбор теплообменников и ихтеплообменных поверхностей представляется исключительно важной иактуальной задачей.Среди используемого теплообменного оборудования можно выделить дванаиболее распространенных типа аппаратов - кожухотрубные и пластинчатые.В этих теплообменникахсуществуют различные способы интенсификациитеплообмена: установка оребрения, нанесение шероховатости или серииуглублений, выступов различной формы и т.д.Поверхностные интенсификаторы (шероховатость, выступы, и т.д.) призаметномувеличениикоэффициентатеплоотдачиведут(заредкимиисключениями) к более заметному росту коэффициенту сопротивления (т.е.росту перепада давления и, как следствие, росту мощности на прокачку).

Приэтом повышение эффективности теплообмена на 30-40% ведет к ростусопротивления на 40-60%.В то же время такой способ интенсификации какнанесение поверхностных углублений (лунок) выделяется заметным ростомкоэффициентатеплоотдачи,опережающимувеличениекоэффициентасопротивления. Вихревые способы интенсификации теплообмена, к которымотносятся сферические и овальные лунки, является одним из самыхперспективных, поскольку при его реализации возможен опережающий ростотносительногокоэффициентатеплоотдачиотносительного коэффициента сопротивления.посравнениюсростом7Актуальность работыПотребность в эффективных теплообменных аппаратах велика в любойсфере народного хозяйства, включая промышленную теплоэнергетику.

Так,расход тепла на подогрев вентиляционного воздуха, как правило, составляет 3040% от общего теплопотребления промышленных зданий. Общий потенциалэнергосбережения при применении утилизаторов теплоты вытяжного воздуха(расход которого, как правило, эквивалентен расходу приточного воздуха)можно оценить в 20-25% от общего теплопотребления промышленных зданий.Болееполнореализоватьэффективностьтакойпотенциалможно,еслиповыситьтеплообменных аппаратов с помощью интенсификаторовтеплообмена. Основным инструментом утилизации теплоты газо-воздушныхсмесей являются пластинчатые теплообменники-утилизаторы.Среди поверхностных интенсификаторов теплообмена следует выделитьовальные лунки (ОЛ), которые, по мнению ряда исследователей, дают большуютеплоотдачу, чем углубления в виде шаровых сегментов (ШС).

Однако,отсутствие четкого представления о структуре вихревого течения в ОЛ вшироком диапазоне факторов, влияющих на физику процесса, не позволяетколичественно определить степень воздействия геометрических и режимныхпараметров на гидродинамику и теплообмен в каналах, оснащенных даннымтипоминтенсификатора.Актуальностьрассматриваемойтематикиподтверждается ещё и ростом числа работ, посвященных интенсификаторамтеплообмена (в виде углублений и выступов разной формы), которые приобщих равных условиях обеспечивают опережающий рост коэффициентатеплоотдачи по сравнению с увеличением коэффициента сопротивления.Цель работыЦельюявляетсяповышениеэффективноститеплоутилизаторовпосредствомиспользованиятеплопередающейповерхностииметодаовальныхрасчетапластинчатыхлунокнапластинчатыхтеплообменников для промышленной теплоэнергетики с данным типом8интенсификатора.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующиезадачи:1. Провести экспериментальные исследования по формированию полейтемператур и скоростей в прямоугольном канале с одиночной овальной лункой,расположеннойнаобогреваемойнижнейповерхностиподугломкнабегающему потоку.2. По результатам экспериментов разработать физическую модель длярасчета величины локального выброса нагреваемого теплоносителя из ОЛ вядро потока.3. Разработать математическую модель процесса, протекающего натеплообменной поверхности, содержащей источники, имитирующие выбросытепловой энергии из ОЛ в ядро потока, и обеспечивающие увеличениекоэффициентатеплоотдачиреальнойповерхности,профилированнойовальными лунками.4.