Влияние типов тепловой изоляции на эффективность работы теплообменного аппарата в системе рекуперации тепловых потерь МКУ

Характер изменения ЧДД сложен, поэтому требуется многомерная оптимизация.

Расчеты интегральных показателей эффективности позволили определить области работы котла наиболее выгодные не только с технической, но и с экономической точки зрения. На рис. 2 представлена трехмерная графическая зависимость чистого дисконтированного дохода от коэффициента оребрения и рабочего давления котла.

VI. Выводы и заключение

Анализируя полученные данные можно определить рациональные значения оптимизационных параметров, при которых можно достичь максимальный технико-экономический эффект. Наибольший ЧДД наблюдается при давлении насыщенных паров p = 60,80 кПа с коэффициентом оребрения ¥ = 3,66 и определяется графическим методом.

Источник финансирования. Благодарности

Работа выполнена в рамках НИР № 17087В «Молодой ученый ОмГТУ».

Список литературы

1. Виленский П. Л., Лившиц В. Н., Смоляк С. А. Оценка эффективности инвестиционных проектов. Теория и практика. М.: Дело, 2002. 888 с.

2. Ткаченко А. Н. Оценка эффективности инвестиционных проектов. Новокузнецк: НФИ КемГУ, 2003. 78 с.

3. Файндшмит Е. Оценка эффективности инвестиционных проектов: учеб. курс. М.: ЦКАФ,. 2012. 185 с.

4. Савчук, В. П. Управление финансами предприятия. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. 480 с.

5. Slobodina E. N. The peculiarities of the boiling process at subatmospheric pressure // Procedia Engineering. 2016. № 152. Р. 400-405. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.604.

УДК 621.43 + 621.51

ВЛИЯНИЕ ТИПОВ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА В СИСТЕМЕ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ МКУ

В. Л. Юша, Г. И. Чернов, А. М. Калашников

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-99-103

Аннотация - В данной работе исследуется влияния типов внешней тепловой изоляции теплообменно-го аппарата в системе рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки (МКУ) на его производительность. Цель - определение оптимального типа внешней тепловой изоляции. Актуальность - энергия, генерируемая в ДВС, может рекуперироваться обратно в установку в механической форме. Эффективность системы рекуперации тепловых потерь определяется, в первую очередь, теплообменным аппаратом. Задача - снижение внешних тепловых потерь теплообменным аппаратом. Поставленная задача решается наложением на внешнюю цилиндрическую поверхность теплообменника слоя тепловой изоляции. В данной работе моделируются в среде ANSYS CFX процессы теплообмена между горячими продуктами сгорания топлива, нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом. В работе рассматриваются три вида наружной тепловой изоляции: твёрдая, представленная минватой, термофлексом и пенофолом; газообразная, представленная воздушной прослойкой, находящейся под вакуумом, и активная. По итогам проведённого исследования можно сделать выводы: тепловая изоляция у теплооб-менного аппарата оказывает существенное влияние на эффективность его работы (при отсутствии изоляции потери достигают 70%). Для каждого типа изоляции при увеличении её толщины потери стабилизировались на определённом уровне. Наименьшие потери из исследованного ряда изоляций достигаются при использовании активной водной изоляции (тепловые потери в этом случае снижались до 15%).

Ключевые слова: машиностроение, теплообмен, изоляция.

I. Введение

В данном исследовании выполняется оценка влияния типов внешней тепловой изоляции теплообменного аппарата в системе рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки (МКУ) на его эффективность работы. Исследование осуществляется численным способом посредством моделирования процессов

теплообмена, протекающих в теплообменном аппарате в среде ANSYS CFX. В качестве внешней изоляции теплообменника использовались такие материалы, как термофлекс, минвата, пенофол, вода и воздух [1-4].

II. Постановка задачи

Целью работы является определение оптимального типа внешней тепловой изоляции, при максимальной эффективности теплообменника.

Актуальность поставленной цели обусловлена тем, что вся энергия, генерируемая в ДВС и затрачиваемая на сжатие газа в мобильной компрессорной установке, выбрасывается в окружающую среду в виде тепла. Рекуперация этой тепловой энергии обратно в установку в механической форме представляет собой актуальную научно-техническую задачу [5-14]. Известно, что рекуперация данных тепловых потерь может позволить вдвое увеличить производительность установки и уменьшить расход топлива на её привод. Эффективность системы рекуперации тепловых потерь определяется не только эффективностью схемы рекуперации, но и эффективностью отдельных её элементов, важнейшим из которых является теплообменник-утилизатор, в котором теплота, отводимая от ДВС и сжатого в компрессоре газа, идёт на нагрев жидкого теплоносителя, его выкипания и перегрев образованного пара [15-17]. Таким образом, повышение эффективности теплообменника-утилизатора является актуальной задачей в рамках создания эффективной системы рекуперации тепловых потерь МКУ (см. рис. 1).

♦

Рис. 1. Схема мобильной компрессорной установки с системой рекуперации тепловых потерь: ДР -двигатель Ренкина; ТО - теплообменник; NД1 -мощность ДВС при работе системы рекуперации тепловых потерь; QД1 - теплота сгорания топлива, выделяемая в ДВС при работе системы рекуперации тепловых потерь; М1 - расход топлива в ДВС при работе системы рекуперации тепловых потерь;

NP - мощность двигателя Ренкина; QP -тепловой поток, подводимый к двигателю Ренкина; QK - тепловой поток компрессора, подводимый к теплообменнику; пР - КПД двигателя Ренкина

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу по снижению внешних тепловых потерь теплообменника.

Объектом исследования является упрощённый прототип теплообменного аппарата, в котором потоки вещества (греющего газа и нагреваемого теплоносителя) движутся по прямым цилиндрическим или кольцевым каналам. Предметом исследования является энергетическая эффективность прототипа.

III. Теория

Поставленная задача решается наложением на внешнюю цилиндрическую поверхность теплообменника слоя тепловой изоляции. В данной работе моделируются в среде ANSYS процессы теплообмена между горячими продуктами сгорания топлива (воздух), нагреваемым теплоносителем (водой) и наружным воздухом. При этом нагреваемый теплоноситель - вода движется по внутреннему прямому цилиндрическому каналу, горячий воздух движется противотоком по внешнему кольцевому каналу, наружная поверхность теплообменника цилиндрическая, за которой находится воздух окружающей среды (см. рис. 2).

На основе известных уравнений конвективного теплообмена, теплопроводности и теплообмена излучением, которые содержатся в пакете ANSYS, проводится анализ процессов теплообмена. В качестве граничных условий принимаются следующие значения: температура входящего горячего воздуха равномерно распределена по входному сечению и равна Т0=900 К; температура входящей воды, также равномерно распределённая по вход-

ному для воды сечению, ТВ=300 К; температура наружного воздуха составляет 273 К. Коэффициент теплоотдачи между наружным воздухом и наружной поверхностью прототипа считается постоянным. Диаметры наружной и внутренней труб, а также толщины их стенок представлены на рис. 2. На рисунке указаны также массовые расходы воды и газа. Эпюры скоростей потоков на входе соответствующих сечений принимались равномерными.

Рис. 2. Расчётная схема теплообменника без наружной изоляции

Три вида наружной тепловой изоляции, рассматриваемые в ходе данной работы: твёрдая, представленная минватой, термофлексом и пенофолом (рис. 3); газообразная, представленная воздушной прослойкой, находящейся под вакуумом 90 кПа (рис. 3), и активная, при которой между внешней поверхностью теплообменника и горячим воздухом образуется ещё один кольцевой канал, по которому движется тот же теплоноситель, что и по внутреннему цилиндрическому каналу (вода). При этом нагреваемая вода - теплоноситель сначала подаётся во внешний кольцевой канал, в котором предварительно нагревается, и только потом попадает во внутренний цилиндрический (рис. 4). Массовый расход воды во внешнем кольцевом и внутреннем цилиндрическом каналах один и тот же. Температура воды на выходе их внешнего канала принималась равной температуре воды на входе во внутренний канал.

Рис. 3. Расчётная схема теплообменника с наружной твёрдой и газовой изоляцией

Рис. 4. Расчётная схема теплообменника с активной водной изоляцией

Обусловленность использования в качестве представителей твёрдой изоляции минваты, термофлекса и пе-нофола обусловлено тем, что эти материалы обладают хорошими теплоизоляционными свойствами, безопасны в эксплуатации и нашли широкое применение [1-4]. Вместе с тем все твёрдые теплоизоляционные материалы имеют определённый ресурс работы и их свойства с течением времени ухудшаются. Поэтому в качестве альтернативы твёрдым теплоизоляторам рассмотрены воздушно-вакуумная изоляция и активно-водяная. К их достоинствам следует отнести независимость от времени теплоизолирующих свойств, а также возможность регулирования этих свойств, не снимая изоляции и не изменяя габаритных размеров теплообменника.

IV. Результаты экспериментов В процессе проведения исследования менялась толщина изоляции X. Результаты расчёта в среде ANSYS CFX представлены на графике изменения тепловых потерь теплообменника при изменении толщины изоляции на рис. 5.

10 15

Толщина ИЗОЛЯЦИИ; ш

Рис. 5. Зависимости изменения тепловых потерь теплообменника при изменении толщины различных типов изоляции

Тепловые потери определяются по формуле (1):

1 _ ^ВД 1.100.,

Р ВЗ )

где QВд - тепловой поток, полученный теплоносителем - водой от греющего газа - воздуха, Вт; рВЗ - тепловой поток, отданный греющим газом - воздухом теплоносителю - воде, Вт.

V. Обсуждение результатов Из графиков видно, что при отсутствии тепловой изоляции во всех случаях тепловые потери велики и достигают 70%. По мере роста толщины изоляции потери снижаются, причём для каждого типа изоляции по-разному. Наиболее существенное снижение потерь наблюдается у активной водной изоляции, наименьшее снижение потерь имеет место у воздушно-вакуумной изоляции. При толщине изоляции 15 - 20 мм можно говорить об условной стабилизации тепловых потерь для каждого типа изоляции на определённом уровне.

VI. Выводы и заключение

Опираясь на полученные данные можно сделать следующие выводы.

1. Наличие или отсутствие внешней тепловой изоляции у теплообменного аппарата оказывает существенное влияние на эффективность работы теплообменника (так при отсутствии изоляции потери достигают 70%).

2. Для каждого типа изоляции при увеличении её толщины потери стабилизировались на определённом уровне (это приводит к отсутствию необходимости увеличивать толщину изоляции свыше 20 мм).

3. Темп снижения потерь при применении изоляции зависит от типа изоляции. Наименьшие потери из исследованного ряда изоляций достигаются при использовании активной водной изоляции (тепловые потери в этом случае снижались до 15%).

Статья подготовлена в рамках научно-исследовательской работы № 17062В.

Список литературы

1. Максименко А. В. «Термофлекс» - проверено временем // Сантехника, отопление, кондиционирование. М.: ООО "Издательский дом «Медиа технолоджи", 2014. № 1 (157). С. 42-43.

2. Козыренко Д. В. Пенофол - утеплитель нового поколения // Наука и инновации в современных условиях: междунар. науч.-практич. конф. Уфа: ООО "Омега сайнс", 2016. С. 68-71.

3. Амплеева И. А., Батраков А. Н. Утепление стен пенофолом // Изоляционные материалы. 2007. С. 20-22.

4. Теплоизоляция. Материалы, конструкции, технологии. М.: НТС «Стройинформ», 2008. 444 с.

5. Юша В. Л., Чернов Г. И. Термодинамический анализ эффективности мобильных компрессорных установок с рекуперацией тепловых потерь. Омск, Из-во ОмГТУ, 2014. 102 с.

6. Yusha V., Chernov G. Effectiveness analysis of using the Rankine cycle and cycle of refrigeration machine for recuperation of heat losses in mobile compressor unite // 8th International Conference on Compressors and Coolants. Papiernicka, Slovakia, 2013. P. 45.

7. Hütter J. Energy efficiency in compressors and compressed air systems // International Rotating Equipment Conference 2008. Düsseldorf. URL: http://www.boge.com/en/artikel/en/Effektiv/HRC.jsp?msf=250&switcЫang=en.(дата обращения 12.05.2017).

8. Navarro-Peris E., Miguel Corberan J., Ancik Z. Evaluation of the potential recovery of compressor heat losses to enhance the efficiency of refrigeration systems by means of thermoelectric generation // Applied Thermal Engineering, 2015. Vol. 89. Р. 755-762.

9. Rieder de Oliveira Neto, César Adolfo Rodriguez Sotomonte, Christian J. R. Coronado, Marco A.R. Nascimento. Technical and economic analyses of waste heat energy recovery from internal combustion engines by the Organic Rankine Cycle // Energy Conversion and Management. 2016. Vol. 129. Р. 168-179.

10. Sharifah Rafidah, Wan Alwi, Carmen KarMun Lee, Kim Yau Lee, Zainuddin AbdManan, Duncan M. Fraser. Targeting the maximum heat recovery for systems with heat losses and heat gains // Energy Conversionand Management. 2014. Vol. 87. Р. 1098-1106.

11. Carcasci C., Winchler L. Thermodynamic analysis of an Organic Rankine Cycle for waste heat recovery from an aeroderivative intercooled gas turbine // Energy Procedia, 2016. Vol. 101. Р. 862-869.

12. Amicabile S., Lee J. Ik, Kum D. A comprehensive design methodology of organic Rankine cycles for the waste heat recovery of automotive heavy-duty diesel engines // Applied Thermal Engineering. 2015. Vol. 87. Р. 574-585.

13. Bari S., Hossain S. N. Design and Optimization of Compact Heat Exchangers to be Retrofitted into a Vehicle for Heat Recovery from a Diesel Engine // The 6th BSME International Conference on Thermal Engineering. 2015. Vol. 105. P. 472-479.

14. Zavattoni S. A. [et. al.]. A Novel CSP Receiver Based on Airlight Energy Technology - Optimization of the Thermal Insulation System by Means of CFD Analysis // Proceedings of the SolarPACES 2013 International Conference, 2013. Vol. 49. P. 589-598.

15. Архаров А. М. [и др.]. Теплотехника. М.: Из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 712 с.

16. Луканин В. Н. [и др.]. Двигатели внутреннего сгорания: теория рабочих процессов. М.: Высшая школа, 2007. 479 с.

17. Юша В. Л., Чернов Г. И. Анализ эффективности идеального термодинамического цикла комбинированного двигателя внутреннего сгорания с парогазовым рабочим телом // Омский научный вестник. 2009. № 3 (83). С. 154-158.