Совершенствование теплообменных аппаратов для снижения экологической опасности теплоэнергетического оборудования

УДК.64-69

Совершенствование теплообменных аппаратов для снижения экологической опасности теплоэнергетического оборудования.

Козлов Владислав Валерьевич, аспирант, wal gard@yandex. ru,

Пелевин Федор Викторович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Безопасность техносферы и химические технологии»,

pelfv@rambler.ru,

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,

г. Москва

Ways of decrease in ecological danger of the heat power equipment for creation of an infrastructure of ecotourism in Russia are considered. The authors proved the substantiation of the use of heat exchangers with interchannel transpiration of coolant for environmental improvement. A methodfor calculating the strength for heat exchangers with porous inserts is presented.

Рассмотрены способы снижения экологической опасности теплоэнергетического оборудования для создания инфраструктуры экотуризма в России. Приведено обоснование использования теплообменных аппаратов с межканальной траспирацией теплоносителя для улучшения экологической обстановки. Приведена методика расчета на прочность для теплообменных аппаратов с пористыми вставками.

Key words: ecology, heat exchangers, porous materials

Ключевые слова: экология, теплообменные аппараты, пористые материалы

В большинстве стран мира туризм играет значительную роль в экономике, стимулировании социального развития регионов, поступлении средств в государственную казну. На долю туризма приходится около 10% мирового валового национального продукта, мировых инвестиций, всех рабочих мест и мировых потребительских расходов. С начала 80-х годов XX столетия наметился сдвиг в приоритетах путешественников. Вместо жаркого солнца все чаще предпочтение отдается тенистым лесам, вместо городских громад - поселениям традиционных народностей. Это заставляет говорить о феномене так называемого экологического туризма, особого сектора туристской области, который, по некоторым оценкам, уже охватывает более 10% туристского рынка, а темпы его роста в 2-3 раза превышают соответствующие темпы во всей индустрии туризма. Проблемы экологического туризма рассматриваются в работах Дроздова Н.В. Данилина

Н.Р., Мироненко Н.С., Твердохлебов И.Т. и др.

Создание комфортных условий проживания в условиях северных районов России, обладающих высокой привлекательностью для туризма, вследствие низкой плотности населения и нетронутой природы, связано с рядом проблем. В первую очередь, это вопросы создания теплого помещения в условиях сложной транспортной доступности, низкой температуры, с сохранением природного ландшафта. Использование теплоэнергетического оборудования для бытового обслуживания населения создает значительную нагрузку на экосистему и способствует ее деградации, что уменьшает привлекательность местности для экотуризма.

Для снижения количества вредных выбросов в атмосферу необходимо увеличить полноту сгорания топлива, что достигается увеличением давления в камере сгорания теплогенератора, использованием соотношения компонентов топлива, близких к

стехеометрическому, использование нового, более эффективного способа сжигания топлива улучшением параметров смешения компонентов (например, с использованием газо-жидкостных центробежных форсунок) [5]. Увеличение давления приводит к существенному повышению механических нагрузок, а соотношение компонентов и улучшение параметров смешения вызывает увеличение теплового потока в стенки камеры сгорания (топки, горелки). Таким образом, снижение выбросов теплоэнергетического оборудования напрямую связано с увеличением тепловых и механических нагрузок на конструкцию теплообменного оборудования, что ставит задачу создания надежного теплообменного аппарата с высоким уровнем интенсификации теплообменных процессов.

В настоящий момент в подавляющем числе теплоэнергетического оборудования используются кожухо-трубчатые теплообменные аппараты (ТА), реже - ТА с оребренными трактами. Последние обеспечивают увеличение теплоотдачи теплообменной поверхности в 1,5..3 раза по сравнению с гладким каналом, что позволяет создавать компактные теплообменные аппараты (КТА), работающие с большей эффективностью.

Однако уровень интенсификации в оребренных трактах зачастую оказывается недостаточным для тепловой защиты стенок камер сгорания теплогенераторов в условиях высоких тепловых потоков. Для дальнейшего увеличения эффективности КТА (уменьшение массы и габаритов, уменьшения затрат мощности на прокачку теплоносителя, уменьшение потерь тепла) возможно использование конструкций, выполненных из нетрадиционных материалов, например пористых проницаемых металлов.

Суть использования пористых материалов для создания КТА заключается в интенсификации теплообменных процессов в проточной части теплообменного тракта путем полного или частичного заполнения его пористым материалом, консолидированным с непроницаемыми стенками. Интенсификация теплообмена обеспечивается развитой внутренней поверхностью поровых каналов в объеме пористого материала. По имеющимся экспериментальным данным, интенсивность теплообменных процессов в таких трактах может быть на два порядка выше, чем в трактах с гладким каналом [4].

Наиболее совершенными пористыми материалами для теплообменных трактов являются пористые сетчатые материалы (ПСМ), получаемые методом диффузионновакуумной сварки пакетов металлических сеток. Могут быть использованы любые металлы, из которых могут быть изготовлены сетки: стали, никель, медь, бронза и др. [2].

По сравнению с пористыми материалами на основе порошков, ПСМ из тканых и трикотажных сеток отличаются высокой прочностью, технологичны, имеют широкий диапазон пористости, исключают возможность миграции твердых частиц материала в фильтруемую среду [1].

При осевом течении теплоносителя в тракте на преодоление гидравлического сопротивления пористого материала требуется значительная мощность, которая может быть уменьшена оптимизацией конструкции теплообменного аппарата. Уменьшение гидравлических потерь в трактах с межканальной транспирацией теплоносителя (МКТТ) достигается переходом от осевого течения теплоносителя к двумерному течению. Это позволяет уменьшить длину течения теплоносителя через пористый материал, при одновременном увеличении проходного сечения. Конструкция КТА и схема течения жидкости в тракте представлена на рис. 1 [3].

Рж.вх - давление жидкости в подводящем канале; рж.вых - давление жидкости в отводящем канале; рг - внутреннее давление; 1 -внутренняя стенка; 2 - пористая вставка; 3 - наружная оболочка;

Рис. 1. Тракт КТА с пористой вставкой

По сравнению с ТА с гладким каналом, в КТА с МКТТ пористый материал находится между оболочками, выполненными из стали, нагружен внутренним давлением в тракте, изменяющимся с углом поворота, и внутренним давлением. Для получения численных значений использовались параметры стали 12Х18Н10Т и ПСМ из сеток

полотняного плетения П60 с пористостью є =0,35 [1].

Рис 2. Деформированное состояние МКТТ без вставки

Рис 3. Коэффициент запаса прочности МКТТ без вставки

При отсутствии связи между оболочками конструкция имеет сильные перемещения и низкий запас прочности рис. 2 и 3 (максимальное перемещение е 4*10' мм, минимальный коэффициент запаса прочности кзап 0,35). Для обеспечения работоспособности конструкции необходимо увеличить толщину стенок, что приводит к увеличению массы и габаритов конструкции, а увеличение толщины внутренней стенки, кроме того приводит к уменьшению эффективности теплообменного аппарата в целом.

е, мм 1,78хЮ'3 1,64хЮ'3 1,5 хЮ* 1,36x10’3 1,21х10'3 1,07x10’3 9,33x10'4 7,92x10'4 6,51хЮ'4 5,11х10'4 3,7хЮ4 2,2x10 4 8,85x105

Рис 4. Деформированное состояние МКТТ с пористой Рис. 5. Коэффициент запаса прочности МКТТ с

вставкой (относительное удлинение) пористой вставкой

Пористый материал имеет меньший предел текучести и предел прочности, по сравнению с основным материалом, однако он способствует перераспределению усилий между оболочками и воспринимает часть нагрузки. На рис. 4 и 5 показано деформированное состояние конструкции при тех же нагрузках, что и для гладкого канала, но с участием пористого материала

Таким образом, учет прочностных свойств пористого материала позволяет использовать стенки оптимальной толщины, следовательно, создать эффективный и экономичный теплообменный аппарат. В технике такие конструкции получили название конструкций со связанными оболочками. Известны методы расчета таких конструкций на прочность, однако известные методики [6] были разработаны для конструкций, состоящих из оболочек, соединенных тонкими продольными ребрами, не воспринимающими нагрузку в поперечной плоскости. Нормальное сечение подобного тракта представлено на рис. 6. Конструкция оребренного тракта со связанными оболочками представляет собой внутреннюю стенку, с выполненными на ней ребрами, соединенной с наружной оболочкой. Одна из сред протекает внутри теплообменного аппарата, а второй теплоноситель протекает в пространстве между наружной и внутренней оболочками. Интенсификация процессов теплообмена обеспечивается большей, по сравнению с гладким каналом, теплоотдающей поверхностью.

Данные тракты получили широкое распространение благодаря тому, что нагрузка с внутренней оболочки передается на наружную оболочку, что позволяет выполнять внутреннюю оболочку из материалов с высокой теплопроводностью и малой толщины, что благоприятно сказывается на процессе теплообмена [6].

рж - давление жидкости в тракте; pг - внутреннее давление; 1 - оребренная внутренняя стенка; 2 - наружная оболочка Рис. 6. Оребренный тракт со связанными оболочками

Однако в отличие от отдельных ребер, пористый наполнитель является сплошной средой и способен сопротивляться нагрузкам в поперечном направлении, поэтому для трактов с пористыми наполнителями методики дают завышенные значения толщин стенок, что приводит к избыточной массе теплообменного аппарата и ухудшению его характеристик.

Рассмотрим энергетический баланс для элемента оболочки, представленного на

рис. 7.

pж - давление в тракте; pг - внутренне давление ТА; о - напряжения в оболочках; h - толщины оболочек; 5 -перемещения оболочек; 2dф - угол поворота рассматриваемого сечения

Рис. 7. Схема элемента

Работа внешних силpa • R • 2йф-8г - 2 • ^ • И"(1 -в) • 8г] = ЛМй0 (1), где pг - внутреннее давление ТА, pж - давление со стороны жидкости в пористом материале, R - радиус внутренней стенки, йф - угол поворота рассматриваемого сечения,

8Г - деформация в радиальном направлении, 8{ - деформация в окружном направлении,

в - пористость материала вставки, h" - толщина пористой вставки, Лвнеш - работа внешних сил давления.

Работа внутренних сил формоизменения

а"И5, + а"к" 5, + а"к""5, = 0,5Л,66б ,

где а',а",а" - напряжения во внутренней оболочке, пористой вставке, внешней оболочке соответственно; h', h" - толщины внутренней и внешней оболочек; Лвнутр -работа внутренних сил формоизменения.

Работа внешних сил и сил формоизменения равны, следовательно

р, • R • dф•5r - р* • h"(1 - в) -5, = а"к'5, + а"к"5, + а"к "5, (3).

Деформации в радиальном и окружном направлении связаны между собой

Rdф + 5t = ^ + 5Г ^ф о 5( =5Г dф (4).

Давление жидкости в тракте может быть представлено в виде суммы постоянной и переменной величины, при этом принимается, что переменная величина изменяется линейно с углом поворота [3]:

N

р* = Ро + Ф = Ро +АР — ^ (5),

2п

где N - число каналов, р0 - минимальной давление жидкости в тракте, Ар - перепад давления в тракте.

После подстановки (4),(5) в (3) получается следующее уравнение, связывающее внешние и внутренние действующие силовые факторы в окружном направлении

р, R dф 5Г - ^р0 + Ар2N—dф • h"(l - в) •5rdф =

= а"к' 5rdф + а"к" 5rdф + а"к" 5rdф о (6).

о р, R - ^р0 + Ар2~dф • к" (1 - в) = а"к’ + а'"к" + а"к"

Параметры пористого тракта известны, обозначим определяемую величину Рг и запишем уравнение (6) в виде

р, R = а"к' + а"к" + а"к " + ^ р0 + Ар 'N~dф • к " (1 -в) (7).

В осевом направлении оболочки также нагружены внутренним давлением и давлением тракте, следовательно, можно записать уравнение равенства работ в осевом направлении

р, R2 ^ФФ52 - р* • к"

где р* - средняя величина давления жидкости в тракте. На основе сделанных

ранее допущений, средняя величина давления жидкости в тракте может быть представлена в виде

ф

_ |Р* Лф N

р* = ---------------------------------= р0 +Ар^Т Ф (9).

Ф 4п

После выполнения сокращений в уравнении (8) и подстановки в него (9) получается следующее уравнение, связывающее внешние и внутренние действующие силовые факторы в осевом направлении

Ра 12 - ^Ро + Ар• Л" (1 -е) = а"Л' + а"Л" + а>" (Ш).

Деформации оболочек совместны, при этом полные деформации одинаковы, следовательно, система деформаций запишется в виде уравнений

< = < л + а' е" = <. + а " ,

ГГ ГГ . ffj.fr ГГ ГГ . ГГЛГ /1Л\

е.= ег,. +а I е{ = . +а I ,

е" = е'""л + а'Ч'" е”; = е"" + а'Ч'",

<> = е;,, = <, = е.,, е",, = е" , = е"" = ем ,

где ег, е( - силовые деформации в осевом и окружном направлении

соответственно; е;., ег1 - полные деформации материала; а - температурные

деформации; при этом, величины отмеченные ' - относятся к внутренней оболочке; '' - к пористой вставке; ''' - для силовой оболочки.

Интенсивность деформированного состояния оболочки определяется по формуле

ег = ^3Vе;,г' + е*-> + е;-'е*•' ,

где г - индекс, для каждой из оболочек.

При известном деформированном состоянии оболочки, напряженное состояние определяется из диаграммы растяжения образца при заданной температуре.

Для каждой оболочки действующие напряжения могут быть определены из теории упруго-пластических деформаций [6]

4 а / „ „ \ 4 а.

O = -—

3 e, 3 e,

Решение данной системы проводится для определения зависимости внутреннего давления от заданных наперед значений окружной деформации е(. По известной

зависимости можно определить предельное внутреннее давление и коэффициент запаса конструкции.

При исключении пористого слоя приведенная методика вырождается в методику В.И. Феодосьева [6].

Литература

1. Белов С.В., Витязь П.А. и др. Пористые проницаемые материалы: Справ. изд-е / Под ред. Белова С.В. М., 1987.

2. Мелихов А.М. Разработки технологий и экспериментальные исследования транспирационного охлаждения в камерах сгорания ЖРД // Полет. 2009. № 10. С. 112—120.

3. Пелевин Ф.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в пористых трактах с межканальной транспирацией теплоносителя. Автореф. дис...д-ра тех. наук. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.

4. Пелевин Ф.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в пористых сетчатых материалах // Труды 2-й российской конференции по теплообмену. Т. 5. М., 1998.

5. Черкина В.М. исследование процессов смесеобразования двухфазной жидкости в компланарных каналах двухкомпонентной топливной форсунки внутреннего смешения // I Международная научно-техническая конференция «Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения». Рыбинск, сентябрь 2009 года.

6. Феодосьев В.И. Прочность теплонапряженных узлов жидкостных ракетных двигателей. М.: Оборонгиз, 1963.