Оптимизация теплообменных аппаратов с кольцевыми турбулизаторами в криволинейных каналах

Энергетика

УДК 621.1.016

Использование кольцевых турбулиза-

торов позволяет существенно интенсиф-

ицировать конвективный теплообмен в криволинейных (змеевековых) каналах рекуперативных теплообменных аппаратов. Общий вид и геометрические размеры такого канала показаны на рис. 1,2 .

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ С КОЛЬЦЕВЫМИ ТУРБУЛИЗАТОРАМИ В КРИВОЛИНЕЙНЫХ КАНАЛАХ

Я.Ю. Махди, А.В. Бараков

Приводятся результаты оптимизации геометрических параметров кольцевых турбулизаторов, используемых для интенсификации конвективного теплообмена в криволинейных каналах теплоэнергетических установок

Ключевые слова: оптимизация, теплообменный аппарат, конвективный теплообмен, гидравлическое сопротивление, криволинейный канал, кольцевой турбулизатор

Как показали приведенные исследования [1-3], достигаемый эффект зависит, в основном, от диаметра змеевика, а также от высоты расположения турбулизаторов.

В качестве критерия оптимизация теплотехнологического оборудвания обычно принимают удельные приведенные затраты или годовой экономический эффект от внедрения аппарата. Однако при использовании такой целвой функции необходимо рассматривать всю технологическую схему, в которой применяется данный аппарат. Кроме того, для расчета этих показателей используются тарифы на электрическую и тепловую энергию и цены на материалы и оборудование, которые в процессе эксплуатации установки могут существенно изменяться. В связи с этим, в качестве критерия оптимизации удобнее применить теплогидродинамический показ-атель, который представляет собой отношение количества телоты, переданного дисперсному материалу в аппарате к расходу энергии на привод дутьевой машины [4].

Поскольку данное соотношение не учитывает качественного различия между тепловой и электрической энергией, то при расчете теплогидродинамического показателя необходимо учитывать КПД установок, в которых эти виды энергии производятся

Рис. 1. Общий вид змеевика с кольцевыми турбулизаторами

Е =

N

Рис. 2. Продольный разрез трубы с кольце-

вой накаткой

где:

Q - Тепловой поток, Вт;

N - Мощность, затраченная на прокачу теплоносителя, Вт;

Лэ Лк - КПД электростанции и котельной соответственно.

Махди Яхья Юсиф - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 243-76-62

Бараков Александр Валентинович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел (473) 243-76-62

Тепловой поток в канале будет равен

0 =аР (с -г г ),

где:

а - Коэффициент теплоотдачи, Вт/(М .К);

^ - Площадь поверхности контакта, М2;

Ъ Дг - Температура стенки и теплоносителя соответственно, оС.

Для расчета коэффициента теплоотдачи нами было получено следующее соотношение [1]

N4

N^

где: N4 г

N4 =

= 1 +

Яе

0,37

І І

18 I Я .Л

= 0,018Яе

0,8

аЛ

1

- критерии Нуссельта;

В - диаметр трубы, мм;

Л-коэффициент теплопроводности тепло-

носителя, Вт/(М.оС).

Для определения мощность, используется следующие уравнение:

N =У АР ,

где:

V - Объемный расход теплоносителя, М3/с; АР - Перепад давления в канале, Па.

Для определения потерь напора при турбулентном течении жидкости в круглых трубах служит эмпирическая формула, Вейсбаха-Дарси, имеющая следующий вид:

АР =

где:

XI г 2Л

С - коэффициент гидравлического трения; р -плотность теплоносителя, кг/м3;

I - длина канала, м;

V- скорость теплоносителя, м/с.

Коэффициент гидравлическое сопротивление можно определить из следующего эмпирического отношения [2]:

(

= 1 +

1,575

І І Я .Л

0,13

где:

X = <шГ А, +

г {Л Яе Аэ - эквивалентная абсолютная шероховатость поверхности змеевика, мм.

теплогидро-Е, соотве-

Условие минимума

динамического показатель

тствующего оптимальному значению і - го параметра установки, имеет следующтй вид

дЕ

ді

= 0,

д_Е_

~д^

< 0.

В виду сложности решения (1)-(7) аналитическим способом задача решалась методом вариантных расчетов. На рис. 3-5 приведены зависимости теплогидродинами-ческого показателя Е от указанных геометрмческих параметров канала.

Л Рис. 3. Зависимость теплогидродинамиче-

lg Яе- 3,6 , (6) ского показателя от соотношения диаметров;

) Яе=15700, 1=7 мм, Я=170мм, /=2700мм.

1) Б=10, 2) Б=12, 3) Б=14, 4) Б=16 5) Б=18 мм

0,13

2

На основании приведенных расчетов можно сделать следующие выводы:

0,2 0,3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

х/0

Рис. 4. Зависимость теплогидродинамического показателя от соотношения шага и диаметра; Яе= 15700, Я = 170мм , 1=2700мм.

1) 0=10, а=9, 2) 0=12, а=11, 3) 0=14, а=13, 4) 0=16, а=15, 5) 0=18, а=17 мм

Рис. 5. Зависимость теплогидродинамического показателя от диаметра змеевика; Re=15700, t=7 мм, 1=2700мм.

1) D=10, d=9, 2) D=12, d=11, 3) D=14, d=13, 4) D=16, d=15, 5) D=18, d=17 мм

1. Соотношение диаметров канала (высот кольцевого турбулизатора) не оказывает большого влияния на величину Е.

2. Наибольший эффект от применения кольцевых турбулизаторов в кривольненйных канал может быть получено при отношении шага 1/0=0,25-0,7, что согласуется с данными

[5]

3. Относительный диаметр змеевика опра-деляется конструктивными размерами теплообменного аппарата, однако, наибольший эффект будет получен, если 0/Я<0.15

Литература

1. Моделирование конвективного теплообмена в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами / Я.Ю. Махди, Д.П. Шматов, И.Г. Дроздов, А.В. Бараков / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 5. С. 88-91.

2. Махди Я.Ю. Моделирование гидравлического сопротивления в криволинейных каналах с кольцевыми турбулизаторами / Я. Ю. Махди, А. В. Бараков, И. Г. Дроздов / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 7.1. С. 106-110.

3. Махди Я.Ю. Экспериментальное исследование конвективного теплообмена и гидравлического сопротивления в криволинейном канале с кольцевыми турбулиза-торами / Я.Ю. Махди, А.В. Бараков, Е.И. Бокарев / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2013. Т. 9. № 1. С. 85-87.

4. Оптимизация теплотехно-логических установок с ценробежным псевдо-ожиженным слоем / Ю.Н. Агапов, А.В. Бараков, В.Ю. Дубанин, Н.Н. Кожухов, Д.А. Прут-ских / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. № 5. С. 70-72.

5. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К. Калинин, Г. А. Дрейцер, И.З. Копп, А. С. Мякогин. - М.: Энергоатомиздат, 1998. 408 с.

Воронежский государственный технический университет

OPTIMIZATION OF HEAT-EXCHANGE APPARATUS WITH RING TURBULENCE

IN CURVILINEAR CHANNELS

Y.Y. Mahdi, A.V. Barakov

Provide results of geometrical parameters ring turbulence promoter optimization, which used for intensification heat transfer in curved channels of thermal power plants

Key words: Optimization, heat exchangers, heat transfer, hydraulic resistance , curvelinear channel, ring turbulence promoter