Размещено на http://www.allbest.ru/

ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата

технічних наук

ОПТИМІЗАЦІЯ РОБОТИ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМІННИКА ШЛЯХОМ ВПЛИВУ НА ГІДРОДИНАМІКУ ПОТОКУ

Клюєв Олег Ігоревич

Херсон 2006

Анотація

Клюєв О.І. Оптимізація роботи кожухотрубного теплообмінника шляхом впливу на гідродинаміку потоку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 - процеси та обладнання хімічної технології. - Херсонський національний технічний університет, Херсон, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню гідродинаміки руху рідини в трубах кожухотрубного теплообмінника, впливу різних чинників: витрати і температури теплоносія, конструктивних особливостей апарату - способу введення рідини в апарат, діаметру вхідного патрубку, висоти кришки - на рівномірність розподілу швидкості теплоносія по трубах і ефективність роботи апарату. Оцінений вплив кожного з чинників на рівномірність розподілу швидкості і їх сумісна дія. Показано, що зміною конструктивних елементів неможливо досягти рівномірного розподілу швидкості, звідки виникає питання про створення спеціальних розподільних пристроїв (вставок). На базі проведених досліджень отримані закономірності розподілу вільного перерізу по площині вставки, виготовлені вставки різних конструкцій, проведено їх випробування. Запропоновані нові конструкції розподільчих вставок, захищені патентами України. Використання таких пристроїв сприяє поліпшенню роботи теплообмінних апаратів. Основні результати роботи можуть бути використані для підвищення ефективності роботи теплообмінників.

Ключові слова: гідродинаміка руху рідини в трубах теплообмінника, рівномірність розподілу швидкості, розподільні пристрої, математичне моделювання, розрахунок.

Аннотация

Клюев О.И. Оптимизация работы кожухотрубного теплообменника путем воздействия на гидродинамику потока. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 - процессы и аппараты химической технологии. - Херсонский национальный технический университет, Херсон, 2006.

Диссертация посвящена исследованию гидродинамики движения жидкости в трубах кожухотрубного теплообменника, влиянию разных факторов на равномерность распределения скорости теплоносителя по трубам и эффективность работы аппарата. Оценено влияние расхода теплоносителя, его теплофизических характеристик, диаметра входного патрубка, высоты крышки и совместное действие названных параметров на равномерность распределения скоростей, для чего выведено уравнение регрессии.

Исследование способа введения теплоносителя в аппарат - при осевом, радиальном и тангенциальном расположении входного патрубка - показало, что при любом способе введения жидкости в теплообменник наблюдается неравномерное распределение скорости теплоносителя по трубам диаметрального ряда.

Неравномерность распределения скоростей приводит к значительному различию коэффициентов теплоотдачи в центральных и периферийных трубах, перегреву боковых труб и увеличению количества осадка на последних.

Исследования показали, что изменением конструктивных элементов невозможно достичь равномерного распределения скорости, вследствие чего вытекает вопрос о создании специальных распределительных устройств (вставок) - которые можно было бы располагать в коллекторной камере аппарата между входным патрубком и трубной решеткой.

Были изготовлены вставки разной конструкции - плоские с равномерным, коридорным, распределением отверстий; с распределением отверстий по концентрическим окружностям, неподвижные и “плавающие”; конические. Особое внимание уделялось величине свободного сечения в центральной части вставки, так как именно сюда поступает наиболее мощная струя теплоносителя. Испытание всех этих вставок показали, что использование распределительных устройств способствует значительному выравниванию скоростей; равномерность распределения скоростей возрастает при уменьшении площади свободного сечения, однако, это сопровождается увеличением гидравлического сопротивления аппарата, и, как следствие, приводит к возрастанию расхода электроэнергии на прокачивание жидкости.

С целью создания равномерного поля скоростей при снижении расхода затрачиваемой энергии предложено создать вставку с большим гидравлическим сопротивлением в средней части по сравнению с периферийной и промежуточной. Это должно привести к уменьшению скорости потока в центральной части коллекторной камеры аппарата, одновременно увеличив ее к периферии. Таким образом, распределение свободного сечения по площади вставки должно быть неравномерным. Для решения вопроса о распределении гидравлического сопротивления по вставке получены критериальные уравнения, позволяющие рассчитать сопротивление на любом расстоянии от центра при осевом, тангенциальном и радиальном введении жидкости в аппарат.

Были изготовлены вставки с рассчитанным количеством отверстий по фрагментам, и проведено исследование влияния вставок на эффективность работы теплообменного аппарата. Было показано, что основные показатели работы теплообменника - разница температур на входе в аппарат и выходе из него, температура стенки труб и коэффициент теплоотдачи - при использовании вставок имеют практически одинаковые значения для центральных и периферийных труб.

Получены критериальные уравнения конвективного теплообмена при использовании распределительных вставок, проведена оценка совместного влияния режима движения жидкости и ее теплофизических характеристик на коэффициент теплоотдачи с помощью полного факторного эксперимента.

На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований предложена конструкция теплообменника, в коллекторной камере которого размещена плоская плавающая вставка с рассчитанным распределением площади свободного сечения по площади вставки. Испытания показали, что такая вставка обеспечивает равномерное распределение скорости теплоносителя по трубам аппарата при нестабильной подаче жидкости.

Другое конструктивное решение состоит в том, что в вертикальном теплообменном аппарате верхняя и нижняя коллекторные камеры имеют распределительные устройства, состоящие из цилиндрических вставок и перфорированного диска на направляющих стержнях с возможностью перемещения. Такая конструкция позволяет вводить жидкость в коллекторную камеру аппарата тангенциально, что обеспечивает более равномерное распределение скоростей теплоносителя по трубам, чем при осевом вводе, а цилиндрические вставки и перфорированный диск позволяет выровнять скорость жидкости по всему сечению коллекторной камеры перед входом жидкости в трубы.

Предложенные новые конструкции распределительных вставок защищены патентами Украины. Использование таких устройств улучшает работу теплообменных аппаратов.

Ключевые слова: гидродинамика движения жидкости в трубах теплообменника, равномерность распределения скорости, распределительные устройства, математическое моделирование, расчет.

Summary

Kluev O.I. Optimization of heat exchanges' job by influence on hydrodynamics of a flow. - The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.17.08 - Processes and equipment chemical engineering. - Kherson National Technical University, Kherson, 2006.

The dissertation is devoted to research of hydrodynamics of pipes heat-carrier flow of heat exchanges, influence of the different factors: the charge and temperature of the heat-carrier, design features of the device - way of introduction of a liquid in the device, diameter of an entrance branch pipe, height of a cover - on uniformity of distribution of speed of the heat-carrier on pipes and overall performance of the device. The influence of each of the factors on uniformity of distribution of speeds and their joint action is appreciated. Is shown, that by change of constructive elements it is impossible to reach (achieve) uniform distribution of speed, a question on creation of special switching devices (inserts) whence follows. On the basis of the carried out(spent) researches the laws of distribution of free section on the area of an insert are received, the inserts of different designs are made, their test is carried out(spent). The new designs of distributive inserts protected by the patents of Ukraine are offered. Use of such devices improves job of heat exchanges of devices. The basic results of job can be used for increase of an overall performance of heat exchanges.

Key words: hydrodynamics of movement of a liquid in pipes of heat exchanges, uniformity of distribution of speed, switching devices, mathematical modeling, account.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми.

Вдосконалення конструкцій теплообмінників проводиться у напрямку збільшення поверхні теплообміну або створення турбулентних потоків теплоносіїв в апараті; часто ці методи взаємопов'язані. Названі заходи суттєво впливають на ефективність роботи теплообмінників, підвищуючи коефіцієнт тепловіддачі у два і більше разів. Недоліком названих методів є збільшення гідравлічного опору, а також створення зон, які піддаються забрудненню, що, в свою чергу, сприяє зниженню ефективності роботи теплообмінників, оскільки спричиняє більш часте проведення ремонтних робіт.

Але названі заходи малоефективні у разі, якщо швидкість руху теплоносія у якійсь частині труб дуже низька внаслідок нерівномірності розподілу швидкостей потоків по трубах. Останнє підтверджується тим, що на практиці дуже часто відбувається вихід з ладу саме певної частини труб (наприклад, труб периферійної області трубної решітки при осьовій подачі теплоносія), що призводить до більш частого ремонту апаратів. Але робіт, присвячених вивченню нерівномірності розподілу швидкостей рідини по трубах теплообмінників, вкрай мало. Між тим, саме рівномірний розподіл швидкості руху теплоносія у першу чергу сприяє підвищенню ефективності роботи теплообмінника, оскільки надто повільний рух рідини у частині труб знижує ефективність дії апарату, тому робота, спрямована на створення рівномірного розподілу швидкостей теплоносія по трубах кожухотрубного теплообмінника, в результаті чого підвищується тепловіддача, знижуються пошкодження труб внаслідок їхнього перегріву, зменшується час між ремонтами і витрати на проведення ремонтних робіт, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Напрямок дослідження відповідає науково-дослідній тематиці Херсонського національного технічного університету “Дослідження теплових, гідромеханічних, масообмінних та механічних процесів в машинах і апаратах хімічних виробництв”. Дослідження виконані відповідно до науково-технічної програми № 01060004204. Автор брав участь у даній роботі як виконавець.

Мета і задачі дослідження.

Задачею роботи є дослідження гідродинаміки руху рідини в трубах кожухотрубного теплообмінника з метою створення конструкцій розподільних пристроїв, здатних забезпечити рівномірний розподіл теплоносія по трубах трубного пучка апарату.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Дослідити на експериментальній установці нерівномірність розподілу тиску і швидкості рідини по перерізу кришки і по трубах теплообмінника у залежності від технологічних параметрів теплоносія - його витрати, температури (в'язкості), а також конструктивних особливостей апарату - способу введення рідини в апарат (осьове, радіальне та тангенціальне), діаметру вхідного патрубку, висоти кришки.

2. Виготовити розподільні пристрої різних конструкцій і дослідити розподіл швидкостей теплоносія при використанні вставок у залежності від їх будови, способу розміщення в кришці та конструктивних особливостей апарату.

3. Запропонувати метод розрахунку розподілу вільної поверхні по площині вставки з метою отримання рівномірного розподілу швидкостей по трубах теплообмінника.

4. Створити нові конструкції розподільних пристроїв, здатних до саморегулювання свого положення у залежності від тиску рідини.

5. Провести порівняльний аналіз роботи кожухотрубного теплообмінного апарату, що працює без розподільних пристроїв і з ними.

Об'єкт дослідження - гідродинаміка руху теплоносія в трубах кожухотрубного теплообмінника.

Предмет дослідження - вплив різних чинників: технологічних параметрів теплоносія - його витрати, температури (в'язкості), а також конструктивних особливостей апарату - способу введення рідини в апарат (осьове, радіальне та тангенціальне), діаметру вхідного патрубку, висоти кришки - на рівномірність розподілу швидкостей теплоносія по трубах апарату.

Методи дослідження - гідродинамічний, фотометричний, аналітичний, тепловий. Для математичної обробки результатів експериментів використовувалась математична теорія похибок. З метою прогнозування одночасної дії різних чинників на рівномірність розподілу рідини по трубах теплообмінного апарату з метою впливу на цю величину використовували повний факторний експеримент.

Теоретичні розрахунки та обробку експериментальних даних виконано з використанням комп'ютерної техніки. При побудові просторових діаграм застосований пакет символьних розрахунків Maple.

Наукова новизна одержаних результатів.

На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблені теоретичні передумови для створення розподільних пристроїв, які дозволяють отримати рівномірне поле швидкості руху теплоносія по трубах кожухотрубного теплообмінника. При цьому вирішено ряд питань, які стосуються:

- розподілу швидкості й тиску теплоносія по трубах кожухотрубного теплообмінника у залежності від технологічних параметрів рідини та конструктивних особливостей апарату;

- дослідження впливу технологічних параметрів теплоносія і конструктивних особливостей апарату на рівномірність розподілу швидкості рідини по трубах;

- розподілу гідравлічного опору по площині розподільного пристрою;

- оцінки ефективності роботи теплообмінника, який запропоновано виражати через коефіцієнти тепловіддачі.

Вперше:

- виведені критеріальні рівняння руху рідини через розподільну вставку для випадків осьового, радіального та тангенціального введення потоку в апарат, які дають змогу розрахувати розподіл гідравлічного опору, а слід, і вільного перерізу, по площині вставки;

- використано пакети прикладних програм для побудови просторових діаграм розподілу тиску по перерізу колектора теплообмінника при різних способах введення рідини в апарат;

- створено розподільні пристрої з можливістю саморегулювання положення вставки у залежності від витрати теплоносія;

- показано, що використання розподільних вставок з розрахованими величинами вільного перерізу по площині і можливістю саморегулювання відстані від трубної решітки сприяє отриманню рівномірного розподілу швидкостей теплоносія по трубах і підвищенню коефіцієнтів тепловіддачі.

Практичне значення одержаних результатів.

Для рівномірного розподілу швидкості теплоносія по трубах теплообмінного апарату виготовлені розподільні пристрої у вигляді плоских вставок з розрахованими величинами вільного перерізу по площині - як нерухомі, так і з саморегулюванням відстані від трубної решітки. Такі пристрої були виготовлені і встановлені в кришках кожухотрубних теплообмінників, завдяки чому покращилися умови роботи апаратів - підвищилась тепловіддача, знизились ушкодження труб внаслідок їхнього перегріву, зменшився час між ремонтами і витрати на проведення ремонтних робіт, досягнута економія електричної енергії за рахунок підтримання вставкою потрібного для нормальної роботи розподілу тиску по перерізу апарату.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні досліджень як в експериментальному, так і в аналітичному плані, а саме: аналіз літератури, підбір та апробація методик дослідження, виготовлення експериментальної установки, виконання експерименту, узагальнення отриманих результатів. Постановка завдання, обговорення результатів досліджень, їх інтерпретація, узагальнення і формулювання висновків проводилося разом з науковим керівником д.т.н., професором К.В. Лунякою.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертації доповідались і обговорювались на Міжнародній науково - практичній конференції “Проблеми економії енергії” (Львів, 2003), на конференції “Проблеми легкої та текстильної промисловості України” (Херсон, 2003), Міжнародній науково - практичній конференції “Стан і перспективи розвитку переробної галузі АПК” (Мелітополь 2005).

Публікації.

За результатами дисертації опубліковано п'ять статей у наукових фахових виданнях України, одна теза доповіді на конференції, отримано чотири патенти на винаходи.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, літературного огляду, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації становить 158 сторінок, містить 73 рисунки, з яких 30 розміщені на 11 окремих сторінках. В роботі наведено 41 таблицю, з яких 5 розміщені на окремих сторінках. Список літератури складає 107 найменувань на 10 сторінках.

2. Зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, сформульовані мета та задачі досліджень, їх наукова новизна та практичне значення, подана загальна характеристика роботи, наведена основна інформація про апробацію роботи, публікації, зв'язок з науковими програмами.

У розділі 1 - Літературному огляді висвітлені проблеми, що виникають при експлуатації кожухотрубних теплообмінників, пов'язані з нерівномірним розподілом рідини по окремим трубам та способи підвищення ефективності їх роботи, на основі чого сформульований вибір напрямків досліджень.

У розділі 2 - Будова експериментальної установки, методики дослідів, математична обробка результатів досліджень наведена схема експериментальної установки та описана її робота, комплектуючі установки, виготовлені автором - розподільні вставки та стійки для їх кріплення, описані матеріали та прилади, що використовувалися у роботі, методики, що використовувались при проведенні досліджень, проведене визначення необхідної кількості паралельних дослідів, представлені методи, які використовувались при математичній обробці результатів досліджень.

У розділі 3 - Дослідження впливу різних чинників на нерівномірність розподілу теплоносія в трубах теплообмінника наведені результати дослідження розподілу тиску і швидкості теплоносія у кришці та у трубах апарату. При цьому першочергова увага приділялась способу введення рідини в апарат.

Таким чином, дослідження показали, що тиск і швидкість рідини нерівномірно розподіляються по перерізу апарату, і за умов експерименту швидкість теплоносія у периферійних трубках більш як удвічі менша, ніж у центральній. При зменшенні витрати рідини з бокових трубок рідина практично перестає витікати. Це є причиною зменшення тепловіддачі в теплообміннику та виходу з ладу периферійних труб при експлуатації апарату.

Досліджувалась можливість за допомогою зміни таких параметрів як витрата рідини, її теплофізичні характеристики, діаметр штуцера, висота кришки домогтися рівномірного розподілу швидкості рідини по перерізу теплообмінного апарату. Вивчалась дія окремих названих чинників і за допомогою методу факторного експерименту - їх сумісний вплив на рівномірність розподілу швидкості рідини.

Отримане рівняння регресії

, (1)

у відповідності з яким основний вплив на нерівномірність розподілу швидкостей теплоносія по трубах теплообмінника спричиняють витрата V і теплофізичні характеристики рідини, виражені через критерій Прандтля Pr, який залежить від температури. Але у зв'язку з тим, що, по-перше, температуру можна вважати сталою і такою, що визначається технологічним процесом, і, по-друге, щоб отримати рівномірний розподіл рідини, потрібно створити великі значення витрати, які не досягаються при русі рідини по трубах, можна зробити висновок про те, що при осьовому введенні теплоносія в трубний простір теплообмінника за допомогою зміни таких параметрів процесу, як витрата теплоносія і температура, а також елементів конструкції теплообмінного апарату - висоти кришки і діаметру вхідного патрубку - не можна досягти суттєвого зменшення нерівномірності розподілу швидкості рідини в трубах.

За рахунок нерівномірного розподілу швидкостей слід чекати зниження ефективності роботи теплообмінного апарату.

Було запропоновано оцінювати пониження ефективності через коефіцієнти тепловіддачі, оцінені з критеріальних рівнянь.

При розподілі рідини по перерізу апарату можливі такі варіанти:

1) Як в центральній, так і в периферійних трубах режим турбулентний. У цьому випадку використовується критеріальне рівняння виду

(2)

Коефіцієнт тепловіддачі й кількість теплоти, що передається, в периферійних трубах зменшиться у порівнянні з коефіцієнтом тепловіддачі в центральній трубі у за умов експерименту в

разів. (3)

2) В центральній трубі режим руху турбулентний, а в периферійних - ламінарний. Критеріальне рівняння процесу тепловіддачі для ламінарного руху:

(4)

де - в'язкість рідини при її середній температурі;

_s - в'язкість рідини при температурі стінки труби.

У цьому випадку відношення коефіцієнтів тепловіддачі становить

(5)

(6)

3) Є труби, з яких рідина практично не витікає. У цьому випадку має місце тепловіддача при вільній конвекції, для описання якої при 10³(GrPr)10⁹ використовують рівняння:

, (7)

, (8)

(9)

Таким чином, розрахунки показують, що тепловіддача в периферійних трубах при осьовому введенні рідини в апарат значно менша у порівнянні з трубами, розташованими усередині трубного пучка.

При радіальному введенні рідини в апарат було відмічено, що у цьому випадку розподіл швидкостей більш рівномірний, ніж при осьовому введенні, причому, відмічалась відмінність характеру розподілу швидкості по трубах діаметральних рядів, по-різному розташованих по відношенню до вхідного патрубку, що пов'язано з розподілом тиску рідини по перерізу кришки

При тангенціальному введенні рідини в теплообмінний апарат відмічається ще більша несиметричність розташування окремих діаметральних рядів відносно вхідного патрубку, ніж у випадку її радіального введення. Звідси можна уявити, що рідина, входячи в кришку апарату, обтікає її внутрішню частину по периметру, утворюючи посередині несиметричну воронку. Цим пояснюється зменшення швидкості в середніх трубах теплообміннику.

Таким чином, отримані результати свідчать про те, що при будь-якому способі введення рідини в теплообмінник спостерігається нерівномірний розподіл швидкості теплоносія по трубах діаметрального ряду апарату.

У зв'язку з неможливістю створити рівномірний розподіл рідини по трубах теплообмінника за рахунок технологічних параметрів і конструктивних елементів апарату, постає питання про створення механічних розподільчих пристроїв, які можна було б розташовувати в кришці апарату між вхідним патрубком і трубною решіткою.

Було запропоновано використовувати саморегулюючу “плаваючу” вставку для випадків несталої подачі рідини в апарат. У залежності від тиску рідини ця вставка встановлюється на оптимальну відстань від трубної решітки, що дозволяє нівелювати нерівномірність подачі теплоносія в теплообмінник (табл.1).

Були проведені розрахунки, пов'язані з будовою вставки, яка забезпечує рівномірний розподіл рідини по трубах. При цьому виходили з положення про те, що роль вставок полягає у створенні гідравлічного опору, завдяки чому рідина розтікається більш рівномірно по перерізу апарату.

Таблиця 1. Розподіл швидкості теплоносія по трубках теплообмінника

№	Витрата рідини, м3/с	Швидкість теплоносія в трубці діаметрального ряду , м/с
		1	2	3	4	5	6	7
1	Без вставки
	1,510-3	1,21	1,36	1,73	2,44	1,98	1,36	1,17	2,02
	0,8310-3	0,57	0,72	0,99	1,36	1,01	0,71	0,56	2,39
2	Нерухома плоска вставка з рівномірним розташуванням отворів по площині,
	1,510-3	1,38	1,42	1,40	2,19	1,51	1,35	1,34	1,63
	0,8310-3	0,69	0,76	0,75	0,93	0,57	0,57	0,61	1,63
3	Нерухома плоска вставка з рівномірним розташуванням отворів по площині,
	1,510-3	1,41	1,46	1,41	1,48	1,40	1,40	1,29	1,15
	0,8310-3	0,80	0,83	0,80	0,72	0,73	0,72	0,72	1,15
4	Плоска плаваюча вставка з рівномірним розташуванням отворів по площині,
	1,510-3	1,40	1,51	1,53	1,49	1,46	1,45	1,45	1,09
	0,8310-3	0,89	0,93	0,91	0,86	0,87	0,87	0,85	1,09
5	Конусна вставка
	1,510-3	1,45	1,53	1,54	1,55	1,54	1,52	1,50	1,07
	0,8310-3	0,87	0,91	0,87	0,85	0,90	0,85	0,82	1,11
6	Плоска вставка з отворами, розташованими по концентричних колах, яка містять в центральній частині 4 отвори ()
	1,510-3	1,40	1,41	1,44	1,44	1,43	1,44	1,42	1,03
	0,8310-3	0,88	0,87	0,89	0,89	0,87	0,87	0,87	1,05
7	Плоска вставка з отворами, розташованими по концентричних колах, яка містять в центральній частині 7 отворів ()
	1,510-3	1,36	1,46	1,48	1,51	1,50	1,40	1,29	1,17
	0,8310-3	0,80	0,83	0,80	0,72	0,73	0,72	0,72	1,15

Таблиця 2. Відстань “плаваючої” вставки від трубної решітки теплообмінника у залежності від витрати рідини при осьовому введенні рідини в апарат

№	Витрата, 103 м3/с	Тиск рідини на вході в апарат, Па	h, мм	h/Dап
1	1,50	2525	39	0,26
2	1,20	2103	50	0,33
3	0,83	1974	58	0,39

З цією метою на основі дослідження розподілу тиску в колекторній камері апарату були отримані критеріальні рівняння, які описують рух рідини через вставку. Рівняння мають вигляд:

для осьового введення рідини в апарат

, (10)

для тангенціального введення

, (11)

для радіального введення

(12)

Розрахувавши критерій Ейлера, можна визначити гідравлічний опір у будь-якому місці вставки, оскільки . Таким чином були розраховані кількості отворів і виготовлені вставки для різного введення рідини в апарат. В табл. 3 наведені дані для осьового введення.

Таблиця 3. Розподіл отворів по площині вставки, виготовленої з метою створення рівномірного поля швидкостей руху теплоносія перед трубною решіткою

Ділянка			Fфр104, м2	фр, м/с	фр		dотв, м	nотв'
								розр.	вигот.
Центральна	0,33		19,6	1,26	151	0,12	0,01	4	3
Проміжна	0,60	1,8	56	0,58	118	0,13	0,01	7	9
Периферійна	1,00	1,7	144	0,18	99	0,14	0,01	25	25
Усього отворів у вставці	37	37

Проводилось дослідження гідродинамічних чинників і теплофізичних властивостей рідини на тепловіддачу (рис. 8).

Був оцінений вплив кожного з чинників і отримане критеріальне рівняння тепловіддачі:

(13)

При використанні розподільної вставки критеріальне рівняння має вигляд:

(14)

Отримані рівняння регресії, які дозволяють оцінити сумісний вплив гідродинамічних чинників і теплофізичних властивостей теплоносія на коефіцієнт тепловіддачі як у відсутності розподільної вставки (15), так і при її використанні (16):

(15)

(16)

Розділ 4 - Використання результатів роботи для створення нових конструкції розподільчих пристроїв теплообмінних апаратів присвячений розробці конструкцій розподільчих вставок - з розрахованим розподілом площі вільного перерізу по площині вставки і конструкції теплообмінника, у якому верхня і нижня колекторні камери містять розподільчі пристрої, які складаються з циліндричних вставок і перфорованого диска на спрямовуючих стержнях з пружинами з можливістю переміщення.

За допомогою методу математичного моделювання встановлена можливість перенесення отриманих результатів для моделі теплообмінника на виробничі апарати більших розмірів.

При цьому ми характеризували ефективність роботи теплообмінника через коефіцієнт тепловіддачі. Відношення коефіцієнтів тепловіддачі в теплообміннику більшого масштабу і у дослідному _m

(17)

за допомогою якої для випадку збільшення продуктивності теплообмінника з 1,510^-3 м³/с на 1,510^-2 м³/с, доводимо ідентичність моделі та промислового апарату.

При використанні в кожухотрубному теплообміннику одночасно запропонованих нами циліндричної і плоскої вставок отримуємо двоходовий теплообмінник, в одній частині якого теплоносії рухаються прямотечією, а в іншій - протитечією. Була вирішена задача про розподіл температур теплоносіїв у теплообмінному апараті за вставками за умови припущення сталого температурного режиму і сталості коефіцієнта теплопередачі та теплоємностей середовищ.

Були розраховані температури теплоносіїв у різних точках теплообмінника, що дозволило визначити температуру “холодного” теплоносія на виході з апарату при різних режимах роботи. При цьому отримане рівняння:

(19)

Підставляючи табличні функції П, П₁, Z, отримали рівняння для розрахунку температури холодного теплоносія за умов експерименту на виході з апарату при використанні запропонованих нами вставок і без них t₂:

(20)

(21)

Розрахунки показали, що при змішаній течії теплоносія, яку забезпечує використання одночасно циліндричної і плоскої вставок, отримуємо на виході температуру на 10⁰ вищу, ніж при прямотечії, що обіцяє значні економічні вигоди.

Запропоновані конструкції розподільчих пристроїв були апробовані у вертикальних теплообмінниках, які працюють на ВАТ “Херсонський завод карданних валів”. Випробування показали, що використання теплообмінників з пристроями, які створюють рівномірне поле швидкостей в трубах, дає такі позитивні результати:

1. Розподільчі вставки сприяють створенню оптимального режиму роботи теплообмінника завдяки рівномірному розподілу потоку рідини по всіх трубах. Це, зокрема, дозволяє відмовитись від додаткового підкачування води в системах гарячого водопостачання виробничих приміщень і житлових будівель або значно скоротити витрату електроенергії для створення насосом потрібного напору.

2. Знижується час і витрати на проведення ремонтних робіт, оскільки значно зменшується кількість відкладень на стінках труб і не відбувається ушкоджень труб за рахунок підвищення тепловіддачі в периферійних трубах, про що свідчать акти випробувань.

3. Знижуються витрати, пов'язані з необхідністю заміни труб, що вийшли з ладу (вартість матеріалів).

гідродинаміка рідина кожухотрубний теплообмінник

Висновки

1. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблені теоретичні передумови для створення розподільних пристроїв, які дозволяють отримати рівномірне поле швидкості руху теплоносія по трубах кожухотрубного теплообмінника, що сприяє підвищенню ефективності роботи апаратів, подовження терміну їх служби та здешевлення обслуговування.

2. Проведені всебічні дослідження розподілу швидкості теплоносія по трубах теплообмінника у залежності від витрати, технологічних параметрів рідини та конструктивних особливостей апарату: способу введення теплоносія в апарат - осьове або бокове (радіальне і

тангенціальне), діаметру вхідного патрубку, висоти кришки - і знайдені залежності, що характеризують вплив кожного з названих чинників та їхній сумісний вплив на розподіл швидкості.

3. Досліджений розподіл тиску і швидкості по перерізу теплообмінного апарату і з використанням пакетів прикладних програм побудовані просторові діаграми розподілу тиску по перерізу колектора теплообмінника при різних способах введення рідини в апарат.

4. На основі розподілу швидкості й тиску рідини по перерізу колекторної камери виведені критеріальні рівняння руху рідини через розподільну вставку для різних способів введення потоку в апарат, які дають змогу розрахувати розподіл гідравлічного опору, а слід, і вільного перерізу, по площині вставки.

5. За допомогою розрахованого розподілу гідравлічного опору по площині вставки запропоновані конструкції розподільних пристроїв для вирівнювання швидкостей теплоносія.

6. Показано, що при використанні розподільної вставки досягаються практично однакові коефіцієнти тепловіддачі для усіх труб трубного пучка. Отримане критеріальне рівняння конвективної передачі тепла при використанні розподільних вставок. Оцінений вплив гідродинамічних чинників та теплофізичних властивостей теплоносія на коефіцієнти тепловіддачі.

7. З метою вирівнювання швидкостей руху теплоносія по трубах теплообмінника при несталому потоці рідини запропонована конструкція саморегулюючої “плаваючої” вставки, яка забезпечує свою оптимальну відстань від трубної решітки і проведений розрахунок її елементів - пружин і опор.

8. На основі досліджень розподілу швидкості і тиску рідини по перерізу апарату запропонована нова конструкція багатоходового кожухотрубного теплообмінника.

9. Проведені випробування запропонованих розподільних пристроїв на виробничих апаратах і впровадження розроблених конструкцій у виробництво, що дає економію 560 гривень на один теплообмінник на рік.

Список опублікованих праць за темою дисертаційної роботи

1. Клюєв О.І., Луняка К.В. Дослідження руху рідини в трубах теплообмінника // Проблеми економії енергії. МНПКПЕЕ. - Львів. - 2003. - С.222-227.

2. Клюєв О.І., Луняка К.В. Дослідження розподілу рідини по трубах кожухотрубного теплообмінника // Вестник Херсонського государственного технического университета. - 2004. - №2 (20). - С.121-123.

3. Клюєв О.І., Луняка К.В., Чумаков Г.А. Дослідження розподілу рідини по трубах кожухотрубчастого теплообмінника і методи вирівнювання швидкостей при радіальному введені рідини в апарат // Вісник Хмельницького національного університету. - 2005. - Частина 1,Т.1. - С.86-89.

4. Клюєв О.І., Луняка К.В., Чумаков Г.А. Дослідження будови пристроїв для вирівнювання швидкостей теплоносія в трубах кожухотрубчастого теплообмінника // Праці Таврійської державної агротехнічної академії.-Мелітополь 2005. - Випуск 34. - С.68-73.

5. Клюєв О.І., Луняка К.В., Чумаков Г.А., Ардашев В.О. Вплив рівномірності розподілу рідини по трубах на характер роботи кожухотрубчастого теплообмінника // Вісник Хмельницького національного університету. Технічні науки. - 2006. № 4 (83). - С.46-49.

6. Клюєв О.І., Луняка К.В., Кривенко С.В. Лабораторна установка. Деклараційний патент на корисну модель № 5552, МПК F28F9/06; Заявлено 06.07.2004; Опубл. 15.03.2005, Бюл. №3. - 4 с.

7. Клюєв О.І., Луняка К.В., Кривенко С.В. Теплообмінний апарат. Деклараційний патент на корисну модель. № 10931, МПК F28D3/04; Заявлено 17.01.2005; Опубл. 15.12.2005, Бюл. №12. - 6 с.

8. Клюєв О.І., Луняка К.В., Смагін П.В. Теплообмінний апарат. Деклараційний патент на корисну модель. №11299, МПК F28D3/04; Заявлено 21.06.2005; Опубл. 15.12.2005, Бюл. №12.- 4 с.

9. Луняка К.В., Клюєв О.І., Глухов Г.М., Кривенко С.В. Теплообмінний апарат. Деклараційний патент на корисну модель. №14364, МПК F28D3/00; Заявлено 11.11.2005; Опубл. 15.05.2006. Бюл. №5. -3 с.

10. Клюєв О.І., Луняка К.В., Ардашев В.О. Дослідження гідродинаміки руху рідини в трубах теплообмінника // Проблеми легкой и текстильной промышленности Украины. - 2003. - №1(7). - С.120.

Размещено на Allbest.ru

...