К вопросу оценки теплоэнергетической эффективности теплообменников, применяемых в муниципальной теплоэнергетике

Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу оценки теплоэнергетической эффективности теплообменников, применяемых в муниципальной теплоэнергетике

Д.т.н. А.М. Тарадай, профессор,

к.т.н. Л.М. Коваленко, к.т.н. Е.П. Гурин

Переход к элементам рыночной экономики при продажах теплотехнического оборудования бессчетных фирм-изготовителей делают животрепещущей задачку его сопоставления. В маркетинговых материалах тяжело отыскать характеристики, по которым можно было бы беспристрастно оценить различные конструкции теплообменных аппаратов (ТА) схожего предназначения.

Неувязка способов сопоставления появилась издавна. Учеными Кирпичевым М.В., Гухманом А.А. и другими создателями были предложены разные методики оценки основного показателя свойства ТА - его теплоэнергетической эффективности.

Отдавая подобающее базовым положениям этих методик, в сегодняшних критериях мы не могли наслаждаться их плодами. Давая доброкачественную оценку отдельных характеристик конструкции ТА, эти методики не позволяли количественно, одним неизменным для данной конструкции ТА аспектом оценить сравниваемые аппараты в равных критериях их внедрения.

Причина трудности получения количественной оценки эффективности ТА заключается в богатстве переменных величин, влияющих на эффективность.

Под понятием "эффективность ТА" мы осознаем величину коэффициента теплопередачи и утраты давления в фиксированных (эталонных) критериях сопоставления.

Коэффициент теплопередачи - величина непростая, зависящая как от начальных данных для термического процесса, так и от конструктивных особенностей ТА.

Наружные характеристики - это начальные условия для выполнения процесса теплопередачи. К ним относятся данные расходы рабочих сред; их исходные и конечные температуры; теплофизические характеристики сред в спектре данных температур; термические нагрузки на ТА; давления рабочих сред и допускаемые, по условиям, утраты давления рабочими средами в ТА; требования к вещественному выполнению и долговечности ТА и др. начальные требования. Наружные характеристики для сравниваемых ТА должны быть выбраны схожими, и на величину числа единиц эффективности, в равных критериях, не оказывают влияние.

Внутренние характеристики теплообменника определяет его конструкция, обеспечивающая возможный уровень эффективности. Они включают: формы поверхности термообмена, определяющие размеры - эквивалентные поперечники каналов, их длины и площади поперечного сечения; площади поверхности термообмена, размещенные на этой длине каналов; тепло-гидродинамические свойства данной конструкции теплообменника по интенсивности теплопередачи при возникающих при всем этом потерях давления в каналах; компактность конструкции и ее удельную металлоемкость; рациональность использования качественных дорогих материалов; уровень унификации деталей и узлов ТА при производстве широких размерных рядов на разные давления; возможность обилий (расчетной) сборки каналов для обеспечения наружных характеристик; возможность сотворения ТА наибольшего температурного напора при данных температурах методом полного противотока рабочих сред; ремонтопригодность, надежность и долговечность конструкции ТА; рентабельность производства данных конструкций ТА; удобство обслуживания; серьезные и эксплуатационные издержки.

Приведенный список переменных характеристик указывает всю сложность беспристрастной оценки одним числом единиц эффективности, оптимальности сочетаний всех внутренних характеристик в сделанной конструкции ТА. теплообменник жидкость циркуляция

Наружные характеристики ТА назначаются юзером ТА, согласно принятым технологическим процессам и проектам.

Внутренние характеристики закладываются в конструкцию ТА его разработчиком и размеренны при изменении наружных характеристик.

Наша методика определения критериев тепло гидродинамической эффективности ТА исходит из фундаментального положения, сформулированного в 40-е годы М.В. Кирпичевым: энергетическую эффективность ТА охарактеризовывает отношение 2-ух видов энергии - теплоты Q, переданной в теплообменнике, и энергозатрат N на преодоление гидравлических сопротивлений при всем этом:

- энергетический коэффициент (1).

Чем больше число единицу коэффициента, тем лучше конструкция ТА и метод интенсификации термообмена в нем. Но сравнимо обычная зависимость (1) не получила достаточного практического внедрения. Основным недочетом ее является неоднозначность конфигурации коэффициента Е_о зависимо от принятых скоростей рабочих сред и соотношений коэффициентов теплопередачи, спектра температур и др. С возрастанием скоростей рабочих сред, даже при иных равных критериях сопоставления, значение Е_о миниатюризируется, т.к. затраты энергии вырастают пропорционально кубу скорости.

В современных конструкциях ТА наибольшее тепловое сопротивление теплопередачи появляется в пристенном слое. Интенсификация теплопередачи наблюдается при уменьшении толщины либо разрушении пограничного слоя, но это связано с ростом гидравлического сопротивления и повышением энергозатрат на его преодоление. На гладких прямых формах поверхности термообмена, с ускорением движения воды в канале, теплопередача возрастает с одновременным опережающим темпом роста гидравлического сопротивления (аналогия Рейнольдса).

На сложных (криволинейных) формах поверхности термообмена аналогия Рейнольдса теряет силу. К примеру, при омывании жидкостью каналов с гофрированной формой поверхности соотношение меж интенсивностью теплопередачи и гидравлическими сопротивлениями (используемой мощностью), при увеличении скорости, приобретает иную зависимость.

Появляются ситуации, приводящие к существенному повышению теплопотери при существенно наименьших энергозатратах, чем на гладких формах поверхности. Интенсифицирующие воздействия формы поверхности термообмена в каналах будут благоприятны, когда эта форма вызывает в пограничном слое усиленное обновление частиц воды. Теплоэнергетическое качество таковой сложной формы поверхности термообмена увеличивается.

Учитывать эффективность интенсификации можно зависимостью

(2),

отражающей отношение коэффициента теплопотери (а) к удельным затратам энергии на преодоление гидравлических сопротивлений (N_o) в степени "от". Зависимость (2) нами получена при исследовании пластинчатых теплообменников на экспериментальных щитах.

Показатель степени "от" и затраты энергии N_o определяются для каждой новейшей формы поверхности экспериментально.

Коэффициент Е является неизменным (фиксированным) числом единиц теплоэнергетической эффективности поверхности термообмена определенной конструкции. Он отражает уровень оптимизации внутренних характеристик каналов.

Чтоб исключить воздействие наружных характеристик, расчет коэффициента Е следует проводить в единых наружных параметрах либо в равных критериях сопоставления.

Принят эталонный (приведенный к равным условиям) режим сопоставления теплообменных аппаратов. Он такой:

1. рабочие среды (охлаждаемая и нагреваемая в смежных каналах - вода), характеристики воды приняты при средней температуре 50 °С;

2. расходы рабочих сред могут быть любые, но равные для обеих сред.

Расчет числа единиц эффективности ТА (Ет) ведут на удельные характеристики: на единицу площади поверхности термообмена (F = 1 мІ); на единицу среднего температурного напора A_t; на единицу энергозатрат на преодоление гидравлического сопротивления (N_o = 1 Вт/мІ). Удельные характеристики позволяют распространить результаты сопоставления на весь размерный ряд теплообменных аппаратов при всех наружных параметрах. Для определения более глубочайшей связи зависимости (2) с внутренними параметрами теплообменника вместе решались уравнения гидродинамики и теплопотери, связывающие многие переменные:

Уравнение гидродинамики:

Тут

(4).

Уравнение теплопотери:

(5),

где: ДP - утрата давления, Па;

о - коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины канала;

L - длина канала, м; d- поперечник канала (эквивалентный), м; р - плотность рабочей среды, кг/мі; щ - скорость рабочей среды в каналах, м/с; А - коэффициент, характеризующий воздействие внутренних характеристик на гидродинамику потока в каналах сложной формы;

R_e - число Рейнольдса;

Р_r - число Прандтля;

С, п, р - неизменные величины, определяемые по опытным данным. Беря во внимание, что,

где Х- коэффициент теплопроводимости, Вт/(м. К); v - кинематическая вязкость, мІ/с; Fk- площадь поверхности термообмена аппарата, мІ; V - секундный большой расход воды, мі/с; F_k - площадь поверхности 1-го канала, мІ; V-секундный расходный объем воды; f_k- площадь поверхности 1-го канала, мІ

Совместное решение уравнений (3) и (5) даст:

Сравнив уравнения(6) и(2)

получим:

При сопоставлении в эталонном режиме (вода) всех конструкций поверхностей термообмена уравнение (7) числа единиц эффективности получит вид:

Как надо из уравнения (8) число единиц эффективности в эталонном режиме {Ет) не находится в зависимости от расхода рабочей среды и скорости ее в канале и перепада температур. Определяющее значение имеют величины С в уравнении (5) и А в уравнении (4), которые охарактеризовывают форму и размеры поверхности термообмена. Также оказывают влияние эквивалентный поперечник канала d, отношение площади поверхности термообмена канала F_k к площади поперечного сечения канала f_k и его длине L. Оказывают влияние величины характеристик степени "п", "р" в уравнениях (5) и (4).

Чем больше число единиц эффективности Е_т для данной конструкции, тем выше теплоэнергетическое качество поверхности термообмена и тем эффективнее (потенциально) теплообменные аппараты с таковой поверхностью термообмена.

Приобретенные результаты необходимы, сначала, для сопоставления сложных форм поверхности термообмена в пластинчатых теплообменных аппаратах, где способности выбора форм и размеров пространны. Формы поверхности термообмена в пластинчатых теплообменных аппаратах прошли путь развития от гладких канальчатых к ленточно-поточным (двухмерная турбулизация) и современным сетчато-поточным (трехмерная турбулизация потока формой поверхности канала). Для современных пластинчатых ТА, с сетчато-поточной формой поверхности термообмена (тип "елка"), уравнение (8) имеет более обычный вид:

Уравнения (8) и (9) распространяются на турбулентный режим течения рабочей среды, при теплопотере без конфигурации агрегатного состояния сред. Критичное число Рейнольдса в современных пластинчатых теплообменных аппаратах R_ek = 50-200.

По условиям эталонного режима сопоставления теплообменных аппаратов, при N_o = 1 Вт/мІ (удельные затраты энергии на преодоление гидравлического сопротивления принят равным Ло = 1 Вт/мІ поверхности) в согласовании с уравнением (2):

Число единиц эффективности равно интенсивности теплопотери.

Для сравнительной оценки эффективности готовых конструкций пластинчатых ТА в эталонном режиме разглядим коэффициент теплопередачи (удельную интенсивность термического процесса):

где:

При незапятанной поверхности термообмена величиной теплового сопротивления узкой железной стены можно пренебречь. Тогда, с учетом (10):

Приведенный к эталонным условиям коэффициент теплопередачи (Кп равен половине числа единиц эффективности поверхности термообмена (Ет) либо числу единиц эффективности всего ТА (Е_пк). Соответственно, уравнение (9) для всего ТА получает вид:

(13).

Результаты расчетов, выполненные для сопоставления в эталонных критериях для разных конструкций ТА по предложенной методике, приведены в табл. Число единиц эффективности ТА, выраженное через коэффициент теплоэнергетической эффективности ЕЛ, является количественной и высококачественной мерой оценки сравниваемых конструкций ТА. Оно отражает теплоэнергетические свойства ТА при различных реальных наружных параметрах. Это основной полный показатель ТА - безразмерный аспект. По аналогии сопоставления автомобилей схожего предназначения по расходу горючего на пробег 100 км пути, теплообменники можно сопоставить по величине ЕЛ - числу единиц эффективности (удельному термическому сгустку в эталонном режиме), что полностью наглядно.

Из обилия рекламируемых конструкций и выполнений ТА, с помощью оценки их теплоэнергетической эффективности по нашей методике, можно найти сбалансированный вариант.

Размещено на Allbest.ru