Теплообменные аппараты со спирально-змеевиковой проточной частью
Теплообменное оборудование вторичного контура холодильных машин. Аппараты систем рекуперации тепла и жидкостно-охлаждающих машин с рабочими средами типа "вода-вода". Энергоэффективность теплообменных каналов. Моделирование теплогидравлических процессов.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 02.11.2018 |
Размер файла | 1012,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Омский государственный технический университет
Теплообменные аппараты со спирально-змеевиковой проточной частью
Е.В. Сухов
А.А. Шипунова
В.Л. Юша
При разработке холодильных, криогенных систем и установок вопросы снижения массо-габаритных характеристик, а также первоначальных и эксплуатационных расходов машин и аппаратов, входящих в эти системы, приобретают все большую актуальность. В полной мере это относится и к теплообменному оборудованию вторичного контура холодильных машин, к которым относятся теплообменные аппараты систем рекуперации тепла и жидкостно-охлаждающих машин (чиллеры) с рабочими средами типа «вода-вода».
Известно, что геометрический объём теплообменных аппаратов вторичного контура холодильных установок в ряде случаев составляет до одной трети от общего объёма установки. Повышение компактности таких систем в большинстве случаев решается применением дорогостоящих пластинчатых теплообменных аппаратов (ПРТ). Наряду с высокими первоначальными затратами данный тип аппаратов имеет высокий коэффициент эксплуатационно-сервисных затрат по сравнению с распространенными ранее кожухо-трубными теплообменными аппаратами (КТА), пучок труб в ряде случаев которых состоял из обычных прямолинейных гладких труб круглого сечения. Однако, накопленный на сегодняшний день научный потенциал позволяет создавать КТА с оптимальными показателями энергоэффективности, компактности и цены и, таким образом, достойно конкурировать с ПРТ. В данном докладе представлен сравнительный анализ эффективности прямолинейных каналов со спирально-змеевиковыми (СЗ) каналами круглого сечения для последующей их рекомендации к использованию в КТА вторичного контура холодильных машин и установок.
По сравнению с традиционными КТА, СЗ конструкции трубчатых элементов значительно повышают компактность КТА и обеспечивают компенсацию тепловых расширений в пучке труб. Кроме того, СЗ каналы обеспечивают интенсификацию процессов теплообмена и турбулизации потока рабочей среды в поле массовых сил за счёт криволинейной траектории потока (рис. 1), появление центробежной составляющей приводит к возникновению вторичных циркуляционных течений внутри потока. Такая структура потока даже при гладких стенках проточной части канала приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи, величина которого зависит не только от свойств рабочей среды и режима течения, но и от кривизны траектории потока рабочего газа.
Энергоэффективность теплообменных каналов в литературе [1, 2, 3] характеризуется комплексом (NuЗМ/NuГЛ)/(оЗМ/оГЛ), где индекс «зм» относится к СЗ каналам, а индекс «гл» - к прямолинейным гладким. Определение чисел Nu и коэффициентов сопротивления о для обоих типов каналов проводилось согласно стандартной методике расчета теплообменных устройств [1]. Исходные данные для расчета Nu и о (температура на входе и выходе из канала, температура внутренней стенки трубного элемента, давление жидкости на входе и выходе из канала) определялись с помощью моделирования теплогидравлических процессов рассматриваемых теплообменных устройств в многофункциональном программном комплексе ANSYS 11.0 c использованием модуля термодинамических расчетов CFX. Комплекс задач, связанных с вопросами гидрогазодинамики и теплообмена, в ANSYS CFX 11.0 решается с помощью уравнений движения, неразрывности, состояния, общего уравнения энергии, уравнений теплообмена. Для всего диапазона чисел Re расчет чисел Nu и о проводился с использованием трех моделей турбулентности (k-e, k-щ и Eddy Viscosity) пакета CFX с целью их дальнейшего сравнения с инженерным способом определения Nu и о по известным эмпирическим зависимостям.
Для расчетной модели были заданы следующие условия однозначности: температура спирально-змеевикового элемента, давление воды на входе в канал, температура воды на входе в канал, расход воды на выходе из канала, плотность теплового потока на внешней стенке канала; геометрические условия согласно заданным параметрам 3D-модели; физические условия используемых сред и веществ (вода, медь) согласно данным библиотек CHT Solids, Particle Solids и IAPWS пакета ANSYS CFX 11.0. Тепловая нагрузка и режимы течения среды соответствовали реальным для теплообменников вторичного контура холодильных установок.
Основные этапы моделирования каналов в пакете программ ANSYS CFX, представленные на рис. 1.
а) |
б) |
|
в) |
г) |
Рис. 1. Реализация математической модели спирально-змеевикового теплообменного устройства в ANSYS: а) - создание 3D-модели; б) - разбиение на сетку конечных элементов; в) - визуализация расчетного поля температур; г) - визуализация расчетного поля давлений
Проверка математической модели на адекватность показывает, что применение ANSYS CFX 11.0 в теплогидравлических расчетах по сравнению с известными критериальным зависимостям, например, для хорошо изученных прямолинейных каналов круглого сечения (М.А. Михеев, С.С. Кутателадзе, Ж. Пуазейль и др.) погрешность определения Nu и о составляет не более 10% и 15% во всем диапазоне чисел Re. В дальнейшем полагаем, что существующие расхождения являются допустимыми для подобного рода расчетов рассматриваемых типов каналов.
Полученные результаты расчета чисел Nu и о с привлечением пакета программ ANSYS CFX приведены на графике рис. 2. Эффективность СЗ каналов перед традиционными прямолинейными имеет стабильную характеристику и прослеживается на всем режиме течения рабочей среды. Комплекс (NuЗМ/NuГЛ)/(оЗМ/оГЛ) имеет диапазон значений 1,7…1,13. При развитом турбулентном течении (Re>15000) интенсификация теплообмена в СЗ каналах по сравнению с прямолинейными каналами достигает 25% при увеличении мощности на прокачку хладо-теплоносителя всего на 10%, что соответствует росту числа Nu на 11% при отсутствии повышения энергозатрат. В меньшем диапазоне чисел Re в СЗ теплообменных элементах наблюдается повышенный энергетический эффект благодаря увеличенной зоне ламинарного течения с микровихрями (Re<8000) по сравнению с прямолинейными гладкими каналами (Re<2300). Однако, такие режимы крайне редки для существующего теплообменного оборудования вторичного контура холодильных машин и не рассматриваются в данном материале.
Рис. 2. Зависимость чисел Nu и о от числа Re для спирально-змеевиковых и прямолинейных каналов круглого сечения: сплошные линии - кривые чисел Nu; пунктирные линии - кривые коэффициентов о
Согласно уравнению Ньютона-Рихмана площадь теплообменной поверхности имеет обратно-пропорциональную зависимость от коэффициента теплоотдачи, что позволяет обеспечить снижение расчетной теплообменной поверхности до 10% (при равных прочих условиях) для отдающей среды проточной части СЗ элементов КТА. При этом в условиях плотной компоновки трубного пучка КТА спирально-змеевиковыми элементами, возможно уменьшение габаритных характеристик КТА до 20%, а их массы - до 7% по сравнению с традиционными конструкциями КТА.
Таким образом, СЗ геометрии трубных пучков КТА позволяют создавать современные теплообменные аппараты, отвечающие современным требованиям компактности, энергоэффективности и сравнительно низкой величине первоначальных и эксплуатационных затрат.
Библиографические ссылки
теплообменный оборудование рекуперация
1. Кутателадзе, С.С. Справочник по теплопередаче/ С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский. - М.: 1952. - 418 с.
2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. -- М.: Машиностроение, 1990. - 208 с.
3. Щукин, В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил / В.К. Щукин. - М.: Машиностроение, 1980. - 240 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Ребристые, спиральные и витые теплообменные аппараты. Теплообменники с неподвижными трубными решетками, с температурными компенсаторами на кожухе, с плавающей головкой. Аппараты теплообменные с воздушным охлаждением. Теплообменники пластинчатые разборные.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 17.10.2014Классификация теплообменных аппаратов по принципу действия (поверхностные и смесительные). Особенности подбора устройства. Схема кожухотрубного теплообменника. Основные удельные показатели, которые характеризуют эффективность теплообменных аппаратов.
презентация [206,5 K], добавлен 28.09.2013Применение теплообменных аппаратов, принцип их действия. Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками, линзовым компенсатором на кожухе, плавающей головкой и U-образными трубами. Конструктивный и проверочный тепловой расчет аппарата.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 22.08.2015Предназначение электроприводов для приведения в действие рабочих органов механизмов и машин, их основные виды. Требования, предъявляемые к электрическим двигателям холодильных установок и машин. Динамика электропривода, его механические характеристики.
презентация [516,7 K], добавлен 11.01.2012Теплообменный аппарат - устройство для передачи теплоты от горячей среды к холодной. Виды и конструкции теплообменных аппаратов, применяемых в котельных. Устройство кожухотрубчатых элементных (секционных) и пластинчатых теплообменников; экономайзеры.
реферат [1,6 M], добавлен 20.11.2012Теплообменные аппараты – устройства передачи тепла от одной среды к другой, их классификация; схемы движения теплоносителей. Гидравлическое сопротивление элементов теплообменного аппарата. Подбор нормативного вертикального подогревателя сетевой воды.
курсовая работа [368,3 K], добавлен 10.04.2012Широкое применение воды и водяного пара в качестве рабочих тел в паровых турбинах тепловых машин, атомных установках и в качестве теплоносителей в различного рода теплообменных аппаратах химико-технологических производств. Характеристика процессов.
реферат [149,6 K], добавлен 25.01.2009Принципиальная тепловая схема парогенератора. Предварительный расчет тепловой мощности, расхода теплоносителя и рабочего тепла. Выбор материалов и параметров. Определение гидравлических сопротивлений препятствующих движению теплоносителя и рабочего тела.
курсовая работа [356,4 K], добавлен 09.08.2012Неавтоматические аппараты (выключатели), их использование в распределительных щитах и устройствах, служащих для управления. Классификация рубильников, применяемых для замыкания и размыкания цепей постоянного и переменного тока при напряжении до 500 В.
презентация [11,0 M], добавлен 02.04.2016Сравнительный анализ теплообменников. Технологический процесс нагрева растительного масла. Теплотехнический, конструктивный, гидравлический и прочностной расчет теплообменника. Определение тепловой изоляции внутренней и наружной поверхностей трубы.
дипломная работа [710,6 K], добавлен 08.09.2014Принцип действия и структура синхронных машин, основные элементы и их взаимодействие, сферы и особенности применения. Устройство и методика использования машин постоянного тока, их разновидности, оценка Э.д.с., электромагнитного момента этого типа машин.
учебное пособие [7,3 M], добавлен 23.12.2009Описание конструкции кожухотрубчатого теплообменного аппарата. Гидравлический расчет патрубка. Выбор соединения трубок с трубными решётками. Определение толщины обечайки и цилиндрической части. Дополнительные условия проверки прочности трубной доски.
реферат [1,6 M], добавлен 04.07.2013Определение коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубки к охлаждающей воде. Потери давления при прохождении охлаждающей воды через конденсатор. Расчет удаляемой паровоздушной смеси. Гидравлический и тепловой расчет конденсатора.
контрольная работа [491,8 K], добавлен 19.11.2013Первичное действие электромагнитных колебаний на ткани организма. Методы и аппаратура для высокочастотной электротерапии. Физиотерапевтические аппараты высокочастотной терапии. Аппараты индуктотермии и УВЧ-терапии. Генераторы синусоидальных колебаний.
реферат [275,0 K], добавлен 25.02.2011Создание автономных источников тепла и электроэнергии, работающих на местных видах топлива и на сбросном тепле промышленных предприятий. Применение бутанового контура в составе парогазовых установок малой мощности и совместно с газопоршневыми агрегатами.
реферат [1,4 M], добавлен 14.11.2012Сутність і особливості поширення води на планеті Земля. Ізотопного складу, конструкція молекули води, фізичні властивості води, їх аномальність. Переохолоджена вода. Аномалія стіслівості. Поверхневий натяг. Аномалія теплоемності. Структура та форми льоду.
реферат [31,3 K], добавлен 18.12.2008Режимы работы и области применения асинхронных машин. Конструкции и обмотки асинхронных машин. Применение всыпных обмоток с мягкими катушками и обмотки с жесткими катушками. Отличительные черты короткозамкнутых и фазных обмоток роторов асинхронных машин.
реферат [708,3 K], добавлен 19.09.2012Понятие электрических машин, их виды и применение. Бытовая электрическая техника и оборудование предприятий. Устройство и принцип действия трёхфазного электрического двигателя, схемы соединения его обмоток. Формулы 3-х фазных ЭДС. Виды асинхронных машин.
презентация [2,8 M], добавлен 02.02.2014Основные типы двигателей, используемые для привода электрифицированных машин. Источники питания электроинструмента. Широтно-импульсная модуляция. Принципы построения преобразователей частоты. Требования, предъявляемые к электроприводу ручных машин.
лекция [214,2 K], добавлен 08.10.2013График центрального качественного регулирования отпуска теплоты. Определение расчетных расходов тепла и сетевой воды, отопительной нагрузки. Построение графика расходов тепла по отдельным видам теплопотребления и суммарного графика расхода теплоты.
курсовая работа [176,5 K], добавлен 06.04.2015