Розробка та дослідження нових інтенсифікаторів теплообміну для теплообмінників рекуперативного типу

Abstract

Основні положення викладено на 65 сторінках, містить 3 таблиці та 20 рисунків. Для написання магістерської роботи було опрацьовано 79 літературних джерел. У даній дипломній роботі підведено підсумки виконаних досліджень. У першому розділі наведено огляд літератури щодо інтенсифікаторів теплообміну та теплообмінників, а також розглянуті основні конструкційні особливості і принципи їх роботи. Сформульовано завдання магістерської кваліфікаційної роботи. У другому розділі розглянуті принципи роботи рекуператорів повітря для вентиляційних систем, їх конструкційні особливості та основні принципи роботи. Третій розділ присвячений аналізу прикладів інтенсифікаторів теплообміну та оребрених поверхонь різної конфігурації. Проведено аналіз необхідності використання різноманітних методів інтенсифікації теплообміну для покращення масогабаритних характеристик пластинчатих та кожухотрубних теплообмінників. Описано різні типи інтенсифікаторів теплообміну, фізичні основи їхнього впливу на процеси теплопереносу на робочих поверхнях теплообмінників, а також переваги та недоліки існуючих моделей. У наступному розділі запропоновані інтенсифікатори нового типу. Окреслено основні конструктивні відмінності в геометрії нового типу турбулізатора потоку. На основі нової геометрії проведено чисельне моделювання гідродинаміки та теплопереносу лунок нового типу, розроблено 3D-модель геометрії лункової поверхні, а також проведено математичне моделювання тепло- та масообмінних процесів при обтіканні лункових поверхонь. У результаті чисельних розрахунків отримано поля швидкостей, температур, тисків та проаналізовано результати чисельних досліджень. Висновки підсумовують результати проведених досліджень та чисельного моделювання нового типу інтенсифікаторів теплообміну. Теплообмінні апарати, основані на поперечному обтіканні пучків труб, широко застосовуються в хімічній, енергетичній, металургійній та інших областях промисловості. Незважаючи на недостаток в компактності та ефективності теплообміну у порівнянні з пластинчастими теплообмінниками, у багатьох випадках їм немає альтернативи, оскільки надійністьТеплообмінні апарати, основані на поперечному обтіканні пучків труб, широко застосовуються в хімічній, енергетичній, металургійній та інших областях промисловості. Незважаючи на недостаток в компактності та ефективності теплообміну у порівнянні з пластинчастими теплообмінниками, у багатьох випадках їм немає альтернативи, оскільки надійність, тривалість ресурсу, зручність в обслуговуванні, можливості оперативної заміни непридатних елементів та блоків повністю перекривають бульшість значних недоліків [1], [5], [6]. Найбільш поширене практичне використання кожухотрубних теплообмінних апаратів – це проведення технологічних процесів (в установках хімічної технології), утилізація теплоти викидних газів (металургійні та інші печі), а також рекуперація теплоти викидних газів енергоустановок різного типу з метою підвищення їх ККД [9], [11]. При проектуванні та створенні теплообмінного устаткування із заданим тепловим навантаженням основні зусилля направляються на зменшення теплообмінної поверхні та підвищення компактності, оскільки теплообмінники становлять значну частину всієї теплоенергетичної установки по габаритам та матеріалоємності. Це призводить до необхідності інтенсифікації теплообміну, тобто підвищення коефіцієнту теплопередачі у порівнянні з використанням гладких поверхонь. Однак інтенсифікація теплообміну, як правило, супроводжується випереджаючим зростанням гідравлічних втрат. Тому досліджують та інсталюють різні методи, спрямовані на підвищення тепло-гідравлічної ефективності теплообмінників [4], [2], [13]. Одним із перспективних методів покращення тепло-гідравлічних властивостей теплообмінників є нанесення на поверхню заглиблень різної форми (у більшості випадків – форми сферичного сегменту). Особливості обтікання заглиблень полягають в утворенні вихрових структур, які значно турбулізують пограничний шар, що приводить до інтенсифікації теплообміну, але практично не впливають на гідравлічний опір [10], [12]. Основний масив експериментальних та теоретичних досліджень теплообміну та гідродинаміки при обтіканні поверхонь із заглибленнями відноситься до потоків в плоских каналах. В останні двадцять років досягнуто значний прогрес у дослідженні теплообміну і гідродинаміки при обтіканні плоскої поверхні із заглибинами різної форми – сферичної, циліндричної, овальної, еліптичної, гексагональної, краплеподібної, тощо. Значний внесок в дослідження та систематизацію даних по даній проблемі зробили такі ведучі вчені, як А.І.Леонтьєв, А.П.Козлов, Я.П. Чудновский, С.А.Ісаєв, Ф.Ліграни, Й. Турнов, Б. Вейганд, В.І.Терехов, А.А. Халатов, Г.И. Кікнадзе та багато інших [15], [17], [19]. Отримані та проаналізовані дані щодо структури потоку, коефіцієнтів теплообміну, теплогідравлічних характеристик, запропоновано ряд узагальнюючих співвідношень. Особливий інтерес представляє покращення теплообміну при зовнішньому поперечному обтіканні труб за рахунок нанесення заглиблень на їх поверхню. Отримані на сьогоднішній день час результати показують, що, окрім поліпшення теплообміну, поглиблення викликають зміщення точки відриву вниз по потоку, прискорюють ламінарно-турбулентний перехід пограничного шару, що приводить до зниження лобового опору [18], [20], [21]. В результаті використання заглиблень створюються умови для випереджаючого зростання теплообміну у порівнянні з ростом гідравлічного опору. Таким чином, якщо ефективність телообміну та гідравлічний опір носія знаходяться на певному рівні, то можна розглянути зменшення теплообмінної поверхні, габаритів та матеріалоємністі теплообмінного устаткування. Проведено попередні дослідження, які показали перспективність інтенсифікації зовнішнього теплообміну пучків труб за допомогою поверхневих поглиблень. Однак доступні на даний момент результати досліджень є фрагментарними, і не дозволяють отримати надійні розрахункові співвідношення [9]. Це призводить до неможливості використання цих даних для розробки та проектування теплообмінників в усіх напрямках [23], [24].