научная статья по теме ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ-КАЛОРИФЕРОВ ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ-КАЛОРИФЕРОВ ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 3, 2015

УДК 669.18.046

© 2015 г. Стулов В.В.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ-КАЛОРИФЕРОВ ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ1

ОАО Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности "атомных электростанций", г. Электрогорск МО

Приведены результаты испытаний двух секций теплообменников-калориферов на тепловых трубах. Одна секция с 26 неоребренными трубами с коллектором с горячей водой, а другая секция с 20 оребренными трубами и емкостью с глицерином, разогреваемыми ТЭНами. Выполнен конструктивный расчет передачи тепла тепловой трубой и проведено сравнение полученных данных с результатами исследований на секциях.

Усовершенствование конструкций теплообменников-калориферов приобретает важное значение при решении задачи рационального, бережного отношения к топливу [1]. Выполняемые в нашей стране и за рубежом работы по созданию наиболее экономичного теплообменного оборудования привели к существенному усовершенствованию их конструкций [2]. Теплообменники, работающие на принципе тепловых труб, позволяют увеличить надежность и ресурс работы калориферов.

Недостатки существующих в настоящее время теплообменников-калориферов: реализация теплообмена на внутренней поверхности элементов конструкции; необходимость промывки внутренней поверхности теплообменника-калорифера 2 раза в год с целью удаления накипи и загрязнений, что трудно поддается визуальному контролю; значительные гидравлические сопротивления для продавливания теплоносителя (воды) через конструкцию калорифера, выполненную в шестиходовом исполнении, что приводит к необходимости увеличения мощности насосов и расхода электроэнергии для их работы; предъявление требований к качеству питающей воды (ГОСТ 20995-75) с предельными значениями: по содержанию железа 300 мкг/л, кислорода 30 мкг/л, значение PH = 7-11; значительные затраты времени и средств на разборку-сборку калорифера.

Преимущества конструкции теплообменника на тепловых трубах: легкая очистка от загрязнений; минимальные термические напряжения в конструкции; предотвращения загрязнения нагреваемого воздуха пылью, запахами; интенсивный внешний теплообмен между поверхностью теплообмена и нагреваемым воздухом; сравнительная простота изготовления, легкая взаимозаменяемость при эксплуатации; минимальное техническое обслуживание и уход; бесшумность; отсутствие повышенных требований к качеству горячей воды; более высокая теплопередающая способность (7200 Вт/(м2 К)) по сравнению с пластинчатым теплообменником; отсутствие затрат энергии на перекачивание промежуточного теплоносителя.

1 При изготовлении и испытании секций принимали участие инженеры Государственного технического

университета (г. Комсомольск-на-Амуре) Мыльников А.Л., Коркин М.В., Цыганок С.В., Шубенцев А.В.

Параметры секции теплообменника-калорифера с 26 неоребренными тепловыми трубами

Наименование Обозначение Единицы измерения Значение

Число неоребренных труб в секции п шт 26

Число секций в блоке шт 3

Диаметр трубы (наружный) ¿н м 0,027

Диаметр трубы (внутренний) ¿в м 0,021

Высота труб в зоне охлаждения н м 0,45

Высота зоны нагрева Н м 0,15—,20

Площадь наружной поверхности труб Гн м2 0,99

в зоне охлаждения

Масса 26 труб в секции тт кг 26

Длина обечайки (коллектора) Ь м 0,87

Диаметр наружной обечайки Дн м 0,215

Коэффициент теплоотдачи при свобод- «вс кВт/(м2 • К) 0,2-0,6

ной конвекции в воде

Коэффициент теплоотдачи при вынуж- «вв кВт/(м2 • К) 1,0-3,0

денной конвекции в воде

Тепловой поток, отводимый воздухом Объемный расход воздуха Массовый секундный расход воздуха Q ¿У* кВт м3/ч кг/с 1,9-3,0 670 0,21

В настоящей статье исследуются две секции теплообменников [3], предназначенные для изготовления калориферов. Цель работы: получить экспериментальные данные по теплообмену двух секций с оребренными и неоребренными тепловыми трубами, нагреваемыми в жидкости и охлаждаемыми воздухом.

Объект исследования: две секции со стальными тепловыми трубами. Секция № 1 — с 26 неоребренными тепловыми трубами, нагреваемыми в воде с расположенным в ней трубчатым электронагревателем (ТЭН). Секция № 2 — с 20 оребренными в зоне охлаждения тепловыми трубами, нагреваемыми в глицерине с расположенным в нем ТЭНом. Материал труб — сталь 20 с коэффициентом теплопроводности X = 51 Вт/(м К) [4].

Методика исследований. Температура горячей воды в коллекторе измеряется с помощью цифрового термометра (Аи 07721), устанавливаемого в отверстие диаметром 4 мм в стенке. Температура наружной поверхности тепловых труб измеряется с помощью бесконтактного термометра (СЕМ ДТ-8812) с погрешностью 2%. По причине отсутствия источника горячего водоснабжения и невозможности обеспечить заданный расход горячей воды в коллектор заливается теплоноситель (вода, глицерин), который разогревается до заданной температуры при помощи встроенного в торцевую стенку ТЭНа с электрической мощностью 3,2 кВт.

В табл. 1 приведены параметры секции № 1 теплообменника-калорифера, в табл. 2 — параметры секции № 2. В табл. 3 приведены параметры используемых в работе теплоносителей [4].

Далее используются следующие обозначения: Д, с1 — диаметр, м; g — ускорение свободного падения, м/с2; 8 — толщина, м; Н — высота, м; Ь, ^ — расстояние, м; Г — площадь поверхности, м2; т — масса, кг; Р — давление, н/м2; р — плотность, кг/м3; ю — скорость, м/с; q — плотность теплового потока Вт/м2; Q — тепловой поток, Вт; г — удельная теплота фазового перехода теплоносителя, Дж/кг; й„Увъ — объемный расход воздуха, м3/час; ¿ттвз — массовый секундный расход воздуха, кг/с; С — удельная тепло-

Параметры теплообменника-калорифера с 20 оребренными трубами

Наименование Обозначение Единицы измерения Значение

Количество оребренных труб п шт 20

Диаметр наружный неоребренной трубы dн м 0,027

Диаметр трубы внутренний dв м 0,021

Высота труб нт м 0,65

Высота зоны нагрева труб Нн м 0,27-0,3

Диаметр трубы оребренной ДР м 0,047

Площадь поверхности 1 неоребренной трубы в зоне охлаждения р„ ю-2 м2 2,54

Число ребер на 1 трубе пр шт 120

Толщина ребра 8р мм 0,5

Площадь поверхности 1 ребра Рр, 10-2 м2 0,116

Расстояние между ребрами ^р мм 2,5

Поверхность теплообмена 1 оребренной трубы в зоне охлаждения тр м2 0,16

Поверхность теплообмена 20 оребренных труб Р20 м2 3,2

Количество рядов труб п шт 7

Расстояние между 1 и 7 рядами ь м 0,58

Площадь проходного сечения по воздуху Рвз, 10-2 м2 2,07

Масса 1 трубы неоребренной тт кг 1,03

Масса 1 оребренной трубы Штр кг 1,57

Объемный расход воздуха dтVвз м3/ч 670

Массовый расход воздуха dzmвз кг/с 0,188-0,21

Таблица 3

Параметры теплоносителей при различной температуре

Параметр Размерность Вода t = 60° Вода t = 80° Метанол t = 50° Метанол t = 64,5° Метанол t = 80° Воздух t = 20° Воздух t = 27,5°

С Дж/(кг ■ К) 4179 4188 1540 1575 1700 1000 1000

Рп Па, 105 0,85 1,0 2,2

Рж кг/м3 983 972 765 755,5 735,5

Рп кг/м3 0,13 0,29 0,77 1,006 2,084 1,166 1,127

V ■ 106 м2/с 0,48 0,365 0,52 0,46 0,368 15,6 16,6

X Вт/(м ■ К) 0,659 0,674 0,202 0,202 0,2 0,026 0,026

Рг - 2,98 2,21 3,05 2,706 2,3 0,71 0,71

емкость, Дж/(кг ■ К); t — температура; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ■ К); X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м ■ К); V — коэффициент кинематической вязкости, м2/с. Критерии подобия: Ми = аd/X — Нуссельта; Яе = юd/v — Рейнольдса; Рг — Прандтля. Индексы: в — внутренний, вода; вз — воздух; ж — жидкость; к — кипение, коллектор; кд — конденсация; н — наружный, нагрев; п — пар; р — ребро, оребрение; 5 — насыщение; с — стенка; т — теплоноситель, труба; 1, 2 — внутренний; 1', 2' — наружный.

Результаты исследований. Расчет тепловой трубы. При шахматном расположении тепловых труб в коллекторе с шагом Sl = 0,095 и S2 = 0,025 м теплообмен на наружной поверхности тепловых труб описывается выражением [4]

Nu = 0,4 • Re°'6Pr°'33(Pr/Prc)°'2\, (1)

где ss = 1,132 — коэффициент.

Принимаем температуру и скорость горячей воды в коллекторе соответственно t„ = 90° и юв = 0,2 м/с, характерный размер dн = 0,027 м. После подстановки в (1) исходных данных получаем ав = 4760 Вт/(м2 ■ К). В случае юв = 0,05 м/с и t„ = 60% значение ав = 1882 Вт/(м2 ■ К).

Средний уровень теплоотдачи при пузырьковом режиме кипения жидкости определяется по выражениям [4]

ак1 = 0,075[ 1 + 10(рп/(рж- рп))2/3](A2/(v • а • t,)) • q2ß (2)

или

ак2 = 3,4 • (10Р)0Д8 • q2/3/( 1 - 0,045P), (3)

где q = а„At — плотность теплового потока. Принимаем минимальное значение перепада температур между водой и стенкой At = 5°. Тогда q = 23,8 кВт/м2. После подстановки в выражения (2) и (3) исходных данных получаем: ак1 = 3197 и ак2 = 2560 Вт/(м2 ■ К). Расхождение значений ак1 и ак2 не превышает 20%. В дальнейшем принимаем ак = 2560 Вт/(м2 ■ К).

Коэффициент теплоотдачи при конденсации паров теплоносителя определяется по зависимости [4]

акд = 0,94 • (г • рж • v/(H • At)) • (4)

2 0,33

где Z = А,- H •At/ (г • Рж • v) • [g/v (1 - Рж/Рп)] .

После подстановки в (4) исходных данных и при H = 0,3 м, At = 2—5° получаем акд = 4160 Вт/(м2 ■ К).

Тепловой расчет тепловой трубы сводится к решению системы уравнений

q = ав-(tв-11), q = А/Мt1-11), q = (t1-tsX ак(t1-ts) = акд-(ts-hX

(5)

q = акд^(ts-12), q = Аt2-12), q = «w(t2- ^з) •

Схема обозначений параметров тепловой трубы в уравнениях (5) показана на рис. 1, а обозначения поверхностей в уравнениях отсутствуют. При расчете принимается tвз = 20 и t, = 90°. После подстановки в уравнения (5) исходных данных получаем:

t\ = 85, t: = 84,3, t2 = 77,4, t'2 = 76,8°; авз = 191,6 Вт/(м2 ■ К). Для неоребренной тепловой трубы значение отводимого теплового потока Q = 276 Вт.

Тепловой поток, передаваемый тепловой трубой в продольном направлении определяется по выражению [2]

Q = A(t1 - t2)0,75, (6)

где A = 0,56 ■ п ■ dвн ■ ц0,75 ■ A* — параметр; A* и ц — параметры. A* = (r ■ рж ■ ■ g/v^0,25, ц = 2€и/(€и + €кд) ■ [(€и + С)/€и - С/О.

После подстановки в выражение (6) исходных данных получается Q > 500 Вт, т.е. Q > Qн = 276 Вт.

Результаты испытаний секции № 1 теплообменника-калорифера при отсутствии и наличии охлаждения труб пр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»