№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2010
УДК 536.24 + 532.5
© 2010 г. ЛЕОНТЬЕВ А.И., ОЛИМПИЕВ В.В.
ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ЗАКРУТКИ ПОТОКА И ДИСКРЕТНО ШЕРОХОВАТЫХ КАНАЛОВ*
(Обзор)
Дается краткий обзор по проблеме интенсификации теплообмена посредством закрутки потока и комбинации закрутки с другими способами интенсификации. Обсуждены дискретно шероховатые каналы. Проведен анализ энергосберегающей способности различных наиболее употребительных и перспективных способов закрутки потока и дискретно шероховатых каналов. Рассмотрены неординарные эффекты интенсификации в турбулентном режиме. Сформулированы задачи будущих исследований и технические рекомендации.
Введение. Энергосбережение — приоритет программного документа "Энергетическая стратегия России до 2020 года". Для реализации планов энергосбережения необходимы, в частности, разработка перспективного интенсифицированного по теплообмену высокоэкономичного энергооборудования и модернизация устаревших теплооб-менных аппаратов, эксплуатируемых на ТЭС, АЭС и промышленных предприятиях. Интенсификация теплообмена — наиболее доступный, технически и экономически обоснованный путь совершенствования теплообменного оборудования [1]. Целесообразные способы интенсификации теплообмена обеспечивают более выгодное соотношение между переданным количеством тепла Q и мощностью прокачивания теплоносителей N в интенсифицированном теплообменнике по сравнению с обычным. Соответственно возникает эффект энергосбережения при увеличении коэффициента Е = = Q/N (экономия энергии на собственные нужды ТЭС, АЭС или завода) [2, 3].
Интенсифицируя теплообмен можно многократно повысить коэффициент теплоотдачи и значительно улучшить массогабаритные характеристики теплообменного оборудования и энергоустановки в целом. Интенсификация тепломассообменных процессов экономически целесообразна во всех отраслях промышленности: теплоэнергетике [2—10]; ядерной технике [11 — 13]; авиационной технике [1]; химическом и нефтеперерабатывающем производстве; судостроении [14]; сельскохозяйственном и транспортном машиностроении и т.д.
Посредством интенсификации теплообмена возможно улучшить режим работы теплообменника, например, понизить температурный напор, т.е. понизить температуру стенки при фиксированной температуре теплоносителя или увеличить температуру теплоносителя при заданной максимально допустимой температуре стенки.
При разработке теплообменного оборудования используется широкий перечень способов интенсификации, некоторые для теплоэнергетики достаточно традицион-ны: использование турбулентного режима течения теплоносителей; уменьшение диаметра каналов; выбор оптимальной формы поперечного сечения каналов; тесные пучки труб; повышение скорости течения сред; оребрение поверхности теплообмена;
*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ. Грант № 07-08-00189.
применение турбулизаторов потоков теплоносителей; использование шероховатых поверхностей теплообмена; закручивание потоков теплоносителей; применение коротких каналов и прерывистых поверхностей теплообмена; наклон трубного пучка при конденсации пара на трубах; пленочное течение среды по поверхности теплообмена; использование криволинейных каналов; применение псевдоожиженного слоя; устройство поперечных перегородок в трубном пучке.
Например, при ламинарном и переходном режимах движения вязких сред в трубе наиболее перспективными способами интенсификации теплоотдачи можно считать: пружинные проволочные вставки; накатанные поперечные кольцевые выступы; ленточные закручиватели потока.
Общие физические принципы, лежащие в основе этих способов и объясняющие возможность получения положительного эффекта, в случае их применения, известны уже длительное время, однако, количественные зависимости для расчета теплообмена, гидросопротивления и определения оптимальных параметров интенсификаторов в широком диапазоне изменения геометрических размеров интенсификаторов теплообмена и гидродинамических условий течения определены не в полной мере. Поэтому исследования известных способов интенсификации продолжаются. Одновременно разрабатываются новые разновидности известных способов, требующие дополнительных обширных исследований. Кроме того, как продукт современного развития науки и техники, появляются принципиально новые способы интенсификации теплообмена.
Повышение технического уровня оборудования посредством интенсификации теплообмена улучшает общие характеристики теплоэнергетической установки, включающей интенсифицированные теплообменники. На настоящем этапе развития энергетики, при условии использования современных высоколегированных конструкционных сталей, возможности повышения тепловой экономичности ПТУ (и других теплоэнергетических установок) путем совершенствования тепловой схемы, повышения начальных параметров пара (достигающих 600° С, Дания, Япония) и повышения КПД турбин и котлов практически исчерпаны. Снижение удельного расхода топлива зависит от совершенства вспомогательного (теплообменного) оборудования энергоустановок, поэтому интенсификация теплообмена служит мощным средством повышения эффективности не только теплообменного оборудования, но и всей теплоэнергетической установки.
Большой практический эффект, который можно ожидать от применения интенсификации теплообмена при создании теплообменного оборудования, привел к активному исследованию и внедрению в промышленность различных способов интенсификации теплообмена. В современной научно-технической литературе число публикаций по исследованию способов интенсификации растет с течением времени по экспоненциальной зависимости. В мировой практике прогнозируется расширенное применение различных способов интенсификации и нарастающее серийное производство интенсифицированных поверхностей теплообмена. Обзор способов интенсификации приведен в работах [4—10] и других.
Один из перспективных способов интенсификации теплообмена — закрутка потока. По проблеме теории и практики закрученных потоков опубликовано большое количество работ, можно указать некоторые из них: [4, 8, 12—21]. Теоретическое и экспериментальное исследование закрученных потоков продолжается и в настоящие время [22—25]. Периодически результаты исследований обсуждаются в обзорах [26]. Однако активное изучение теплообмена и динамики закрученных потоков не привело пока из-за сложности проблемы к исчерпывающему решению всех актуальных вопросов. Например, в литературе отсутствует сравнение теплогидравлической эффективности различных способов закрутки потока (между собой), применяемых для интенсификации теплоотдачи в каналах. Не проведено полноценное сравнение эффективности закрутки с другими методами интенсификации теплообмена. В некоторых частных слу-
чаях такое сопоставление проведено в работах [2—4, 7, 8, 10, 15, 17, 22, 24, 25] и ряде других.
Задачи настоящей работы:
— представить обзор способов закрутки потока, используемых для интенсификации теплообмена в каналах теплообменного оборудования ТЭС, АЭС и предприятий;
— обсудить эффективность интенсификации теплообмена посредством комбинации закрутки с другими методами интенсификации;
— дать систематизированную сравнительную характеристику энергосберегающих потенциалов большого числа способов закрутки между собой и по отношению к другим методам интенсификации теплообмена в каналах;
— сформулировать рекомендации, полезные для проектирования (и модернизации) энергосберегающего интенсифицированного теплообменного оборудования в различных областях техники;
— поставить задачи будущих исследований.
В данной работе рассматриваются в основном однофазные потоки и закручиватели, расположенные непрерывно по длине канала.
1. Закручиватели потока, значительно перекрывающие поперечное сечение исходного канала, и змеевики
Закручивание потока теплоносителя в трубе существенно интенсифицирует теплоотдачу. В закрученном потоке центробежные силы оттесняют поток к стенке трубы, при этом возникает вторичное поперечное течение среды и увеличение пристенной скорости потока (суммирование продольного и поперечного течения), что содействует улучшению теплообмена [4, 8, 15]. Закрутка потока обеспечивается закрученной металлической лентой, вставленной по всей длине канала и создающей постоянную закрутку вдоль трубы, или местными закручивателями потока, интенсивность закрутки за которыми постепенно затухает под влиянием вязкого трения в потоке. Возможны и другие способы. Закручивание потока открывает возможность значительного повышения эффективности энергетических теплообменников.
Расчеты для воздухоподогревателя энергоблока мощностью 800 МВт при поперечном обтекании воздухом шахматного пучка со спиральными лентами в трубах показали, что поверхность нагрева уменьшается на 23% при одинаковом гидросопротивлении с обычной гладкотрубной конструкцией. При толщине ленты 1 мм расход металла на закручиватели составляет ~4% от расхода на трубы [8]. В парогенерирующих трубах котлоагрегатов закрутка двухфазного потока приводит к вытеснению пара от стенки жидкостью, отбрасываемой к стенке под влиянием центробежных сил. Обеспечиваются интенсивное охлаждение стенки жидкостью, задержка кризиса теплообмена и соответствующее предотвращение опасного перегрева стенки. Эффективно применение закрутки и для некипящего потока.
Формулы для определения теплообмена и трения в трубах с постоянной закруткой приведены в [8]. Расчеты теплоотдачи и гидросопротивления при местной закрутке в канале возможно провести на основе [16, 17].
Интенсификация теплообмена закручиванием потока часто используется в каналах сборок тепловыделяющих элементов ядерных энергетических установок [12, 13, 19, 20].
Ленточные и другие завихрители потока эффективно применяются в технологических и промышленных котлах с дымогарными трубами при работе их на относительно чистых горячих газах (сжигание газа, мазута). Ленточный завихритель, производимый серийно одной зарубежной фирмой, при шаге закрутки 0,712 м, ширине ленты 66 мм и толщине 1,4 мм увеличивает теплоотдачу на 65%, а гидросопротивление на 160% по сравнению с гладкой трубой
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.