Оценка эффективности насадок регенеративных теплообменных аппаратов
Автор: Шашкин Владимир Юрьевич, Торопов Евгений Васильевич
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Теплоэнергетика
Статья в выпуске: 12 (84), 2007 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается подход к оценке теплогидродинамической эффективности поверхности теплообмена регенеративных теплообменных аппаратов.
Короткий адрес: https://sciup.org/147158020
IDR: 147158020
Текст научной статьи Оценка эффективности насадок регенеративных теплообменных аппаратов
Рассматривается подход к оценке теплогидродинамической эффективности поверхности теплообмена регенеративных теплообменных аппаратов.
Важнейшим показателем совершенства теплообменного аппарата является энергетическая или теплогидродинамическая эффективность профиля рабочей поверхности и в целом каналов, по которым движется рабочая среда
Чем эффективнее используется энергия потоков в целях интенсификации теплоотдачи, тем выше коэффициент теплопередачи в аппарате данной конструкции при постоянном гидравлическом сопротивлении и тем более рациональна форма рабочей поверхности. Энергетическая эффективность формы поверхности и профиля каналов, в конечном счете, определяет общие размеры поверхности теплопередачи в аппарате при заданной тепловой нагрузке, температурных и гидромеханических условиях работы.
Теплообменные аппараты более совершенные в теплогидродинамическом смысле позволяют повысить температуру нагреваемого теплоносителя и получить больший энергосберегающий эффект в теплотехнологическом процессе при тех же габаритах установки.
При фиксации температуры нагреваемого теплоносителя, когда теплообменный аппарат входит в единую тепловую схему с другими устройствами, высокоэффективные поверхности нагрева позволяют снизить массогабаритные показатели, что особенно важно для транспортных установок
В экономическом плане более совершенные поверхности нагрева позволяют более рационально распорядиться текущими затратами энергии на перемещение теплоносителя в направлении получения заданной тепловой мощности Q, Вт.
Совершенство теплообменной поверхности с энергетической точки зрения можно охарактеризовать соотношением переданного количества тепла Q через данную поверхность теплообмена и энергии N, затраченной движущимся теплоносителем на преодоление сопротивления [1]
N VAp ’
где V - объемный расход теплоносителя, м7с; F - площадь теплообменной поверхности, м2; a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); АР - гидродинамическое сопротивление при перемещении теплоносителя относительно поверхности теплообмена, Па.
Мощность, затрачиваемая на перемещение теплоносителей в теплообменнике, определяет в
Серия «Энергетика», выпуск 7
значительной степени величину коэффициента теплоотдачи или общую теплопроизводительность аппарата. Абсолютное значение коэффициента Е не может служить мерой теплогидродинамического совершенства теплообменного аппарата, а полезно только при сопоставлении двух или нескольких аппаратов.
В регенеративных воздухонагревателях доменных печей применяются насадки с каналами различного вида и выполненные из различных материалов, эти насадки имеют различные теплогидравлические характеристики.
Потери напора в каналах насадки в общем случае складываются из преодоления сопротивления входа в каналы АРВХ, потери напора на преодоление трения в каналах АРтр и потерь напора на преодоление сопротивления при выходе из каналов в поднасадочное устройство АРВЫХ, включая сопротивление поднасадочных устройств, колонн, решеток и т.д. Полагая, что АРВХ и АРВНХ не зависят в значительной степени от типа теплообменной поверхности насадки, будем относить все затраты мощности на перемещение продуктов сгорания в период нагрева только к АРтр.
Строго говоря, чистые потери на преодоление сил трения относятся только к простым каналам, не имеющим турбулизирующих элементов макроразмера. Большинство типов насадок с улучшенными теплообменными характеристиками имеют подобные турбулизирующие элементы, но при экспериментальном изучении их теплогидравлических характеристик потери на преодоление местных сопротивлений турбулизирующих элементов условно относят к относительной длине канала Ud, тем самым обеспечивается точность расчетов по формуле для потерь напора на преодоление сил трения
Число Эйлера для подобных условий течения в каналах насадки можно определить по формуле
AEL 1 I
= (3) pw 2 d
При известной из опытов гидравлической характеристике л = A Re" эта зависимость преобразуется к виду
Еи = -АКет-. (4)
-
2 d
Затраты мощности на перемещение теплоносителя с учетом только преодоления сил трения NT, Вт, определяются произведением ЕР^У^ , где У^ - общий расход продуктов сгорания, определяемый произведением У^=ВУа, м3/с, где В - расход топлива, м3/с, /„ - удельный выход продуктов сгорания, зависящий от состава топлива и коэффициента расхода воздуха а.
Общее живое сечение каналов насадки ^ = /ж^нас определяется произведением удельного живого сечения Д, м2/м2, и поперечного сечения камеры насадки Рнас, м2. При заданных размерах камеры насадки FHac, м2 и Янас, м, получаем К™, = ^няс^нас и * = в формуле (3). Полная поверхность теплообмена насадки F определяется произведением F = Кнас/Уд, где /уд - удельная поверхность нагрева насадки в единице объема, м2/м3.
Рассмотрим три насадки. Примем расход газа через насадки У^ =100000 м3/ч = 27,8 м3/с; FHac =30 м2; Re>2500; газ-воздух; теплопроводность и плотность воздуха берем при 750 °C. Используя экспериментальные данные по коэффициентам теплоотдачи конвекцией и коэффициентам гидравлического сопротивления в насадках [2], получим:
-
- насадка с квадратными сплошными каналами с ячейкой 45x45 мм с конструктивными параметрами: /уд=24,9 м2/м°, /ж=0,28 м2/м2, <4=0,045 м
„ wd, VTd. ,
Re = —2- = —= 1290;
v AAacv g _ Q _ _ ^^уд^^нас _
N У^Ер / pW2 d 2 2
2Ц/уДАас f-K ^2
ХрУ^
0,036-^7-Re0’8 /„„F^f^d.
0,045 j уд нас 7 ж э
0,3164 з
=2 528/^^^
’ P^3
= 39,98Re'05 =73784;
-
- насадка НК-2 с конструктивными параметрами /уд=29,8 м2/м3, /ж =0,419 м2/м2, <4=0,055 м
Re = 1054;
0,1248-——Re0’74 LaFHa3f^d3
0,055 уд _
= 78,375 Re1'025 = 98 3 08;
- насадка БНИ-12-2 с конструктивными параметрами / =33,7 м2/м3, / =0,335 м2/м2, <4=0,041 м, d уд 7 7 J Ж 7 7 0 3 7
Re = 982,78;
3,66—У-Re0,14 L„F3L?d3
0,041 d уд нас d ж э л, Re'-’4/ F 3/ 2/
, 2э 1 д=----------=
РУ
= 34,37 Re1-14 = 88629,79.
Поверхность теплообмена насадки НК-2 совершеннее с теплогидродинамической точки зрения.
Показатель эффективности может служить для сравнительной оценки эффективности насадок регенеративных теплообменных аппаратов. После анализа необходимо учесть Е для второй половины цикла, эффект теплообмена излучением, экономические оценки массогабаритных характеристик и др.
Список литературы Оценка эффективности насадок регенеративных теплообменных аппаратов
- Теплообменные аппараты и системы охлаждения ГТУ и комбинированных установок/В.А. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.А. Манушин, М.И. Осипов. -М.: Изд-во МГТУ, 2004.
- Определение размеров воздухонагревателей для печей большого объема/Ф.Р. Шкляр, В.М. Малкин, М.И. Агафонова, Э.А. Певная//Металлургическая теплотехника (Тематический отраслевой сб. № 1). -М.: Металлургия, 1972. -С. 132-140.