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 АР_ВХ, потери напора на преодоление трения в каналах АР_тр и потерь напора на преодоление сопротивления при выходе из каналов в поднасадочное устройство АР_ВЫХ, включая сопротивление поднасадочных устройств, колонн, решеток и т.д. Полагая, что АР_ВХ и АР_ВНХ не зависят в значительной степени от типа теплообменной поверхности насадки, будем относить все затраты мощности на перемещение продуктов сгорания в период нагрева только к АР_тр.

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 = -АКе^т-.                   (4)

• 2 d

Затраты мощности на перемещение теплоносителя с учетом только преодоления сил трения N_T, Вт, определяются произведением ЕР^У^ , где У^ - общий расход продуктов сгорания, определяемый произведением У^=ВУ_а, 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 Р_нас, м². При заданных размерах камеры насадки F_Hac, м² и Я_нас, м, получаем К™, = ^няс^нас ^и * = в формуле (3). Полная поверхность теплообмена насадки F определяется произведением F = К_нас/_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; F_Hac =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 / p_W² d 2 ²

2Ц/у_ДАас 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 L_aF_Ha³f^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-Re^0,14 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.