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, м22, 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, м23.

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 м22, <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-Re08 /„„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 м23, /ж =0,419 м22, <4=0,055 м

    Re = 1054;

0,1248-——Re074 LaFHa3f^d3

0,055 уд          _

= 78,375 Re1'025 = 98 3 08;

- насадка БНИ-12-2 с конструктивными параметрами / =33,7 м23, / =0,335 м22, <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.
Статья научная