CC BY
67
УДК 621.6.03
РО!: 10.25206/1813-8225-2018-162-67-70
А. Г. МИХАЙЛОВ О. В. ВДОВИН Е. Н. СЛОБОДИНА
Омский государственный технический университет, г. Омск
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ЖАРОТРУБНОМ КОТЛЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НАНОЖИДКОСТИ В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
в статье предложено решение проблем, связанных с интенсификацией тепло-переноса со стороны высокотемпературного органического теплоносителя за счет использования наночастиц. Представлено критериальное уравнение, характеризующее теплообмен в объеме высокотемпературного органического теплоносителя при естественной конвекции для чистой и наножидко-стей. Рассмотрены основные уравнения для теплового расчета жаротрубного котла. По результатам расчетного эксперимента построены графики зависимости коэффициента теплоотдачи со стороны жидкостного теплоносителя и топки котла, температуры стенки топки котла, коэффициента теплопередачи для газотрубного пучка, площади конвективного газотрубного пучка от объемной доли наночастиц в теплоносителе.
Ключевые слова: высокотемпературный теплоноситель, жаротрубный котел, наножидкость, температура стенки, коэффициент теплоотдачи.
Введение. Процесс выработки теплоты жаро-трубными водогрейными котлами имеет свою специфику и особенности. В жаротрубных котлах режим течения воды в зоне нагрева у жаровой трубы близок к ламинарному, конструкция котлов предполагает наличие застойных зон либо зон с невысокой скоростью движения. В таких зонах течение воды осуществляется в основном за счет свободной конвекции.
Из-за низкой скорости движения воды в котле на теплообменных поверхностях возникает пристенное кипение. В случае недостаточного качества воды это явление сопровождается накипеобразо-ванием и может вызвать пережог поверхностей нагрева.
Широкое применение в энергетике, в процессах нагрева, нашли высокотемпературные теплоносители (минеральные и синтетические масла). Их применение обусловлено рядом преимуществ: нагрев до высоких температур при атмосферном давлении, малая коррозионная активность по отношению к поверхностям нагрева котла, отсутствие местных вскипаний жидкости. Однако, как показывают расчеты, имеются ухудшения процессов теплообмена со стороны высокотемпературных теплоносителей, по сравнению с водой. Это ведет к увеличению габаритов котла при работе на одинаковой теплопроизводительности. Ухудшение теплообмена вызвано, прежде всего, более низким коэффициентом теплопроводности высокотемпературных теплоносителей по сравнению с водой. Появляется необходимость в интенсификации теплообмена
в жаротрубном котле со стороны жидкостного теплоносителя.
Методы интенсификации можно подразделить на пассивные, которые не требуют прямых затрат энергии, и активные, которые требуют затрат энергии извне. Одним из подходящих методов интенсификации теплообмена является пассивный метод — добавление в жидкость твердых частиц вещества с высокой теплопроводностью. Он не подразумевает изменений габаритных характеристик котла, а влечет лишь изменение теплофизических свойств теплоносителя.
Таким образом, добавление твердых частиц в жидкость может увеличить теплопроводность жидкостей. Но добавление твердых частиц сопровождается следующим:
— образованием отложений из-за нестабильности смесей;
— возрастают гидравлические сопротивления;
— возможен абразивный износ поверхностей нагрева котла.
Из-за этих недостатков использование твердых частиц в теплоносителе не нашло широкого практического применения. Недавние улучшения в нано-технологиях позволили использовать мелкие твердые частицы диаметром менее 10 нм. Полученные таким образом жидкости имеют более высокую теплопроводность и известны как наножидкости
[1-3].
Объект исследования. Основные элементы жа-ротрубного котла — это жаровая труба и конвективный газотрубный пучок. Большинство жаро-
Рис. 1. Схема жаротрубного котла с трехходовым движением продуктов горения: 1 — поворотная камера; 2 — коллекторная камера дымовых газов; 3 — отражатель; 4 — жаровая труба; 5 — горелочная плита с обмуровкой; 6 — дымогарные трубы; 7 — люк-лаз; 8 — горелка; 9 — люк для очистки; 10 — патрубок для выхода теплоносителя; 11 — патрубок для входа теплоносителя; 12 — патрубок дымохода; 13 — взрывной люк; 14 — дренаж и циркуляция; 15 — стойки; 16 — изоляция
трубных котлов изготавливаются из теплоизолированного цилиндрического корпуса, который заполняется теплоносителем и в котором располагаются топка (жаровая труба) и конвективный газотрубный пучок. Передача теплоты от факела и продуктов горения к стенам жаровой трубы осуществляется преимущественно путем излучения. Пройдя жаровую трубу, продукты горения, отдав теплоту теплоносителю, направляются в конвективный пучок труб, где, охладившись до необходимой температуры, удаляются через дымовую трубу. [4, 5]. Схематичная конструкция жаротрубного котла представлена на рис. 1.
Методика. Тепловой расчет жаротрубного котла обычно разделяют на две составляющие — это расчет топки и расчет пучка дымогарных труб. Это вызвано тем, что эти части имеют различные геометрические параметры, а теплообмен между продуктами сгорания и стенками котла имеет различный характер — в топке это, преимущественно, излучение, а в пучке дымогарных труб конвекция.
Расчет теплообмена в топке жаротрубного котла основывается на нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов [6].
В общем виде тепловосприятие поверхностей нагрева в топке определяется из уравнения теплообмена, которое, исходя из закона Стефана — Боль-цмана, может быть представлено в виде:
ОТ
• сп • ш • Г • (г4 - Г4 )• 10-:
0 о э сш \ сш!
где Ол — количество теплоты, переданное излучением; ОК — количество теплоты, переданное конвекцией [7].
При расчете конвективных поверхностей нагрева используется уравнение теплоперед-чи и урав-нение теплового баланса.
Уравнение теплопешедачи:
Оша КН • М И Нр .
Уравнение теплового баланса: Отаф- (I'- I') .
В этих уравнениях К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К); Д0 — темп ер атур ный на пор , °С; В — расчетный расходтоплива, мз/с; Н — расчетная поверхность нагрево, мр ш — коэффициент сохранения теплоты; I', I" — энтлиьпии продуктов сгорааия на входе в поверхн оснь на ар ева и н а выходе из нее, кДж/м3 [7].
Коэффициент тепоопередачи в конвективном пучке труб:
К
Т • «по • «с
где а — коэфДицнлнт тепло отдачи со стороны продуктов горениш; аж — коэффициент теплоотдачи со стороны жидкого тдплдносдтдлс ; ддг — додффи-циент тепловой эффективности [6, Л].
В жаротрубных к-воах те плота от по ве рхно св°й нагрева к теплоноситевпю передается преимущественно за счет свободной конвекции. Основными величинами, харакзеризкющима /тот процесс, являются коэффшциепты тепоопередаши (К) и тепво-отдачи (аж) со стороны жидкостного теплоносителя.
Теплообмнб при еатеснвенной конвекции в большом объеме для высокотемпературных органических теплонооителеД апктываеаси критериальным уравнением [2]:
дои а ЧСваИви,
где С и т — постояеные, кринимаемые в зависимости от ведичилы крттерия Сг:
Ыв 10т - 109 109 - 101т
о,от 0,100
1° 1/8
Показатель сте0тни п определяется по уравнению [2]:
и а 0,3 +
где о'л — течловосприятие поверхности нагрева; ат — интегральный коэффициент теплового излучения топко; с0 — коэффицнент излучения абсолютно черного тела; — коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева; Рсш — площадь поверхностл стено-, огран!^чивающих топку; Т — средняя температура продуктов сгорания в топке; р4 — сеенняя температура поверхности нагре-ва"[7].
Суммарное количество теплоты, переданное в топке:
Як = °с + Од ;
0,0Т ИвГКЗ '
Для определения темперотур поверхностей нагрева жаротрубного котла можно воспользоваться уравнением, выраженным из закона Ньютона — Рихмана:
о
где — температура теплоносителя; аж — коэффициент теплоотдачи со стороны жидкого теплоносителя; — температура стенки поверхности нагрева котла; д — плотность теплового потока.
«пи + и
а
Ссш н с с +
а
с
Как видно из представленных выше уравнений, теплофизические и теплообменные характеристики теплоносителя оказывают большое влияние на процессы теплопереноса в жаротрубном котле.
На данный момент существует множество методик нахождения теплофизических свойств нано-жидкостей, но нет общей модели. Различные модели нахождения основных теплофизических свойств наножидкостей представлены в работах [8-13].
Зарубежными исследователями было проведено множество экспериментальных работ по изучению коэффициента теплопроводности различных нано-жидкостей. Например, в экспериментальном исследовании [14], где в качестве наножидкости использовалась вода с наночастицами оксида алюминия, наблюдалось улучшение коэффициента теплопередачи от 35 до 45 % при различных значениях числа Рейнольдса. При более низких объемных долях на-ночастиц в теплоносителе коэффициент теплопередачи был ниже, но наблюдалось повышение теплопроводности наножидкости.
Что касается типа наночастиц, то, согласно работам [14, 15], добавление наночастиц оксидов металлов приводит к повышению коэффициента теплопередачи до 50 %. Наибольшие улучшения коэффициентов конвективного теплообмена (до 150 %) наблюдались в суспензиях углеродных нанотрубок в воде, что объясняется более высоким коэффициентом теплопроводности наножидкостей данного типа.
обсуждение результатов. В качестве теплоносителей в расчетном исследовании приняты дитолил-метан и наножидкость на его основе (дитолилме-тан + Си) с различной объемной долей наночастиц (от 0 до 0,2). Режим нагрева дитолилметана: тем-
пература на входе в котел — 80 °С, на выходе из котла — 100 °С. Теплопроизводительность котла — 0,5 МВт.
Основные результаты тепловых расчетов жа-ротрубного котла на высокотемпературном нано-жидкостном теплоносителе с различной объемной долей наночастиц представлены в виде графиков на рис. 2-5.
Расчеты показывают, что с повышением концентрации наночастиц в жидкости значительно увеличивается коэффициент теплоотдачи со стороны наножидкости (рис. 2). Это вызвано увеличением коэффициента теплопроводности, плотности и числа Нуссельта соответственно. Можно сделать вывод, что эти характеристики оказывают наибольшее влияние на теплообмен и теплопередачу, чем, например, изменение вязкости наножидкости.
Вследствие увеличения коэффициента теплоотдачи наблюдается снижение температуры стенок жаровой трубы и конвективного пучка труб (рис. 3).
За счет увеличения коэффициента теплопередачи в конвективном газотрубном пучке (рис. 4) снижается теплообменная площадь газотрубного пучка (рис. 5).
Выводы. Расчетное исследование жаротрубного котла на высокотемпературном наножидкостном теплоносителе показало, что с увеличением объемной доли наночастиц в теплоносителе происходит интенсификация теплообмена со стороны жидкостного теплоносителя, снижается температура стенок поверхностей теплообмена котла, уменьшаются габаритные характеристики котла.
С изменением объемной доли наночастиц в дитолилметане от 0 до 0,2 наблюдается увеличе-
ние коэффициента теплоотдачи от 219 Вт/(м2К) до 348 Вт/(м2К), снижение температуры стенок жаровой трубы со 310 °С до 230 °С и стенок конвективного газотрубного пучка со 125 °С до 112 °С, теплообменная поверхность конвективного газотрубного пучка котла уменьшается до 4 % за счет увеличения коэффициента теплопередачи от 18,95 Вт/(м2К) до 19,7 Вт/(м2К).
Представленные результаты создают предпосылки для создания высокоэффективного жаро-трубного котла с улучшенными массогабаритными характеристиками.
Библиографический список
1. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 488 с.
2. Чечеткин А. В. Высокотемпературные теплоносители. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1971. 496 с.
3. Efstathios E. (Stathis) Michaelides. Nanofluidics. Thermodynamic and Transport Properties. Springer International Publishing, 2014. 335 p. ISBN 978-3-319-05620-3.
4. Брюханов О. Н., Кузнецов В. А. Газифицированные котельные агрегаты. М.: Инфра-М, 2005. 390 с. ISBN 5-16002442-5.
5. Annaratone D. Steam Generators. Description and Design. Heidelberg: Springer Berlin, 2008. 427 p. ISBN 978-3-540-77715-1; 978-3-540-77714-4.
6. Кузнецов Н. В., Митор В. В., Дубровский И. Е., Караси-на Э. С. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1973. 296 с.
7. Михайлов А. Г., Вдовин О. В., Слободина Е. Н. Процессы теплообмена в объеме жаротрубного котла с неводяным теплоносителем // Омский научный вестник. 2018. № 3 (159). С. 37-40. DOI: 10.25206/1813-8225-2018-159-37-40.
8. Pak B. C., Choi Yo. I. Hydrodynamic and Heat Transfer Study of Dispersed Fluids With Submicron Metallic Oxide Particles // Experimental Heat Transfer. A Journal of Thermal Energy Generation, Transport, Storage, and Conversion. 1998. Vol. 11, Issue 2. P. 151-170. DOI: 10.1080/08916159808946559.
9. Xuan Yi., Roetzel W. Conceptions for heat transfer correlation of nanofluids // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2000. Vol. 43, Issue 19. P. 3701-3707. DOI: 10.1016/S0017-9310(99)00369-5.
10. Udawattha D. S., Narayana M., Wijayarathne U. P. L. Predicting the effective viscosity of nanofluids based on the rheology of suspensions of solid particles // Journal of King Saud University - Science. 2017. DOI: 10.1016/j.jksus.2017.09.016.
11. Tyagi H., Khullar V. Application of Nanofluids as the Working Fluid in Concentrating Parabolic Solar Collectors //
Proceedings of the 37th National and 4th International Conference on Fluid Mechanics and Fluid Power, Dec. 16-18, 2010. India, Chennai, Madras, IIT, 2010. P. 16-18.
12. Udawattha D. S., Narayana M. Development of a Model for Predicting the Effective Thermal Conductivity of Nanofluids: A Reliable Approach for Nanofluids Containing Spherical Nanoparticles // Journal of Nanofluids. 2018. Vol. 7, Issue 1. P. 129-140.
13. Михайлов А. Г., Вдовин О. В., Слободина Е. Н. Теплообмен в элементах жаротрубного котла с изменением те-плофизических свойств теплоносителя // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 73-78. DOI: 10.25206/1813-82252018-160-73-78.
14. Wen D., Ding Yu. Experimental investigation into convective heat transfer of nanofluids at the entrance region under laminar flow conditions // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2004. Vol. 47, Issue 24. P. 5181-5188. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.07.012.
15. Ding Yu., Alias H., Wen D., Williams R. A. Heat transfer of aqueous suspensions of carbon nanotubes (CNT nanofluids) // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006. Vol. 49, Issue 1-2. P. 240-250. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.07.009.
МИХАИЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Теплоэнергетика». SPIN-код: 7337-8036 AuthorID (РИНЦ): 385534 AuthorID (SCOPUS): 56503044200 ВДОВИН Олег Владиславович, магистрант гр. ТЭм-171 факультета элитного образования и магистратуры.
SPIN-код: 8721-5737 AuthorID (РИНЦ): 939315
СЛОБОДИНА Екатерина Николаевна, старший
преподаватель кафедры «Теплоэнергетика».
SPIN-код: 3785-9045
AuthorID (РИНЦ): 763109
Адрес для переписки: oleg95_15.03@mail.ru
Для цитирования
Михайлов А. Г., Вдовин О. В., Слободина Е. Н. Интенсификация теплообмена в жаротрубном котле при использовании наножидкости в качестве теплоносителя // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 67-70. DOI: 10.25206/1813-82252018-162-67-70.
Статья поступила в редакцию 01.11.2018 г. © А. Г. Михайлов, О. В. Вдовин, Е. Н. Слободина
