CC BY
69
УДК.64-69
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ С ПОРИСТЫМИ ВСТАВКАМИ В СИСТЕМЕ СЕРВИСА
Козлов Владислав Валерьевич, аспирант кафедры «Инженерная экология и химические технологии», walgard@yandex.ru.
Пелевин Федор Викторович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой
«Инженерная экология и химические технологии», pelfv@rambler.ru
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
The article reviews the ways of decrease in ecological danger of heat power equipment in service industry and methods of increase in their ecological safety. The problems arising from the increase in power efficiency of equipment are considered, the usage of heat exchange devices with porous filling is offered. The analysis of construction structure is made and the recommendations on defining working conditions of heat exchange devices with porous filling for service industry businesses are worked out.
Рассмотрены способы снижения экологической опасности теплоэнергетического оборудования в системе сервиса и методов повышения их экологической безопасности. Рассмотрены возникающие проблемы на пути повышения энергетической эффективности оборудования, предложено использование теплообменных аппаратов с пористыми наполнителями. Проведен анализ состояния конструкции и разработаны рекомендации по определению рабочих параметров теплообменных аппаратов с пористыми вставками для предприятий сервиса.
Keywords: ecology, heat exchange devices, porous materials
Ключевые слова: экология, теплообменные аппараты, пористые материалы Автономные станции теплоноснабжения предприятий сервиса являются источниками химического и теплового загрязнения, при этом потери с теплотой уходящих газов составляет 5-12% от располагаемой теплоты топлива. Основными направлениями снижения потерь теплоты является уменьшение коэффициента избытка воздуха, снижение количества балластного воздуха и снижение температуры уходящих газов [4].
Снижение коэффициента избытка воздуха требует применения более эффективных смесительных устройств (например, с использованием газо-жидкостных центробежных форсунок) [11], подсос балластного воздуха отсутствует при организации процесса горения под избыточным давлением. Для снижения температуры уходящих газов используются воздухоподогреватели и экономайзеры, в которых теплота дымовых газов передается воздуху, подаваемому в топку. Для обеспечения минимальной разности температур между уходящими дымовыми газами и воздухом необходимо использование более эффективных теплообменных аппаратов.
Увеличение давления приводит к существенному повышению механических нагрузок, а соотношение компонентов и улучшение параметров смешения вызывает увеличение теплового потока в стенки топочной камеры. Таким образом, снижение выбросов автономных станций напрямую связано с увеличением тепловых и механических нагрузок на конструкцию теплообменного оборудования, что ставит задачу создания надежного теплообменного аппарата (ТА) с высоким уровнем интенсификации теплообменных процессов. Кроме уменьшения выбросов использование высокоэффективных ТА приводит к снижению рабочей температуры поверхностей ТА и повышению его надежности и срока службы.
Благодаря высокой надежности, эффективности и сравнительной простоте конструкции, широкое распространение получили пластинчато-ребристые, пластинчатые и трубчатые витые ТА с внешним оребрением. Применение оребрения в данных ТА способствует интенсификации теплообменных процессов в 1,5..3 раза по сравнению с гладким каналом. Однако, по мнению В.К. Мигая, в таких трактах уже достигнут предел интенсификации теплообмена [6].
Дальнейшее увеличение интенсификации теплообмена в ТА возможно при использовании искусственной шероховатости [3]. Интенсификация теплообмена в таких трактах достигается путем разрушения пристеночного ламинарного слоя у теплопередающей поверхности при сохранении структуры ядра потока. При рациональном использовании искусственной шероховатости возможно увеличение коэффициента теплоотдачи в 2..3 раза. Однако увеличение коэффициента теплоотдачи в данных трактах также связано с быстрым ростом гидравлического сопротивления.
Качественное увеличение поверхности оребрения в теплообменных трактах может быть достигнуто применение пористых материалов. Суть использования пористых материалов для создания ТА заключается в интенсификации теплообменных процессов в проточной части теплообменного тракта путем полного или частичного заполнения его пористым материалом, консолидированным с непроницаемыми стенками. Интенсификация теплообмена обеспечивается развитой внутренней поверхностью поровых каналов в объеме пористого материала [7]. При исследовании подобных ТА [10], отмечено увеличение теплоотдачи в 1,5..4 раза при возрастании гидравлического сопротивления в 4..12 раз. Такие характеристики определили область применения данных трактов в лазерной энергетике, где основным параметром теплообменного аппарата является максимальная тепловая нагрузка.
В большинстве работ по применению пористых материалов рассматривается продольное течение теплоносителя через пористый материал, отмечается высокий коэффициент теплоотдачи и большое гидравлическое сопротивление. При переходе от одномерного продольного течения теплоносителя к двумерному продольно-поперечному течению наблюдается резкое падение гидравлического сопротивления [8].
Наиболее совершенными пористыми материалами для теплообменных трактов являются пористые сетчатые материалы (ПСМ), получаемые методом диффузионновакуумной сварки пакетов металлических сеток представленные на рис. 1 [1], где а -фильтровая саржевая односторонняя сетка; б - сетка с квадратными ячейками; в - вязаная сетка переплетения типа гладь. Могут быть использованы любые металлы, из которых могут быть изготовлены сетки: стали, никель, медь, бронза и др. [5].
По сравнению с пористыми материалами на основе порошков, ПСМ из тканых и трикотажных сеток отличаются высокой прочностью, технологичны, имеют широкий диапазон пористости, исключают возможность миграции твердых частиц материала в фильтруемую среду [1].
Рис. 1. Микроструктура ПСМ
Таким образом, наибольшей эффективностью из рассмотренных конструкций теплообменных трактов ТА обладают тракты с межканальной транспирацией теплоносителя (МКТТ) с использованием пористых сетчатых материалов из тканых сеток. Конструкция ТА и схема течения жидкости в тракте представлена на рис. 4.
Основными элементами теплообменного тракта с МКТТ являются: 1 - внутренняя стенка, необходимая для разделения потоков теплоносителей; 2 - пористая вставка, жестко скрепленная методом пайки с внутренней оболочкой 1; 3 - внешняя оболочка, воспринимающая механическую нагрузку. Во внешней оболочке 3 имеются продольные подводящие и отводящие каналы, при этом, жидкость подается в подводящие каналы при давлении подачи рж.вх, а отводится через подводящие каналы при давлении жидкости рж.вых. Под действием разности давления между подводящими и отводящими каналами теплоноситель после выхода из подводящего канала поступает в пространство поровых каналов вставки 2, ограниченное внутренней стенкой 1 с одной стороны и наружной стенкой 3 с другой. Внутри теплообменного аппарата протекает второй теплоноситель при давлении Рг. Теплопроводность каркаса пористой вставки 2 значительно превышает теплопроводность теплоносителя, следовательно, переносом теплоты жидкостью можно пренебречь и считать температуру пористой вставки постоянной [7].
подводящий
отводящий
канал
Рис. 2. Тракт КТА с пористой вставкой рж.вх - давление жидкости в подводящем канале; рж.вых - давление жидкости в отводящем канале; рг - внутреннее давление; 1 -внутренняя стенка; 2 - пористая вставка; 3 -
наружная оболочка;
На основе равенства работ внешних сил и энергии формоизменения, уравнений теории упругопластических деформаций составлена система уравнений, связывающая внешние и внутренние силовые факторы, действующие на конструкцию теплообменного аппарата с пористыми вставками.
Приведем уравнения равновесия элемента конструкции в окружном и осевом направлениях
Ра Я - Р* Н" (1 -Пу) = а 'уН" + а уН" + а у Н" (1)
д • (Н ' + Н" + Н") - р* • Н" = а 'ХН" + а> " + аХ Н" ,(2)
б
интенсивность осевой нагрузки Q.
2пЯ • (Н " + Н " + Н"" )
Деформации оболочек совместны, при этом полные деформации одинаковы, следовательно, система деформаций запишется в виде уравнений:
ех = ех,1 + а г еу = еу,1 + а г ,
в'Х = е Х,1 + а " г" е "
е"Х = е"Х1 + а "" г"
'У
е"
'У,
е'у = е Уд- + а ґ
її , _ її ііі е у ї + а ґ ,
у,ї
е " • • = е" •• = е"" •• = е ■■ е" •• = е" •• = е"" •• = е ■■
Х,1 х,1 х,1 х,1 ^у ,1 у,1 у,1 у,1
(3)
(4)
(5)
(6)
где ех, еу - силовые деформации в осевом и окружном направлении соответственно; ех,п, еу,п - полные деформации материала; аг - температурные деформации; при этом, величины отмеченные ' - относятся к внутренней оболочке; '' - к пористой вставке; ''' - для силовой оболочки.
Интенсивность деформированного состояния оболочки определяется по формуле
2 , ,
(7)
еі =
л/3
2 2 е ■ + е ■ + е е ■
^х,і^ у,і сх,ісу,і
где г - индекс, для каждой из оболочек.
При известном деформированном состоянии оболочки напряженное состояние определяется из диаграммы растяжения образца при заданной температуре.
Для каждой оболочки действующие напряжения могут быть определены из теории упруго-пластических деформаций [9, с. 13]
® х,і = 3 " (х + 0,5еу )■ ® у,і = з “ (еу + 0,5ех) (8)
3 еі 3 еі
Решение данной системы проводится для определения зависимости внутреннего давления от заданных наперед значений окружной деформации еі. По известной зависимости можно определить предельное внутреннее давление и коэффициент запаса конструкции.
При исключении пористого слоя приведенная методика вырождается в методику
В.И. Феодосьева [9].
В результате решения системы уравнения полученный график /;,=/(<^г) имеет вид
Г 'Г' ''У*7*.'
"У‘рт!1
'Ґ.-ЛС.—І
к1 ^н1
Рис. 3. График зависимости рг от еуп.
На графике можно выделить несколько участков, отличающихся углом наклона касательной. Очевидно, что общая несущая способность теплообменного аппарата с пористыми вставками для ЖКХ и БОН зависит от распределения напряжений а'х, а'у, а''х, а"у, а'''х, а'''у внутри оболочек.
На первом участке давление внутри теплообменного аппарата невелико и нагрузка возникает, в основном, под действием температурного расширения. Внутренняя оболочка, наиболее нагретая, при этом находится в сжатом состоянии (а'х < 0, а 'у < 0). Пористый наполнитель также сжат (а'х < 0, а' 'у < 0). Внутренняя оболочка и пористый наполнитель, расширяясь под действием температуры, создают растягивающие напряжения (с'''х > 0, а'у > 0) во внешней оболочке, которые не превышают предела текучести материала. На данном участке конструкция имеет высокую сопротивляемость приложенным нагрузкам, что представлено на графике большим углом наклона кривой к оси абсцисс.
С увеличением давления на втором участке под действием давления и температурного усилия, растягивающие усилия в наружной оболочке становятся выше предела текучести (о'"г > а'''0,2). Внутренние слои оболочек при Этом сжаты температурными усилиями (а'х < 0, а'у < 0, а''х < 0, а''у < 0) и не подкрепляют наружную оболочку. Следствием такого распределения нагрузок по оболочкам сопротивляемость конструкции падает, и наклон кривой графика становится более пологим.
На третьем участке растягивающие усилия от давления превышают сжимающие температурные усилия в пористом материале (а''х > 0, а''у > 0), и вставка начинает воспринимать часть нагрузки, вызванной давлением. Внутренняя оболочка находится в сжатом состоянии (а'х < 0, а 'у < 0), а напряжения в наружной оболочке превышают предел текучести (а ';■ > а''''0,2). На этом участке напряжения внутри пористой вставки не превышают предела текучести, и наблюдается частичное восстановление несущей способности.
На четвертом участке растягивающие напряжения в пористой вставке превышают предел текучести (а' > а'0,2). Внутренняя оболочка при этом сжата температурными усилиями (а'х < 0, а'у < 0) и не воспринимает растягивающие усилия от давления.
На пятом участке рост давления вызывает растягивающие напряжения в материале внутренней стенки, превышающие сжимающие температурные напряжения, (а'х > 0, а 'у > 0) внутренняя стенка начинает воспринимать растягивающую нагрузку, повышая сопротивляемость конструкции.
На шестом участке растягивающие напряжения, вызванные силами давления, во всех оболочках превышают значения предела текучести соответствующих материалов (а' г > а'0,2, а''г > а''0,2, а''' > а'''0,2). Сопротивляемость конструкции резко падает и происходит исчерпание несущей способности.
Исходя из анализа свойств материалов, можно сделать вывод, что превышение предела текучести в пористом материале приводит к необратимому изменению гидравлического режима теплообменного аппарата. При рабочих нагрузках предельное давление внутри теплообменного рг,пр,т аппарата определяется как меньшее давление, соответствующее деформации, при которой напряжения в пористом материале превышают предел текучести (а' г > а''0,2), или предельное давление на третьем участке. Принято в качестве предельной выбирать такую точку, в которой тангенс угла наклона касательной равен половине от его наибольшего значения на участке 3.
Предельное давление при разрушении рг,пр,в определяется как предельное давление на участке 6, то есть такая точка, в которой тангенс угла наклона касательной равен половине от его наибольшего значения на участке 6.
При известном рабочем давлении и вычисленном предельном давлении можно определить запас прочности конструкции.
й, =-Р^- п = Ро ? па •
ра,1б, 0 ра,1б, а
Для рабочих условий, в соответствии с рекомендациями [2 15] допустимый коэффициент
запаса по пределу текучести пт>1,5, а коэффициент запаса прочности по временному
сопротивлению пв не должен быть ниже 2,4.
Литература
1. Белов С.В., Витязь П.А. и др. Пористые проницаемые материалы: Справочное изд-е./ Под ред. Белова С.В. М., 1987.
2. ГОСТ Р 52857.1-2007 «Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования».
3. Дзюбенко Б.В., Дрейцер Г.А., Якименко Р.И. Интенсификация теплообмена в каналах с искусственной турбулизацией потока // Труды 1-й Российской национальной конференции по теплообмену. М., 1994. Т. 8. С. 64-69.
4. Сидельский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1988.
5. Мелихов А.М. Разработки технологий и экспериментальные исследования транспирационного охлаждения в камерах сгорания ЖРД // Полет. 2009. № 10.
С.112-120.
6. Мигай В.К. Об интенсификации теплообмена в каналах путем применения искусственной турбулизации потока // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1965. № 6. С. 169-172.
7. Пелевин Ф.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в пористых сетчатых материалах // Труды 2-й российской конференции по теплообмену. Т.5. М., 1998.
8. Пелевин Ф.В. Теплообменный кольцевой тракт с компланарными каналами. М.: Изд-во МГТУ, 1994. 16 с.
9. Феодосьев В.И., Прочность теплонапряженных узлов жидкостных ракетных двигателей. М.: Оборонгиз, 1963.
10. Харитонов В.В., Плаксеев А.А. Предельные тепловые нагрузки в лазерных зеркалах с охлаждаемой пористой подложной // Теплофизика высоких температур. 1982. Т. 20. № 4. С. 712-717.
11. Черкина В.М. Исследование процессов смесеобразования двухфазной жидкости в
компланарных каналах двухкомпонентной топливной форсунки внутреннего смешения // I Международная научно-техническая конференция «Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения». Рыбинск, 2009.
