Оценка эффективности насадок регенеративных теплообменных аппаратов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.181

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ НАСАДОК РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В.Ю. Шашкин, Е.В. Торопов г. Челябинск, ЮУрГУ

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 <2, Вт.

Совершенство теплообменной поверхности с энергетической точки зрения можно охарактеризовать соотношением переданного количества тепла Q через данную поверхность теплообмена и энергии Ы, затраченной движущимся теплоносителем на преодоление сопротивления [1]

£ = £ = -^, 0)

N У&р

где V - объемный расход теплоносителя, м7с; Р -площадь теплообменной поверхности, м2; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); АР - гидродинамическое сопротивление при перемещении теплоносителя относительно поверхности теплообмена, Па.

Мощность, затрачиваемая на перемещение теплоносителей в теплообменнике, определяет в

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

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 l/d, тем самым обеспечивается точность расчетов по формуле для потерь напора на преодоление сил трения

АР = тр d 2

(2)

Число Эйлера для подобных условий течения в каналах насадки можно определить по формуле

(3)

При известной из опытов гидравлической характеристике X = А Лет эта зависимость преобразуется к виду

Серия «Энергетика», выпуск 7

Т еплоэнергетика

Еи = -АЪ£ 2

А

а

(4)

Затраты мощности на перемещение теплоносителя с учетом только преодоления сил трения 7УТ, Вт, определяются произведением А/^рКу , где Уг -

общий расход продуктов сгорания, определяемый произведением Уг=В¥а, м3/с, где В - расход топлива, м3/с, Уа - удельный выход продуктов сгорания, зависящий от состава топлива и коэффициента расхода воздуха а

Общее живое сечение каналов насадки Рж = /ж^нас определяется произведением удельного живого сечения м2/м2, и поперечного сечения камеры насадки Ртс, м2. При заданных размерах камеры насадки ^нас, м2 и Янас, м, получаем

^нас =/ГнасЯнас и 1 = Нтс в формуле (3). Полная поверхность теплообмена насадки Р определяется произведением F = Кнас /уд, где / - удельная по-

верхность нагрева насадки в единице объема, м2/м3.

Рассмотрим три насадки. Примем расход газа

через насадки К£ =100000

м3/ч

27,8 м/с;

Ртс =30 м2; Яе>2500; газ-воздух; теплопроводность и плотность воздуха берем при 750 °С. 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°

¿4=0,045 м

/ж=0,28 м2/м2,

Ке =

Е =

уі(І^

= —^—2— = 1290;

^ж■^нacv ОСІ'’ _ Ц/уд^нас

е_______

N Г^р

а/уМ

сі 2

уд*л нас

Х^ с1 2

/■ Р

УЖ НЕ

0,036

ХрУг

к

0,045

0,3164 гг з

15^

=2,528

X, Яе1,05 /уяРшс3 /ж2с1э рУг

= 39,98Яе1’05 =73784;

- насадка НК-2 с конструктивными параметрами /уд=29,8 м2/м3, /ж =0,419 м2/м2, ¿4=0,055 м

Яе = 1054;

Е =

0Д248 0^55 КЄ°’74 Лд^нас3Лс2^э 15 дТ/з Яе0,285 Р 2

1512хМ025/уаршс3гж2с1э......

р^3

= 78,375 Яе1-025 = 98 3 08;

- насадка БНИ-12-2 с конструктивньши параметрами /уд =33,7 м2/м3, /ж =0,335 м^м2, 4=0,041 м,

Яе =982,78;

Е =

3’66^1 Яе°'14//нас3/^з 72,5 ^т/3 =

Яе 2

1 „1^^е1',4/уд^мс3/жЧ

—1,2^1^------------^--------=

Р*Е

= 34,37Яе1,14 =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.

Литература

1. Теплообменные аппараты и системы охлаждения РТУ и комбинированных установок / В.А. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.А. Манушин, М.И. Осипов. - М.: Изд-во МГТУ, 2004.

2. Определение размеров воздухонагревателей для печей большого объема /Ф.Р. Шкляр,

B.М. Малкин, М.И. Агафонова, Э.А. Певная // Металлургическая теплотехника (Тематический отраслевой сб. № 1). - М.: Металлургия, 1972. -

C. 132-140.

Торопов Евгений Васильевич - д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Промышленная теплоэнергетика» Южно-Уральского государственного университета.

Шашкин Владимир Юрьевич - к.т.н., доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Южно-Уральского государственного университета.

6

Вестник ЮУрГУ, № 12, 2007