CC BY
30
УДК 622.692.4.076:62-533.65
Повышение эффективности теплообменников подогревателей газа газораспределительной станции за счет использования труб с внутренним оребрением
В.М. Янчук1*, И.В. Шишкин2, П.А. Кузьбожев2, А.В. Сальников3
1 ООО «Газпром трансгаз Ухта», Российская Федерация, 169300, Республика Коми, г. Ухта, наб. Газовиков, д. 10/1
2 Филиал ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта, Российская Федерация, 169330, Республика Коми, г. Ухта, ул. Севастопольская, д. 1-а
3 ООО «Транснефть - Порт Приморск», Российская Федерация, 188910, Ленинградская обл., Выборгский р-он, пр. Портовый (Приморская тер.), д. 7
* E-mail: v.yanchuk@sgp.gazprom.ru
Тезисы. Теплообменное оборудование подогревателей газа с промежуточным теплоносителем, как правило, выполнено по стандартной схеме и представляет собой трубные сборки (пучки), погруженные в общий объем промежуточного теплоносителя.
С целью интенсификации режима теплопередачи между двумя средами, находящимися в разном агрегатном состоянии, предлагается использование труб с повышенной площадью поверхностей теплообмена. Для анализа и оценки полей распределения температур и параметров теплопере-носа через стенку трубы с повышенной площадью поверхностей теплообмена (внутреннее оребре-ние) были выполнены расчетные модели.
По результатам проведенного расчетного моделирования установлено, что применение в теплогенераторе подогревателя труб с внутренними ребрами позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи от продуктов сгорания промежуточному теплоносителю. Так, при прохождении потока через дымогарную трубу с десятью внутренними пирамидальными ребрами максимальная температура продуктов сгорания на 48...50 °С ниже температуры продуктов сгорания на выходе трубы без ребер (310 °С).
Теплообменное оборудование подогревателей газа с промежуточным теплоносителем, как правило, выполнено по стандартной схеме и представляет собой трубные сборки (пучки), погруженные в общий объем промежуточного теплоносителя.
Газовый теплообменник выполняется из стальных трубок, удерживаемых двумя противоположно расположенными трубными досками, одна из которых присоединяется к камере подключения (оснащенной двумя патрубками с фланцами и разделенной на два изолированных объема), а вторая к поворотной камере.
К недостаткам газового теплообменника следует отнести следующие особенности конструкции:
• плотная укладка трубок (обусловленная размерами приемной и поворотной камер), вследствие чего нагрев газа во внутренних трубках сборки происходит с меньшей эффективностью;
• необходимость использования узлов сложной формы (поворотной и разделительной камер), имеющих значительный вес и материалоемкость;
• необходимость выполнения большого объема сварочных работ при сборке теплообменника.
Для повышения эффективности работы газового теплообменника подогревателя ГТМ-ПТПГ-30 специалистами предприятия ООО «Завод «Газпроммаш» (А.Г. Маслин, П.В. Хворостян) предложен газовый U-образный теплообменник новой конструкции.
В результате предлагаемой модернизации достигается:
• снижение трудоемкости изготовления (уменьшение объема сварочных работ в два раза);
• снижение веса конструкции за счет отказа от использования толстостенных деталей сложной формы (поворотных камер);
Ключевые слова:
подогреватель газа, теплообмен, расчетное моделирование.
• повышение надежности (снижение количества сварных соединений);
• снижение гидравлических сопротивлений;
• повышение эффективности работы теплообменника за счет уменьшения плотности укладки труб в сборке.
В дальнейшем в качестве совершенствования конструкции газового теплообменника может стать использование труб с повышенной площадью поверхностей теплообмена. Основная достигаемая при этом цель - интенсификация режима теплопередачи между двумя средами, находящимися в разном агрегатном состоянии.
Повышение интенсивности теплообмена между сжатым газом и стенкой трубы может быть выполнено за счет использования в газовом теплообменнике труб с внутренними ребрами (продольными или винтовыми).
Использование внутренних ребер в трубках теплообменника обеспечивает увеличение площади поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с меньшей теплоотдачей, в результате чего достигается повышение теплопередачи. При использовании внутренних ребер имеет место искажение режима движения нагреваемой (охлаждаемой) среды в пристенной зоне, сопровождающееся общим замедлением потока и, как следствие, повышением интенсивности его нагрева. В итоге при использовании внутренних ребер повышается как теплообмен, так и гидравлическое сопротивление теплообменника.
Конструкция оребренных труб может быть различной. Например, для снижения трудоемкости исполнения трубы могут быть использованы вставные ребра, выполненные в виде трубчатых вставок с внутренними
ребрами из теплопроводного материала (рис. 1а). Основной недостаток данной конструкции - значительное увеличение металлоемкости получаемых труб. Пример технологии изготовления теплообменных труб со спиральными ребрами продемонстрирован на рис. 1б. Технология предполагает последовательное деформирование (обжатие и винтовое скручивание) в специальном устройстве трубной заготовки с внутренними продольными выступами. Применение указанных труб является предпочтительным, так как при наличии развитой внутренней поверхности теплообмена они будут характеризоваться металлоемкостью, близкой к гладким трубам.
Использование оребренных труб в теплогенераторе подогревателя газа также может быть оправданным решением. Оценка эффективности применения в теплообменниках труб с внутренними продольными ребрами показана в работе [1]. Исследования выполнены для теплообменника, используемого при нагреве воды за счет сжигания природного газа или пропана с воздухом. В принятой расчетной модели продукты сгорания проходят по трубам с внутренними ребрами, а нагреваемая среда взаимодействует с их наружной стенкой.
По результатам проведенных исследований авторами [1] было установлено, что лучшей эффективностью будет обладать теплообменник, снабженный сплошными продольными ребрами высотой 0,08ё (ё - наружный диаметр трубы) и шириной основания 0,025ё.
Расчетная модель
Теплогенератор подогревателя газа типа ПТПГ-30 стандартно оснащен стальными дымогарными трубами наружным диаметром 76 мм, с толщиной стенки 4 мм. Теплообмен
Рис. 1. Исполнение труб с внутренними ребрами: а - составная конструкция; б - технология исполнения труб с винтовыми внутренними ребрами
в системе «продукты сгорания - стенка трубы - промежуточный теплоноситель» осуществляется за счет конвекции (тепломассопереноса).
Оценка эффективности применения в дымогарных трубах внутренних ребер выполнена по результатам расчетного моделирования процесса теплопередачи между средами, находящимися в разном агрегатном состоянии (газообразном и жидком), через стальную стенку сложной формы. Для проведения анализа использован расчетный комплекс Ansys Thermal (стационарный теплообмен). Коэффициент теплоотдачи в системе «продукты сгорания - стенка трубы» принимается равным 70 Вт/(м2-К), в системе «стенка трубы - промежуточный теплоноситель» -4000 Вт/(м2-К). Теплопроводность стали составляет 50 Вт/(м-К).
При выполнении анализа использованы три расчетные модели:
• исходная модель, представляющая собой фрагмент дымогарной трубы диаметром 76 мм, с толщиной стенки 4 мм;
• модель, содержащая 10 внутренних пирамидальных ребер, высотой 0,04DE (Бв - внутренний диаметр трубы), с шириной основания 0,08Д;
• модель, содержащая 20 внутренних пирамидальных ребер, высотой 0,04DE, с шириной основания 0,08De.
Внешний вид расчетных моделей показан на рис. 2. Для труб с внутренними ребрами подбор геотермических параметров внутренней поверхности стенки выполнялся с учетом сохранения площади проходного сечения трубы, а также площади поперечного сечения стенки (за счет некоторого утонения в промежутках между ребрами).
Геометрические характеристики труб приведены в таблице. Форма ребра принимается
из условия минимизации накапливаемых в пространстве между ребрами твердых продуктов сгорания, препятствующих теплообмену.
Результаты расчетного моделирования процесса теплообмена между газообразными продуктами сгорания природного газа и жидким промежуточным теплоносителем через стенку трубы с внутренними пирамидальными ребрами показаны на рис. 3.
Установлено, что увеличение площади внутренней поверхности стенки дымогарной тубы на 10,5 % (от 0,2136 до 0,2360 м2 на 1 м длины) способствует увеличению теплоотдачи на 15,5 %. При увеличении площади поверхности теплообмена на 20,8 % (от 0,2136 до 0,2581 м2 на 1 м длины) теплоотдача возрастает на 22,5 %.
Особенности распределения температур в поперечном сечении дымогарной трубы с внутренними ребрами, а также параметры теплоотдачи через стенку трубы показаны на рис. 4.
При температуре 1200 °С наиболее тер-монагруженными участками трубы являются вершины ребер, температура которых на 7 °С превышает температуру внутренней поверхности стенки трубы без оребрения. Теплоотдача с внешней поверхности трубы распределена неравномерно и имеет максимум в основании ребер.
Для оценки особенностей теплообмена в потоке, проходящем по трубе сгорания, выполнено расчетное моделирование процесса истечения разогретой газообразной среды (дымового газа) через дымогарную трубу протяженностью 3,8 м (стандартная длина дымогарной трубы подогревателя типа ПТПГ-30) с площадью проходного сечения ~ 0,00365 м2. Расчет выполнен в программном комплексе конечно-элементного анализа Ansys Fluent.
Рис. 2. Принимаемые к анализу расчетные модели: а - гладкая труба; б - труба с 10 внутренними пирамидальными ребрами; в - труба с 20 пирамидальными ребрами
Геометрические характеристики расчетных моделей дымогарных труб теплогенератора
Схема
Геометрические характеристики, вес
Площадь проходного сечения трубы - 0,003632 м2. Площадь поперечного сечения стенки - 0,0009045 м2. Вес трубы (фрагмента длиной 1 м) - 7,1 кг.
Площадь внутренней поверхности теплообмена (на 1 м длины трубы) - 0,2136 м2
Площадь проходного сечения трубы - 0,0036352 м2. Площадь поперечного сечения стенки - 0,0009013 м2. Вес трубы (фрагмента длиной 1 м) - 7,1 кг.
Площадь внутренней поверхности теплообмена (на 1 м длины трубы) - 0,2360 м2
Площадь проходного сечения трубы - 0,0036376 м2. Площадь поперечного сечения стенки - 0,0008989 м2. Вес трубы (фрагмента длиной 1 м) - 7,1 кг.
Площадь внутренней поверхности теплообмена (на 1 м длины трубы) - 0,2581 м2
140
н
т
Л20
100
о £
о
80
60
40
1 у = 869181п(х) + 205717 Я2 = 0,9896 у = 568181п(х) + 134475 Я2 = 0,9896
87 кВт/м2
82 кВт/м2 ^
71 к
— 800 °С — 1200 °С
0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
Площадь поверхности внутренней стенки, м2 (на 1 м трубы)
Рис. 3. Результаты расчетного моделирования процесса теплообмена между продуктами сгорания топливного газа и промежуточным теплоносителем через стенку трубы
с внутренним оребрением
Исходные данные для расчета следующие:
• расход топливного газа - 30 нм3/ч (загрузка 40 % - среднестатистический режим работы стандартного подогревателя типа ПТПГ-30);
• объем продуктов сгорания (на 1 нм3 природного газа) - 12,0 нм3;
• скорость потока продуктов сгорания в дымогарной трубе при рассматриваемом режиме работы - 0,55 м/с;
• режим теплообмена между продуктами сгорания и стенкой дымогарной трубы -конвективный, коэффициент теплоотдачи -70 Вт/(м2-К), температура стенки - 45 °С;
£:51еа(|у-51ате ТИегта! "ртгегл-иге
[ур& Тетрегмига ипП "С Т|шв;1
21.02 202014:30
1.100ЭЕ5 1,0202ей
Е: Тпегтз!
ТоСа Меа| Них Туре: Т^ШааШик ил II: '.ВДГг' Т|тв 1
21.02.262014:21
Рис. 4. Поле температур (а) и параметры теплопереноса через стенку трубы с внутренними ребрами (б) при температуре продуктов сгорания 1200 °С
• температура дымовых газов на входе дымогарной трубы - 1200 °С.
Результаты расчетного моделирования (поле температур в потоке продуктов сгорания) приведены на рис. 5 и 6.
Для оценки эффективности применения в газовом теплообменнике подогревателя ПТПГ-30 труб с внутренними ребрами выполнено расчетное моделирование процесса теплопередачи между жидким промежуточным теплоносителем и сжатым природным газом через стенку трубы теплообменника.
СогЛсиг?
1 гозе-юоз 1.08вв+003 в.73ве+002 85зае-Ю02 7«0е-»002 6292е+002 5 1«е*С02 3 9976*002
2 849е+002 1.7018+002 5.535е+001
[С!
4 м
3 м
2 м
1 м
Рис. 5. Поле распределения температур в потоке продуктов сгорания, проходящих через дымогарную трубу
0
а б
— вершинаребра
— внутренняя поверхность дымогарной трубы без ребер
— пространство между ребрами
Рис. 6. Плотность теплового потока на внутренней (оребренной) поверхности дымогарной трубы: а - 10 ребер; б - 20 ребер
Рис. 7. Результаты расчетного моделирования процесса теплообмена между промежуточным теплоносителем и сжатым газом: а - расчетная модель; б - поле распределения температур; в - плотность теплового потока
Для повышения теплопередачи в системе «стенка трубы - сжатый газ» предлагается использовать трубы комбинированной конструкции с внешней несущей трубкой из нержавеющей стали и внутренней цилиндрической алюминиевой вставкой с оребренной внутренней поверхностью.
Для проведения анализа использован расчетный комплекс Ansys Thermal (стационарный теплообмен). Исходные данные для расчета следующие:
• тип теплообмена - конвективный (температура промежуточного теплоносителя -45 °С, температура газа - 10 °С);
• коэффициент теплоотдачи «стенка трубы - сжатый газ» - 250 Вт/(м2-К);
• коэффициент теплоотдачи «стенка трубы - промежуточный теплоноситель» -4000 Вт/(м2-К).
Результаты расчетного моделирования представлены на рис. 7. В качестве исходного варианта рассматривается труба из нержавеющей стали с внутренним диаметром 20 мм. Несущая труба в предлагаемом варианте имеет
внутренний диаметр 22 мм.
***
По результатам приведенного расчетного моделирования установлено, что применение в теплогенераторе подогревателя труб с внутренними ребрами позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи от продуктов сгорания промежуточному теплоносителю.
При прохождении потока через дымогарную трубу с десятью внутренними пирамидальными ребрами максимальная температура продуктов сгорания на 48.. .50 °С ниже температуры продуктов сгорания на выходе трубы без ребер (310 °С). При наличии в трубе 20 пирамидальных ребер температура дымовых газов на выходе трубы составляет 240 °С, что на 70 °С ниже температуры на выходе трубы с гладкой внутренней стенкой.
При отсутствии оребрения внутренней поверхности стенки теплоотдача дымогарной трубы (для заданного режима работы) составляет 2,2 кВт. При использовании труб с внутренним оребрением указанный параметр повышается до 2,5 кВт (10 ребер, площадь поверхности теплообмена «продукты сгорания - стенка» - 0,9 м2) или 2,7 кВт (20 ребер, площадь поверхности теплообмена «продукты сгорания - стенка» - 1,0 м2). Увеличение теплоотдачи составляет ~ 15 % при наличии 10 ребер и ~ 23 % при наличии 20 ребер.
Совершенствование трубок газового теплообменника за счет использования оребренных теплопроводящих вставок (10 прямоугольных ребер высотой 0,4.0 и шириной 0,10) обеспечивает повышение теплоотдачи нагреваемому газу не менее чем на 7,5 % (с 6,6 до 7,1 кВт/м2).
Список литературы
1. Жукова Ю.В. Численное моделирование теплообмена при течении теплоносителя в круглой трубе с внутренним оребрением / Ю.В. Жукова, А. Д. Чорный. -https://www.researchgate.net.
