CC BY
5ТРАНСПОРТ, ХРАНЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ И ГАЗА
УДК 621.1.016
Ю.Д. Земенков, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой транспорта углеводородных ресурсов Института транспорта, Тюменский государственный нефтегазовый университет (Тюмень, Россия), e-mail: zemenkov@tsogu.ru; Б.В. Моисеев, д.т.н., профессор, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет (Тюмень, Россия); С.М. Дудин, ассистент, Тюменский государственный нефтегазовый университет (Тюмень, Россия); Н.В. Налобин, к.т.н., Тюменский государственный нефтегазовый университет (Тюмень, Россия)
теплообменники с использованием анизотропно-пористых материалов
с целью экономии материалов и энергии необходимо разрабатывать более эффективное теплообменное оборудование. в статье приводятся экспериментальные исследования о возможности применения анизотропно-пористых материалов (АПМ) в теплообменниках.
Применение современной технологии позволило авторам получить изделия из АПМ в форме многоканальных труб с продольными каналами. из элементов АПМ предложены конструкции теплообменников, которые изготавливались с различным профилем сечения (круглого и прямоугольного) и могут успешно использоваться в теплоутилизаторах. Преимуществом такой поверхности по сравнению с оребренными трубами является равномерность ее омывания и возможность подачи теплоносителей по противоточной схеме. для определения конкретной области наиболее эффективного применения были получены зависимости для расчета теплопередачи и аэродинамического сопротивления теплообменников из АПМ с различными геометрическими характеристиками при разных параметрах теплообменивающихся сред. на основании полученных экспериментальных данных проведен анализ теплотехнических и аэродинамических показателей и получены зависимости коэффициента теплопередачи и аэродинамического сопротивления поверхности из АПМ при любых значениях геометрических параметров элементов и скорости воздуха в живом сечении. сравнение по коэффициентам энергетических затрат на единицу поверхности показало, что по всем этим показателям поверхности из АПМ эффективнее ребристых труб и могут их заменить.
Авторами статьи показаны тенденции и основные направления повышения эффективности и надежности теплообменного оборудования, применяемого в нефтегазовой промышленности.
ключевые слова: теплообменник, анизотропно-пористый материал (АПМ).
Использование современной технологии позволяет получить изделия из анизотропно-пористого материала в форме многоканальных труб с продольными каналами, ориентированными вдоль оси (рис. 1). Таким образом создается развитая поверхность теплообмена.
На базе элементов из АПМ предложены конструкции теплообменников, работающих по схеме «вода - воздух». В таких теплообменниках вода омыва-
ет наружную поверхность элементов, установленных в корпусе, а воздух проходит по внутренним ориентированным каналам.
постановка задачи
Выполнялись исследования по возможности применения анизотропно-пористых материалов в теплообменниках типа «газ - газ», «жидкость - жидкость». Теплообменные элементы из АПМ могут изготавливаться с
различным профилем сечения (круглого и прямоугольного) и успешно использоваться, в частности в тепло-утилизаторах. Преимуществом такой поверхности по сравнению с оребренными трубами является равномерность ее омывания и возможность подачи теплоносителей по противоточной схеме. Для определения конкретной области наиболее эффективного применения необходимо получить зависимости для расчета теплопередачи и
Ссылка для цитирования (for references):
Земенков Ю.Д., Моисеев Б.В., Дудин С.М., Налобин Н.В. Теплообменники с использованием анизотропно-пористых материалов // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2015. - No 2. - С. 86-90.
Zemenkov Yu.D., Moiseev B.V., Dudin S.M., Nalobin N.V. Teploobmenniki s ispol'zovaniem anizotropno-poristyh materialov [Heat Exchanges Using Anisotropic-Porous Materials]. Territoriya «NEFTEGAZ» - OH and gas Territory, 2015, No 2. P. 86-90.
86
№ 2 февраль 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS TRANSPORTATION STORAGE AND PROCESSING
Таблица 1. Режимные параметры ГТНР-25И, агрегат № 1 Table 1. Mode parameters of ГТНР-25И, unit No. 1
Площадь теплоотдающей поверхности, м2 Heat-release surface, m2 1,95
Площадь фронтального сечения, м2 Front section, m2 0,0353
Площадь живого сечения для прохода воздуха, м2 Air passage flow section, m2 0,0227
Площадь живого сечения для прохода воды, м2 Water passage flow section, m2 0,00102
Масса теплоотдающей поверхности (без корпуса и раздающих трубок), кг Heat-release surface (without casing and dispenser tubes), kg 1,72
аэродинамического сопротивления теплообменников из АПМ с различными геометрическими характеристиками при разных параметрах теплообме-нивающихся сред.
Для проведения теплотехнических и аэродинамических исследований те-плообменных поверхностей из АПМ в теплообменниках типа «вода - воздух» в режиме вынужденной конвекции и определения влияния на теплотехнические и аэродинамические характеристики геометрических параметров поверхностей был разработан и изготовлен теплообменник. Он построен по принципу «труба в трубе», при этом в качестве внутренней трубы используется элемент из АПМ с цилиндрическим профилем.
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Испытания проводились на специально оборудованных стендах (рис. 2). Целью испытаний было получение зависимостей теплотехнических и аэродинамических показателей элементов теплообменной поверхности из АПМ от массовой скорости воздуха в живом сечении и геометрических параметров элементов (длины, наружного диаметра,эквивалентного диаметра единичного канала). Испытания проводились в диапазоне массовой скорости воздуха в живом сечении теплообменной поверхности от 2 до 20 кг/(м2.с). Расход и температура воды поддерживались на уровне, необходимом для получения достаточного градиента температур воды на входе и выходе теплообменника,
влияние скорости воды на теплообмен не учитывалось. Технические характеристики опытного образца приведены в таблице. В процессе испытаний определялись следующие величины. Производительность по теплу со стороны воздуха по формуле:
Q = CG(t - t ), Вт,
в * вых вх'' '
(1)
Рис. 1. Схема расположения каналов в анизотропно-пористом элементе с цилиндрической наружной оболочкой Fig. 1. Layout diagram of channels in an anisotropic porous element with a cylindrical outer shell
Q = C M(t' - t" ), Вт,
w w 4 w w'' '
где:
(2)
где:
С - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг.К);
G - массовый расход воздуха, кг/с; ^вх, ^вых - температура воздуха соответственно на входе и выходе из теплообменника, °С.
Производительность по теплу со стороны воды по формуле:
С - удельная теплоемкость воды, Дж/ (кг.К);
М - массовый расход воды, кг/с; ^ - ^ - температура воды соответственно на входе и выходе из теплообменника, °С.
Коэффициент теплопередачи от воды к воздуху по формуле:
где:
Fn - площадь поверхности нагрева по воздуху, м2.
Массовая скорость воздуха в живом сечении теплообменного элемента из АПМ по формуле:
(4)
где:
- площадь живого сечения тепло-обменного элемента, м2. Критерий Рейнольдса по формуле:
„ 9 -d
Dp — ж.с. экв v ,
где:
(5)
9жс - скорость воздуха в единичном канале теплообменного элемента, м/с;
dэкв - средний эквивалентный диаметр единичного канала, м; V - кинематическая вязкость воздуха, м2/с.
Критерий Нуссельта по формуле:
А
(6)
ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 2 февраль 2015
87
ТРАНСПОРТ, ХРАНЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ И ГАЗА
Рис. 2. Схема стенда для испытаний воздухоохладителя с теплообменной поверхностью из АПМ: 1 - вентилятор; 2 - дроссель-клапан; 3 - электрокалорифер; 4 - гибкая вставка; 5 - латор; 6 - термометр; 7 - испытываемый воздухоохладитель; 8 - трубопровод охлаждающей воды; 9 - регулирующий зажим; 10 - мерный сосуд; 11 - анемометр; 12 - водонапорный бачок; 13 - микроманометр; 14 - кольцевой отбор давлений Fig. 2. Bench layout for testing the air cooler with a heat-exchange surface made of anisotropic porous material: 1 - fan; 2 - throttle valve; 3 - electric air heater; 4 - flexible insert; 5 - laboratory transformer; 6 - thermometer; 7 - tested air cooler; 8 - cooling water pipeline; 9 - regulating clamp; 10 - measuring vessel; 11 - anemometer; 12 - water-pressure tank; 13 - mictomanometer; 14 - ringtype pressure tap
Рис. 3. Влияние длины теплообменного элемента АПМ на коэффициент теплопередачи Fig. 3. Effect of the APM heat-exchange element length on heat exchange factor
где:
X - теплопроводность воздуха, Вт/(м.град).
Критерий Эйлера по формуле:
Ей =
где:
АН
Э2 -Р'
и Ж.С. г
(7)
Рис. 4. Влияние диаметра каналов АПМ на коэффициент теплопередачи Fig. 4. Effect of the APM channels diameter on heat exchange factor
ДН - аэродинамическое сопротивление элемента;
р - плотность воздуха. Экспериментальные данные теплотехнических и аэродинамических показателей по всему диапазону исследованных элементов, полученные в результате обработки, представлены в виде графиков зависимостей:
к = ^(9); ДН = ЭД (рис. 3-4).
Анализ полученных результатов показывает, что коэффициент теплопередачи возрастает с увеличением диаметра единичного канала, уменьшением наружного диаметра элемента и его длины. Аэродинамическое сопротивление, наоборот, при увеличении диаметра единичного канала и уменьшении длины элемента снижается. Оба показателя существенно возрастают с увеличением скорости воздуха. Таким образом, анализ показывает, что на теплоаэродинамиче-ские характеристики теплообменной поверхности из АПМ влияют следующие определяющие факторы: средний эквивалентный диаметр единичного канала ^экв), длина канала (элемента), наружный диаметр элемента ф), скорость воздуха в каналах (скорость в живом сечении).
Коэффициент теплопередачи и аэродинамическое сопротивление могут быть представлены в виде многофакторных мультипликативных моделей:
к = ^^ экв)^(1)^ ( ^^(^р) (8)
ДН = (9)
Для изучения влияния различных определяющих факторов на к и ДН, построения многофакторных математических моделей применялась обработка результатов эксперимента с привлечением
88
№ 2 февраль 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
СаЬех —
энергия успеха
иТ I
СаЬех
Международная выставка кабельно-проводниковой продукции
17-20 марта 2015 года
Москва, КВЦ «Сокольники»
• Кабели
• Провода
• Электротехника ■ Электромонтаж
се*. -7 ^»1935 А1 СЮ С-™1 CabCKVilc-Mpa.nl
ОАй^ВиУНКП.
получите билет на
\л™ллгсаЬехти
ншч>нет-1мрг1*ер.
RusCafafe.Ru
ТРАНСПОРТ, ХРАНЕНИЕ И ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ И ГАЗА
статистических методов и ЭВМ. Коэффициенты корреляции между двумя величинами, связанными зависимостью, определялись после получения выборки объемов г значений (х; у) в эксперименте по формуле:
г =_п£ху-£х-£у_
а/п£х2-(£х)2 \/пЕу2-(5;у)2' v '
В связи с тем что результаты экспериментов корреляционно связаны более чем с двумя величинами, определялся общий коэффициент детерминации:
R = VD.
(12)
D
y/x,...x„
=1-(1-r2V/x,)(1-r2y/x2)...(1-r2y/x> (11)
Полный коэффициент многофакторной корреляции определялся по формуле:
Так как определяющие факторы, составляющие мультипликативные модели (8)^(9), являются взаимонезависимыми, параметры каждой из составляющих функций определялись раздельно. Точность построенной математической модели определялась средней квадратичной ошибкой:
п—1
(13)
Определение коэффициентов корреляции (10) и детерминации (11), построение многофакторных математических моделей (8, 9) осуществлялось с помощью ЭВМ.
В результате получены следующие зависимости:
K=33,959 °,7S.1-°,37.d °,25.D-°,°5, (14)
' р экв ' 4 '
ДН=°,199 W9.d -°,96.1°,45.D°,". (15)
экв
выводы
Зависимости (14) и (15), полученные в результате обработки экспериментальных данных, позволяют определить величину коэффициента теплопередачи (К) и аэродинамического сопротивления (АН) поверхности из АПМ при любых значениях геометрических параметров элементов и скорости воздуха в живом сечении.
Литература:
1. Моисеев Б.В., Земенков Ю.Д., Торопов С.Ю. Промышленная теплоэнергетика: Учебник. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2014. - 236 с.
2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.
3. Ройзен Л.И., Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей. - М.: Энергия, 1977. - 256 с.
4. Промышленные тепломассообменные процессы и установки: Учебник для вузов / А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, О.А. Данилов и др. - М.: Энерго-атомиздат, 1986. - 328 с.
Yu.D. Zemenkov, Tyumen State Oil and Gas University (Tyumen, Russia), Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Head of the Chair for Transportation of Hydrocarbon Resources of the Institute of Transport, e-mail: zemenkov@tsogu.ru;
B.V. Moiseev, Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering (Tyumen, Russia), Doctor of Sciences (Engineering), Professor;
S.M. Dudin, Tyumen State Oil and Gas University (Tyumen, Russia), Assistant;
N.V. Nalobin, Tyumen State Oil and Gas University (Tyumen, Russia), Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor
Heat Exchanges Using Anisotropic-Porous Materials
More efficient heat-exchange equipment should be developed to save materials and energy. This paper deals with experimental study of the possibility to apply anisotropic porous materials (APM) in heat exchangers.
Application of state-of-the-art technology allowed the authors to produce the goods from APM in the form of multi-bore tubes with lengthwise passages. The structures of heat exchangers that were manufactured using various cross-section profiles (round and rectangular cross-section) are offered from the elements of APM and can be used successfully in heat regenerators. The advantage of such surface as compared to finned pipes is uniformity of its washing and possibility of supply of heat carriers according to counter-flow diagram. To determine particular area of the most efficient application, the dependencies were obtained for calculation of heat transfer and aerodynamic resistance of heat exchangers made of APM with various geometric characteristics at different parameters of heat exchanging media.
Based on obtained experimental data, the analysis is performed for heat engineering and aerodynamic properties and dependencies are obtained for heat transfer coefficient and aerodynamic resistance of the surface from APM at any values of geometric parameters of the elements and air flow in the cross section area. Comparison of power consumption coefficients per unit of the surface showed that the APM surfaces are more efficient than the ribbed pipes and can substitute them. The authors of the article showed the trends and basic lines for improvement in the efficiency and reliability of heat-exchange equipment applied in the oil and gas industry. Keywords: heat exchanger, anisotropic-porous material (APM).
References:
1. Moiseev B.V., Zemenkov Yu.D., Toporov S.Yu. Promyshlennaya teploenergetika [Industrial power system]: Text-book. Tyumen, Tyumen State Oil and Gas University, 2014. 236 p.
2. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Teploperedacha [Heat Transfer]. Moscow, Energoizdat, 1981. 416 p.
3. Royzen L.I., Dulkin I.N. Teplovoy raschet orebrennyxpoverkhnostey [Thermal Design of Ribbed Surfaces]. Moscow, Energy, 1977. 256 p.
4. Baklastov A.M., Gorbenko V.A., Danilov O.A. and others. Promyshlennye teplomassoobmennye protsesy i ustanovki [Industrial heat-mass exchange processes and plants]. Higher school textbook. Moscow, Energoatomizdat, 1986. 328 p.
90
№ 2 февраль 2015 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
