К вопросу оценки теплоэнергетической эффективности теплообменников, применяемых в муниципальной теплоэнергетике

К вопросу оценки теплоэнергетической эффективности теплообменников, применяемых в муниципальной теплоэнергетике Д.т.н. А. М. Тарадай, профессор, к.т.н. Л. М. Коваленко, к.т.н. Е. П. Гурин Переход к элементам рыночной экономики при продажах теплотехнического оборудования бессчетных фирм-изготовителей делают животрепещущей задачку его сопоставления. В маркетинговых материалах тяжело отыскать характеристики, по которым можно было бы беспристрастно оценить различные конструкции теплообменных аппаратов (ТА) схожего предназначения.

Неувязка способов сопоставления появилась издавна. Учеными Кирпичевым М. В., Гухманом А. А. и другими создателями были предложены разные методики оценки основного показателя свойства ТА — его теплоэнергетической эффективности.

Отдавая подобающее базовым положениям этих методик, в сегодняшних критериях мы не могли наслаждаться их плодами. Давая доброкачественную оценку отдельных характеристик конструкции ТА, эти методики не позволяли количественно, одним неизменным для данной конструкции ТА аспектом оценить сравниваемые аппараты в равных критериях их внедрения.

Причина трудности получения количественной оценки эффективности ТА заключается в богатстве переменных величин, влияющих на эффективность.

Под понятием «эффективность ТА» мы осознаем величину коэффициента теплопередачи и утраты давления в фиксированных (эталонных) критериях сопоставления.

Коэффициент теплопередачи — величина непростая, зависящая как от начальных данных для термического процесса, так и от конструктивных особенностей ТА.

Наружные характеристики — это начальные условия для выполнения процесса теплопередачи. К ним относятся данные расходы рабочих сред; их исходные и конечные температуры; теплофизические характеристики сред в спектре данных температур; термические нагрузки на ТА; давления рабочих сред и допускаемые, по условиям, утраты давления рабочими средами в ТА; требования к вещественному выполнению и долговечности ТА и др. начальные требования. Наружные характеристики для сравниваемых ТА должны быть выбраны схожими, и на величину числа единиц эффективности, в равных критериях, не оказывают влияние.

Внутренние характеристики теплообменника определяет его конструкция, обеспечивающая возможный уровень эффективности. Они включают: формы поверхности термообмена, определяющие размеры — эквивалентные поперечники каналов, их длины и площади поперечного сечения; площади поверхности термообмена, размещенные на этой длине каналов; тепло-гидродинамические свойства данной конструкции теплообменника по интенсивности теплопередачи при возникающих при всем этом потерях давления в каналах; компактность конструкции и ее удельную металлоемкость; рациональность использования качественных дорогих материалов; уровень унификации деталей и узлов ТА при производстве широких размерных рядов на разные давления; возможность обилий (расчетной) сборки каналов для обеспечения наружных характеристик; возможность сотворения ТА наибольшего температурного напора при данных температурах методом полного противотока рабочих сред; ремонтопригодность, надежность и долговечность конструкции ТА; рентабельность производства данных конструкций ТА; удобство обслуживания; серьезные и эксплуатационные издержки.

Приведенный список переменных характеристик указывает всю сложность беспристрастной оценки одним числом единиц эффективности, оптимальности сочетаний всех внутренних характеристик в сделанной конструкции ТА. теплообменник жидкость циркуляция Наружные характеристики ТА назначаются юзером ТА, согласно принятым технологическим процессам и проектам.

Внутренние характеристики закладываются в конструкцию ТА его разработчиком и размеренны при изменении наружных характеристик.

Наша методика определения критериев тепло гидродинамической эффективности ТА исходит из фундаментального положения, сформулированного в 40-е годы М. В. Кирпичевым: энергетическую эффективность ТА охарактеризовывает отношение 2-ух видов энергии — теплоты Q, переданной в теплообменнике, и энергозатрат N на преодоление гидравлических сопротивлений при всем этом:

— энергетический коэффициент (1).

Чем больше число единицу коэффициента, тем лучше конструкция ТА и метод интенсификации термообмена в нем. Но сравнимо обычная зависимость (1) не получила достаточного практического внедрения. Основным недочетом ее является неоднозначность конфигурации коэффициента Е_о зависимо от принятых скоростей рабочих сред и соотношений коэффициентов теплопередачи, спектра температур и др. С возрастанием скоростей рабочих сред, даже при иных равных критериях сопоставления, значение Е_о миниатюризируется, т.к. затраты энергии вырастают пропорционально кубу скорости.

В современных конструкциях ТА наибольшее тепловое сопротивление теплопередачи появляется в пристенном слое. Интенсификация теплопередачи наблюдается при уменьшении толщины либо разрушении пограничного слоя, но это связано с ростом гидравлического сопротивления и повышением энергозатрат на его преодоление. На гладких прямых формах поверхности термообмена, с ускорением движения воды в канале, теплопередача возрастает с одновременным опережающим темпом роста гидравлического сопротивления (аналогия Рейнольдса).

На сложных (криволинейных) формах поверхности термообмена аналогия Рейнольдса теряет силу. К примеру, при омывании жидкостью каналов с гофрированной формой поверхности соотношение меж интенсивностью теплопередачи и гидравлическими сопротивлениями (используемой мощностью), при увеличении скорости, приобретает иную зависимость.

Появляются ситуации, приводящие к существенному повышению теплопотери при существенно наименьших энергозатратах, чем на гладких формах поверхности. Интенсифицирующие воздействия формы поверхности термообмена в каналах будут благоприятны, когда эта форма вызывает в пограничном слое усиленное обновление частиц воды. Теплоэнергетическое качество таковой сложной формы поверхности термообмена увеличивается.

Учитывать эффективность интенсификации можно зависимостью.

(2),.

отражающей отношение коэффициента теплопотери (а) к удельным затратам энергии на преодоление гидравлических сопротивлений (N_o) в степени «от». Зависимость (2) нами получена при исследовании пластинчатых теплообменников на экспериментальных щитах.

Показатель степени «от» и затраты энергии N_o определяются для каждой новейшей формы поверхности экспериментально.

Коэффициент Е является неизменным (фиксированным) числом единиц теплоэнергетической эффективности поверхности термообмена определенной конструкции. Он отражает уровень оптимизации внутренних характеристик каналов.

Чтоб исключить воздействие наружных характеристик, расчет коэффициента Е следует проводить в единых наружных параметрах либо в равных критериях сопоставления.

Принят эталонный (приведенный к равным условиям) режим сопоставления теплообменных аппаратов. Он такой:

• 1. рабочие среды (охлаждаемая и нагреваемая в смежных каналах — вода), характеристики воды приняты при средней температуре 50 °C;
• 2. расходы рабочих сред могут быть любые, но равные для обеих сред.

Расчет числа единиц эффективности ТА (Ет) ведут на удельные характеристики: на единицу площади поверхности термообмена (F = 1 мІ); на единицу среднего температурного напора A_t; на единицу энергозатрат на преодоление гидравлического сопротивления (N_o = 1 Вт/мІ). Удельные характеристики позволяют распространить результаты сопоставления на весь размерный ряд теплообменных аппаратов при всех наружных параметрах. Для определения более глубочайшей связи зависимости (2) с внутренними параметрами теплообменника вместе решались уравнения гидродинамики и теплопотери, связывающие многие переменные:

Уравнение гидродинамики:

Тут.

(4).

Уравнение теплопотери:

(5),.

где: ДP — утрата давления, Па;

о — коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы относительной длины канала;

L — длина канала, м; dпоперечник канала (эквивалентный), м; р — плотность рабочей среды, кг/мі; щ — скорость рабочей среды в каналах, м/с; А — коэффициент, характеризующий воздействие внутренних характеристик на гидродинамику потока в каналах сложной формы;

R_e — число Рейнольдса;

Р_r — число Прандтля;

С, п, р — неизменные величины, определяемые по опытным данным. Беря во внимание, что,.

где Хкоэффициент теплопроводимости, Вт/(м. К); v — кинематическая вязкость, мІ/с; Fkплощадь поверхности термообмена аппарата, мІ; V — секундный большой расход воды, мі/с; F_k — площадь поверхности 1-го канала, мІ; V-секундный расходный объем воды; f_k— площадь поверхности 1-го канала, мІ.

Совместное решение уравнений (3) и (5) даст:

Сравнив уравнения (6) и (2).

получим:

При сопоставлении в эталонном режиме (вода) всех конструкций поверхностей термообмена уравнение (7) числа единиц эффективности получит вид:

Как надо из уравнения (8) число единиц эффективности в эталонном режиме {Ет) не находится в зависимости от расхода рабочей среды и скорости ее в канале и перепада температур. Определяющее значение имеют величины С в уравнении (5) и, А в уравнении (4), которые охарактеризовывают форму и размеры поверхности термообмена. Также оказывают влияние эквивалентный поперечник канала d, отношение площади поверхности термообмена канала F_k к площади поперечного сечения канала f_k и его длине L. Оказывают влияние величины характеристик степени «п», «р» в уравнениях (5) и (4).

Чем больше число единиц эффективности Е_т для данной конструкции, тем выше теплоэнергетическое качество поверхности термообмена и тем эффективнее (потенциально) теплообменные аппараты с таковой поверхностью термообмена.

Приобретенные результаты необходимы, сначала, для сопоставления сложных форм поверхности термообмена в пластинчатых теплообменных аппаратах, где способности выбора форм и размеров пространны. Формы поверхности термообмена в пластинчатых теплообменных аппаратах прошли путь развития от гладких канальчатых к ленточно-поточным (двухмерная турбулизация) и современным сетчато-поточным (трехмерная турбулизация потока формой поверхности канала). Для современных пластинчатых ТА, с сетчато-поточной формой поверхности термообмена (тип «елка»), уравнение (8) имеет более обычный вид:

Уравнения (8) и (9) распространяются на турбулентный режим течения рабочей среды, при теплопотере без конфигурации агрегатного состояния сред. Критичное число Рейнольдса в современных пластинчатых теплообменных аппаратах R_ek = 50−200.

По условиям эталонного режима сопоставления теплообменных аппаратов, при N_o = 1 Вт/мІ (удельные затраты энергии на преодоление гидравлического сопротивления принят равным Ло = 1 Вт/мІ поверхности) в согласовании с уравнением (2):

Число единиц эффективности равно интенсивности теплопотери.

Для сравнительной оценки эффективности готовых конструкций пластинчатых ТА в эталонном режиме разглядим коэффициент теплопередачи (удельную интенсивность термического процесса):

где:

При незапятанной поверхности термообмена величиной теплового сопротивления узкой железной стены можно пренебречь. Тогда, с учетом (10):

Приведенный к эталонным условиям коэффициент теплопередачи (Кп равен половине числа единиц эффективности поверхности термообмена (Ет) либо числу единиц эффективности всего ТА (Е_пк). Соответственно, уравнение (9) для всего ТА получает вид:

(13).

Результаты расчетов, выполненные для сопоставления в эталонных критериях для разных конструкций ТА по предложенной методике, приведены в табл. Число единиц эффективности ТА, выраженное через коэффициент теплоэнергетической эффективности ЕЛ, является количественной и высококачественной мерой оценки сравниваемых конструкций ТА. Оно отражает теплоэнергетические свойства ТА при различных реальных наружных параметрах. Это основной полный показатель ТА — безразмерный аспект. По аналогии сопоставления автомобилей схожего предназначения по расходу горючего на пробег 100 км пути, теплообменники можно сопоставить по величине ЕЛ — числу единиц эффективности (удельному термическому сгустку в эталонном режиме), что полностью наглядно.

Из обилия рекламируемых конструкций и выполнений ТА, с помощью оценки их теплоэнергетической эффективности по нашей методике, можно найти сбалансированный вариант.