Реферат способы интенсификации теплообмена

Кутина Ирина Владимировна

Физико-металлургический факультет

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Специальность Теплоэнергетика

Оценка эффективности методов интенсификации теплообмена в контуре теплоносителя котлов малой и средней мощности

Научный руководитель: к.т.н., доц. Гридин Сергей Васильевич

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение.

В промышленности широко распространены тепловые процессы — нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах. Теплообменные аппараты или просто теплообменники используются практически во всех отраслях промышленности. Их основная задача обеспечить температурный режим технологических процессов.

В настоящее время все теплообменные аппараты подразделяются на определённые группы по следующим признакам: по назначению (нагреватели, испарители и кипятильники; холодильники, конденсаторы и т. д.),по режиму работы, по особенностям конструкции и т. д. Холодильники и конденсаторы служат для охлаждения потока или конденсации паров с применением специальных хладоагентов (вода, воздух, пропан, хлористый метил, фреоны и т. д.).

Поверхностные теплообменные аппараты можно разделить на следующие типы по конструктивным признакам:

1. кожухотрубчатые теплообменники (жёсткого типа; с линзовым компенсатором на корпусе; с плавающей головкой; с U-образными трубками);
2. теплообменники типа “труба в трубе”;
3. подогреватели с паровым пространством (рибойлеры);
4. конденсаторы воздушного охлаждения.

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время наиболее широко распространены, по некоторым данным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры. Основной частью такого теплообменника является пучок труб, закреплённых в трубных решётках. Трубки располагаются в трубном пучке в шахматном порядке или по вершинам треугольников. Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая – внутри корпуса между трубками.Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время наиболее широко распространены, по некоторым данным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры. Основной частью такого теплообменника является пучок труб, закреплённых в трубных решётках. Трубки располагаются в трубном пучке в шахматном порядке или по вершинам треугольников. Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая – внутри корпуса между трубками.

1. Анализ последних исследований и публикаций

Анализ последних публикаций и информации, размещенной на интернет-сайтах производителей водогрейных котлов малой мощности (ВКММ), позволил сделать вывод, что современная котельная техника малой и средней тепловой мощности развивается в следующих направлениях: повышение энергетической эффективности путем снижения тепловых потерь и наиболее полного использования энергетического потенциала топлива; уменьшение габаритов котельного агрегата за счет интенсификации процесса сжигания топлива; интенсификации теплообмена в топочной камере и на поверхностях нагрева; снижение загрязняющих атмосферу газообразных выбросов (СО, NOх, SOх); повышение надежности работы котла.

На сегодняшний день известны различные способы интенсификации теплообмена в конвективных элементах водогрейных котлов: применение перфорированных поверхностей, многослойных конвективных поверхностей, оребрения, а также вставок различной конфигурации.Наиболее распространенными и энергоэффективными способами интенсификации теплообмена являются пассивные методы интенсификации, использующие турбулизацию основного потока теплоносителя, турбулизацию пограничного слоя, увеличение площади поверхности теплообмена и другие.

Теплообменные аппараты нашли широкое применение во многих областях хозяйственной деятельности, авиационно-космической, энергетической, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, холодильной и криогенной технике, в системах отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования, различных тепловых двигателях. В связи с ростом энергонапряженности устройств, повышением требований к возможным режимам регулирования систем достаточно актуально стоит вопрос изучения возможных процессов интенсификации теплообмена.

Посредством интенсификации теплообмена увеличивается количество тепла, передаваемого через единицу поверхности теплообмена и соответственно, уменьшаются массогабаритные показатели теплообменника; достигается более выгодное соотношение между передаваемым количеством тепла и мощностью, затрачиваемой на прокачивание теплоносителей. Высокое техническое качество интенсифицированного теплообменного оборудования улучшает общие характеристики энерготехнологических установок.Выбор интенсификатора – важный этап проектирования теплообменного оборудования.

Выбор интенсификатора – важный этап проектирования теплообменного оборудования.

Применение проволочных интенсификаторов является одним из оптимальных способов интенсификации теплообмена, объединяющим максимальную эффективность и экономичность.

2. Постанновка задачи

Основными целями является повышение энергоэффективности как в целом системы генерации и транспортировки тепловой энергии, так и системы распределения тепловой энергии.

Интенсификация теплообмена, которая используется для увеличения удельного теплового потока, всегда сопровождается ростом потерь давления. На сегодняшний день для оценки эффективности того или иного способа интенсификации теплообмена используется несколько критериев которые включают в себя как тепловые, так и гидродинамические характеристики потока.

И винженерной практике кроме этих критериев не менее важными являются массогабаритные характеристики котла и эффективность использования топлива. Все эти параметры должны быть системно учтены не только на отдельном этапе (создание, эксплуатация), а в течение всего жизненного цикла котла.Для задачи экономии топлива (при постоянной мощности и геометрических размерах котла сравнивается расход топлива в котле с интенсификацией теплообмена и в котле с гладко трубной поверхностью) критерием эффективности интенсификатора теплообмена возможно быть записан в виде

Для увеличения теплообмена могут быть использованы различные методы: применение турбулизирующих вставок, ультразвука, пульсации давлений и вибрации теплообменных поверхностей, применяют различные способы оребрения внутри труб

Критерий для задачи уменьшения массогабаритных характеристик при постоянной расходу топлива и мощности, приведенный в работе имеет вид:

Где V — обьем конвективного пучка, Q — тепловая мощность котла,кВт.Критерием эффективности интенсификатора теплообмена К выбрано долю уменьшения экологического воздействия в течение жизненного цикла теплообменника благодаря использованию интенсификаторов теплообмена.

Выводы

Проанализированы современные направления развития котельной техники малой мощности. Рассмотрены современные способы интенсификации теплообмена в водогрейных котлах малой мощности. На основе собственных исследований и анализа работ авторов предложено рассчитывать теплообмен в гладкотрубный каналах водогрейных котлов с учетом поправки на интенсивность теплообмена на начальном участке гидродинамической стабилизации потока. Показано, что использование пластин различной конфигурации существенно улучшает теплотехнические показатели котла.

Источник

Качковский Александр Дмитриевич

Физико-металлургический факультет

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Специальность «Теплоэнергетика»

Исследование и обоснование способов интенсификации теплопередачи в теплогенераторах

Научный руководитель: доцент, к.т.н. Пятышкин Георгий Георгиевич

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Теплообмен излучением осуществляется посредством электромагнитных волн. Он составляет 90-95% суммарного теплообмена в топках паровых котлов, дуговых сталеплавильных печах, 80-90% — в плазменно-дуговых печах и камерах нагревательных печей. Электромагнитные волны распространяются прямолинейно со скоростью света и подчиняются оптическим законам преломления, поглощения, отражения. Излучение происходит при квантовом переходе атомов и молекул из стационарных состояний с большей энергией в стационарные состояния с меньшей энергией. Для непрерывного излучения тело должно получать энергию извне. Так как переходы атомов и молекул из одного состояния в другое носят различный характер, излучение имеет различные длины волн. Тепловое излучение является одним из видов электромагнитных колебаний с длиной волн от 0,4 до 40 мкм. Теплоотдача излучением в промышленных печах играет доминирующую роль.

1. Актуальность

Развитие техники на современном этапе характеризуется повсеместной интенсификацией процессов, протекающих в различных установках и аппаратах, что требует усовершенствования и создания качественно новых конструкций для обеспечения высоких физико-технических характеристик. Это относится и к теплообменным установкам, наиболее распространенными среди которых являются металлургические печи. Коэффициент полезного действия большинства теплообменных аппаратов можно повысить путем интенсификации теплообмена излучением.

2. Цель и задачи

Целью работы является анализ математической модели абсолютно черного тела и обоснование на этой основе эффективных методов расчёта радиационного теплообмена, обеспечивающих дополнительные возможности для повышения эффективности установки в целом.

3.Основные положения

Лучистый теплообмен осуществляется в результате процессов превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса энергии излучения и её поглощения веществом. Протекание процессов радиационного теплообмена определяется взаимным расположением в пространстве тел, обменивающихся теплом, свойствами среды, разделяющей эти тела. Существенным отличием лучистого теплообмена от других видов теплообмена (теплопроводности, конвекции) является то, что он может протекать и при отсутствии материальной среды, разделяющей поверхности теплообмена, так как осуществляется в результате распространения электромагнитного излучения. Любое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, испускает энергию, обусловленную нагревом тела. Это излучение называется собственным излучением тела и характеризуется потоком собственного излучения Qсоб. Собственное излучение, отнесённое к единице поверхности тела, называется плотностью потока собственного излучения, или лучеиспускательной способностью тела. Отношение лучеиспускательной способности какого-либо тела к лучеиспускательной способности абсолютно чёрного тела при той же температуре называется степенью черноты. Абсолютно чёрное тело — тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее, является физической идеализацией, с коэффициентом излучения равным единице. Спектральная характеристика абсолютно черного тела соответствует предельному, максимально возможному тепловому излучению при данной температуре. Модель абсолютно черного тела можно представить в виде замкнутой полости, стенки которой имеют одинаковую температуру. Если в такой полости проделать небольшое отверстие, площадь которого много меньше площади поверхности стенок полости, то выход энергии излучения из отверстия не может заметно изменить термодинамического равновесия в полости, и лучеиспускание из отверстия будет отвечать тепловому излучению абсолютно черного тела при температуре стенок. Схема модели изображена на рис. 1 (схема а).

Рассмотрим плоскую вертикальную поверхность, в которой будут проделано множество отверстий шарообразной формы на рис. 1 (схема в). Для определения интенсивности излучения такой поверхности сначала необходимо найти результирующий тепловой поток на выходе из отверстия шара. Для этого внутреннюю поверхность шара разделим на отрезки и представим в виде многоугольника, схема приведена на рисунке 2:

Рисунок 2 – Модель расположения внутренних поверхностей шара

Поверхности двенадцатиугольника имеют одинаковую температуру, степень черноты. Отверстие 1-2 рассматриваем, как черное тело. Необходимо определить результирующий поток который выходит из отверстия 1-2. Чтобы рассчитать теплообмен излучением между двумя поверхностями, необходимо определить долю полной энергии излучения, исходящую от одной поверхности и достигающую непосредственно вторую поверхность. Определим угловые коэффициенты излучения, как часть полной энергии излучения, исходящую от поверхности 1 и достигающую непосредственно поверхности 2. Значения угловых коэффициентов излучения будем искать методом натянутых нитей. Данный метод расчета угловых коэффициентов для двумерных поверхностей, бесконечно протяженных в одном направлении и характеризуемых идентичностью всех поперечных сечений, нормальных к направлению бесконечной протяженности. На рисунке 3 показаны две поверхности, удовлетворяющие указанным выше геометрическим ограничениям.

Рисунок 3 — Метод натянутых нитей

Согласно этому методу, угловой коэффициент равен сумме длин пересекающихся нитей, натянутых между краями двух поверхностей, минус сумма длин двух непересекающихся нитей, деленной на удвоенную длину L. Расчет теплообмена в системе, включающей серые поверхности, более сложен, чем в системе, состоящей только из черных поверхностей. При падении излучения на серую поверхность часть излучения отражается и оно должно учитываться в балансе энергии. Все поверхности изотермические, и падающее на каждую поверхность излучение распределено равномерно. Серые поверхности считаются диффузными, и поскольку они серые, то на основании закона Кирхгофа, излучательная способность поверхности равна ее отражательной способности. Если над серой поверхностью поместить воображаемую плоскость (рисунок 4), то для обеспечения баланса энергии этой плоскости в стационарных условиях результирующая энергия, которую необходимо сообщить серой поверхности для поддержания ее температуры, должна быть равна разности между энергией исходящего с поверхности и энергией падающего на ее излучения.

Рисунок 4 – Баланс энергии на воображаемой плоскости около серой поверхности

Результирующий тепловой поток от серой поверхности, обозначенной индексом i, будет равен разности тепловых потоков эффективного и падающего излучений на поверхность:

Составим матрицу A[1..12,1..12], значение диагональных элементов:

Значения остальных элементов определяем по формуле:

Для черной поверхности значение диагонально элемента:

Значения остальных элементов:

Составляем столбец величин B[1..12]:

Для черной поверхности:

Находим значения эффективных потоков излучения Eэф, решая систему уравнений A[i,j]•Eэф [i]=B[i], методом Гаусса.

Находим результирующий поток для серых поверхностей по формуле:

Для черной поверхности:

Если температура внутренней поверхности шара равна 500К (при степени черноты равной 0.8) — результирующий тепловой поток увеличивается на 25%.

Выводы

Сопоставляя значение результирующего потока Eрез для площадки 1-2 и потока, испускаемого пластиной аналогичной длины, температуры и степени черноты, как у внутренней поверхности шара, можно сделать вывод, что предложенная конфигурация позволяет увеличить общий результирующий тепловой поток и интенсифицировать теплообмен излучением в целом.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Источник