Покращення теплогідравлічних характеристик рекуперативних теплообмінників з вторинними випромінювачами - Статья

ПОКРАЩЕННЯ ТЕПЛОГІДРАВЛІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕКУПЕРАТИВНИХ ТЕПЛООБМІННИКІВ З ВТОРИННИМИ ВИПРОМІНЮВАЧАМИДослідження проводилися на вогневому стенді з метою порівняння характеристик дослідних секцій BD гладкотрубних петлевих рекуператорів і зразків з інтенсифікаторами теплообміну різної геометрії: 1) конструкцій SP зі спіральними вставками, встановленими по всій довжині теплообмінних труб (відносний крок спіралей а = s/d = 4,0). Такі рекуператори відповідають існуючим закордонним аналогам; 2) конструкції MD авторської розробки з гнучкими хрестоподібними вставками - вторинними випромінювачами, встановленими по всій довжині теплообмінних труб. Визначено теплотехнічні та теплогідравлічні переваги запропонованих рекуператорів типу MD порівняно із закордонними конструкціями зі спіральними вставками - турбулізаторами і традиційними вітчизняними гладкотрубними рекуператорами. The researches were fulfilled at firing rig with a purpose of comparison the characteristics of the test sections of smooth tube recuperator (BD) and the specimens with the facilities of different geometry providing heat transfer intensification:1) the designs SP with the spiral inserts installed by the whole length of heat exchange tubes with the relative pitch of the spirals s/d = 4,0. These recuperators meet the existing foreign analogous prototypes; 2) design MD of authors ’design with flexible cross-shaped inserts - the secondary emitters installed by the whole length of heat-exchange tubes.Незважаючи на експериментальне підтвердження принципових переваг використання вставок - вторинних випромінювачів в теплообмінних трубах виявлені в попередніх дослідженнях [1; 2]: • підвищення температури Та підігріву теплоносія, що подається в труби; До останнього часу не були визначені системні закономірності, що стосуються теплотехнічних, гідравлічних і теплогідравлічних характеристик теплообмінних труб рекуператорів, в тому числі високотемпературних: • при розміщенні вторинних випромінювачів безперервно по всій довжині труб, петель, секцій, • при порівнянні труб зі вставками - вторинними випромінювачами з кращими конструкціями зарубіжних аналогів зі вставками - спіральними турбулізаторами. Для випробувань було обрано такі конструкції трубчастих петльових рекуператорів: 1) гладкотрубної (без вставок) конструкції (BD) - з 3 (трьох) послідовних U-подібних петель без вставок; 2) конструкції зі спіральними вставками - SP, встановленими по всій довжині теплообмінних труб в таких же петлях, як в конструкції BD з відносним кроком спіралей а = s/d = 4,0; 3) авторської конструкції з гнучкими хрестоподібними вставками - вторинними випромінювачами, встановленими по всій довжині теплообмінних труб - конструкція MD [13]. При проведенні експериментальних досліджень встановлено, що при невисокому рівні температур в камері (~550 °С = 823 К) температура нагрівання повітря Та,ех у MD секції незначно (~20 К) поступається Таех для випадку використання секції зі вставками SP (рис. Зі зростанням температури в камері Tf частка непрямої променистої складової в загальному перенесенні теплоти в системі «внутрішня поверхня труби - вторинний випромінювач - повітряний потік» зростає, і підігрів повітря в секції MD при температурі в камері 1273 К (1000 °С) випереджає Таех в секції SP орієнтовно на 60 К (див. табл.Для рекуперативних секцій у формі трубчастих петель винайдено істотне (до 170 К) підвищення температури підігріву повітряного потоку Ta,ex , зниження температури стінки труб Tw і Tw,max, а також різниці температур Tw - Ta, ex при розміщенні в трубах плоских радіальних вставок, зокрема, хрестоподібного перерізу, в порівнянні з гладкотрубною конструкцією петель. Показано, що характеристики запропонованих рекуператорів з вторинними випромінювачами перевершують такі для зарубіжних аналогів, оснащених спіральними вставками - турбулізаторами, за теплотехнічними показниками: підвищення температури підігріву повітряного потоку Ta,ex (на 60 К), зниження температури стінки труб Tw (не менш ніж на 20 К), гідравлічними характеристиками: зменшений аеродинамічний опір повітряного тракту Ара, а також теплогідравлічна ефективність е.

1. Проведені експериментальні дослідження теплообміну і аеродинаміки в газо-газових теплообмінниках (рекуператорах), при використанні двох способів інтенсифікації теплообміну в каналах: встановленні в трубах інтенсифікаторів конвективного теплообміну - спіральних турбулізаторів, з одного боку, і вторинних випромінювачів у формі гнучких вставок хрестоподібного перерізу, з іншого. В цілому роль вставок з точки зору можливостей теплопередачі завжди позитивна і монотонно збільшується по мірі зростання температури продуктів згоряння, які омивають труби рекуператора, а також збільшення поверхні вставок. Дослідами доведено, що інтенсифікація високотемпературного теплообміну за рахунок встановлення вторинних випромінювачів призводить до випереджаючого зростання аеродинамічного опору тракту, що знижує узагальнену теплогідравлічну характеристику рекуператора е.

2. Для рекуперативних секцій у формі трубчастих петель винайдено істотне (до 170 К) підвищення температури підігріву повітряного потоку Ta,ex , зниження температури стінки труб Tw і Tw,max, а також різниці температур Tw - Ta, ex при розміщенні в трубах плоских радіальних вставок, зокрема, хрестоподібного перерізу, в порівнянні з гладкотрубною конструкцією петель.

3. Показано, що характеристики запропонованих рекуператорів з вторинними випромінювачами перевершують такі для зарубіжних аналогів, оснащених спіральними вставками - турбулізаторами, за теплотехнічними показниками: підвищення температури підігріву повітряного потоку Ta,ex (на 60 К), зниження температури стінки труб Tw (не менш ніж на 20 К), гідравлічними характеристиками: зменшений аеродинамічний опір повітряного тракту Ара, а також теплогідравлічна ефективність е. Перевищення ефективності е для секції MD порівняно із закордонним прототипом SP знаходиться в межах 14,5%.

4. Особливо значними є переваги конструкції MD по найбільш представницькому температурному критерію - різниці температур ATW_a = Tw - Taex: близько 4-кратного зменшення в порівнянні з BD-конструкцією, більше 2-кратного скорочення в порівнянні з SP - конструкцією.

Наведені переваги дозволяють рекомендувати вторинні випромінювачі запропонованої конструкції як більш ефективні в порівнянні зі спіральними вставками - турбулізаторами для трубчастих високотемпературних рекуператорів.

1. Сорока Б.С., Воробьев Н.В., Кудрявцев В.С., Згурский В.А. Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре // Энерготехнологии и ресурсосбережение, №4, 2012. - С.71 - 80.

2. Сорока Б.С., Воробьев Н.В., Згурский В.А., Кудрявцев В.С. Теплообмен и сопротивление в высокотемпературном рекуператоре // XIV Минский международный форум «Тепломассообмен ММФ- 2012» (10- 13 сентября 2012 г.). - Минск: АНК «Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова» НАНБ: 2012.- C. 148 - 151.

3. The Peiler Convection Recuperator // Helmut Peiler Montanwarme. [Електронний ресурс]. - Режим доступа: 4. Smith D.P. Design of recuperators to preheat combustion air for energy efficiency in furnace operations // Industrial Heating, 1991. Vol. LVIII, No. 2., - P. 26 - 28.

5. Recuperators // Hotwork Combustion Technology. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: 6. Encon Recuperator // ENCON Thermal Engineers. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: . encon.co.in/recup erators. html

7. Technical data bulletins: Schack canal recuperators // Alstom power energy recovery. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: www.amschack.com

8. Convective Recuperators // Kalfrisa S.A. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: 9. Металлические трубчатые петлевые рекуператоры // ЧАО «Кераммаш» [Електронний ресурс]. - Режим доступу: 10. Рекуператоры петлевые трубчатые // Каталог продукции НПГ «Днепротехсервис» - 161 стр. [Електронний ресурс]. - Режим доступу: 11. Recuperator // Fuel Save Systems & Devices (P) Ltd [Електронний ресурс]. - Режим доступу: 12. Combustor (Burner) series: Recuperator // Beijing Shenwu Environment & Energy Technology Co. Ltd [Електронний ресурс]. - Режим доступу: . php?app= product&act=view&column_id= 137&id= 187

13. Патент України на винахід 101124, МПК: F23L 15/04; F27D 17/00. Рекуператор. Сорока Б.С., Шандор П., Кудрявцев В.С., Воробьев Н.В. / заявник та патентовласник Інститут газу НАНУ. № a201201938 Заявл. 21.02.2012; Опубл. 25.02.2013, Бюл. 4, 2013.

14. Сорока Б.С. Интенсификация тепловых процессов в топливных печах // Киев: Наукова думка, 1993. - 416 с.

15. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках // М.: Наука, 1982.- 472 с.

16. Воронин Г.И. Эффективные теплобменники./ Воронин Г.И., Дубровский Е.В. // М.: Машиностроение, 1973. - 96 с.

Размещено на .ru