Підвищення ефективності поверхневих тепломасообмінних апаратів шляхом розвинення закономірностей розподілу локальних теплогідравлічних параметрів

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Як відомо, від ефективності роботи тепломасообмінних апаратів істотно залежить ККД енергетичних установок і параметри енергоносіїв, що відпускаються споживачам. Теплообмінники по габаритах, вазі, металоємності, а деколи і вартості порівнянні з установками, де вони використовуються, а найчастіше і - перевершують їх. У зв'язку з зношенням основного обладнання, встановленого на енергоустановках і системах ще у роки колишнього СРСР, що особливо має місце у останні роки, деякі теплообмінники не виконують функції, покладені на них, що призводить до зниження ефективності установок, підвищення витрат палива і енергії, матеріалів та збільшення втрат від зупинок і ремонтів. Тому актуальною є задача розробки нових теплообмінників, обґрунтування встановлення стандартних апаратів, модернізації існуючих та аналізу їх ефективності і ресурсу.

Традиційно при розробці, проектуванні та аналізі ефективності поверхневих теплообмінників в основному використовуються математичні моделі та методики, що включають спрощені емпіричні залежності для визначення інтегральних характеристик (середніх температурних напорів, ефективності), не в повній мірі враховують особливості компонування та нерівномірність розподілу теплових і гідравлічних параметрів і експлуатаційні фактори. Ці моделі не достатньо відображають влив роботи апаратів на ефективність і надійність установок, де вони експлуатуються, та в основному призначаються для окремих видів розрахунків на етапі проектування.

Таким чином, задача підвищення ефективності та ресурсу поверхневих рекуперативних тепломасообмінних апаратів, що експлуатуються, модернізуються чи розроблюються з урахуванням особливостей їх компонування та конструкції, нерівномірності розподілу теплових і гідравлічних параметрів, режимів та умов експлуатації є актуальною і важливою науково-прикладною проблемою. Вирішення даної задачі призведе до зменшення витрат палива, енергії та матеріальних ресурсів, зменшення негативного впливу на навколишнє середовище та поліпшення якості енергоносіїв, що відпускаються споживачам.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності тепломасообмінного обладнання, що дозволить зменшити витрати палива, енергії та матеріалів, підвищити теплову і економічну ефективність, експлуатаційну надійність, ресурс та екологічну безпеку енергетичних установок і систем та поліпшити якість енергоносіїв, що відпускаються споживачам.

Основною задачею дисертаційної роботи є розроблення нових уточнених аналітичних залежностей і методик розрахунку із застосуванням основних положень класичної теорії тепломасообміну, перевірка їх адекватності, обґрунтування та узагальнення. Створені залежності, методи та засоби повинні більш адекватно відображати процеси в тепломасообмінному обладнанні, враховувати особливості компонування та нерівномірність розподілу теплових і гідравлічних параметрів, режимні та експлуатаційні фактори.

У цілях практичної реалізації поставленої мети потрібно:

- провести аналіз впливу особливостей компонування, нерівномірності розподілу теплових і гідравлічних параметрів, режимних та експлуатаційних факторів на ефективність та ресурс апаратів. Розробити рекомендації по підвищенню ефективності;

- розробити, уточнити та узагальнити залежності та методики підвищення ефективності апаратів шляхом багатопараметричної техніко-економічної оптимізації з урахуванням факторів експлуатації;

- виконати дослідження ефективності, працездатності та ресурсу з застосуванням імітаційного моделювання та системного аналізу, виконати аналіз впливу основних факторів та розробити рекомендації по підвищенню ресурсу апаратів.

1, Аналіз стану проблеми створення, використання і експлуатації поверхневого тепломасообмінного обладнання, що виконує функції регенеративного підігріву повітря та живильної води на теплових та атомних електростанціях, регенерації та утилізації теплоти, охолодження повітря і інших речовин, забезпечення технологічного процесу на різних установках, системах теплопостачання та опалення

У результаті зробленого дослідження показано, що для проектування, розрахунків, аналізу, підвищення ефективності досліджуваних теплообмінників створено багато залежностей та методик відомими вченими: Г.А. Дрейцером, А.Е. Пііром, В.Б Кунтишом, Г.Є. Канівцем, Л.Д. Берманом, В.М. Марушкіним, С.С. Іващенко, Б.Ф. Вакуленко, Я.Л. Полиновським, Т.Я. Кульмухаметовим, В.А. Пермяковим, В.К. Мігаєм, Л.В. Арсеньєвим, В.М. Антуф'євим, Ю.М. Дедусенко, Ю.Н. Васильєвим, В.Д. Нестеровим, Ю.Я. Соколовим, Л.Л. Товажнянським, Л.П Перцевим, Л.М. Коваленко, А.Ф. Глушковим, Н.М. Зінгером, А.М. Тарадаєм, П.А. Капустенко, Л.М. Ульєвим, Е. Гаддісом, Е. Шлюндером та ін. Комплекси методик і алгоритмів проектування, удосконалення, аналізу і розрахунків цих теплообмінників також розроблені відомими організаціями: ЦКТІ, ВТІ, УкрНІІХІММаш, ВНІІНафтомаш та ін.

У результаті аналізу показано, що на етапі проектування і дослідження апаратів враховуються не всі фактори і чинники, що впливають на ефективність теплообмінників. В процесі експлуатації ефективність, працездатність і надійність теплообмінних апаратів, як правило, знижується унаслідок виникаючих відкладень і забруднень на поверхні, ерозійно-корозійного зносу, порушення герметичності і технології виготовлення та режиму експлуатації. При цьому збільшується аеродинамічний і гідравлічний опір апаратів. Усі ці фактори призводять до зниження ресурсу роботи тепломасообмінних апаратів і установок у цілому, до перевитрат палива, енергії та матеріальних ресурсів, зниження якості енергоносіїв, що відпускаються споживачам.

Встановлено, що при проектуванні та аналізі роботи досліджуваних апаратів звичайно використовують залежності для середнього температурного напору, ефективності чи безрозмірної питомої теплової продуктивності у вигляді укрупнених емпіричних залежностей чи спрощених формул, що, як правило, не враховують особливості компонування, нерівномірність розподілу параметрів, забруднення і не включають весь діапазон параметрів, що можуть бути у цих апаратах. Для переважної більшості випадків компонування узагальнених апаратів залежності даються у графічному виді. Але для деяких частинних випадків існують аналітичні залежності ефективності нагріву, що розроблені відомими вченими: В. Нуссельтом, Г. Мейсоном, Р. Стівенсоном, Х. Фернандесом, Г. Вольфом, Ф. Ніколем, К. Гарднером, П. Шмідтом, Х. Кнудсеном. Стосовно середніх температур теплоносіїв у відомій літературі говориться про складність одержання залежностей для схем, відмінних від класичного протитоку чи прямотоку. Коректність розрахунку середніх температур теплоносіїв і температурних напорів впливає на обчислення теплофізичних властивостей теплоносіїв і матеріалів стінок труб, що, у свою чергу, впливають на обчислення таких параметрів, як коефіцієнти тепловіддачі і теплопередачі, термічні опори стінок, число одиниць переносу теплоти, і, у підсумку, - на визначення ефективності охолодження чи нагрівання у всьому апараті. Тому актуальною задачею є одержання уточнених залежностей для середніх, інтегральних температурних характеристик, ефективності для поверхневих теплообмінних апаратів, у тому числі - для узагальнених складних апаратів зі змішаними плином.

Локальний розподіл температур теплоносіїв використовується для визначення теплового стану поверхні з урахуванням режимів роботи, технології виготовлення, відкладень і забруднень, зносу поверхні, що виникли або можуть виникнути при експлуатації. Відзначено, що у відомій літературі локальні температури теплоносіїв встановлюються тільки для деяких окремих випадків. Крім того говориться про важкість одержання аналітичних залежностей для локальних температур, особливо у схемах, де обидва теплоносії цілком перемішуються або не перемішуються та у складних схемах з частковим перемішуванням середовища по ходу.

Традиційно в розрахунках тепловіддачі і теплопередачі при конденсації пари на зовнішній поверхні вертикальних чи горизонтальних охолоджуваних труб в умовах, якщо рух плівки конденсату по поверхні труб ламінарний чи ламінарно-хвильовий та пара рухається повільно, використовуються формули з теорії Нуссельта. Багато зробили для уточнення і доповнення цих залежностей відомі вчені П.Л. Капіца, К.Д. Воскресенський, М.В. Зозуля, А.С. Сукомел, В.П. Ісаченко. Д.А. Лабунцов, М.К. Безродний та ін. Однак на практиці зазвичай визначається середній коефіцієнт тепловіддачі, де приймається постійність різниці температур між парою і зовнішньою стінкою по довжині ділянки труби. Досліджено, що коли зсередини труба безупинно охолоджується потоком іншого середовища передумови сталості різності температур пари і зовнішньої стінки по довжині труби будуть некоректними. Тому актуальною задачею є розробка уточнених залежностей для розрахунку процесу тепловіддачі і теплопередачі при конденсації пари на трубах, що охолоджуються.

Одним зі шляхів підвищення ефективності теплообмінних апаратів є інтенсифікація процесів теплообміну. Проблемі теоретичного і експериментального дослідження тепловіддачі при конвективному плині однофазних і двофазних середовищ у каналах різної форми, інтенсифікації тепловіддачі поверхонь і каналів, підвищення ефективності теплообміну турбулізацією потоків присвячена достатня кількість досліджень. Цими проблемами багато років займаються наукові школи, куди входять відомі вчені Г.А. Дрейцер, В.К Мігай, А.І. Леонтьєв, Є.Ф. Дибан, Е.Я. Епік, Є.М. Письменний, А.А. Халатов, А.Е. Піір, В.Б Кунтиш, В.Г. Павловський, А.А. Жукаускас, В.Т. Буглаєв, Ф.В. Васильєв, Ю.Н. Васильєв, В.Я. Васильєв, О.В. Сорока, В.Д. Нестеров, В.В. Олімпієв, Д. Керн, А. Краус, В.М. Кейс, А.Л. Лондон та ін. і у цьому напрямку вже досягнуто великий прогрес. Не дивлячись на те, що інтенсифікація теплообміну і турбулізація потоків, як правило, розглядається разом з пошуком оптимальної форми поверхні (оребрення, насічок, лунок, навивки та ін) по ефективності теплообміну, вартість виготовлення інтенсифікованих теплообмінних поверхонь може перекрити економічний ефект від їх застосування. Тому у дисертаційній роботі показано, що у цілях підвищення ефективності інтенсифікацію поверхонь доцільно проводити разом з техніко-економічною оптимізацією всього теплообмінника. Актуальною задачею є розробка уточнених залежностей і методик багатопараметричної оптимізації з урахуванням особливостей конструкції апаратів та умов їх експлуатації. Методики оптимізаційних розрахунків розглянуто у роботах відомих вчених М.В. Кирпичова, В.М. Антуф'єва, Л.Л. Товажнянського, Г.Є Канівця, Ю.М. Дедусенко, А.М. Тарадая, Д.Д. Калафаті, В.В. Попалова. Але стосовно конструкції, умов роботи теплообмінників, що досліджуються у даній роботі, залежності і методики можуть бути доопрацьовані, уточнені і доповнені.

Показано, що ефективність складних апаратів залежить також від схеми включення секцій, їх кількості, числа рядів труб в одній секції і їх компонування по ходах, степені перемішування кожного теплоносія по ходу. Таким чином, ще одним шляхом підвищення ефективності є перекомпонування поверхні з урахуванням розподілу локальних теплогідравлічних параметрів.

Від надійності роботи тепломасообмінного обладнання залежить теплотехнічна та економічна ефективність самого об'єкта чи системи, де воно встановлено. Від загального та міжремонтного ресурсу апаратів залежіть собівартість кінцевого продукту. Досліджено, що одними з типових та найпоширеніших теплообмінників, що піддаються сильному забрудненню поверхні в експлуатації, нерівномірним тепловим навантаженням, є апарати, що використовуються в ГТУ і компресорних станціях. Сучасні дослідження впливу відкладень і забруднень на тепловіддачу поверхонь розглянуто у роботах відомих вчених М.В. Зозулі, В.Г. Горобця та інших авторів. Показано, що забруднення поверхні сильно впливає на ефективність апаратів і призводить до зниження їх ресурсу та відключення, що суттєво впливає на ККД всієї установки, або знижує якість стисненого газу. Тому задача підвищення ефективності та ресурсу таких апаратів є актуальною задачею для економії палива, енергії та матеріалів.

На основі зробленого аналізу у даному розділі дисертаційної роботи сформульована мета роботи та поставлено задачі дослідження.

2. Одержання аналітичних залежностей для визначення розподілу локальних температур теплоносіїв, середніх і інтегральних температур та температурних напорів, теплових потоків, ефективності та визначення теплового стану поверхні теплообмінних апаратів

В основі розв'язання задачі побудови локальних температурних характеристик лежить вихідна система рівнянь математичної моделі, що складається з рівнянь теплового балансу та теплопередачі для елементарних інтервалів поверхні з урахуванням характерних особливостей течії струменів теплоносіїв. Прийнято допущення про рівномірність розподілу коефіцієнта теплопередачі по поверхні теплообміну.

Розв'язання вихідної системи рівнянь стосовно локальної різниці температур теплоносіїв отримано у вигляді інтегрального рівняння Вольтера від двох координат. Рівняння розв'язано методом невизначених коефіцієнтів та перетворено до більш зручного виду (1) через функцію Бесселя. У підсумку одержані вирішення:

; (1)

; (2)

, (3)

де і - поточні відносні координати (від 0 до 1); n - кількість елементів нескінченого ряду, що визначається збіжністю; I0 і Im - модифіковані функції Бесселя 1-го роду нульового порядку і порядку m; NTU2 і R - число одиниць переносу теплоти і відношення водяних еквівалентів теплоносіїв:

і , (4)

де і - коефіцієнт і площа теплопередачі; і - питома ізобарна теплоємність і масова витрата теплоносія.

Досвід і практика розрахунків показали, що при великих значеннях параметра NTU2 для схеми з двома неперемішаними теплоносіями (рис. 1, г) користуватися формулами дуже важко (виникають обчислювальні погрішності при розрахунку нескінченних рядів). Для великих значень NTU2 формули перетворені через асимптотичний вид (розкладання) модифікованих функцій Бесселя.

Для теплообмінників зі складним перехресним плином теплоносіїв з довільним розподілом температур внутрішнього теплоносія на вході розв'язання вихідної системи рівнянь отримано вирішенням рекурентних інтегральних перетворень.

, (5)

, (6)

, (7)

де 1 - вхід, 2 - вихід, і - номер елемента (ряду), n - кількість елементів.

Також отримані залежності для локальних температур зовнішнього теплоносія по ходу його омивання елементів (труб, рядів труб, секцій) та максимальних і мінімальних температур цього теплоносія в межах кожного елементу.

Для класичних перехресноплинних теплообмінників середні температури теплоносіїв визначаються шляхом осереднення локальних температур по довжині чи по площі поверхні. Відносна середня температура теплоносія, що нагрівається в межах елементу, буде такою:

, (8)

, (9)

. (10)

У дисертації показано, що за допомогою цих залежностей вирішується задача пошуку середніх температурних напорів, що використовуються при розрахунках інтегральних характеристик апаратів та їх ефективності.

Показано, що відносну середню різницю температур можна легко визначити після знаходження середніх температур теплоносіїв:

; . (11)

Середні температури теплоносіїв знаходяться через їх відносні значення:

, . (12)

Середні температури теплоносіїв використовуються для розрахунку теплофізичних властивостей середовищ, коефіцієнтів тепловіддачі та теплопередачі, і далі - у методиці визначення теплового стану поверхні.

Функцію ефективності (інтегральна характеристика, звичайно приймається степінь нагрівання) можна визначити по залежності:

. (13)

Одержані узагальнені формули функції ефективності були зіставлені з наявними залежностями для частинних випадків і отримано, що вони повністю співпадають. Це говорить про достовірність створених залежностей і методик для локальних і середніх температурних характеристик.

Створено узагальнену методику для визначення теплового стану поверхні апарату у кожній її точці з урахуванням технологічних та експлуатаційних факторів. Параметри, що характеризують тепловий стан поверхні, також необхідні в ітеративних розрахунках теплообмінників.

Таким чином, вперше одержано уточнені аналітичні залежності розподілу локальних температур теплоносіїв по їх ходу у довільній точці теплообмінників з класичним та складним перехресним плином. Це дозволило одержати уточнені рівняння для середніх температур теплоносіїв і температурних напорів, що забезпечило більш точне визначення теплогідравлічних параметрів теплообмінників. Результати дисертаційної роботи, одержані у даному розділі, дозволяють також визначити тепловий стан поверхні теплообмінного апарату.

3. Побудова уточнених залежностей для розрахунку тепловіддачі і теплопередачі у процесі конденсації пари на трубах, що широко застосовується у тепломасообмінних апаратах

Традиційно в розрахунках тепловіддачі і теплопередачі при конденсації пари на зовнішній поверхні вертикальних чи горизонтальних охолоджуваних труб використовуються формули з теорії Нуссельта в умовах, якщо рух плівки конденсату по поверхні труб ламінарний чи ламінарно-хвильовий та пара рухається повільно. Тут звичайно приймається постійність частинного температурного напору "пара-стінка" (тобто температури зовнішньої стінки) чи локальної щільності теплового потоку по всій довжині труби. Однак, якщо зсередини труба безупинно охолоджується потоком іншого середовища передумови сталості частинних температурних напорів чи щільності теплового потоку по довжині труби будуть некоректними. У результаті досліджень одержано залежності для локальних коефіцієнтів тепловіддачі, теплопередачі, частинного температурного напору "пара-стінка", щільності теплового потоку від загальної різниці температур між теплоносіями при конденсації практично нерухомої пари на верхньому ряді горизонтальних труб розв'язанням рівняння 4-ої степені (отримано у результаті перетворень рівняння теплопередачі) методами Декарта-Ейлера і Кардано:

, , (14)

де tx, - локальний температурний напір між теплоносіями, локальний частинний температурний напір "пара-стінка"; R0, - сумарний термічний опір тепловіддачі від зовнішньої стінки труби до охолоджуючого середовища і сумарний коефіцієнт перед у рівнянні Нуссельта для коефіцієнту тепловіддачі для горизонтальних труб з урахуванням поправочних множників; - параметр, що залежить від загального температурного напору:

,

, (15)

де - безрозмірний параметр, , .

У результаті одержано узагальнений вираз для локальних і при конденсації пари на горизонтальній трубі в залежності від локального температурного напору між теплоносіями:

, . (16)

Показано, що для визначення локальних та середніх значень і важливим є розподілення загальної різниці температур між теплоносіями по довжині труби. Розв'язання отримано інтегруванням системи рівнянь теплового балансу і теплопередачі для елементарного інтервалу зовнішньої поверхні труби методом розділення змінних та з урахуванням вирішення рівняння 4-ої степені для через :

, (17)

де та - функції (15) на координаті x та 0, де загальні температурні напори та відповідно; - кількість одиниць переносу теплоти при відсутності конденсатної плівки.

.

Рівняння (17) може бути вирішено методами послідовних наближень для параметра на відносній довжині труби .

Проведено аналіз розподілу локальних теплових параметрів при конденсації пари, що практично не рухається, по довжині труби (плоского змійовика, що являє собою елемент поверхні пароводяного теплообмінника). Як приклад, на рис. 3 наведено результати розрахунку розподілу локальних параметрів при збільшеній довжині труби змійовика до 50 м.

Як видно з результатів аналізу, приблизно 30 % ділянки труби на кінці практично нічого не вносить у процес теплообміну. Показано, що некоректність визначення локальних температурних напорів традиційним підходом значно збільшується при збільшенні довжини труби.

Зроблено аналіз впливу розподілу локальних температурних напорів на розрахунок середніх та інтегральних температурних і теплових характеристик. Середні щільність теплового потоку і різниці температур () визначаються з рівнянь:

, , (18)

де - функція (15), де замість температурного напору підставляється . Рівняння вирішується методами послідовних наближень відносно ; t1 и t2 - температурні напори між теплоносіями на вході та на виході з ділянки труби.

У результаті досліджень одержано залежність співвідношення необхідних довжин труби, що є поправкою до розрахунку традиційним підходом:

, (19)

де та - параметри (15) на вході і виході;

індекс "тр" відноситься до традиційного підходу.

Проведений аналіз показав, що поправка залежить тільки від двох безрозмірних величин: ступеня нагрівання P теплоносія і комплексу z, що є функцією початкових параметрів - розташовуваного (максимального чи початкового) температурного напору і умов теплопередачі (властивостей пари і конденсату, розміру труби, сумарного термічного опору всередині труби і стінки). Графік поправки показано на рис. 4. Як видно з графіку, для розрахунку інтегральних та середніх характеристик при конденсації практично нерухомої пари на горизонтальних трубах при значенні параметра P до 0,95 можна без значних погрішностей використовувати традиційну залежність Нуссельта без врахування поправки на розподіл локальних частинних температурних напорів по довжині.

Одержано розподіл локальних температурних напорів по довжині ділянки конденсації на вертикальній трубі. Вирішення отримано інтегруванням методом розділення змінних системи рівнянь теплового балансу і теплопередачі для елементарної ділянки труби. Підсумкове розв'язання залежить від взаємного плину плівки конденсату і теплоносія, що охолоджує:

а) супутній рух:

; (20)

б) протиток:

, (21)

де B0 - комплекс,, -сумарний коефіцієнт перед у рівнянні Нуссельта для коефіцієнту тепловіддачі для вертикальних труб з урахуванням поправочних множників; x - координата, що відраховується від верху труби; t1 и t2 - загальні температурні напори між теплоносіями на вході та на виході теплоносія, що охолоджує, з ділянки труби.

Рівняння (20) і (21) складні та неявні, вони можуть бути вирішені для локального загального температурного напору між теплоносіями при заданій відносній координаті тільки методами послідовних наближень.

Як видно з результатів аналізу розподіл локальних температурних напорів для супутнього руху і, особливо, для протитоку буде відрізнятися від розрахованого з використанням традиційного підходу. При протитоці локальні товщини плівки на всій довжині менші, а передана теплота більша.

Шляхом усереднення локального загального температурного напору по довжині ділянки труби одержано залежність середньої різниці температур, що буде однаковою для супутнього і протитокового руху:

. (22)

Звідси середній коефіцієнт тепловіддачі:

. (23)

Аналіз виразів (22) і (23) дозволив зробити висновки:

- середній і локальний коефіцієнт тепловіддачі на кінці ділянки конденсації при однакових заданих температурах теплоносія на вході і виході не залежить від схеми плину конденсатної плівки і теплоносія, що охолоджує. Результати будуть тотожними при визначенні по теорії Нуссельта чи по пропонованій методиці. При цьому довжини ділянок конденсації, середні щільності теплового потоку, частинні та загальні температурні напори, товщини плівки конденсату будуть різними;

- середній коефіцієнт тепловіддачі при однакових температурах теплоносія на вході і виході дорівнює 4/3 локального коефіцієнта тепловіддачі на кінці ділянки. Ці висновки цілком відповідають відомій теорії Нуссельта;

- при однаковій довжині ділянки вертикальної конденсації температура охолодного теплоносія на виході для супутнього руху та протитоку буде різною і тим самим будуть різними середні коефіцієнти тепловіддачі, теплопередачі, товщина плівки та частинні температурні напори, величина теплового потоку, що передається. У цьому і полягає відмінність одержаних результатів інтегральних і середніх характеристик для вертикальних труб від загальновідомих.

Висновки

гідравлічний експлуатаційний багатопараметричний

У дисертаційній роботі наведено нове вирішення важливої науково-прикладної проблеми по підвищенню ефективності поверхневих тепломасообмінних апаратів шляхом розвинення закономірностей розподілу локальних теплогідравлічних параметрів. Вирішення поставленої наукової проблеми призводить до зменшення витрат палива, енергії та матеріалів, підвищення енергоефективності установок і систем, скорочення робочого часу на усунення несправностей, забезпечення необхідних параметрів енергоносіїв, що відпускаються споживачам, та зменшення негативного впливу на навколишнє середовище. У процесі дисертаційного дослідження одержано такі основні наукові і практичні результати:

1. Проведений аналіз існуючих залежностей і методик розрахунків для проектування та дослідження поверхневих тепломасообмінних апаратів показав, що суттєвим резервом підвищення їх ефективності є відповідне врахування закономірностей розподілу локальних теплогідравлічних параметрів та умов експлуатації.

2. Одержано уточнені аналітичні залежності розподілу локальних температур теплоносіїв по їх ходу у довільній точці теплообмінників з класичним та складним перехресним плином. Це дозволило одержати уточнені рівняння для середніх температур теплоносіїв і температурних напорів, що забезпечило більш точне визначення теплогідравлічних параметрів теплообмінників, що дозволяє зменшити їх масогабаритні характеристики на 10ч30 % та витрати енергії на їх функціонування до 14ч40 %.

3. Уточнено методику розрахунку процесу теплопередачі при конденсації пари на ділянках вертикальних і горизонтальних труб, у результаті чого одержано закономірності розподілу температур та теплових потоків, що в свою чергу дозволило зменшити необхідну поверхню теплообміну.

4. Одержано уточнені аналітичні залежності визначення локальних, середніх та інтегральних температур теплоносіїв, температурних напорів і теплових потоків для теплообмінників зі складною змішаною схемою плину та нерівномірним розподілом температур поверхні та теплоносіїв. Встановлено відповідну адекватність цих аналітичних залежностей та методики дискретного розрахунку. У результаті обґрунтована можливість підвищення ефективності і ресурсу тепломасообмінного обладнання, що проектується чи діє, шляхом зміни закономірності розподілу локальних теплогідравлічних параметрів відповідним перекомпонуванням поверхні.

5. Як приклад реалізації впровадження запропонованої методики здійснено підвищення ефективності апаратів повітряного охолодження, теплообмінників систем опалення та вентиляції, теплообмінників ГТУ і компресорних станцій. При цьому економія енергії складає від 4 до 50 % при забезпеченні проектних параметрів енергоносіїв, що відпускаються споживачам.

6. Отримали подальший розвиток методи багатопараметричної оптимізації апаратів з використанням запропонованої у роботі узагальненої техніко-економічної характеристики. У результаті забезпечується максимальна теплова і економічна ефективність теплообмінників з урахуванням обмежень, що забезпечують експлуатаційну надійність. Оптимізація секційних водо-водяних підігрівників систем теплопостачання дозволила зменшити річні капітальні та експлуатаційні витрати до 2 разів. Для пароводяних теплообмінників ТЕС і АЕС знайдено можливість зменшити площу поверхні теплообміну пароохолоджувача порівняно зі стандартним апаратом у 2,4 рази та одержано оптимальну витрату води через нього з точки зору мінімальної витрати енергії. Для теплообмінників ГТУ та повітроохолоджувачів компресорів запропоновано методику розрахунку оптимальної витрати газів чи води у тому числі з урахуванням факторів забруднення поверхні.

7. На підставі запропонованої у роботі методики моделювання впливу забруднення поверхні теплообмінників визначено обумовлену цим зміну розподілу локальних теплогідравлічних параметрів у вузлах і елементах проміжного повітроохолоджувача компресора. Ці результати використовуються у системному аналізі енергоефективності компресорних установок, системах утилізації теплоти та теплопостачання. Виявлено, що при забрудненні більш 80 % поверхні перевитрата потужності приводу компресора збільшується до 14%, сумарна питома витрата електроенергії у компресорній установці з урахуванням роботи системи охолодження збільшується на 3050 %, а питома витрата електроенергії у системі утилізації теплоти збільшується до 2 разів.

8. Виявлено вплив нерівномірності розподілу локальних температур стінок поверхні повітропідігрівника ГТУ на ресурс роботи та розроблено рекомендації по його підвищенню.

9. Результати дисертаційної роботи можуть бути застосовані для підвищення ефективності будь-яких аналогічних теплообмінних апаратів, що проектуються, модернізуються, або діють, та використовуються у компресорних, газотурбінних, паротурбінних, теплонасосних, когенераційних та ін. установках, системах теплопостачання з урахуванням індивідуальних особливостей експлуатації.

10. Одержані наукові результати використовуються для оптимального вибору режимів завантаження теплообмінного обладнання у найбільш енергоємних виробництвах ВАТ "МК АЗОВСТАЛЬ", м. Маріуполь (довідка від 11.08.2008 р.), аналізу, оцінки і підвищення енергетичних показників роботи ККП "Донецькміськтепломережа" (довідка від 04.12.2007 р.) та інших теплопостачальних підприємств, а також для підготовки спеціалістів та магістрів теплоенергетиків та енергоменеджерів у вищих навчальних закладах (акт від 28.08.2010 р.).

Література

1. Ганжа А.Н. Пароводяные теплообменники энергоустановок ТЭС и АЭС / А. Н. Ганжа Х.: НТУ "ХПИ", 2002. - 169с.

2. Ганжа А.Н. Особенности расчета поправочных коэффициентов к среднелогарифмическому температурному напору в перекрестноточных теплообменниках / А.Н. Ганжа // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2002. - № 4. - С. 52-58.

3. Ганжа А.Н. Особенности расчета теплопередачи при конденсации пара на охлаждаемых трубах теплообменного оборудования / А.Н. Ганжа // Вестник Национального технического университета "Харьковський политехнический институт": сб. науч. трудов: тематический випуск "Энергетические и теплотехнические процессы и оборудование". - Х. : НТУ "ХПИ", 2003. - Т. 2, Вып. 9. - С. 49-54.

4. Братута Э.Г. Эффективность пароводяных теплообменников регенеративной схемы энергоблока мощностью 300 МВт / Э.Г. Братута, А.Н. Ганжа, В.П. Слесар // Коммунальное хозяйство городов: сер. "Технические науки и архитектура". - 2004. - Вып. 55. - С. 95-101.

5. Ганжа А.Н. Анализ эффективности аппаратов воздушного охлаждения / А.Н. Ганжа, Н.А. Марченко // Двигатели внутреннего сгорания. - 2005. - № 1. - С. 81-85.

6. Ганжа А.Н. Моделирование процессов в воздухоподогревателе газотурбинной установки / А.Н. Ганжа, Н.А. Марченко // Двигатели внутреннего сгорания. - 2006. - № 1. - С. 94-97.

7. Ганжа А.Н. Особенности анализа эффективности трубчато-ребристых теплообменных аппаратов энергетических установок / А.Н. Ганжа, Н.А. Марченко // Проблемы машиностроения. - 2007. - Т. 10, № 1.- С. 67_70.

Размещено на Allbest.ru