А. П. Скородумов, Б. Б. Шершнев, ОМКБ «Горизонт»
Теплообменные аппараты широко применяются в различных областях промышленности — нефтегазовой, химической, авиационной и других, а рекуперация тепла является одним из важнейших вопросов энергосбережения. Вдобавок ко всему, это еще и способ повышения экономической эффективности устройства.
Интенсификация теплоотдачи в ряде случаев позволяет существенно уменьшить габариты и массу теплообменного аппарата (ТОА). Особенно это актуально для ТОА, которые работают в диапазоне низких чисел Рейнольдса (Re), то есть при ламинарном режиме течения или даже в режиме свободной конвекции.
В данной работе исследовался подогреватель воды, функционирующий на продуктах сгорания. Схема течения в подогревателе показана на рис. 1. Теплообменник представляет собой набор гладких труб с внутренними вставками — ленточными завихрителями. Продукты сгорания проходят в канале, образованном внутренней стенкой трубки и завихрителем, а наружная поверхность трубки омывается водой.
Движение газов внутри гладких труб с ламинарным режимом течения достаточно хорошо изучено и описано в литературе [1, 2]. Однако все зависимости [1, 2] были получены при постоянных теплофизических свойствах газа. В то же время данных по интенсификации теплообмена в трубах с ленточными вставками очень мало, да и те применимы лишь к определенной геометрии гидродинамически длинных труб.
На рис. 2 представлена схема тепловых потоков в сечении трубы с установленным ленточным завихрителем. Продукты сгорания с температурой tПС, проходя по каналу, нагревают внутреннюю поверхность трубки qст2конв и завихрителя qзавконв. При этом завихритель с температурой стенки tзав посредством излучения qизлуч передает тепло на внутреннюю поверхность трубки.
Полученное внутренней поверхностью трубки тепло (qст2конв + qизлуч) за счет теплопроводности qтеп передается наружной поверхности трубки, откуда отводится нагреваемой средой.
Поскольку данный ТОА характеризуется ламинарным режимом течения, то в описанной схеме тепловых потоков нельзя пренебрегать никакими составляющими теплообмена, в том числе и радиационной (переизлучения со стенок завихрителя).
Кроме того, ленточный завихритель увеличивает поверхность теплообмена (эффект оребрения) и воспринятое им тепло вследствие теплопроводности частично передается поверхности трубки [2].
Следовательно, решить задачу в такой постановке стандартными методами весьма сложно. Поэтому было решено использовать программный комплекс ANSYS CFX. Теплофи- зические свойства газов задавались зависящими от температуры [3].
Для подтверждения корректности выбранного подхода сначала было выполнено моделирование гладкой трубы. Проведенное сравнение результатов с известными эмпирическими данными для гидродинамически коротких труб показало, что расхождение не превышает 7-10% [1, 2]. После этого по аналогичной методике была промоделирована труба со вставкой.
Основные допущения и граничные условия
- Ленточный завихритель расположен соосно с трубой, то есть зазор между стенкой трубы и торцами завихрителя является постоянной величиной и соответствует «горячему» состоянию теплообменника.
- Суммарный расход продуктов сгорания и его массовый состав соответствуют коэффициенту избытка воздуха α = 1,35.
- Расход продуктов сгорания по трубкам теплообменника одинаковый.
- Температура стенки трубки принята равной 100 °С. Это допущение справедливо, поскольку термическое сопротивление со стороны воды значительно меньше, чем со стороны продуктов сгорания.
- Интегральная степень черноты стенок трубки и поверхности вставки (ε) равна 0,8.
Расчетная сетка была построена в ICEM CFD, и ее внешний вид показан на рис. 3.
Для расчета течения в трубе с завихрите- лем использовалась тетраэдрическая сетка с призматическим подслоем. Для данного варианта было построено пять слоев призм с отношением высот 1,3 и толщиной первого слоя (h1) равной 0,045 мм.
Теплопроводность завихрителя моделировалась на сетке, составленной из гексаэдров.
Суммарное количество элементов модели составило 1,8 млн. элементов (1,1 млн. тетраэдрических элементов и 0,15 млн. гексаэдрических). Максимальный размер тетра-элементов составил 2 мм.
В трубках с ленточным завихрителем интенсивность теплоотдачи значительно выше, чем в гладких трубах, по двум основным причинам. Во-первых, вторичные течения, возникающие под действием центробежных сил, интенсифицируют обмен между ядром потока и пограничным слоем. Во-вторых, ленточный завихритель увеличивает эффективную поверхность теплообмена за счет переизлучения на охлаждаемую водой стенку трубки (и частично за счет эффекта оребрения).
На рис. 4 показано распределение скорости продуктов сгорания в различных сечениях трубы. Как видно из рисунка, наличие ленточного завихрителя приводит к возникновению вторичных течений и к значительной неравномерности скорости в сечениях трубы.
Генерация вихря в районе средней линии завихрителя приводит к увеличению скорости в пристенной области трубки и, как следствие, к интенсификации теплообмена.
На рис. 5а представлены суммарные тепловые потоки к поверхности трубки, на рис. 5б — конвективные на поверхность завихрителя.
Видно, что максимальный тепловой поток приходится на начало трубки — начальный термический участок.
Изменение относительной температуры t (отношение среднемассовой температуры на i-м участке к температуре на входе) по относительной длине трубы L теплообменника приведено на рис. 6.
Интенсификация теплообмена за счет установки ленточного завихрителя позволяет снизить относительную температуру продуктов сгорания на выходе в 2,3 раза. При этом потери полного давления в трубе с ленточным завихри- телем увеличатся в 3,85 раза.
Библиография:
1. Аметистов Е.В. Основы теории теплообмена. — М.: МЭИ, 2000.
2. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. — М.: Машиностроение, 1970.
3. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам жидкостей и газов. — М.: Наука, 1972.