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.

Рис. 1. Схема течения

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.

Рис. 2. Схема тепловых потоков

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.

Рис. 3. Фрагменты расчетной сетки

Основные допущения и граничные условия

  1. Ленточный завихритель расположен соосно с трубой, то есть зазор между стенкой трубы и торцами завихрителя является постоянной величиной и соответствует «горячему» со­стоянию теплообменника.
  2. Суммарный расход продуктов сгорания и его массовый состав соответствуют коэффици­енту избытка воздуха α = 1,35.
  3. Расход продуктов сгорания по трубкам теп­лообменника одинаковый.
  4. Температура стенки трубки принята равной 100 °С. Это допущение справедливо, по­скольку термическое сопротивление со сто­роны воды значительно меньше, чем со сто­роны продуктов сгорания.
  5. 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.

Рис. 6. График изменения относительной температуры t по длине трубы L

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.