Химия и химические технологии /

фундаментальные проблемы создания

новых материалов и технологий

 

Д.т.н. Веригин А.Н., Лозинский А. В., к.т.н. Незамаев Н.А.

 

Пути улучшения гидродинамических характеристик

теплообменников

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)

 

Одним из главных условий эффективной и безопасной работы теплообменных аппаратов коллекторного типа является обеспечение равномерного распределения потока по каналам проточной части. Гидравлическое несовершенство проточной части аппарата может привести не только к снижению его тепловой эффективности и производительности, но и к уменьшению срока службы, к повреждениям и аварийным ситуациям. Проблема равномерного распределения теплоносителя по каналам трубных и межтрубных пучков теплообменников становится особенно актуальной в связи с повышением давления и температуры теплоносителей, увеличением тепловой напряженности аппаратов и стремлением сделать их более компактными. В связи с повышением требований к надежности и безопасности теплообменных установок.

Принципиально возможны следующие способы улучшения распределения теплоносителя по каналам проточной части коллекторных теплообменных аппаратов. Увеличение геометрических размеров раздающих и сборных коллекторов. Искусственное увеличение сопротивления трубной части путем установки дроссельных устройств. Профилирование коллекторов.

Существенная гидравлическая неравномерность в коллекторных теплообменниках возникает в том случае, когда перепады давления по длине коллекторов соизмеримы с сопротивлением трубной части. Так как перепад давления в коллекторах пропорционален скоростному напору на входе (выходе) из коллектора, то неравномерность раздачи потока по трубной части может быть сведена к минимуму, если сечение коллектора выполнять достаточно больших размеров. Практически это достигается при отношении площади поперечного сечения коллектора к суммарной площади проходного сечения трубного пучка . Тогда при гидравлическом расчете теплообменник можно рассматривать как группу каналов, включенных между двумя сосудами бесконечного объема. Такой способ обеспечения равномерной раздачи ранее применялся весьма широко, однако он не соответствует современному направлению развития теплоэнергетики и может быть рекомендован в исключительных случаях.

Другой путь уменьшения гидравлической неравномерности - увеличение сопротивления трубной части теплообменника путем, например, установки специальных дроссельных шайб в ответвлениях. В ответвлениях можно установить дроссели одинакового диаметра, подбирая их таким образом, чтобы перепад давления в трубной части превышал суммарный перепад давления в коллекторах в 20 раз и более. При таком способе выравнивания раздачи увеличиваются затраты энергии на прокачку теплоносителя через теплообменный аппарат. Затраты энергии можно несколько снизить применяя дросселирование труб по определенному закону, но при этом усложняется конструкция теплообменника. Такой способ широко применялся в пароперегревателях паровых котлов. Его можно рекомендовать для теплообменников, в которых в качестве теплоносителей используются капельные жидкости.

Наиболее перспективным способом выравнивания раздачи потока по трубной решетке является профилирование коллекторов - изменение их сечения по определенному закону, обеспечивающему одинаковый движущий напор во всех трубках пучка. Вследствие отрицательного градиента давления по ходу движения потока спрофилировать одиночные сборные коллекторы на достаточно равномерную подачу теплоносителя не удается.

В теплообменниках с подачей потока на трубную решетку по нормали равномерное распределение теплоносителя обеспечивается либо снижением динамического напора на входе в распределительную камеру до минимума, либо созданием таких условий, при которых динамический напор набегающего потока был бы одинаковым по всей трубной решетке. Предложены [1] зависимости для расчета размеров подводящего коллектора, обеспечивающего полное расширение струи от сечения подводящего патрубка до сечения трубной решетки. Коллекторы таких размеров позволяют выровнять динамический напор во всех местах трубной решетки и, как следствие, обеспечить равномерное распределение теплоносителя по трубному пучку. Для компактных теплообменников эти рекомендации неприемлемы из-за увеличения габаритов аппарата, которое может достигать 30%.

Для компактных теплообменников наиболее целесообразным способом выравнивания потока является установка после входного патрубка конусного пористого рассекателя, который обеспечивает достаточно равномерное распределение потока по фронту решетки и снижает динамический напор втекающей струи. Другим способом, решающим эту задачу, может служить установка направляющего аппарата на входе в раздающий коллектор.

В некоторых случаях не обязательно стремиться к полному выравниванию распределения потока по трубной решетке. Более рациональным может оказаться обеспечение еще на стадии проектирования определенной степени гидравлической неравномерности, позволяющей скомпенсировать неравномерность распределения теплового потока по поверхностям нагрева, которую в реальных конструкциях простыми способами устранить не всегда удается.

Повышение тепловой эффективности и надежности работы теплообменных систем коллекторного типа немыслимо без детального знания закономерностей гидродинамики в проточной части аппаратов. Рассмотрим стационарное ламинарное течение несжимаемой жидкости в коллекторе с притоком или оттоком массы через стенку. В общем случае движение жидкости в таком канале описывается уравнениями Навье-Стокса при соответствующих граничных условиях. В цилиндрических координатах уравнения Навье-Стокса для симметричного относительно оси потока могут быть записаны в виде

                  (1)

где x и r - соответственно продольная и радиальная координаты. Осевая u и радиальная ν компоненты скорости  связаны уравнением неразрывности

.                                          (2)

Сделаем допущение об отсутствии изменения давления по радиусу коллектора () и рассмотрим течение потока в относительно длинных каналах (), что позволяет пренебречь членом . В этом случае изменение давления вдоль оси х может быть найдено из решения первого уравнения системы (1) и уравнения (2). Из последнего следует, что .

Первое уравнение системы (1) приводится к виду

.                    (3)

Введем обозначения:  - коэффициент импульса (коэффициент Буссинеска), учитывающий неравномерность распределения скорости по сечению коллектора;  - коэффициент сопротивления трения;  – средняя по сечению коллектора скорость потока.

Умножив члены уравнения (3) на  и проинтегрировав его в пределах от 0 до R, получим осредненное по сечению канала уравнение движения потока переменной массы (т. е. потока с переменным по длине канала расходом):

.                                      (4)

Выполнив соответствующие преобразования, приведем уравнение (4) к виду, обычно встречающемуся в литературе [2]

.                           (5)

Уравнение (5) отличается от уравнения Бернулли наличием членов, учитывающих эффекты отделения или присоединения массы и изменение профиля скорости вдоль коллектора.

Уравнение (5) представляет собой математическую формулировку квазиоднородной модели течения, с помощью которой можно определить изменение давления по длине коллектора. Введение в расчет достоверных значений коэффициентов  и , которые можно определить теоретически или экспериментально, позволяет учесть влияние реального профиля скорости потока на продольный градиент давления. Уравнение (5) не накладывает ограничений на режим течения и может быть использовано для расчета как ламинарных, так и турбулентных потоков.

Для решения уравнения (5) необходимо знать распределение коэффициентов импульса  и сопротивления трения  вдоль раздающего и сборного коллекторов. В общем случае коэффициенты  и  являются функциями местных радиального Rer и осевого Re чисел Рейнольдса. Несмотря на малочисленность и противоречивость имеющихся в литературе данных о коэффициентах  и , наличие таких данных открывает в настоящее время возможность изучения гидродинамики ламинарных и турбулентных течений в коллекторах с единых позиций, основанных на использовании уравнения движения потока переменной массы. Здесь особая роль отводится экспериментальным исследованиям структуры ламинарных и турбулентных потоков, позволяющим получить необходимые замыкающие зависимости для решения уравнения (5).

Литература

 

1. Идельчик И.Е. Аэродинамика промышленных аппаратов. - М.: Энергия, 1964. - 286 с.

2. Петров Г.А. Гидравлика переменной массы. - Харьков: изд. ХГУ. 1984. - 224 с.