Интенсификация теплообмена в парогенераторах



Интенсификация теплообмена проводится для снижения металлоемкости конструкций и габаритов, повышения надежности, улучшения условий эксплуатации и т. д. В настоящее время накоплен большой экспериментальный и теоретический материал по данной проблеме. Интенсификация теплообмена в теплообменных устройствах имеет большое экономическое значение. В результате интенсификации процессов теплообмена можно добиться существенного уменьшения массы и габаритов теплообменного оборудования, а также обеспечить заданный температурный уровень элементов этого оборудования и повысить надежность их работы. Проблема интенсификации теплообмена содержит в себе ряд задач. Во-первых, это теплофизическая задача исследования и изыскания гидродинамических и тепловых условий, обеспечивающих оптимальное соотношение между интенсивностью теплообмена и гидравлическими потерями при высоком уровне теплообмена. Во-вторых, эта задача очистки поверхности нагрева от термически вредных отложений и обеспечения минимальности этих отложений. В-третьих, это обеспечение длительной и надежной работы интенсифицированных поверхностей теплообмена (проблемы эрозии, коррозии, прочности и т. д.). В-четвертых, это создание достаточно дешевой и легко выполнимой технологии изготовления этих поверхностей. В настоящей главе рассматривается главным образом первая задача, хотя в той или иной степени учитываются и другие. Обычно применяемые способы увеличения конвективного теплосъема с несущей поверхности путем повышения скорости теплоносителей, а также оребрения во многих случаях оказываются малоэффективными.

Отношение теплосъема к мощности, потребной на преодоление сопротивления, с ростом скорости w падает (в связи с тем, что а ~ w 0,8, a N ~ w 3), и увеличение теплосъема за счет увеличения скорости энергетически с этих позиций нерационально. Однако, с другой стороны, конструирование теплообменников, рассчитанных на режим малых скоростей, приводит к увеличению их поверхностей и габаритов, а следовательно, и стоимости. Оказанные факторы обусловливают некоторый оптимальный уровень режимных параметров теплообменников.

В высоконапорных парогенераторах интенсификация конвективного теплообмена происходит за счет двух факторов: давления и скорости газов, влияние которых можно выразить через весовую скорость. Увеличение весовой скорости газа в газоходах интенсифицирует теплообмен от газа к стенке и позволяет уменьшить испарительные и перегревательные поверхности нагрева. Так как для интенсификации конвективного теплообмена желательны большие скорости газового потока, то следует учитывать, что увеличение скорости способствует росту газового сопротивления и повышению расхода на его преодоление. На выбор скорости продуктов сгорания также оказывает влияние зольность топлива. При сжигании твердого топлива с удалением шлака в твердом состоянии, когда через газоходы уносится до 85–90 % всей золы топлива, скорость продуктов сгорания ограничивают условиями предотвращения абразивного износа поверхностей нагрева. С учетом всех факторов при поперечном омывании поверхности нагрева допускают скорости для твердых топлив не выше абразивно-опасных, а при сжигании природного газа или мазута в пределах экономически оправданных, при которых достигается минимум расчетных затрат на поверхность нагрева. Последние зависят от качества металла, использованного в поверхности нагрева, и составляют для перегревателей 19±2 м/с, экономайзеров 13±2 м/с. Интенсивность теплообмена зависит и от интенсивности смесе- и газообразования, так как химическое реагирование протекает в потоках больших масс воздуха и газа. Поэтому для интенсификации смесеобразования и теплообмена сжигание горючей смеси в топочной камере следует организовать в потоках повышенной турбулентности, в частности сжиганием в системе струй с повышенной начальной скоростью и с эффективным взаимодействием. При этом необходимо организовать устойчивое зажигание, обеспечивающее воспламенение у устья горелок при высоких скоростях истечения горючей смеси из них.

Для повышения интенсивности лучистого теплообмена в объеме топки применяют установку в объеме топки двусветных экранов или низкоопущенных ширм. Другой путь — снижение высоких значений температур газов за счет рециркуляции продуктов сгорания в верхнюю часть топки. При этом место ввода рециркуляции выбирается так, чтобы в части топки до рециркуляции обеспечилось выгорание топлива, а объем рециркулируемых газов должен быть достаточным для снижения до заданного значения. Как в первом, так и во втором случае удается выполнить топку с объемом, близким к минимальному, необходимому для выгорания топлива, и снизить металлоемкость котла.

Интенсификацию теплообмена применяют для повышения эффективности работы энергетической установки. Значительное количество черных, цветных и редких металлов, используемых для изготовления теплообменных аппаратов, большие эксплуатационные затраты энергии на перемещение теплоносителей и обслуживание такого оборудования, а также проектно-конструкторские и производственные расходы служат основанием для поиска путей и методов интенсификации процессов теплоотдачи в каналах как традиционных, так и экспериментально отрабатываемых типов компоновок поверхностей теплообмена. На этой основе создаются перспективные эффективные теплообменные аппараты и устройства, в которых используются нестандартные подходы к решению проблемы интенсификации теплообмена.

Создание топочных устройств с теплонапряжением в топке, близким к допустимому, возможно, если предусмотреть мероприятия по повышению интенсивности лучистого теплообмена в объеме топки. Для этой цели применяют установку в объеме топки двусветных экранов или низкоопущенных ширм. Другой путь — снижение высоких значений температур газов за счет рециркуляции продуктов сгорания в верхнюю часть топки. При этом место ввода рециркуляции выбирается так, чтобы в части топки до рециркуляции обеспечилось выгорание топлива, а объем рециркулируемых газов должен быть достаточным для снижения температуры газов на выходе из топки до заданного значения.

Турбулизация потока

Турбулизация пограничного слоя является мощным средством интенсификации теплообмена, увеличивающим турбулентную теплопроводность, в том числе и в вязком подслое. Одновременно увеличивается и турбулентная вязкость, что приводит к увеличению гидравлических потерь, однако даже при одинаковом их увеличении и сохранении a/ постоянным происходит существенный рост теплосъема при равных потерях мощности на сопротивлении. Влияние турбулентности зависит от структуры пограничного слоя, от вида воздействия, масштаба и степени турбулентности. Теплоотдача и трение пластины при развитом турбулентном пограничном слое растут с увеличением степени турбулентности набегающего потока. Периодическая генерация турбулентности в шероховатых трубах происходит из-за срывов потока с гребней шероховатости. В этом случае оторвавшийся поток может присоединиться к гладкой поверхности, если обеспечено необходимое расстояние l = (6–8)H, где H — высота выступа. Установлено, что эффект порождения в шероховатых трубах выше, чем в гладких, что с ростом параметра шероховатости растет область, в которой наряду с порождением и диссипацией существенный вклад в баланс турбулентной энергии вносит диффузия. К числу первостепенных задач дальнейшего развития теории турбулизированных течений относят согласование результатов и выводов многочисленных исследований, развиваемых в настоящее время. Наряду с развитием теоретических методов актуальной задачей в настоящее время являются прецизионные экспериментальные исследования по локальной структуре потока в шероховатых трубах и трубах с турбулизаторами и закручивателями.

Интенсификация теплообмена за счет акустических, пульсационных, магнитных и электрических полей

Указанные методы обычно относят к числу активных методов интенсификации теплообмена. Перечисленные методы исследовались применительно к естественной и вынужденной конвекции однофазной жидкости, а также при кипении и конденсации.

Электрическое поле позволяет значительно интенсифицировать теплообмен при кипении (в 2–3 раза) и увеличить критические тепловые нагрузки. Установлено, что электрическое поле ускоряет паровые пузыри и разрушает пленочный режим кипения, заменяя его пузырьковым. Вибрация оказывает слабое влияние на процесс кипения и не является практическим способом интенсификации теплообмена.

Влияние вибрации поверхности на процесс конденсации невелико (увеличение на 20 %), и применение этого метода для интенсификации теплообмена экономически нецелесообразно. Наложение электрического поля существенно (в 3–6 раз) интенсифицирует теплообмен при конденсации пара. При этом электростатическое поле уменьшает силу поверхностного натяжения, в результате чего радиус капель конденсата, стекающего с трубки, уменьшается. На поверхности пленки создается заряд, который развивает внутреннее электростатическое давление, что приводит к дополнительной неустойчивости пленки. Наложение электрического поля на вынужденное движение диэлектрической однофазной жидкости приводит к заметному росту числа Nu (Nu/Nu_o) = 1,5 для ламинарного потока. Наложение акустического поля существенно интенсифицирует теплообмен. При поперечном обтекании цилиндра Re = 3 • 10^3–5 • 10⁴, a Nu/Nu₀ = 1,4. Теплообмен увеличивается и при течении в трубах. Эти эффекты используются для интенсификации процессов в химической технологии, горении и газификации. Еще больше влияние звуковых колебаний на процесс свободной конвекции.

При свободной конвекции около вертикальных плоских пластин наложение звукового поля интенсивностью 120–145 дБ в случае резонанса обеспечило увеличение локальной теплоотдачи в 3 раза.

Турбулентные пульсации, частоты которых близки к частоте вынужденных колебаний, могут возбуждаться, тогда как турбулентные пульсации с другой частотой, наоборот, могут подавляться под действием вынужденных колебаний. Для низкочастотных вынужденных колебаний 1–3 Гц при Re = 10⁴ и течении воды в длинных трубах зарегистрировано Nu/Nu₀ = 1,4–1,6. С ростом числа Re эффект увеличения интенсивности теплообмена падает и при Re = 10⁵ пропадает. Аналогичные эффекты увеличения интенсивности теплообмена при турбулентном режиме течения наблюдаются и в случае вибрации поверхности теплообменного аппарата.

При высокочастотных колебаниях воздуха в трубах и каналах (f = 400–500 Гц) Re = 10⁴, Nu/Nu₀ = 1,4. Для Re = 10³ Nu/Nu0 = 2,4. При резонансных колебаниях газа в трубах максимальный рост локальной теплоотдачи достигает величины Nu/Nu₀ = 2, а средняя теплоотдача повышается в 1,6 раза при амплитуде колебаний ∆р/р = 0,25; f = 100 Гц; Re = 10^4–10⁵.

Таким образом, активные методы тоже существенно интенсифицируют теплообмен, однако внедрение их в промышленность пока крайне ограничено.

Литература:

1. Резников М. И. Парогенераторные установки электростанций. Учебник для техникумов. Изд. 2-е. — М., «Энергия», 1974. — 360 с.
2. Мигай В. К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. — Ленинград, Энергоатомиздат, 1987–264с.