с 01.01.2019 по настоящее время
Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (Доцент кафедры ТГВ)
с 01.01.2022 по настоящее время
Белгород, Белгородская область, Россия
Россия
ВАК 2.1.1 Строительные конструкции, здания и сооружения (Технические науки)
ВАК 2.1.2 Основания и фундаменты, подземные сооружения (Технические науки)
ВАК 2.1.3 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение (Технические науки)
ВАК 2.1.5 Строительные материалы и изделия (Технические науки)
ВАК 2.1.6 Гидротехническое строительство, гидравлика и инженерная гидрология (Технические науки)
ВАК 2.1.7 Технология и организация строительства (Технические науки)
ВАК 2.1.8 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (Технические науки)
ВАК 2.1.9 Строительная механика (Технические науки)
ВАК 2.1.10 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства (Технические науки)
ВАК 2.1.11 Теория и история архитектуры, реставрация и реконструкция историко-архитектурного наследия (Технические науки)
ВАК 2.1.12 Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности (Технические науки)
ВАК 2.1.13 Градостроительство, планировка сельских населенных пунктов (Технические науки)
ВАК 2.1.15 Безопасность объектов строительства (Технические науки)
УДК 699.8 Мероприятия по защите зданий, сооружений и конструкций. Изоляционные работы. Противоаварийные мероприятия
ГРНТИ 44.00 ЭНЕРГЕТИКА
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ОКСО 08.00.00 Техника и технологии строительства
ББК 2 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
ТБК 6005 Прочие издания
BISAC COM COMPUTERS
В условиях глобального изменения климата и необходимости обеспечения устойчивого развития общества возрастает важность защиты окружающей среды. Один из ключевых подходов к решению этой проблемы заключается в повышении уровня рекуперации тепла в промышленных процессах. В данной работе рассматривается разработка нового типа эффективного теплообменного оборудования — пластинчатого теплообменника с развитой поверхностью теплообмена. Основой его конструкции является инновационный подход, направленный на оптимизацию характеристик теплопередачи для различных технологических процессов. На основании экспериментальных исследований потерь давления и коэффициента теплопередачи были получены эмпирические соотношения для коэффициента трения и коэффициента теплопередачи. Предлагаемая конструкция теплообменника позволяет увеличить теплоотдачу на 6% по сравнению с традиционными теплообменниками, хотя при этом коэффициент трения увеличивается примерно на 8%.
пластинчатый теплообменный аппарат, интенсификация теплообмена, коэффициент теплопередачи, коэффициент трения
Введение
Сегодняшний мир сталкивается с проблемами изменения климата, и для обеспечения устойчивого развития общества необходимы более решительные меры по охране окружающей среды. Чтобы достичь этой цели, нужно сократить потребление ископаемых видов топлива и увеличить энергоэффективность. Один из действенных подходов к решению данной проблемы — расширение использования тепла, которое выделяется в процессе промышленной деятельности. Применение методологии интеграции процессов с использованием высокоэффективных пластинчатых теплообменников поможет наиболее эффективно реализовать этот потенциал [1].
Выбросы, пар и газы, возникающие в промышленных печах и представляющие собой производственные отходы, обладают значительным запасом тепловой энергии [2]. Переработка тепла из этих газовых потоков позволит снизить расход топлива, необходимого для сжигания, и уменьшить выбросы загрязняющих веществ, включая углекислый газ.
В российском теплоэнергетическом секторе особое внимание уделено пластинчатым теплообменникам, поскольку они соответствуют современным требованиям по сохранению ресурсов. Исследовательские работы по увеличению их эффективности и снижению металлоёмкости активно проводятся учёными как в России, так и за рубежом [3]. Благодаря высокой теплоотдаче, компактной конструкции и использованию устойчивых к коррозии материалов, современные пластинчатые теплообменники с рифлёными пластинами стали лучшим выбором для интеграции в различные промышленные процессы [4]. Эти теплообменники успешно применяются в разных отраслях промышленности, на электростанциях, в системах отопления жилых домов и в технологических процессах. Существует несколько конфигураций стандартных пластинчатых теплообменников, среди которых рамные, сварные, полусварные и паяные варианты. Для проектирования таких устройств и моделирования теплопередачи использовались математические модели, основанные на экспериментальных данных [5], полуэмпирических корреляциях [6] и теоретических исследованиях [7].
Для эффективного восстановления тепла из отработанных газовых и жидкостных потоков, конструкция пластинчатых теплообменников должна быть адаптирована под особенности таких процессов, чтобы обеспечить надёжную работу оборудования. Установка вихревых вставок в панельных радиаторах позволила увеличить средний коэффициент теплопередачи на 12%, причём наилучший результат был достигнут при размещении генераторов в центральной части панели [8]. Рассмотрение теплообменников типа «сэндвич» с металлическими сотовыми сердцевинами, имеющими изменяемую геометрию ячеек для оптимизации потока и хорошие механические свойства, было проведено в исследовании [9].
Для повышения производительности пластинчатых теплообменников в нескольких исследованиях предлагалось использовать различные методы улучшения теплопередачи в каналах, разрабатывались новые конструктивные решения и внедрялись инновационные производственные подходы. В одном из исследований [10] была проведена модификация пластинчато-ребристых сэндвич-панелей добавлением пирамидальной сетки, что увеличило число Нуссельта в 1,9 раза.
В работах [11-13] проводились расчетные исследования теплообменных характеристик пластинчатых теплообменников для различных случаев: работа с жидкостями, процессы конденсации и испарения. Авторы [14] предложили методику модификации поверхности панелей с воздушным зазором для интенсификации процессов теплопередачи, а также проанализировали характеристики теплопереноса и поведения потока наножидкостей в таких системах [15]. Эти исследования включали рассмотрение различных вариантов конструкции пластин.
Подобное многообразие конструкций влияет на теплопередающую способность и гидравлические характеристики пластин. Исследователи также изучали влияние диаметра сварочных точек, расстояний между ними [16] и межпанельного пространства [17] на общую эффективность теплообмена.
1. Разработка оригинальной конструкции
В предлагаемой статье рассматривается модернизированная конструкция пластинчатого теплообменника, изготовленная с использованием инновационных экспериментальных пластин[1] для работы с жидкими и газообразными средами. Внешний вид оригинальной пластины показан на Рис. 1.
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 1. Внешний вид пластины:
а – общий вид пластины; б – вид А;
1 – металлическая пластина, служащая основой изделия;
2 – герметизирующая прокладка; 3 – выходное отверстие нагреваемого контура;
4 – входное отверстие нагреваемого контура; 5 – входное отверстие греющего контура;
6 – выходное отверстие греющего контура;
7 – основная теплообменная часть; 8 – рифление (гофра);
9 – площадка между соседними рифлениями;
10 – технологическое углубление сферической формы; h – высота углубления, м;
p – шаг углублений, м; p2 – расстояние между соседними рифлениями
Исследуемый теплообменник оснащён гофрированным каналом между смежными пластинами, предназначенным для прохождения газового или жидкого потока. Анализ уровня интенсификации теплообмена в таких каналах представляет значительный интерес для дальнейшего совершенствования этого многообещающего типа теплообменников.
Характеристики теплообменника с модифицированными пластинами:
| Площадь поперечного сечения внешнего канала, м2 | 0.0046 |
| Площадь поперечного сечения внутреннего канала, м2 | 0.00042 |
| Общая длина внутреннего канала, м | 10.6 |
| Общая длина внешнего канала, м | 1.50 |
| Длина волнообразного канала, м | 1.352 |
| Ширина панели, м | 0.5 |
| Толщина стенки пластины, м | 0.001 |
| Ширина внешнего канала, м | 0.466 |
| Площадь теплопередачи одной панели, м2 | 1.37 |
| Площадь теплопередачи испытуемого теплообменника, м2 | 5.48 |
2. Экспериментальные исследования
Для изучения гидравлического сопротивления и коэффициентов теплопередачи во внешних каналах была создана экспериментальная установка в соответствии с требованиями ГОСТ Р 53583-2009, схема которой показана на Рис. 2.
Рис. 2 . Экспериментальная установка (Источник: ГОСТ 53589-2009):
1 – перелив; 2 – бак постоянного уровня; 3 – смешивающее устройство;
4 – электрический котел; 5 – клапан; 6 – циркуляционный насос;
7 – клапан; 8 – пластинчатый теплообменник; 9 – измерительный сосуд;
10 – клапан; 11 – теплообменник для первичной подготовки воды; 12 – фильтр;
13 – устройство для измерения температуры; 14 – клапан.
Эксперимент проводился с использованием воды в качестве горячего теплоносителя и воздуха в роли холодного. Температура воды варьировалась от 50°C до 85°C, тогда как воздух поддерживался при комнатной температуре около 20°C. Скорость воздушного потока в каналах изменялась в пределах от 1,3 м/с до 5,3 м/с. На основании полученных экспериментальных данных были исследованы процессы теплопередачи и падение давления в гофрированных каналах пластинчатого теплообменника. Коэффициент трения Дарси использовался для оценки падения давления в каналах.
Исследование падения давления проводилось на двух участках канала между пластинами: на участке с гофрированной поверхностью и на всей длине канала. Основной теплообмен происходит на участке с ребристой поверхностью, и информация о падении давления здесь важна для дальнейших разработок конструкции теплообменника. Данные о падении давления на всей длине канала необходимы для проектирования теплообменника на основе исследованных пластин. Результаты измерений падения давления на всей длине внешнего канала представлены на Рис. 3 в виде коэффициента трения Дарси, а зависимость коэффициента теплопередачи от числа Рейнольдса — на Рис. 4.
Рис. 3. Падение давления
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопередачи от числа Рейнольдса
Анализ результатов позволил разработать эмпирическую корреляцию в стандартной форме, учитывающую произведение числа Рейнольдса на определенный коэффициент. Формула полученной корреляции следующая:
где Re — число Рейнольдса.
В результате исследования предлагается формула определения числа Нуссельта для теплообменника с оригинальными пластинами:
Проведены экспериментальные исследования теплопередачи и гидравлических характеристик пластинчатого теплообменника с каналами гофрированной формы. Установлено, что использование пластин с углублениями разного диаметра позволяет увеличить теплопередачу до 6%, что сопровождается повышением коэффициента трения до 8%.
Получены эмпирические уравнения для коэффициента трения и коэффициента теплопередачи в гофрированном канале. Эти результаты способствуют повышению эффективности работы пластинчатого теплообменного оборудования и увеличению его срока службы.
[1] Патент на полезную модель № 201068 U1 Российская Федерация, МПК F28F 3/00. Пластина теплообменника : № 2020125206 : заявл. 29.07.2020 : опубл. 25.11.2020 / Н. Ю. Саввин, Л. А. Кущев, М. В. Серебреникова, И. В. Волабуев ; заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова». – EDN QLDFZH.
1. J.J. Klemeš, P.S. Varbanov, P. Kapustenko New developments in Heat Integration and intensification, including Total Site, waste-to-energy, supply chains and fundamental concepts Appl. Therm. Eng., 61 (2013), pp. 1-6, DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.05.003 EDN: https://elibrary.ru/XNBXZJ
2. O.P. Arsenyeva, L. Čuček, L.L. Tovazhnyanskyy, P.O. Kapustenko, Y.A. Savchenko, S.K. Kusakov, O.I. Matsegora Utilisation of waste heat from exhaust gases of drying process Front. Chem. Sci. Eng., 10 (2016), pp. 131-138, DOI: https://doi.org/10.1007/s11705-016-1560-8 EDN: https://elibrary.ru/XNOIBZ
3. Саввин, Н. Ю. Моделирование теплообменного процесса в оригинальном пластинчатом теплообменнике / Н. Ю. Саввин // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. – 2023. – № 2(25). – С. 37-46. – DOI: https://doi.org/10.36622/VSTU.2023.41.58.004 – EDN YFCIPW.
4. J.J. Klemes, O. Arsenyeva, P. Kapustenko, L. Tovazhnyanskyy Compact Heat Exchangers for Energy Transfer Intensification: Low Grade Heat and Fouling Mitigation CRC Press (2015). DOI: https://doi.org/10.1201/b18862
5. O.P. Arsenyeva, L.L. Tovazhnyanskyy, P.O. Kapustenko, G.L. Khavin The generalized correlation for friction factor in crisscross flow channels of plate heat exchangers Chem. Eng. Trans., 25 (2011), pp. 399-404, DOI: https://doi.org/10.3303/CET1125067 EDN: https://elibrary.ru/XMVYSB
6. P. Kapustenko, O. Arsenyeva, O. Dolgonosova, The Heat and Momentum Transfers Relation in Channels of Plate Heat Exchangers, in: PRES'11: 14th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, Vol. 25, Chem. Eng. Trans., 25 (Firenze, Italy, 2011), pp. 357-362, DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.3303/CET1125060 EDN: https://elibrary.ru/XMWATN
7. O.P. Arsenyeva, L.L. Tovazhnyanskyy, P.O. Kapustenko, O.V. Demirskiy Generalised semi-empirical correlation for heat transfer in channels of plate heat exchanger Appl. Therm. Eng., 70 (2014), pp. 1208-1215, DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.04.038 EDN: https://elibrary.ru/XLFTDN
8. L. Garelli, G. Ríos Rodriguez, J.J. Dorella, M.A. Storti Heat transfer enhancement in panel type radiators using delta-wing vortex generators Int. J. Therm. Sci., 137 (2019), pp. 64-74, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.10.037
9. D. Kong, Y. Zhang, S. Liu Convective heat transfer enhancement by novel honeycomb-core in sandwich panel exchanger fabricated by additive manufacturing Appl. Therm. Eng., 163 (2019), Article 114408, DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114408
10. Y. Ma, H. Yan, G. Xie Flow and thermal performance of sandwich panels with plate fins or/and pyramidal lattice Appl. Therm. Eng., 164 (2020), Article 114468, DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114468. EDN: https://elibrary.ru/JBBHZT
11. J.M. Tran, M. Piper, E.Y. Kenig Single-Phase Flow and Condensation in Pillow-Plate Condensers H.-.-J. Bart, S. Scholl (Eds.), Innovative Heat Exchangers, Springer International Publishing, Cham (2018), pp. 247-265, DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-71641-1_8 EDN: https://elibrary.ru/YHRPET
12. J.M. Tran, S. Sommerfeld, M. Piper, E.Y. Kenig Investigation of pillow-plate condensers for the application in distillation columns Chem. Eng. Res. Des., 99 (2015), pp. 67-74, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2015.03.031. EDN: https://elibrary.ru/UFBEJP
13. R. Goedecke, S. Scholl Modelling and simulation of a pillow plate thermosiphon reboiler Heat Mass Transf., 55 (2019), pp. 95-104, DOI: https://doi.org/10.1007/s00231-018-02543-4 EDN: https://elibrary.ru/TZYEBT
14. M. Piper, A. Zibart, E. Djakow, R. Springer, W. Homberg, E.Y. Kenig Heat transfer enhancement in pillow-plate heat exchangers with dimpled surfaces: A numerical study Appl. Therm. Eng., 153 (2019), pp. 142-146, DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.02.082 EDN: https://elibrary.ru/PMSBPP
15. Y.A. Al-Turki, A. Yarmohammadi, A.a. Alizadeh, D. Toghraie, Numerical investigation of nanofluid flow and heat transfer in a pillow plate heat exchanger using a two-phase model: Effects of the shape of the welding points used in the pillow plate, ZAMM - Journal of Applied Mathematics and Mechanics / Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, n/a e202000300, DOI: https://doi.org/10.1002/zamm.202000300. EDN: https://elibrary.ru/VWVCIX
16. R. Goedecke, S. Scholl Modelling and simulation of a pillow plate thermosiphon reboiler Heat Mass Transf., 55 (1) (2019), pp. 95-104. DOI: https://doi.org/10.1007/s00231-018-02543-4 EDN: https://elibrary.ru/TZYEBT
17. A. Zibart, E.Y. Kenig Numerical investigation of conjugate heat transfer in a pillow-plate heat exchanger Int. J. Heat Mass Transf., 165 (2021), Article 120567, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120567 EDN: https://elibrary.ru/FAVTMP
