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:
$ζ=1,044 Re^{-0,21},$ (1)
где Re — число Рейнольдса.
В результате исследования предлагается формула определения числа Нуссельта для теплообменника с оригинальными пластинами:
$Nu=0,053∙ Re^{0,77}∙Pr^{0,43}.$ (2)
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.
