АНАЛИЗ  ОЦЕНКИ  ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ  ЭФФЕКТИВНОСТИ  СУДОВЫХ  ТЕПЛООБМЕННЫХ  АППАРАТОВ

Шевченко  Сергей  Николаевич

канд.  техн.  наук,  доцент, 
Балтийский  военно-морской  институт, 
РФ,  г.  Калининград

E -mail:  shevchenko_s@baltnet.ru

Голов  Александр  Яковлевич

д-р  воен.  наук,  профессор, 
Балтийский  военно-морской  институт, 
РФ,  г.  Калининград

Брюханов  Олег  Николаевич

д-р  техн.  наук,  профессор, 
Московский  государственный  строительный  университет, 
РФ,  г.  Москва

ANALYSIS  OF  THERMAL  ENERGY  EFFICIENCY  OF  MARINE  HEAT  EXCHANGERS

Sergey  Shevchenko

PhD,  Associate  Professor,  Baltic  Naval  Institute , 
Russia,  Kaliningrad

Alexander  Golov

doctor  of  Military  Sciences,  Full  Professor, 
Baltic  Naval  Institute, 
Russia,  Kaliningrad

Oleg  Bryuhanov

doctor  of  Science,  Full  Professor,  
Moscow  State  University  of  Civil  Engineering,

Russia ,  Moscow

АННОТАЦИЯ

  Проведен  анализ  оценки  эффективности  теплообменных  аппаратов  при  помощи  теплоэнеогетического  эквивалента.  Аналитически  получена  формула  для  коэффициента  теплоэнеогетической  эффективности  теплообменника  при  отсутствии  зависимости  гидравлического  сопротивления  от  числа  Re  (автомодельный  режим).

ABSTRACT

The  analysis  of  the  evaluation  of  the  effectiveness  of  heat  exchangers  using  equivalent  of  thermal  power.  Analytically  derived  formula  for  the  thermal  energy  efficiency  heat  exchanger  in  the  absence  of  hydraulic  resistance,  depending  on  the  number  of  Re  (similar  regime).

Ключевые  слова:  теплопередача;  теплообменник;  энергетическая  эффективность.

Keywords:  heat  transfer;  heat  exchanger;  energy  efficiency.

Рассмотрим  оценку  способа  интенсификации  конвективного  теплообмена  по  коэффициенту  теплоэнергетической  эффективности  поверхностей  теплообмена.  Совершенство  теплообменного  аппарата  и  реализуемого  в  нем  способа  интенсификации  конвективного  теплообмена  при  вынужденном  движении  рабочих  сред  характеризует  отношение  двух  видов  энергии  —  теплоты  Q,  переданной  в  аппарате,  и  энергозатрат  N  на  преодоление  гидравлических  сопротивлений,  называемое  энергетическим  эквивалентом    [2,  c.  10—15].  Однако,  эта  простая  зависимость  не  получила  широкого  применения.  Главным  ее  недостатком  явилась  неоднозначность  коэффициента  Е₀  в  зависимости  от  принятых  скоростей  рабочих  сред,  соотношений  коэффициентов  теплоотдачи  и  температур.  Преобразуем  Е₀  в  коэффициент  Е  путем  анализа  величин.  Так  как  ,  а  ,  где  V₁  —  объемный  расход  теплоносителя,  имеем  .  Разделим  числитель  и  знаменатель  на  площадь  поверхности  теплообмена  F,  м²,  и  получим  удельный  показатель  теплоотдачи  и  энергозатрат  на  1  м².  .  Пусть    —  удельная  энергозатрата,  Вт/м²,  тогда  .  Если  принять  Dt  =  1  °С,  тогда  E₀  является  безразмерной  величиной.  Отсюда  коэффициент  теплоотдачи  .  Таким  образом,  коэффициент  теплоэнергетической  эффективности  дает  отношение  двух  видов  энергии  –  удельного  теплосъема    и  удельных  энергозатрат  на  преодоление  гидравлических  сопротивлений  N₀  на  единице  поверхности  теплообмена  в  данной  конструкции  при  равных  условиях  сравнения.  Рассмотрим  уравнение  удельных  энергозатрат  при  перекачивании  рабочей  среды  через  теплообменник  ,  где  f  —  площадь  поперечного  сечения  канала,  u  —  средняя  скорость  движения  теплоносителя.  Тогда  гидравлическое  сопротивление  .  Известно  [1,  с.  50—58],  что  потери  давления  в  цилиндрическом  трубопроводе  (гидравлическое  сопротивление)  определяются  по  формуле  .  Если  принять,  что  коэффициент  гидравлического  сопротивления  определяется  по  формуле  Блазиуса  ,  тогда  .  Приравняв  Dp,  получаем  взаимосвязь  энергозатрат  и  скорости  рабочей  среды  .  Отсюда  можно  найти  скорость  рабочей  среды  .  Следовательно,    или  .    

Найдем  взаимосвязь  между  теплоотдачей  и  скоростью  рабочей  среды  в  канале.  Так  как  .  Тогда 

.

Подставляя  значение  скорости,  получаем

Таким  образом,  сомножитель  перед  N₀  описывает  коэффициент  теплоэнергетической  эффективности  Е  в  зависимости  от  критериальных  уравнений  теплоотдачи  и  гидравлического  сопротивления.  Тогда

Отсюда  получаем  уравнение  для  определения  коэффициента  теплоэнергетической  эффективности  поверхностей  конвективного  теплообмена.  Пусть  ,  тогда  .  Для  турбулентного  режима  течения  сред  в  сетчато-поточных  каналах  пластинчатых  теплообменников  (критериальные  уравнения  имеют  вид  )  известны  показатели  степеней:  n  =  0,73,  p  =  0,25.  Тогда    и  ,  что  совпадает  с  уравнением  прямой  [1].  Это  свидетельствует  о  достоверности  полученных  результатов.  Чем  больше  значение  коэффициента  Е,  тем  лучше  теплообменник:  по  энергетическому  показателю,  требуемой  площади  поверхности  теплообмена,  удельной  материалоемкости  и  другим  техническим  показателям,  характеризующим  оптимальный  теплообменный  аппарат.  Очевидно,  что  при  N₀  =  1  E  =  a.  Из  наиболее  универсальных  и  широко  распространенных  можно  применять  более  короткую  приближенную  формулу  А.  Альтшуля  .  Преимущества  этой  формулы  заключаются  также  в  том,  что  в  квадратичной  области  течения,  когда  числа  Re  достаточно  большие  она  переходит  в  формулу  Б.Л.  Шифринсона  .  Таким  образом,  в  квадратичной  области  течения,  когда  зависимость  x  =  f(Re)  отсутствует  .  Следовательно,  .  Отсюда 

.

Тогда 

.

Подставим  значения  скорости  в  уравнение  для  коэффициента  теплоотдачи,  имеем

или

.

В  таком  случае,  коэффициент  теплоэнергетической  эффективности  Е  в  квадратичной  области  шероховатых  труб  имеет  вид 

.

Упрощенный  вид  зависимости  объясняется  отсутствием  зависимости  гидравлического  сопротивления  от  числа  Re.  В  тоже  время  зависимость  коэффициента  теплоотдачи  от  Re  сохраняется.

Для  шероховатых  труб  в  области  доквадратичного  режима  получить  строгие  аналитические  выражения  для  коэффициента  теплоэнергетической  эффективности  не  удается  вследствие  сложной  зависимости  коэффициента  гидравлического  трения  от  скорости  (числа  Re).  Однако  решение  может  быть  получено  путем  разложения  формулы  Альтшуля  в  ряд  (например,  в  ряд  Маклорена)  и  последующего  использования  первых  двух  членов  ряда.

Список  литературы:

1.Идельчик  И.Е.  Справочник  по  гидравлическим  сопротивлениям  М.:  Машиностроение.  1975.  —  559  с.

2.Кирпичев  М.В.  О  наивыгоднейшей  форме  поверхности  теплообмена  //Известия  ЭНИН.  —  1944.  —  т.  12.  —  С.  10—15.