Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре
Представлены результаты сопоставительных «огневых» испытаний секций рекуператоров трубчатого типа: с полыми каналами и с трубами с внутренними вставками — вторичными излучателями различной геометрии. Проанализированы полученные данные по совершенствованию теплотехнических характеристик теплообменник...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Энерготехнологии и ресурсосбережение |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут газу НАН України
2012
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/127129 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре / Б.C. Cорока, Н.В. Воробьев, В.С. Кудрявцев, В.А. Згурский // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2012. — № 4. — С. 71-80. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. . |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-127129 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Cорока, Б.C. Воробьев, Н.В. Кудрявцев, В.С. Згурский, В.А. 2017-12-09T18:25:37Z 2017-12-09T18:25:37Z 2012 Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре / Б.C. Cорока, Н.В. Воробьев, В.С. Кудрявцев, В.А. Згурский // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2012. — № 4. — С. 71-80. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. . 0235-3482 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/127129 519.6:536.423:532.5:621.565.9 Представлены результаты сопоставительных «огневых» испытаний секций рекуператоров трубчатого типа: с полыми каналами и с трубами с внутренними вставками — вторичными излучателями различной геометрии. Проанализированы полученные данные по совершенствованию теплотехнических характеристик теплообменников со вставками, а также по изменению гидравлического сопротивления (потерь напора) воздушного тракта. Особое внимание уделено сравнению комплексных теплогидравлических характеристик (ТГХ) секций. Проведено CFD-моделирование сопряженного теплообмена и гидравлического сопротивления при нагреве воздуха в трубных каналах, омываемых извне потоком продуктов сгорания: со вставками и без вставок. Результаты численного анализа повышения температуры подогрева воздуха и понижения разности температур «воздушный поток — стенка трубы» и изменения ТГХ в сравниваемых конструкциях полностью соответствуют опытным данным. Даны рекомендации по выбору конструкций и режимов эксплуатации модернизированных рекуператоров. Представлено результати порівняльних «вогневих» випробувань секцій рекуператорів трубчастого типу: з порожнистими каналами та з трубами з внутрішніми вставками — вторинними випромінювачами різної геометрії. Проаналізовано отримані дані щодо удосконалення теплотехнічних характеристик теплообмінників зі вставками, а також щодо зміни гідравлічного опору (втрат тиску) повітряного тракту. Особливу увагу приділено порівнянню комплексних теплогідравлічних характеристик (ТГХ) секцій. Проведено CFD-моделювання спряженого теплообміну та гідравлічного опору при нагріві повітря у трубних каналаx, що зовні омиваються потоком продуктів згоряння: із вставками та без вставок. Результати чисельного аналізу підвищення температури підігріву повітря та зниження різниці температур «повітряний потік — стінка труби» та зміни ТГХ у порівнюваних конструкціях повністю відповідають дослідним даним. Надано рекомендації з вибору конструкцій та режимів експлуатації модернізованих рекуператорів. The results of comparative «firing» tests of the recuperators of tube type: of «smooth (hollow)» channels and of channels with the inserts — secondary emitters of various geometry — have been presented in the work under consideration. The obtained data on improvement the heat engineering characteristics of the heat exchangers with the inserts are analyzing along with the data on variation the hydraulic resistance (head losses) of an air pathway. Comparison of combined heat and hydraulic characteristics (CHHC) of the sections is of particular attention. CFD modeling has been carried out of conjugated heat exchange and hydraulic resistance while outside flowing the tubes by combustion products and under air preheating within the tube channels: both with and without the inserts. The results of numerical analysis of an air preheating temperature increase and reduction of temperature difference between an air flow and tube walls as well of CHHC are fully corresponding to the test data. The recommendations on option the designs and operation modes of the modernized recuperators have been brought out. ru Інститут газу НАН України Энерготехнологии и ресурсосбережение Приборы и оборудование Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре Complex Analysis of Working Process Within High-Temperature Recuperator Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре |
| spellingShingle |
Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре Cорока, Б.C. Воробьев, Н.В. Кудрявцев, В.С. Згурский, В.А. Приборы и оборудование |
| title_short |
Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре |
| title_full |
Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре |
| title_fullStr |
Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре |
| title_full_unstemmed |
Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре |
| title_sort |
комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре |
| author |
Cорока, Б.C. Воробьев, Н.В. Кудрявцев, В.С. Згурский, В.А. |
| author_facet |
Cорока, Б.C. Воробьев, Н.В. Кудрявцев, В.С. Згурский, В.А. |
| topic |
Приборы и оборудование |
| topic_facet |
Приборы и оборудование |
| publishDate |
2012 |
| language |
Russian |
| container_title |
Энерготехнологии и ресурсосбережение |
| publisher |
Інститут газу НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Complex Analysis of Working Process Within High-Temperature Recuperator |
| description |
Представлены результаты сопоставительных «огневых» испытаний секций рекуператоров трубчатого типа: с полыми каналами и с трубами с внутренними вставками — вторичными излучателями различной геометрии. Проанализированы полученные данные по совершенствованию теплотехнических характеристик теплообменников со вставками, а также по изменению гидравлического сопротивления (потерь напора) воздушного тракта. Особое внимание уделено сравнению комплексных теплогидравлических характеристик (ТГХ) секций. Проведено CFD-моделирование сопряженного теплообмена и гидравлического сопротивления при нагреве воздуха в трубных каналах, омываемых извне потоком продуктов сгорания: со вставками и без вставок. Результаты численного анализа повышения температуры подогрева воздуха и понижения разности температур «воздушный поток — стенка трубы» и изменения ТГХ в сравниваемых конструкциях полностью соответствуют опытным данным. Даны рекомендации по выбору конструкций и режимов эксплуатации модернизированных рекуператоров.
Представлено результати порівняльних «вогневих» випробувань секцій рекуператорів трубчастого типу: з порожнистими каналами та з трубами з внутрішніми вставками — вторинними випромінювачами різної геометрії. Проаналізовано отримані дані щодо удосконалення теплотехнічних характеристик теплообмінників зі вставками, а також щодо зміни гідравлічного опору (втрат тиску) повітряного тракту. Особливу увагу приділено порівнянню комплексних теплогідравлічних характеристик (ТГХ) секцій. Проведено CFD-моделювання спряженого теплообміну та гідравлічного опору при нагріві повітря у трубних каналаx, що зовні омиваються потоком продуктів згоряння: із вставками та без вставок. Результати чисельного аналізу підвищення температури підігріву повітря та зниження різниці температур «повітряний потік — стінка труби» та зміни ТГХ у порівнюваних конструкціях повністю відповідають дослідним даним. Надано рекомендації з вибору конструкцій та режимів експлуатації модернізованих рекуператорів.
The results of comparative «firing» tests of the recuperators of tube type: of «smooth (hollow)» channels and of channels with the inserts — secondary emitters of various geometry — have been presented in the work under consideration. The obtained data on improvement the heat engineering characteristics of the heat exchangers with the inserts are analyzing along with the data on variation the hydraulic resistance (head losses) of an air pathway. Comparison of combined heat and hydraulic characteristics (CHHC) of the sections is of particular attention. CFD modeling has been carried out of conjugated heat exchange and hydraulic resistance while outside flowing the tubes by combustion products and under air preheating within the tube channels: both with and without the inserts. The results of numerical analysis of an air preheating temperature increase and reduction of temperature difference between an air flow and tube walls as well of CHHC are fully corresponding to the test data. The recommendations on option the designs and operation modes of the modernized recuperators have been brought out.
|
| issn |
0235-3482 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/127129 |
| citation_txt |
Комплексный анализ рабочего процесса в высокотемпературном рекуператоре / Б.C. Cорока, Н.В. Воробьев, В.С. Кудрявцев, В.А. Згурский // Энерготехнологии и ресурсосбережение. — 2012. — № 4. — С. 71-80. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. . |
| work_keys_str_mv |
AT corokabc kompleksnyianalizrabočegoprocessavvysokotemperaturnomrekuperatore AT vorobʹevnv kompleksnyianalizrabočegoprocessavvysokotemperaturnomrekuperatore AT kudrâvcevvs kompleksnyianalizrabočegoprocessavvysokotemperaturnomrekuperatore AT zgurskiiva kompleksnyianalizrabočegoprocessavvysokotemperaturnomrekuperatore AT corokabc complexanalysisofworkingprocesswithinhightemperaturerecuperator AT vorobʹevnv complexanalysisofworkingprocesswithinhightemperaturerecuperator AT kudrâvcevvs complexanalysisofworkingprocesswithinhightemperaturerecuperator AT zgurskiiva complexanalysisofworkingprocesswithinhightemperaturerecuperator |
| first_indexed |
2025-11-25T22:54:37Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:54:37Z |
| _version_ |
1850575896011866112 |
| fulltext |
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2012. ¹ 4 71
Ïðèáîðû è îáîðóäîâàíèå
ÓÄÊ 519.6:536.423:532.5:621.565.9
Cîðîêà Á.C., Âîðîáüåâ Í.Â., Êóäðÿâöåâ Â.Ñ., Çãóðñêèé Â.À.
Èíñòèòóò ãàçà ÍÀÍ Óêðàèíû, Êèåâ
Êîìïëåêñíûé àíàëèç ðàáî÷åãî ïðîöåññà
â âûñîêîòåìïåðàòóðíîì ðåêóïåðàòîðå
Ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ñîïîñòàâèòåëüíûõ «îãíåâûõ» èñïûòàíèé ñåêöèé ðåêóïåðàòî-
ðîâ òðóá÷àòîãî òèïà: ñ ïîëûìè êàíàëàìè è ñ òðóáàìè ñ âíóòðåííèìè âñòàâêàìè — âòî-
ðè÷íûìè èçëó÷àòåëÿìè ðàçëè÷íîé ãåîìåòðèè. Ïðîàíàëèçèðîâàíû ïîëó÷åííûå äàííûå
ïî ñîâåðøåíñòâîâàíèþ òåïëîòåõíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê òåïëîîáìåííèêîâ ñî âñòàâêàìè,
à òàêæå ïî èçìåíåíèþ ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ (ïîòåðü íàïîðà) âîçäóøíîãî
òðàêòà. Îñîáîå âíèìàíèå óäåëåíî ñðàâíåíèþ êîìïëåêñíûõ òåïëîãèäðàâëè÷åñêèõ õàðàê-
òåðèñòèê (ÒÃÕ) ñåêöèé. Ïðîâåäåíî CFD-ìîäåëèðîâàíèå ñîïðÿæåííîãî òåïëîîáìåíà è
ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïðè íàãðåâå âîçäóõà â òðóáíûõ êàíàëàõ, îìûâàåìûõ
èçâíå ïîòîêîì ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ: ñî âñòàâêàìè è áåç âñòàâîê. Ðåçóëüòàòû ÷èñëåííîãî
àíàëèçà ïîâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîäîãðåâà âîçäóõà è ïîíèæåíèÿ ðàçíîñòè òåìïåðàòóð
«âîçäóøíûé ïîòîê — ñòåíêà òðóáû» è èçìåíåíèÿ ÒÃÕ â ñðàâíèâàåìûõ êîíñòðóêöèÿõ
ïîëíîñòüþ ñîîòâåòñòâóþò îïûòíûì äàííûì. Äàíû ðåêîìåíäàöèè ïî âûáîðó êîíñòðóê-
öèé è ðåæèìîâ ýêñïëóàòàöèè ìîäåðíèçèðîâàííûõ ðåêóïåðàòîðîâ.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: âûñîêîòåìïåðàòóðíûé ðåêóïåðàòîð, ïîäîãðåâ âîçäóõà, òåïëîãèäðàâ-
ëè÷åñêàÿ õàðàêòåðèñòèêà, òðóáíûé òåïëîîáìåííèê, ïîòåðè äàâëåíèÿ, âñòàâêà — âòî-
ðè÷íûé èçëó÷àòåëü.
Ïðåäñòàâëåíî ðåçóëüòàòè ïîð³âíÿëüíèõ «âîãíåâèõ» âèïðîáóâàíü ñåêö³é ðåêóïåðàòîð³â
òðóá÷àñòîãî òèïó: ç ïîðîæíèñòèìè êàíàëàìè òà ç òðóáàìè ç âíóòð³øí³ìè âñòàâêàìè —
âòîðèííèìè âèïðîì³íþâà÷àìè ð³çíî¿ ãåîìåòð³¿. Ïðîàíàë³çîâàíî îòðèìàí³ äàí³ ùîäî óäî-
ñêîíàëåííÿ òåïëîòåõí³÷íèõ õàðàêòåðèñòèê òåïëîîáì³ííèê³â ç³ âñòàâêàìè, à òàêîæ ùîäî
çì³íè ã³äðàâë³÷íîãî îïîðó (âòðàò òèñêó) ïîâ³òðÿíîãî òðàêòó. Îñîáëèâó óâàãó ïðèä³ëåíî
ïîð³âíÿííþ êîìïëåêñíèõ òåïëîã³äðàâë³÷íèõ õàðàêòåðèñòèê (ÒÃÕ) ñåêö³é. Ïðîâåäåíî
CFD-ìîäåëþâàííÿ ñïðÿæåíîãî òåïëîîáì³íó òà ã³äðàâë³÷íîãî îïîðó ïðè íàãð³â³ ïîâ³òðÿ ó
òðóáíèõ êàíàëàx, ùî çîâí³ îìèâàþòüñÿ ïîòîêîì ïðîäóêò³â çãîðÿííÿ: ³ç âñòàâêàìè òà áåç
âñòàâîê. Ðåçóëüòàòè ÷èñåëüíîãî àíàë³çó ï³äâèùåííÿ òåìïåðàòóðè ï³ä³ãð³âó ïîâ³òðÿ òà çíè-
æåííÿ ð³çíèö³ òåìïåðàòóð «ïîâ³òðÿíèé ïîò³ê — ñò³íêà òðóáè» òà çì³íè ÒÃÕ ó ïîð³âíþâà-
íèõ êîíñòðóêö³ÿõ ïîâí³ñòþ â³äïîâ³äàþòü äîñë³äíèì äàíèì. Íàäàíî ðåêîìåíäàö³¿ ç âèáîðó
êîíñòðóêö³é òà ðåæèì³â åêñïëóàòàö³¿ ìîäåðí³çîâàíèõ ðåêóïåðàòîð³â.
Êëþ÷îâ³ ñëîâà: âèñîêîòåìïåðàòóðíèé ðåêóïåðàòîð, ï³ä³ãð³â ïîâ³òðÿ, òåïëîã³äðàâë³÷íà
õàðàêòåðèñòèêà, òðóá÷àñòèé òåïëîîáì³ííèê, âòðàòè òèñêó, âñòàâêà — âòîðèííèé âè-
ïðîì³íþâà÷.
� Cîðîêà Á.C., Âîðîáüåâ Í.Â., Êóäðÿâöåâ Â.Ñ., Çãóðñêèé Â.À., 2012
Âûñîêîòåìïåðàòóðíûå òåïëîîáìåííèêè ñ
èçîãíóòûìè òðóáàìè ïðèíàäëåæàò ê ÷èñëó íàè-
áîëåå ðàñïðîñòðàíåííûõ óòèëèçàòîðîâ òåïëîòû
òîïëèâîèñïîëüçóþùèõ àãðåãàòîâ (ïðîìûøëåí-
íûõ ïå÷åé). Çàäà÷à èíòåíñèôèêàöèè âíóòðåííå-
ãî òåïëîîáìåíà â òðóáàõ âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ
òåïëîîáìåííèêîâ (ðåêóïåðàòîðîâ) ñîñòîèò â ìàê-
ñèìàëüíîì ñáëèæåíèè òåìïåðàòóð íàãðåâàåìîãî
âîçäóõà (ãîðþ÷åãî ãàçà) è ñòåíîê òðóá. Ïðåäëî-
æåí ñïîñîá èíòåíñèôèêàöèè òåïëîîáìåíà â òðóá-
÷àòûõ òåïëîîáìåííèêàõ çà ñ÷åò óñòàíîâêè ïðî-
ìåæóòî÷íûõ èçëó÷àòåëåé âíóòðè òðóá [1, 2].
Íà ýòîé îñíîâå ïðåäëàãàþòñÿ ýôôåêòèâíûå
âûñîêîòåìïåðàòóðíûå òðóá÷àòûå ðåêóïåðàòîðû,
õàðàêòåðèçóþùèåñÿ íàëè÷èåì â òðóáàõ âíóò-
ðåííèõ âñòàâîê, âûïîëíÿþùèõ ôóíêöèþ ïðîìå-
æóòî÷íîãî (âòîðè÷íîãî) èçëó÷àòåëÿ. Ïîñëåäíèå
ïðåäñòàâëÿþò äîïîëíèòåëüíûå ïîâåðõíîñòè òåï-
ëîîáìåíà ñ ïîòîêîì íàãðåâàåìîãî äèàòåðìè-
÷åñêîãî ãàçà (îáû÷íî âîçäóõà) è âûñòóïàþò êàê
àäèàáàòíûå ïðèåìíèêè èçëó÷åíèÿ. Ðåæå òðàäè-
öèîííûå òðóá÷àòûå ðåêóïåðàòèâíûå òåïëîîá-
ìåííèêè (áåç âñòàâîê) èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ïîäî-
ãðåâà íèçêîêàëîðèéíûõ ãîðþ÷èõ ãàçîâ èëè îáî-
èõ êîìïîíåíòîâ ãîðåíèÿ. Â íàñòîÿùåé ðîáîòå
ðàññìàòðèâàåòñÿ íàãðåâ â ðåêóïåðàòîðå âîçäóø-
íîãî ïîòîêà.
Èíòåíñèôèêàöèÿ âíóòðåííåãî òåïëîîáìåíà
áëàãîäàðÿ ðàçìåùåíèþ âñòàâîê â òåïëîîáìåííûõ
òðóáàõ ïîçâîëÿåò ïîâûñèòü ïîäîãðåâ âîçäóõà Òà
è ïîíèçèòü òåìïåðàòóðó òåïëîîáìåííûõ òðóá Òw
çà ñ÷åò òðàíñôîðìàöèè òåïëîâîãî ïîòîêà, îòäà-
âàåìîãî âíóòðåííèìè ïîâåðõíîñòÿìè òðóá, èç
÷èñòî êîíâåêòèâíîãî â ëó÷èñòî-êîíâåêòèâíûé.
Ïðè ýòîì ìîíîòîííûé ðîñò ïîâåðõíîñòè êîíòàê-
òà F�,w = Fin + Fins çà ñ÷åò ìåòàëëè÷åñêèõ ðåáåð,
ýëåìåíòîâ âíóòðè êàíàëîâ ñ âîçäóøíûì ïîòî-
êîì, íàðÿäó ñ óâåëè÷åíèåì âîçìîæíîñòè òåïëî-
îòâîäà ïðèâîäèò ê ðîñòó ïîòåðü íàïîðà ïîòîêà
pa â ñâÿçè ñ óâåëè÷åíèåì ÷èñëà ðåáåð Nins. Àý-
ðîäèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå òåïëîîáìåííèêà
ïî âîçäóøíîìó òðàêòó ðàñòåò îïåðåæàþùèìè
òåìïàìè ïî ñðàâíåíèþ ñ òåïëîîáìåíîì.
 ðàáîòå âûïîëíåí êîìïëåêñ ñîïîñòàâèòåëü-
íûõ ðàñ÷åòíî-òåîðåòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé è èñ-
ïûòàíèé ïèëîòíûõ îáðàçöîâ ñåêöèé òðóá÷àòîãî
ðåêóïåðàòîðà: òðàäèöèîííîé êîíñòðóêöèè (èç
òðåõ ïîñëåäîâàòåëüíûõ U-îáðàçíûõ ïåòåëü áåç
âñòàâîê (BD)) è òðåõ ïåòåëü ìîäåðíèçèðîâàííîé
êîíñòðóêöèè (MD) ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè âñòà-
âîê. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ ïðîâåäå-
íû íà îãíåâîì ñòåíäå ìîùíîñòüþ 400 êÂò.
Ïàðàìåòðàìè, õàðàêòåðèçóþùèìè ðàáîòó
óòèëèçàòîðîâ òåïëîòû (âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ
ðåêóïåðàòîðîâ), ÿâëÿþòñÿ òåìïåðàòóðà íàãðåâà
òåïëîíîñèòåëÿ (âîçäóõà) Òà,ex ïðè çàäàííûõ
ðàñõîäàõ (ìàññîâûõ ïîòîêàõ) òåïëîíîñèòåëåé:
ãðåþùåãî ãàçà (â äûìîâîì êàíàëå) è íàãðåâàå-
ìîãî (â òðóáàõ) âîçäóõà; òåìïåðàòóðà ñòåíîê
òðóáû, ñðåäíÿÿ Tw,av è ìàêñèìàëüíàÿ Tw,max;
òåïëîãèäðàâëè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü òåïëîîá-
ìåííèêà Å [3], êîòîðàÿ ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà
îòíîøåíèåì ïîòîêà òåïëîòû, ïåðåäàííîãî ÷åðåç
ñòåíêè òðóá, ê ìîùíîñòè, çàòðà÷èâàåìîé íà
òðàíñïîðòèðîâêó òåïëîíîñèòåëÿ (áåçðàçìåðíûé
ïàðàìåòð) èëè ïðåäñòàâëåíà óïðîùåííîé ðàç-
ìåðíîé õàðàêòåðèñòèêîé å = Ta/ pa [4].
1. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ
âûñîêîòåìïåðàòóðíîãî ðåêóïåðàòîðà
1.1. Ýêñïåðèìåíòàëüíûé îãíåâîé ñòåíä.
Ìåòîäèêà îãíåâûõ èñïûòàíèé
Èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëè íà êîìïüþòåðèçè-
ðîâàííîì îãíåâîì ñòåíäå, ðàçðàáîòàííîì è ñî-
îðóæåííîì â Èíñòèòóòå ãàçà ÍÀÍÓ. Ìåòîäîëî-
ãèÿ èñïûòàíèé çàêëþ÷àëàñü â îäíîâðåìåííûõ
èññëåäîâàíèÿõ äâóõ ðåêóïåðàòèâíûõ ñåêöèé,
êàæäàÿ èç êîòîðûõ ñîñòîèò èç òðåõ ïàðàëëåëü-
íûõ U-îáðàçíûõ ïåòåëü. Ñåêöèè èçãîòîâëåíû
èç òðóá ïðîìûøëåííîãî ñîðòàìåíòà d�� �
89�4,5, à ñóììàðíàÿ äëèíà òðåõ ïåòåëü ñîîòâåò-
ñòâóåò ïåòëå ïðîìûøëåííîãî ðåêóïåðàòîðà
3�3385 = 10155 ìì.
Íà êîìïüþòåðèçèðîâàííîì îãíåâîì ñòåíäå
ïðîâåäåíû êîìïëåêñíûå òåïëîòåõíè÷åñêèå, òå-
ïëîîáìåííûå è àýðîäèíàìè÷åñêèå èñïûòàíèÿ,
êîòîðûå îáåñïå÷èëè îäíîâðåìåííûå ñðàâíè-
òåëüíûå èçìåðåíèÿ õàðàêòåðèñòèê ðåêóïåðà-
òèâíûõ ñåêöèé ìîäåðíèçèðîâàííîé (MD) è áà-
çîâîé (BD) êîíñòðóêöèé. Â õîäå èñïûòàíèé
èñïîëüçîâàëèñü äâå íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûå
êîíñòðóêöèè ìîäåðíèçèðîâàííûõ ñåêöèé ðåêó-
ïåðàòîðà: MD1 (âñòàâêè âûïîëíåíû â ôîðìå
êðåñòîîáðàçíûõ ðåáåð, óñòàíîâëåííûõ íà ïðÿ-
ìûõ ó÷àñòêàõ òðóá â U-îáðàçíûõ ïåòëÿõ) è
MD2. Îòëè÷èòåëüíîé êîíñòðóêòèâíîé îñîáåí-
íîñòüþ ñåêöèè MD2 ÿâëÿåòñÿ íàëè÷èå âíóòðè
MD-ñåêöèè âñòàâîê íà ïðÿìûõ ó÷àñòêàõ òåïëî-
îáìåííûõ òðóá ïåòåëü è íà êðèâîëèíåéíîì
ó÷àñòêå 3-é ïåòëè.
Ïåòëè ñåêöèé ÌD è BD òèïîâ ðàñïîëîæå-
íû â îäèíàêîâûõ óñëîâèÿõ ïî òåìïåðàòóðå è
îáòåêàíèþ ïðîäóêòàìè ñãîðàíèÿ â ïå÷è [1, 2, 5]
(ðèñ.1).
Èñïûòàíèÿ ñîñòîÿëè â îïðåäåëåíèè è ñðàâ-
íåíèè òåïëîòåõíè÷åñêèõ è ãèäðàâëè÷åñêèõ (àý-
ðîäèíàìè÷åñêèõ) õàðàêòåðèñòèê ñåêöèé BD è
MD ïðè ðàâíûõ íàãðóçêàõ (îäèíàêîâîì ìàññî-
âîì ðàñõîäå âîçäóõà ÷åðåç ñåêöèè �ma ). Òåïëî-
âûå èñïûòàíèÿ áûëè ïðîâåäåíû ïðè ðàçíûõ
72 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2012. ¹ 4
òåìïåðàòóðàõ îïûòíîãî ñòåíäà (ïå÷è, ïðîäóêòîâ
ñãîðàíèÿ) Tf è âàðüèðîâàíèè ñêîðîñòè ïîòîêîâ
âîçäóõà (ìàññîâîãî ðàñõîäà) â ñîïîñòàâëÿåìûõ
ñåêöèÿõ wa,N (MD) = wa,N (BD) = var.
1.2. Òåïëîîáìåí â ñîïîñòàâëÿåìûõ
ñåêöèÿõ
Òåîðåòè÷åñêè è ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäòâåð-
æäåíû èñõîäíûå ïîëîæåíèÿ è èäåîëîãèÿ ñîçäà-
íèÿ ìîäåðíèçèðîâàííîé êîíñòðóêöèè ðåêóïåðà-
òîðà (ñî âñòàâêàìè) MD: ëèìèòèðóþùèé âêëàä
âíóòðåííåãî òåïëîîáìåíà (�in) â ðåçóëüòèðóþ-
ùóþ òåïëîïåðåäà÷ó â ñèñòåìå «ïðîäóêòû ñãîðà-
íèÿ — ñòåíêè òðóá — âîçäóøíûé ïîòîê»; èñ-
ïîëüçîâàíèå ðàäèàöèîííîé ñîñòàâëÿþùåé òåï-
ëîîáìåíà äëÿ ïîâûøåíèÿ òåïëîîòäà÷è â ñèñòåìå
«ñòåíêè òðóá (âòîðè÷íûå èçëó÷àòåëè) — âîç-
äóøíûé ïîòîê».
Ïðè ïîñëåäóþùåì àíàëèçå áóäåì îòòàëêè-
âàòüñÿ îò ðàññìîòðåíèÿ çàâèñèìîñòè:
k [(�
in
)–1 + (�
ext
)–1]–1. (1)
Íà ðèñ.2 äëÿ ñðàâíèâàåìûõ ñåêöèé ïðåä-
ñòàâëåíû çàâèñèìîñòè èçìåíåíèÿ âûõîäíîé òåì-
ïåðàòóðû âîçäóøíîãî ïîòîêà Òà,eõ, à íà ðèñ.3
— ðàçíîñòü òåìïåðàòóð: ñðåäíåé ïî ñòåíêàì
òðåõ ïåòåëü êàæäîé èç ñåêöèé Tw,av è íà âûõî-
äå èç ñåêöèé Òà,eõ.
Äåéñòâèòåëüíî, ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå
ñâèäåòåëüñòâóþò î òîì, ÷òî ïðè îòíîñèòåëüíî íå-
âûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ â êàìåðå (îêîëî 750 Ê)
òåìïåðàòóðà íàãðåâà âîçäóõà Òà,eõ (MD) íåçíà-
÷èòåëüíî ïðåâûøàåò Òà,eõ äëÿ ÂD ñåêöèè (ñì.
ðèñ.2), íî ïðè ýòîì ðàçíîñòü òåìïåðàòóð ìåæäó
ñòåíêàìè òðóá è ïîäîãðåâà âîçäóõà Òw,av – Òà,eõ
áîëåå ñóùåñòâåííà (ñì. ðèñ.3).
 ñëó÷àå ïîâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû Tf âîçðàñ-
òàåò êîýôôèöèåíò âíåøíåé òåïëîîòäà÷è �out (ê
ñòåíêàì òðóá). Äëÿ áàçîâîé êîíñòðóêöèè (ÂD),
ãäå ëèìèòèðóþùåå âëèÿíèå âíóòðåííåãî òåïëî-
îáìåíà ñêàçûâàåòñÿ ñèëüíåå, ÷åì â MD, âîçìîæ-
íîñòü óâåëè÷åíèÿ k çà ñ÷åò �ext áóäåò ìåíüøå,
÷åì â MD, à ëèìèòèðóþùàÿ ðîëü �in â ÂD ñêà-
çûâàåòñÿ ñèëüíåå. Ïîýòîìó ñ óâåëè÷åíèåì Tf
ðàçíèöà Òà,eõ (MD) – Òà,eõ (ÂD) âîçðàñòàåò:
�[Ò
à,eõ
(MD) – Ò
à,eõ
(ÂD)]/�T
f
> 0. (2)
Èç ðèñ.2 âèäíî, ÷òî íàãðåâ âîçäóõà äî 750 Ê
â ñåêöèè ñî âñòàâêàìè ìîæåò áûòü äîñòèãíóò ïðè
òåìïåðàòóðå ãðåþùèõ ãàçîâ 1010 Ê, à äëÿ òàêîãî
æå íàãðåâà â ñåêöèè áàçîâîé êîíñòðóêöèè ïðè
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2012. ¹ 4 73
Ðèñ.1. Ñõåìà òåñòîâûõ ñåêöèé MD è BD (âèä ïðÿìî è ñâåðõó):
i — íîìåðà ïåòåëü.
Ðèñ.3. Çàâèñèìîñòü ðàçíîñòè òåìïåðàòóð ìåæäó ñðåäíåé òåì-
ïåðàòóðîé ñòåíêè òðóáû ðåêóïåðàòîðà Tw,av è òåìïåðàòóðîé
íàãðåâà âîçäóõà Òà,eõ îò òåìïåðàòóðû â òîïî÷íîé êàìåðå Tf.
Îáîçíà÷åíèÿ êàê íà ðèñ.2.
Ðèñ.2. Çàâèñèìîñòü òåìïåðàòóðû íàãðåâà âîçäóõà Òà,eõ îò
òåìïåðàòóðû â òîïî÷íîé êàìåðå (ãðåþùåé ñðåäû): 1 — ìî-
äèôèöèðîâàííàÿ ñåêöèÿ MD1ñ êðåñòîâèäíûìè âñòàâêàìè; 2
— ñåêöèÿ áàçîâîé êîíñòðóêöèè (BD) áåç âñòàâîê. Âîçäóø-
íûé ïîòîê ÷åðåç ñåêöèþ �ma = 0,062 êã/ñ = const.
òîì æå �ma= 0,062 êã/ñ ïîòðåáóåòñÿ òåìïåðàòóðà
1110 Ê.  ïðîìûøëåííûõ ïå÷àõ ñíèæåíèå òåì-
ïåðàòóðû óõîäÿùèõ ãàçîâ (â óñëîâèÿõ îãíåâîãî
ñòåíäà — òåìïåðàòóðû Tf â òîïî÷íîé êàìåðå)
ÿâëÿåòñÿ îáû÷íûì ñðåäñòâîì ïðåäóïðåæäåíèÿ
ïåðåãðåâà òðóá ðåêóïåðàòîðà. Â ýòèõ óñëîâèÿõ
ìîäåðíèçèðîâàííûå ñåêöèè ïîçâîëÿþò ñîõðà-
íèòü äîïóñòèìóþ òåìïåðàòóðó òðóá ïðè îáåñïå-
÷åíèè áîëåå âûñîêîãî íàãðåâà (íà � 100 Ê) âîç-
äóøíîãî ïîòîêà â ðåêóïåðàòîðå.
Ïðè ïðîâåäåíèè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëå-
äîâàíèé ñîïîñòàâëÿåìûõ êîíñòðóêöèé ðåêóïå-
ðàòîðà (MD2 è BD) ðàññ÷èòûâàëèñü ñëåäóþ-
ùèå çíà÷åíèÿ òåïëîâûõ è òåïëîîáìåííûõ õà-
ðàêòåðèñòèê:
à) êîëè÷åñòâî òåïëîòû Qa, ïåðåäàííîå âîç-
äóõó ïðè íàãðåâå, — ïîëíûé òåïëîâîé ïîòîê:
Q
a
= c
pm
�ma (Ò
à,eõ
– Ò
à,en
); (3)
á) êîýôôèöèåíò òåïëîïåðåäà÷è k ìåæäó
ïåðâè÷íîé (ïðîäóêòû ñãîðàíèÿ — äûìîâûå ãà-
çû) è âòîðè÷íîé (âîçäóøíûé ïîòîê) òåïëîîá-
ìåííîé ñðåäîé, îñðåäíåííûé ïî ðàáî÷åé ïîâåðõ-
íîñòè ðåêóïåðàòîðà Fext, òî åñòü íàðóæíîé ïî-
âåðõíîñòè òåïëîîáìåííûõ ñåêöèé BD èëè MD:
k = Q
à
/( Ò
f-a
F
ext
), (4)
ãäå Ò
f-a
— ñðåäíåëîãàðèôìè÷åñêèé òåìïåðà-
òóðíûé íàïîð ìåæäó ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé
òåïëîîáìåííûìè ñðåäàìè â ïðåäåëàõ àíàëèçè-
ðóåìîé ñåêöèè.
 óñëîâèÿõ âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ èñïû-
òóåìûõ ñåêöèé âíóòðè îãíåâîé óñòàíîâêè è ñ
ó÷åòîì äâèæåíèÿ êàæäîé èç òåïëîîáìåííûõ
ñðåä â BD è MD âûðàæåíèå äëÿ îïðåäåëåíèÿ
Òf-a ìîæåò áûòü çàïèñàíî â âèäå [6]:
Ò
f-a
= (T
a,ex
– T
a,en
)/ln[(T
f
–
– T
a,en
)/(T
f
– T
a,ex
)], (5)
ãäå T
f
, T
a,en
, T
a,åx
— òåìïåðàòóðû ïðîäóêòîâ ñãî-
ðàíèÿ â òîïî÷íîé êàìåðå, âîçäóøíîãî ïîòîêà íà
âõîäå è âûõîäå èç ðàññìàòðèâàåìîé ðåêóïåðàòèâ-
íîé ñåêöèè ñîîòâåòñòâåííî.
Ðàñ÷åòû êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è äëÿ îï-
ðåäåëåíèÿ êîýôôèöèåíòà òåïëîïåðåäà÷è k ìåæ-
äó ñòåíêîé òåïëîîáìåííîé òðóáû è âòîðè÷íûì
òåïëîíîñèòåëåì — âîçäóøíûì ïîòîêîì �w-a —
âûïîëíÿëèñü äëÿ êàæäîé i-é ïåòëè (i = 1, 2, 3)
â êàæäîé èç ñåêöèé (BD, MD).
Íà ðèñ.4 ïðåäñòàâëåíû ñðàâíèòåëüíûå äàí-
íûå èññëåäóåìûõ ñåêöèé BD è MD2 ïî òåïëî-
âîñïðèÿòèþ Qa ïîòîêà âîçäóõà â çàâèñèìîñòè
îò åãî ðàñõîäà ÷åðåç ðåêóïåðàòèâíóþ ñåêöèþ
�ma . Ïðè îäèíàêîâûõ òåìïåðàòóðàõ âíåøíåãî
èñòî÷íèêà òåïëîòû (ïðîäóêòû ñãîðàíèÿ ñ òåìïå-
ðàòóðîé Tf 1215 � 20 K) Qà äëÿ MD2 óâåëè-
÷èâàåòñÿ ïðèáëèçèòåëüíî íà 15 % â ñðàâíåíèè ñ
BD. Ïðè ýòîì îòíîñèòåëüíûé ðîñò êîýôôèöè-
åíòà òåïëîïåðåäà÷è k ñîñòàâëÿåò 25–35 % âñëåä-
ñòâèå óìåíüøåíèÿ òåìïåðàòóðíîãî íàïîðà Òf-a
— áàçîâàÿ ñåêöèÿ BD èìååò áîëüøåå àáñîëþò-
íîå çíà÷åíèå Òf-a ïî ñðàâíåíèþ ñ MD.
Ïðè óâåëè÷åíèè ñêîðîñòè âîçäóøíîãî ïî-
òîêà â ñåêöèè MD2 â 2,2 ðàçà êîýôôèöèåíò
òåïëîïåðåäà÷è k óâåëè÷èâàåòñÿ â 2 ðàçà (äî
60 Âò/(ì2.Ê)).
 ñëó÷àå BD âîçìîæíîñòè èíòåíñèôèêàöèè
âíåøíåãî òåïëîïîäâîäà ê ïîâåðõíîñòÿì òðóá
îãðàíè÷åíû ìåõàíèçìîì âíóòðåííåãî (âíóòðè
òðóáû) òåïëîîáìåíà îò ñòåíêè òðóáû ê ïîòîêó
âîçäóõà.  ñëó÷àå ìîäåðíèçèðîâàííîé êîíñò-
ðóêöèè MD âíóòðåííèé òåïëîîáìåí èíòåíñèôè-
öèðóåòñÿ çà ñ÷åò âñòàâîê — ïðîìåæóòî÷íûõ èç-
ëó÷àòåëåé, ðàñïîëîæåííûõ â òðóáàõ. Âñòàâêè
èçëó÷åíèåì îòáèðàþò òåïëîòó îò òåïëîîáìåí-
íûõ òðóá è êîíâåêöèåé îòäàþò åå âíóòðåííåìó
òåïëîíîñèòåëþ — âîçäóøíîìó ïîòîêó. Óâåëè-
÷åíèå ïîâåðõíîñòè F�,w çà ñ÷åò âñòàâîê ñíèìàåò
èëè îñëàáëÿåò îãðàíè÷åíèÿ âíóòðåííåãî òåïëî-
îáìåíà è, òåì ñàìûì, ïåðåäà÷è òåïëîòû âîç-
äóøíîìó ïîòîêó èçâíå ÷åðåç ñòåíêè òåïëîîá-
ìåííûõ òðóá.
Ñðàâíèâ çàâèñèìîñòè Qà = f1( �ma ) è k =
f2( �ma ) äëÿ ñåêöèé êîíñòðóêöèé BD è MD2 (ñì.
ðèñ.4), ìîæíî ñäåëàòü âûâîä î òåïëîîáìåííûõ
ïðåèìóùåñòâàõ ìîäåðíèçèðîâàííûõ ðåêóïåðàòî-
74 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2012. ¹ 4
Ðèñ.4. Ñîïîñòàâëåíèå îñíîâíûõ òåïëîâûõ õàðàêòåðèñòèê ðå-
êóïåðàòèâíîé ñåêöèè òèïà MD2 (1) ñ ñåêöèåé òèïà BD (2):
ïóíêòèðíûå ëèíèè — ïîëíûé ïåðåäàííûé òåïëîâîé ïîòîê
(âñÿ ïåðåäàííàÿ òåïëîòà) Qa; ñïëîøíûå ëèíèè — êîýôôèöè-
åíòû òåïëîïåðåäà÷è k ìåæäó ïåðâè÷íûì (ïðîäóêòû ñãîðà-
íèÿ) è âòîðè÷íûì (âîçäóøíûé ïîòîê) òåïëîíîñèòåëåì. Òåì-
ïåðàòóðà ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ â ïå÷è Tf = 1215 � 20 K = idem.
ðîâ, îáóñëîâëåííûõ ðàçâèòèåì ïîâåðõíîñòåé äëÿ
ëó÷èñòîãî îáìåíà âíóòðè òðóá â ñåêöèè MD2.
Åñëè óñëîâíî ïîëàãàòü, ÷òî ïîâåðõíîñòü
âíóòðåííåãî òåïëîîáìåíà â BD è MD ñåêöèÿõ
îäèíàêîâà è ðàâíà âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè òåï-
ëîîáìåííîé òðóáû, òî «óñëîâíûé» êîýôôèöè-
åíò âíóòðåííåé òåïëîîòäà÷è �w-à(MD) >
�w-à(BD), k(MD) > k(BD). Âñëåäñòâèå ñîîòíî-
øåíèÿ Tw(BD) > Tw(MD) ëó÷èñòûå è ïîëíûå
êîýôôèöèåíòû òåïëîîòäà÷è â ñèñòåìå «ïðîäóê-
òû ñãîðàíèÿ — ñòåíêè òðóá» ñîñòàâëÿþò
�f-w(MD) < �f-w (BD).
Õàðàêòåð çàâèñèìîñòåé Qa = f1( �ma ) è k =
f2( �ma ) äëÿ MD2 ñòàíîâèòñÿ ïîõîæèì äðóã íà
äðóãà, ïîäòâåðæäàÿ ñíÿòèå îãðàíè÷åíèé âíóò-
ðåííåãî òåïëîîáìåíà íà îáùóþ òåïëîïåðåäà÷ó â
ñèñòåìå «ïðîäóêòû ñãîðàíèÿ — òåïëîîáìåííàÿ
òðóáà — ïîòîê âîçäóõà» äëÿ ìîäåðíèçèðîâàí-
íîé êîíñòðóêöèè ðåêóïåðàòèâíîé ñåêöèè.
1.3. Îáîáùåíèå ðåçóëüòàòîâ
èññëåäîâàíèé òåïëîîáìåíà
â ðåêóïåðàòîðå
Ïðè îáîáùåíèè äàííûõ ïî ñëîæíîìó òåï-
ëîîáìåíó â êîíâåêòèâíîé ôîðìå Nu0 = f(Re0)
âûïîëíåíî ñîïîñòàâëåíèå ðåçóëüòàòîâ ðàíåå
ïðîâåäåííûõ èññëåäîâàíèé [7] ñ ýêñïåðèìåí-
òàëüíûìè äàííûìè íàñòîÿùèõ îïûòîâ (ðèñ.5).
Êðèâàÿ 1 îáîáùàåò äàííûå èñïûòàíèé òðóá÷à-
òûõ ñåêöèé ðåêóïåðàòîðà áåç âñòàâîê (BD) è ñî
âñòàâêàìè â ôîðìå âíóòðåííèõ êîàêñèàëüíûõ
òðóá ðàçëè÷íîãî äèàìåòðà è â âèäå ñèñòåìû ðà-
äèàëüíûõ ðåáåð â ôîðìå «çâåçäà» è «êðåñò»
(MD). Âñòàâêè â ñåêöèè MD ðàíåå óñòàíàâëè-
âàëèñü íà ïðÿìûõ ó÷àñòêàõ òðóá.  íûíåøíåé
ñåðèè îïûòîâ áûëè îïðîáîâàíû ðàíåå íå èñ-
ïîëüçîâàííûå âàðèàíòû âñòàâîê, êîòîðûå, ïî-
ìèìî ïðÿìîãî ó÷àñòêà ñåêöèè ÌD, óñòàíàâëè-
âàëèñü íà êðèâîëèíåéíîì ó÷àñòêå îäíîé èç ïå-
òåëü ñåêöèé MD2.
Áûë èçìåíåí äèàïàçîí ðàáî÷èõ òåìïåðàòóð
Tf â òîïî÷íîé êàìåðå, ãäå óñòàíîâëåíû ñðàâíè-
âàåìûå ñåêöèè è ñèñòåìà äûìîîòâîäà (ñõåìà îá-
òåêàíèÿ òðóá). Ñðàâíåíèå ðåçóëüòàòîâ ïðåæíèõ
èñïûòàíèé (êðèâàÿ 1) è íûíåøíåé ñåðèè îïû-
òîâ (òî÷êè) íà ðèñ.3 ïîêàçûâàåò âîçìîæíîñòü
óäîâëåòâîðèòåëüíîãî îáîáùåíèÿ âñåõ äàííûõ ñ
îòêëîíåíèåì äî 20 % îò çàâèñèìîñòè:
Nu
0
/� = 0,01 Re
0
0,897, (6)
ãäå � — îáîáùåííûé òåìïåðàòóðíûé êîìïëåêñ,
� = [�(Ò
à,ex
/T
f
).(F
�,w
/F
ext
)]0,45; � — ïîïðà-
âî÷íûé êîýôôèöèåíò, çàâèñÿùèé îò êîíñòðóê-
öèè òåïëîîáìåííîé òðóáû è âñòàâêè (äëÿ ãëàä-
êîé òðóáû — 1,13; äëÿ êîàêñèàëüíîé òðóáíîé
âñòàâêè — 1,03; äëÿ êðåñòîîáðàçíîé âñòàâêè —
1,15; äëÿ âñòàâêè ñ òðåìÿ ðàäèàëüíûìè ðåáðàìè
(çâåçäà-3) — 1,21).
 çàâèñèìîñòè (6) â êà÷åñòâå õàðàêòåðíîãî
ðàçìåðà ïðè ðàñ÷åòå ÷èñåë Nu0 è Re0 èñïîëüçî-
âàëè õàðàêòåðèñòèêè ãëàäêîé òðóáû.
Óñòàíîâëåíî, ÷òî ñòðîãàÿ îöåíêà è ó÷åò
òåìïåðàòóð Tf äëÿ îïûòîâ, ïðåäñòàâëåííûõ íà
ðèñ.5, ìîæåò óìåíüøèòü îòêëîíåíèå òî÷åê îò
êðèâîé 1.
Âàæíåéøèé âûâîä, êîòîðûé ñëåäóåò èç
ïðèâåäåííîé çàâèñèìîñòè: îïðåäåëÿþùàÿ ðîëü
âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà F�,w è
ðîñò ïîäîãðåâà âîçäóøíîãî ïîòîêà ïî ìåðå óâå-
ëè÷åíèÿ ÷èñëà ðåáåð âñòàâêè — ïðîìåæóòî÷íî-
ãî èçëó÷àòåëÿ. Óâåëè÷åíèå ïîêàçàòåëÿ ñòåïåíè
ê ÷èñëó Ðåéíîëüäñà ïðè òå÷åíèè ïîòîêà â òðóáå
ÿâëÿåòñÿ ôîðìàëüíûì çíàêîì èíòåíñèôèêàöèè
òåïëîîáìåíà è îáóñëîâëåíî âêëàäîì äîïîëíè-
òåëüíîãî ëó÷èñòîãî ïåðåíîñà òåïëîòû â ñèñòåìå
«âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü òðóáû — âòîðè÷íûé
èçëó÷àòåëü».
1.4. Ñðàâíåíèå ãèäðàâëè÷åñêèõ è
òåïëîãèäðàâëè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê
ñîïîñòàâëÿåìûõ ñåêöèé
Ãèäðàâëè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå òåïëîîáìåí-
íèêîâ (ïîòåðÿ íàïîðà) ÿâëÿåòñÿ íåîòúåìëåìîé
ïðàêòè÷åñêîé õàðàêòåðèñòèêîé, îïðåäåëÿþùåé
âûáîð äóòüåâûõ ñðåäñòâ äëÿ òðàíñïîðòèðîâêè
òåïëîíîñèòåëÿ.
Ïîñêîëüêó èíòåíñèôèêàöèÿ òåïëîîáìåíà è
ïîâûøåíèå òåìïåðàòóðû ïîäîãðåâà âîçäóõà ñî-
ïðîâîæäàåòñÿ ðîñòîì ïîòåðü íàïîðà, âàæíåéøåå
çíà÷åíèå äëÿ îöåíêè ñîâåðøåíñòâà òåïëîîáìåí-
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2012. ¹ 4 75
Ðèñ.5. Çàâèñèìîñòü êîìïëåêñà Nu0/� îò ÷èñëà Re0 äëÿ íàãðå-
âà âîçäóøíîãî ïîòîêà â òðóáàõ ðåêóïåðàòèâíîé ñåêöèè: êðè-
âàÿ 1 — ïî óðàâíåíèþ (6); òî÷êè — ýêñïåðèìåíòàëüíûå
äàííûå, ñîîòâåòñòâóþùèå ðàçëè÷íûì êîíñòðóêòèâíûì ìîäè-
ôèêàöèÿì ðåêóïåðàòîðà è òåìïåðàòóð ïåðâè÷íîãî òåïëîíî-
ñèòåëÿ (ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ) Tf : êðåñòèêè, áåëûå êâàäðàòû,
òðåóãîëüíèêè — BD; îñòàëüíûå ñèìâîëû — MD.
76 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2012. ¹ 4
íèêîâ èìååò ñìåøàííàÿ òåïëîãèäðàâëè÷åñêàÿ
õàðàêòåðèñòèêà, êîòîðàÿ óâÿçûâàåò ìåæäó ñî-
áîé èçìåíåíèå âåëè÷èí ïåðåäàííîãî òåïëîâîãî
ïîòîêà è ïîòåðü íàïîðà äóòüÿ.
Ïàðàìåòð Å ÿâëÿåòñÿ ðàñïðîñòðàíåííûì
êðèòåðèåì, ââåäåííûì Ì.Â.Êèðïè÷åâûì äëÿ
îöåíêè ýíåðãåòè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè ðàçëè÷-
íûõ ñïîñîáîâ è óñòðîéñòâ èíòåíñèôèêàöèè òåï-
ëîîáìåíà. Â ðàáîòå [3] ýòîò êðèòåðèé íàçûâàþò
«ýôôåêòèâíîñòüþ òåïëîîáìåííèêà», à â [8] —
«êîýôôèöèåíòîì ìîùíîñòè». Â ïðåäñòàâëåííîé
ðàáîòå ïðèâåäåíà ñëåäóþùàÿ òðàíñôîðìàöèÿ
çàâèñèìîñòè, êîòîðàÿ â íàøèõ îáîçíà÷åíèÿõ
îáåñïå÷èâàåò îïðåäåëåíèå âñïîìîãàòåëüíîé òåï-
ëîãèäðàâëè÷åñêîé õàðàêòåðèñòèêè:
e = E
mod
(T
a,ex
– T
a,en
)/ p
à
. (7)
Çàäà÷à ðàçðàáîòîê è èññëåäîâàíèé ñîñòîèò
â ñîçäàíèè òàêîé êîíñòðóêöèè âûñîêîòåìïåðà-
òóðíîãî ðåêóïåðàòîðà, â êîòîðîé çàäàííîå óâå-
ëè÷åíèå òåìïåðàòóðû ïîäîãðåâà âîçäóõà è ñíè-
æåíèå òåìïåðàòóðû ñòåíîê òåïëîîáìåííûõ òðóá
ñîïðîâîæäàåòñÿ ïðèåìëåìûì óâåëè÷åíèåì àýðî-
äèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êàíàëîâ.
 òàáë.1 ïðåäñòàâëåíû ñðàâíèòåëüíûå òåï-
ëîòåõíè÷åñêèå, ãèäðàâëè÷åñêèå è òåïëîãèäðàâ-
ëè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè èññëåäóåìûõ ñåêöèé
ðåêóïåðàòîðà, ïîëó÷åííûå ïðè îáîáùåíèè ðå-
çóëüòàòîâ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé íà
îãíåâîì ñòåíäå äâóõ ñîïîñòàâëÿåìûõ òåïëîîá-
ìåííûõ ñåêöèé ðåêóïåðàòîðà BD è MD2 .
Èññëåäîâàíèÿ áûëè ïðîâåäåíû ïðè òåìïå-
ðàòóðå â òîïî÷íîé êàìåðå Tf = 1080 K è óñëî-
âèè ñîáëþäåíèÿ îäèíàêîâûõ ìàññîâûõ (îáúåì-
íûõ ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ) ïîòîêîâ âîçäó-
õà â ñåêöèÿõ MD2 è BD: �ma (MD) = �ma (BD),
êîòîðûå ñîîòâåòñòâóþò îäèíàêîâûì âõîäíûì
÷èñëàì ReMD = ReBD. Äèàïàçîí èçìåíåíèÿ ðàñ-
õîäà âîçäóøíîãî ïîòîêà ïî ìàññîâîìó ïîòîêó
1,0 : 0,637. Ïðè âàðüèðîâàíèè ÷èñëà Re äèàïà-
çîí îòíîñèòåëüíîãî èçìåíåíèÿ ïîòîêîâ â ñåêöè-
ÿõ � �m / ma a,max � {0,5825; 1,0}.
Óñòàíîâëåíî, ÷òî ïîòåðè äàâëåíèÿ âñåãäà
îïåðåæàþò ïî òåìïàì ðîñòà ñêîðîñòü âîçðàñòà-
íèÿ ïåðåäàííîé òåïëîòû. Â ðàìêàõ äèàïàçîíà
âàðüèðîâàíèÿ ìàññîâîãî ïîòîêà âîçäóõà ïîòåðè
íàïîðà äëÿ ñåêöèè BD óâåëè÷èëèñü â 2,393 ðàçà,
â ñåêöèè MD2 — â 2,149 ðàçà. Ïðè ýòîì àáñî-
ëþòíûå çíà÷åíèÿ ïîòåðü äàâëåíèÿ â MD ïðåâû-
øàþò ïîòåðè äàâëåíèÿ â BD â 1,7–1,9 ðàçà. Ïî-
ñêîëüêó ñîïðîòèâëåíèå òðàêòà pa ðàñòåò îïåðå-
æàþùèìè òåìïàìè, èìåííî âîçìîæíîñòè òÿãî-
äóòüåâûõ ñðåäñòâ îïðåäåëÿþò âûáîð òåïëîîáìåí-
íûõ ïîâåðõíîñòåé.
Êîíå÷íûé ðåçóëüòàò ðàáî÷åãî ïðîöåññà â
òåïëîîáìåííèêå — èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû
âíóòðåííåãî òåïëîíîñèòåëÿ ïî äëèíå ðåêóïåðà-
òîðà Ta = Ta,ex – Ta,en — îïðåäåëÿåòñÿ ìíîãè-
ìè ôàêòîðàìè, ïðåæäå âñåãî èíòåíñèâíîñòüþ
ëèìèòèðóþùåé ñîñòàâëÿþùåé òåïëîîáìåíà (äëÿ
ðåêóïåðàòîðà — íà âîçäóøíîé ñòîðîíå).
Ïîëó÷åíî, ÷òî òåïëîâîñïðèÿòèå ñåêöèè MD
âñåãäà ïðåâûøàåò ñúåì òåïëîòû ñåêöèåé BD
(îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíàìè Qà è ÷èñëàìè Nu). Â
ïðèâåäåííîì äèàïàçîíå ðàñõîäîâ âîçäóøíîãî
ïîòîêà ïðèðîñò ïîëåçíîãî òåïëîâîñïðèÿòèÿ Qà â
MD2 ïî ñðàâíåíèþ ñ BD ñîñòàâëÿåò 1,130–
1,206 ðàçà è ÿâëÿåòñÿ (1,29–1,34)-êðàòíûì ïî
÷èñëó Nu. ßâíûå òåíäåíöèè âëèÿíèÿ íàãðóçêè
íà ïðèðîñò çíà÷åíèé Qà,MD/Qà,BD è NuMD/
NuBD íå îòìå÷àþòñÿ.
Òåïëîãèäðàâëè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè å è �
ñåêöèé MD2 è BD ñîïîñòàâëåíû ìåæäó ñîáîé â
Òàáëèöà 1. Ñðàâíåíèå ïîêàçàòåëåé íàãðåâà âîçäóõà â òåïëîîáìåííûõ ðåêóïåðàòèâíûõ ñåêöèÿõ
Õàðàêòåðèñòèêà BD (áåç âñòàâêè) MD2 (ñ êðåñòîîáðàçíîé âñòàâêîé)
�ma , êã/ñ 0,062 0,0719 0,0903 0,0982 0,062 0,0726 0,0903 0,0971
Òà,en, K 303 303 304 305 303 303 304 305
Òà,eõ, K 736 725 701 693 813 803 778 770
Òà= Òà,eõ – Òà,en, K 433 422 397 388 510 500 474 465
pà, Ïà 1170 1570 2490 2800 2220 2910 4190 4770
Qà, êÂò 27,5 31 36,8 39,4 32,5 37,4 44 44,6
Nu 83 96 117 125 107 125 155 167
Re 36920 43340 55160 60280 35115 41545 52440 56700
e = (Òà,eõ – Òà,en)/ pa, Ê/Ïà 0,37 0,27 0,16 0,14 0,23 0,172 0,113 0,098
~e = eMD/eBD – – – – 0,62 0,64 0,71 0,705
~
Nu = NuMD/NuBD – – – – 1,29 1,30 1,32 1,34~
p = pà,MD/ pà,BD – – – – 1,9 1,85 1,68 1,7
~ ~ ~
�Nu aNu / p�
– – – – 0,68 0,7 0,78 0,79
~ ~ ~
� �a w a a= / p� – – – – 0,72 0,75 0,82 0,84
âèäå èõ îòíîñèòåëüíûõ çíà÷åíèé ÷åðåç
~e =
åMD/åÂD è
~
�Nu = �MD/�ÂD = (Nu/ pà
)
MD
/(Nu/ pà)BD ñîîòâåòñòâåííî. Èç àíàëèçà ýêñ-
ïåðèìåíòàëüíûõ ðåçóëüòàòîâ óñòàíîâëåíî, ÷òî
àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ òåïëîãèäðàâëè÷åñêîé õà-
ðàêòåðèñòèêè
~e, ~
�Nu è
~
�a óâåëè÷èâàþòñÿ äëÿ
êîíñòðóêöèè ðåêóïåðàòîðà ñî âñòàâêàìè — âòî-
ðè÷íûìè èçëó÷àòåëÿìè. Ýòîò âûâîä ïîäòâåð-
æäàåòñÿ ïîäîáèåì òðåíäîâ èçìåíåíèÿ âåëè÷èí
~e
è
~
� äëÿ êàæäîãî èç èññëåäóåìûõ ðåæèìîâ. Ïðè
ýòîì â êà÷åñòâå � êàê áåçðàçìåðíîé õàðàêòåðè-
ñòèêè áûëî íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ñîîòíîøå-
íèå ÷èñåë Nu è Eu, à â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ñî-
îòíîøåíèå ðàçìåðíûõ âåëè÷èí �a = �w-a/ pà
äëÿ ñåêöèé MD è BD èëè ñìåøàííóþ õàðàêòå-
ðèñòèêó ñ èñïîëüçîâàíèåì îòíîñèòåëüíîãî ïàðà-
ìåòðà NuMD/NuBD â ôîðìå
~ ~ ~
�Nu aNu / p�
, ãäå
õàðàêòåðèñòèêè ñ âåðõíèì ñèìâîëîì «�» îçíà÷à-
þò ñîîòíîøåíèå ñîîòâåòñòâóþùèõ ïàðàìåòðîâ
äëÿ èññëåäóåìûõ ñåêöèé ðåêóïåðàòîðà.
2. Ìàòåìàòè÷åñêîå ìîäåëèðîâàíèå
òåïëîîáìåíà è àýðîäèíàìèêè
â êàíàëàõ ñ âòîðè÷íûìè èçëó÷àòåëÿìè
Ñ èñïîëüçîâàíèåì CFD ìîäåëèðîâàíèÿ
ïðîâåäåíû ðàñ÷åòíî-òåîðåòè÷åñêèå èññëåäîâà-
íèÿ òåïëîîáìåíà è àýðîäèíàìè÷åñêîãî ñîïðî-
òèâëåíèÿ â ñèñòåìå «ïðîäóêòû ñãîðàíèÿ, ïîïå-
ðå÷íî îáòåêàþùèå òðóáó, — òåïëîîáìåííàÿ
òðóáà — âîçäóøíûé ïîòîê âíóòðè òðóáû». Ïðè
ýòîì ðàññìàòðèâàëèñü ðàçëè÷íûå ñõåìû âîç-
äóøíîãî êàíàëà: ãëàäêàÿ òðóáà — BD; òðóáà ñ
ðàäèàëüíûìè ïåðåãîðîäêàìè — MD (ðàñïîëî-
æåííûìè âäîëü òðóáû ðàâíîìåðíî ïî ñå÷åíèþ
â êîëè÷åñòâå N åäèíèö, ãäå Nins = 2, 4, 8). Ðàñ-
÷åòû ïðîâîäèëè ïðè ãðàíè÷íûõ óñëîâèÿõ 3-ãî
ðîäà â ñèñòåìå «ïîòîê ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ ñ
òåìïåðàòóðîé Tf — öèëèíäðè÷åñêàÿ òðóáà äèà-
ìåòðîì d�� = 90�4,5 äëèíîé 1 ì — ïîòîê âîç-
äóõà, äâèæóùèéñÿ âäîëü òðóáû» äëÿ ðàçëè÷-
íûõ òåìïåðàòóðíûõ äèàïàçîíîâ (Ta,en = 300,
600, 900 K): çàäàâàëèñü òåìïåðàòóðà òåïëîîò-
äàþùåãî àãåíòà (ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ Tf) è ñóì-
ìàðíûé êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è ê ïðèåìíîé
ïîâåðõíîñòè ��,f-w = �f-w,conv + �f-w,rad. Ñðàâíè-
âàåìûå ñõåìû ñîîòâåòñòâóþò ïðîöåññàì ïðè èñ-
ïîëüçîâàíèè áàçîâîé (BD) è ìîäåðíèçèðîâàííîé
(MD) êîíñòðóêöèé òðóá÷àòîãî ðåêóïåðàòîðà.
Äëÿ óïðîùåíèÿ ðàñ÷åòíîé çàäà÷è áûëè
ïðèíÿòû íåèçìåííûìè òåïëîôèçè÷åñêèå ñâîéñò-
âà òåïëîíîñèòåëÿ (âîçäóøíîãî ïîòîêà), âçÿòûå
ïðè Ò0 = 298 Ê. Âåëè÷èíû, êîòîðûå ðàññ÷èòû-
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2012. ¹ 4 77
Òàáëèöà 2. Îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè òåïëîîáìåííîé òðóáû ïðè ðàçìåùåíèè âñòàâîê
Õàðàêòåðèñòèêà
�ma = 0,08 êã/c �ma = 0,2 êã/c
I II III IV I III
Òà,en = 300 K
Òà,eõ, K 380 420 451 482 361 390
Òw,max, K 1165 1141 1109 1065 1100 1018
Òw,av, K 1140 1096 1059 1019 1054 954
Òin,max, K – 1067 999 863 – 745
Tin,av, K – 972 872 689 – 570
pa, Ïa 88 144 203 320 435 873
Tw,a = Tw,max – Ta,ex, K 785 721 658 583 739 628
e = (Òà,eõ – Òà,en)/ pa, Ê/Ïà 0,92 0,84 0,75 0,57 0,14 0,10
~e = eMD/eBD 1,00 0,91 0,81 0,62 1,00 0,73
Òà,en = 900 K
Òà,eõ, K 939 955 968 983 924 938
Òw,max, K 1193 1184 1173 1159 1165 1136
Òw,av, K 1182 1166 1153 1138 1149 1110
Òin,max, K – 1155 1136 1107 – 1070
Tin,av, K – 1126 1102 1061 – 1027
pa, Ïa 134 220 314 536 694 1587
Tw,a = Tw,max – Ta,eõ, Ê 254 229 205 176 241 198
e = (Òà,eõ – Òà,en)/ pa, Ê/Ïà 0,29 0,25 0,22 0,15 0,03 0,02
~e = eMD/eBD 1,00 0,88 0,75 0,54 1,00 0,70
Ïðèìå÷àíèå. Òèïû êàíàëîâ: I — áåç âñòàâêè (BD); MD: II — ñ äèàìåòðàëüíîé âñòàâêîé; III — ñ êðåñòîîáðàçíîé âñòàâêîé;
IV — ñî âñòàâêîé èç 8 ðàäèàëüíûõ ðåáåð (çâåçäà-8).
âàëèñü ïðè àíàëèçå: òåìïåðàòóðà ïîäîãðåâà âîç-
äóõà (íà âûõîäå èç òðóáû) Òà,eõ, òåìïåðàòóðû
ñòåíêè òðóáû (ìàêñèìàëüíàÿ Òw,max è ñðåäíÿÿ
Òw,av) è âñòàâîê (ìàêñèìàëüíàÿ Òin,max è ñðåä-
íÿÿ Tin,av), à òàêæå àýðîäèíàìè÷åñêîå ñîïðî-
òèâëåíèå êàíàëà pa. Âàæíåéøèå ïîêàçàòåëè
ïðåèìóùåñòâ òåïëîîáìåííîé òðóáû ïðè íàëè-
÷èè âñòàâîê — ñíèæåíèå ðàçíîñòè Tw,a =
Tw,max – Ta,ex, à òàêæå ïîíèæåíèå ìàêñèìàëüíîé
òåìïåðàòóðû ñòåíêè òåïëîîáìåííûõ òðóá Tw,max
ïî ñðàâíåíèþ ñ ãëàäêîé òðóáîé. Ðåçóëüòàòû ðàñ-
÷åòîâ äëÿ ñëó÷àåâ òåìïåðàòóðû âîçäóõà íà âõîäå
â òðóáó Ta,en = 300, 900 K è Tf = 1223 K,
�f-w,conv = 50 Âò/(ì2.Ê) ñâåäåíû â òàáë.2.
Óñòàíîâëåíî, ÷òî óâåëè÷åíèå ÷èñëà ðåáåð
âñòàâêè èíòåíñèôèöèðóåò òåïëîîáìåí âíóòðè
òðóáû, ïðè÷åì ðåçóëüòèðóþùèé òåïëîâîé ïîòîê
âîçðàñòàåò ñ ðîñòîì ÷èñëà ðåáåð. Ðîñò òåïëîâîãî
ïîòîêà, ïåðåäàííîãî âîçäóõó, íàðÿäó ñ ïîâûøå-
íèåì Ta,ex ñîïðîâîæäàåòñÿ ïîíèæåíèåì Òw,max è
Tw,av, ïîñêîëüêó äëÿ ëþáîé èç ðàñ÷åòíûõ ñõåì
äîëæíî áûòü îáåñïå÷åíî áàëàíñîâîå ðàâåíñòâî
(â ïðåíåáðåæåíèè òåìïåðàòóðíûì ïåðåïàäîì ïî
òîëùèíå òåïëîîáìåííîé òðóáû è íåîäíîìåðíî-
ñòüþ ïåðåíîñà òåïëîòû):
�
�
w-a w,av
F
a,av in
f -a f,av
F
w,av
T T dF
T T d
in
ext
( – )
( – )
�
� Fext
(8)
ïðè T
f
= const.
Óâåëè÷åíèå íàãðóçêè (ìàññîâîãî ïîòîêà
âîçäóõà �ma ) â 2,5 ðàçà ïðè íà÷àëüíîé òåìïåðà-
òóðå 300 Ê ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ ðåçóëüòè-
ðóþùåãî òåïëîâîãî ïîòîêà â 1,9 ðàçà äëÿ
ãëàäêîé òðóáû è â 1,49 ðàçà äëÿ òðóáû ñ êðå-
ñòîîáðàçíîé âñòàâêîé. Îäíàêî àáñîëþòíûå
çíà÷åíèÿ òåïëîâûõ ïîòîêîâ äëÿ ïîñëåäíåé
êîíñòðóêöèè ïðè áàçîâîì ðàñõîäå 0,08 êã/ñ
âûøå, ÷åì äëÿ ãëàäêîé òðóáû, â 1,88 ðàçà, à
ïðè ðàñõîäå 0,2 êã/ñ — â 1,47 ðàçà.
Ïðè èñõîäíîé òåìïåðàòóðå íàãðåâà âîçäóõà
900 Ê ïåðåäàâàåìûå âîçäóõó òåïëîâûå ïîòîêè
ñèëüíî ïàäàþò, íî ñîõðàíÿþòñÿ òåïëîîáìåííûå
ïðåèìóùåñòâà òðóáû ñ ðàäèàëüíûìè âñòàâêàìè.
Òàê, ïðè áàçîâîì ìàññîâîì ïîòîêå (ðàñõîä âîç-
äóõà 0,08 êã/ñ) òðóáà ñ êðåñòîîáðàçíûìè
âñòàâêàìè îáåñïå÷èâàåò ðîñò àáñîëþòíîé âåëè-
÷èíû òåïëîâîãî ïîòîêà â 1,74 ðàçà ïî ñðàâíå-
íèþ ñ ãëàäêîé òðóáîé, à ïðè ðàñõîäå 0,2 êã/ñ
ðîñò òåïëîâîñïðèÿòèÿ ñîñòàâëÿåò 1,58 ðàçà. Àá-
ñîëþòíîå çíà÷åíèå òåïëîâîãî ïîòîêà ïðè ðîñòå
ìàññîâîãî ïîòîêà â 2,5 ðàçà óâåëè÷èâàåòñÿ â
1,39 ðàçà â òðóáå ñ ðàññìàòðèâàåìîé âñòàâêîé
ïðîòèâ 1,53-êðàòíîãî ðîñòà âîñïðèíÿòîé òåïëî-
òû ïðè óâåëè÷åíèè ðàñõîäà â ãëàäêîé òðóáå.
Óñòàíîâêà âòîðè÷íûõ èçëó÷àòåëåé âíóòðè
òðóá íàðÿäó ñ óâåëè÷åíèåì òåïëîâîñïðèÿòèÿ
âîçäóõà ïðèâîäèò ê ðîñòó ïîòåðü íàïîðà ïîòîêà
pa.  ñëó÷àå èñïîëüçîâàíèÿ êðåñòîîáðàçíîé
âñòàâêè äëÿ èíòåíñèôèêàöèè òåïëîîáìåíà (MD
òðóáà) îòíîñèòåëüíîå óâåëè÷åíèå ñîïðîòèâëå-
íèÿ âîçäóøíûõ êàíàëîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ ãëàä-
êîé òðóáîé (ÂD) ñîñòàâèëî îò 2,31 (2,34) äî
2,0 (2,28) ðàçà ïðè óâåëè÷åíèè íàãðóçêè (ìàñ-
ñîâîãî ïîòîêà âîçäóõà) â 2,5 ðàçà — ïî ðåçóëü-
òàòàì ìàòåìàòè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ.  õîäå
ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ðîñò ïîòåðü
íàïîðà pa,MD/ pa,BD ñîñòàâèë 1,9–1,7 ðàçà
ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ ìàññîâîãî ïîòîêà âîçäóõà
â 1,57 ðàçà.
Òåïëîãèäðàâëè÷åñêàÿ õàðàêòåðèñòèêà ðåêó-
ïåðàòîðà ðàññìàòðèâàåìîé êîíñòðóêöèè (MD)
å = (Ta,ex – Ta,en)/ pa êàê ñâÿçàííàÿ ñ ïðèâåäåí-
íûì ïàðàìåòðîì óìåíüøàåòñÿ ïî ìåðå èíòåíñè-
ôèêàöèè òåïëîîáìåíà, îáóñëîâëåííîé ðîñòîì
÷èñëà ðàäèàëüíûõ ðåáåð (ïîâåðõíîñòè âòîðè÷-
íûõ èçëó÷àòåëåé). Ðàñ÷åòíûå äàííûå òàáë.2 ìî-
ãóò áûòü êà÷åñòâåííî îáîáùåíû ñëåäóþùèìè
çàâèñèìîñòÿìè:
� � � �
� �
� �
( ) / ( ) /
( ) /
( ) /
� �
�
p F T F
p F
T
a ,w a ,w
a
2
,w
a
�
�
2
2
0
F2 ,w� �
�
°
�
�
�
� 0 ,
(9)
ãäå p p p T T Ta a a BD a a a BD� �/ ( ) , / ( ) .
Äëÿ îöåíêè èçìåíåíèÿ òåïëîâûõ è àýðîäè-
íàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê òåïëîîáìåííèêîâ
ñëóæèò áåçðàçìåðíûé ïàðàìåòð — ñîîòíîøåíèå
A ! (Nu/Nu0)/(f/f0) ñðàâíèòåëüíûõ çíà÷åíèé
èíòåíñèâíîñòè òåïëîîáìåíà Nu/Nu0 è ãèäðàâ-
ëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ f/f0 [9] êàê ôàêòîð
àíàëîãèè Ðåéíîëüäñà äëÿ òðàêòà ðåêóïåðàòîðà.
Îáû÷íî
0 1
10
0 0
0
� �
" � �
�
°
( ) / ( )
, .
Nu / Nu f / f
f / f
(10)
Êðîìå òîãî, î÷åâèäíî, ÷òî âêëþ÷åíèå â
ïðîöåññ ðàäèàöèîííîé ñîñòàâëÿþùåé â ëþáîì
ñëó÷àå íàðóøàåò àíàëîãèþ ïåðåíîñà òåïëîòû è
èìïóëüñà: #St $ f/2.
 ðàññìàòðèâàåìîì äèàïàçîíå òåìïåðàòóð
ïîäîãðåâà âîçäóøíîãî ïîòîêà (Ta,ex < 973 K)
ïàðàìåòð A ! (Nu/Nu0)/(f/f0) ïàäàåò ïðè
óñòàíîâêå ïðîìåæóòî÷íûõ èçëó÷àòåëåé ñ óâåëè-
78 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2012. ¹ 4
÷åíèåì ÷èñëà ðåáåð (ñ ðîñòîì f/f0) íåçàâèñèìî
îò óðîâíÿ òåìïåðàòóð.
Âûâîäû
Ïðîâåäåíû øèðîêèå ýêñïåðèìåíòàëüíûå è
÷èñëåííûå (CFD) èññëåäîâàíèÿ òåïëîîáìåíà è
àýðîäèíàìèêè â ãàçî-ãàçîâûõ òåïëîîáìåííèêàõ
(ðåêóïåðàòîðàõ), ñíàáæåííûõ èíòåíñèôèêàòî-
ðàìè òåïëîîáìåíà — âòîðè÷íûìè èçëó÷àòåëÿìè
â òåïëîîáìåííûõ êàíàëàõ. Ýêñïåðèìåíòàëüíî
ïîëíîñòüþ ïîäòâåðæäåíû ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòíî-
ãî è CFD àíàëèçà äëÿ ñëó÷àÿ ðàçìåùåíèÿ â
òðóáàõ ïëîñêèõ ðàäèàëüíûõ âñòàâîê: óñòàíîâëå-
íî ñóùåñòâåííîå (íà 60–120 Ê) ïîâûøåíèå òåì-
ïåðàòóðû ïîäîãðåâà âîçäóøíîãî ïîòîêà Ta,ex,
ñíèæåíèå òåìïåðàòóðû ñòåíêè òðóá Òw è
ðàçíîñòè òåìïåðàòóð Òw – Ta,ex. Â öåëîì ðîëü
âñòàâîê ñ òî÷êè çðåíèÿ âîçìîæíîñòåé òåïëîïå-
ðåäà÷è âñåãäà ïîëîæèòåëüíà è ìîíîòîííî óâå-
ëè÷èâàåòñÿ ïî ìåðå ðîñòà òåìïåðàòóðû ïðîäóê-
òîâ ñãîðàíèÿ, îìûâàþùèõ òðóáû ðåêóïåðàòîðà,
à òàêæå óâåëè÷åíèÿ ïîâåðõíîñòè âñòàâîê. Ïîêà-
çàíî, ÷òî òðóáà ñ äèàìåòðàëüíîé ïåðåãîðîäêîé
(Fins = dl (� + 2)) îáåñïå÷èâàåò áîëåå âûñîêóþ
òåïëîïåðåäà÷ó êî âòîðè÷íîìó òåïëîíîñèòåëþ
(âîçäóøíîìó ïîòîêó), ÷åì ãëàäêîñòåííàÿ òðóáà.
 òðóáå ñ êðåñòîîáðàçíîé âñòàâêîé (Fins = dl (�
+ 4)) ïåðåäàåòñÿ áîëåå âûñîêèé òåïëîâîé ïî-
òîê, ÷åì â òðóáå ñ äèàìåòðàëüíîé ïåðåãîðîäêîé.
Ìàêñèìàëüíûé òåïëîîáìåííûé ýôôåêò èç ÷èñ-
ëà ðàññìîòðåííûõ êîíñòðóêöèé äîñòèãàåòñÿ ó
òðóáû, èìåþùåé 8 ðàäèàëüíûõ ïîâåðõíîñòåé
(Fins = dl (� + 8)). Îäíîâðåìåííî ñ èíòåíñèôè-
êàöèåé òåïëîîáìåíà, îáåñïå÷èâàåìîé ðîñòîì
÷èñëà ðàäèàëüíûõ ðåáåð (ïîâåðõíîñòè âòîðè÷-
íûõ èçëó÷àòåëåé), îïûòàìè è ðàñ÷åòàìè äîêàçà-
íî îïåðåæàþùåå ïîâûøåíèå àýðîäèíàìè÷åñêîãî
ñîïðîòèâëåíèÿ pa, ÷òî ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ
îáîáùåííîé õàðàêòåðèñòèêè — òåïëîãèäðàâëè-
÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè ðåêóïåðàòîðà. Ïîäòâåð-
æäåíû ðåçóëüòàòû ðàíåå ïðîâåäåííûõ èññëåäî-
âàíèé òåïëîîáìåíà â òðóáàõ ñî âñòàâêàìè ðàç-
ëè÷íîé ãåîìåòðèè, ïðîàíàëèçèðîâàíû ñîîòâåò-
ñòâóþùèå êðèòåðèàëüíûå çàâèñèìîñòè.
Óñëîâíûå îáîçíà÷åíèÿ
BD — áàçîâàÿ êîíñòðóêöèè ðåêóïåðàòèâíîé ñåêöèè
MD — ìîäåðíèçèðîâàííàÿ êîíñòðóêöèè ðåêóïåðàòèâ-
íîé ñåêöèè
cpm — óäåëüíàÿ ìàññîâàÿ èçîáàðíàÿ òåïëîåìêîñòü
âîçäóõà, êÄæ/(êã.Ê)
d — âíóòðåííèé äèàìåòð òðóáû, ì
E — êðèòåðèé òåïëîãèäðàâëè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè
òåïëîîáìåííèêà
Eu — êðèòåðèé Ýéëåðà
Nu — ÷èñëî Íóññåëüòà
Re — ÷èñëî Ðåéíîëüäñà
St — ÷èñëî Ñòýíòîíà
å, � — óïðîùåííûå êðèòåðèè òåïëîãèäðàâëè÷åñêîé
ýôôåêòèâíîñòè òåïëîîáìåííèêà
F — ïîâåðõíîñòü òåïëîîáìåíà, ì2
f — êîýôôèöèåíò òðåíèÿ
k — êîýôôèöèåíò òåïëîïåðåäà÷è, Âò/(ì2.Ê)
l — äëèíà òåïëîîáìåííîé òðóáû, ì
�ma — ðàñõîä âîçäóõà, êã/c
Nins — êîëè÷åñòâî ðàäèàëüíûõ ïëîñêîñòåé âòîðè÷íîãî
èçëó÷àòåëÿ
Q — ïåðåäàííîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû, êÂò
T — òåìïåðàòóðà, Ê
w — ñêîðîñòü òåïëîíîñèòåëÿ â òðóáàõ, ì/ñ
pa — ïîòåðè äàâëåíèÿ, Ïà
Ò — ñðåäíåëîãàðèôìè÷åñêèé òåìïåðàòóðíûé íàïîð,
Ê
� — êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è, Âò/(ì2.Ê)
� — òîëùèíà ñòåíêè, ì
� — îáîáùåííûé òåìïåðàòóðíûé êîìïëåêñ
� — ïîïðàâî÷íûé êîýôôèöèåíò
Èíäåêñû: à — âîçäóõ; àv — îñðåäíåííîå çíà÷åíèå â
ïðåäåëàõ ïåòëè èëè ðåêóïåðàòèâíîé ñåêöèè; conv — êîí-
âåêöèÿ; en — íà÷àëüíûå ïàðàìåòðû; eõ — êîíå÷íûå ïàðà-
ìåòðû; ext — âíåøíÿÿ ïîâåðõíîñòü; f — ïðîäóêòû ñãîðà-
íèÿ; in — âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü ãëàäêîé òðóáû; ins —
âñòàâêà; max — ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå; N — ïàðàìåòðû
ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ (T = 273 K, Ð = 101325 Ïà); rad
— èçëó÷åíèå; �, w — ñóììàðíàÿ âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü;
w — ñòåíêà; 0 — ïàðàìåòðû ãëàäêîé òðóáû.
Ñïèñîê ëèòåðàòóðû
1. Soroka B., Kudryavtsev V., Zgurskyi V., Sandor P.
Development of tube recuperators of new generation for
high-temperature combustion air preheating //
Wydanie Miedzynarodowa Konferencja Naukowo-
Techniczna: Efektywnos%c%Energetyczna-2009. Krakow,
21–23 wrz. 2009. — Krakow : Insytut Nafty i Gazu
NR162, 2009.— S. 143–147.
2. Soroka B., Sandor P., Kudryavtsev V., Zgurskyi V.
Development of new concept and design of high tem-
perature tube recuperators // Proc.: 8th Intern.
Sympos. on High Temperature Air Combustion and
Gasification, Poznan, Pl., July 5–7, 2010.— Poznan,
2010. — P. 285–393.
3. Æóêàóñêàñ À.À. Êîíâåêòèâíûé ïåðåíîñ â òåïëî-
ìàññîîáìåííèêàõ. — Ì. : Íàóêà, 1982. — 472 ñ.
4. Tanbour E.Y., Rahmani R.K. Experimental study of
natural convection heat transfer in a vertical pipe
with a stationary inserts // Proc. of 2008 ASME
Summer Heat Transfer Conference (HT 2008), Jack-
sonville, Florida, USA, Aug. 10–14, 2008, Jackson-
ville, Fla., 2008.
5. Sandor P., Soroka B., Kudryavtsev V., Zgurskyy V.
Heat Transfer Intensification within Tube
Recuperator by Inserting Secondary Emitters Inside
air Channels // Abstracts 16th Intern. Conf. Ther-
mal Eng. and Thermogrammetry (THERMO) Buda-
pest, Hungary, 1–3 July, 2009. — Budapest :
MATE, 2009. — Ð. 34–35.
Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2012. ¹ 4 79
6. Hausen H. Waermeuebertragung im Gegensrtom,
Gleichstrom und Kreuzstrom. — Berlin; Heidelberg
: Springer-Verlag, 1976. — 384 S.
7. Ñîðîêà Á.Ñ., Âîðîáüåâ Í.Â., Êàðàá÷èåâñêàÿ Ð.Ñ.
Ðàñ÷åò îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê âûñîêîòåìïåðà-
òóðíîãî òðóá÷àòîãî ðåêóïåðàòîðà ïðè èíòåíñè-
ôèêàöèè òåïëîîáìåíà âíóòðè òðóá // Ýíåðãîòåõ-
íîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. — 2011. — ¹ 5. —
Ñ. 47–54.
8. Âîðîíèí Ã.È., Äóáðîâñêèé Å.Â. Ýôôåêòèâíûå òåï-
ëîáìåííèêè. — Ì. : Ìàøèíîñòðîåíèå, 1973. — 96 ñ.
9. Áîðèñîâ È.È., Õàëàòîâ À.À., Ñîðîêà Á.Ñ. Òåï-
ëîîáìåí è ñîïðîòèâëåíèå ïðè òå÷åíèè âîçäóõà â
òðóáå ñî âñòàâêàìè ñ èíòåíñèôèêàòîðàìè íà èõ
ïîâåðõíîñòè // Ïðîì. òåïëîòåõíèêà. — 2009. —
Ò. 31, ¹ 3. — Ñ. 7–13.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 31.05.12
80 Ýíåðãîòåõíîëîãèè è ðåñóðñîñáåðåæåíèå. 2012. ¹ 4
Soroka B.S., Vorobyov N.V.,
Kudryavtsev V.S., Zgurskyi V.A.
Gas Institute of NASU, Kiev, Ukraine
Ñomplex Analysis of Working Process
Within High-Temperature Recuperator
The results of comparative «firing» tests of the recuperators of tube type: of «smooth
(hollow)» channels and of channels with the inserts — secondary emitters of various ge-
ometry — have been presented in the work under consideration. The obtained data on
improvement the heat engineering characteristics of the heat exchangers with the inserts
are analyzing along with the data on variation the hydraulic resistance (head losses) of
an air pathway. Comparison of combined heat and hydraulic characteristics (CHHC) of
the sections is of particular attention. CFD modeling has been carried out of conjugated
heat exchange and hydraulic resistance while outside flowing the tubes by combustion
products and under air preheating within the tube channels: both with and without the
inserts. The results of numerical analysis of an air preheating temperature increase and
reduction of temperature difference between an air flow and tube walls as well of CHHC
are fully corresponding to the test data. The recommendations on option the designs and
operation modes of the modernized recuperators have been brought out.
Key words: air-flow preheating, high temperature recuperator, combined heat and hy-
draulic criteria, pressure losses, inserts — secondary emitters.
Received May 31, 2012
|