ISSN 0204-3602 nPOIVIbiiiiЛEHHAЯ ТЕПЛОТЕХНИ rом . ,.:.. · 1 26 . ·.;.;..,,., .. .. .· ;. . ~ .•. ::~t1j.: . ;,. _ : INDUSTRIAL Vol. 26 . ;·_ . :.. _~_;, :· . НЕАТ i:. .: - - ·-·.:.ii;;, . :. . '·.. :. ENGINEERING N2 1 2004 СОДЕРЖАНИЕ -IАIJИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУГ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕПЛОФИЗИКИ НАН УКРАИНЫ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Долiнський А.д., Грiщенко Г.В., Шаркова Н .О ., Терлецька Я .Т. , Жукотський Е.К. Реологiчнi властивостi бiл ков их компонентiв ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА соево"i композицi"i ............................................................... 5 !Кравченко IO.cJ, Басок Б.И ., Давыде~ко Б.В., Пироженко И .А. МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНО-ПРИКЛАДНОЙ ЖУРНАЛ Выходит 6 раз ~ год Основан в 1979 г. Влияние вязкости обрабатываемой среды н а дина мические характери стики роторно- пульсационного аппарата ................. :................... .:......... ? Авраменко А.А. Ренормализационный анализ турбулентности Том 26, .N1~ 'лавный редактор - 1, 2004 Долинекий А.А. в пористых средах .......................................................... 11 Павленко А. М ., Басок Б .И. Закономерности вскипания эмульгированных жидкостей ....................... .................. 21 едакционная коллегия: асок Б . И. - зам . главного редактора Кузяев И.М . уляндра А.Ф . Интенсификация процессов тепло .иденко О.И. массопереноса в рабочем канале .и кий Н . А. ч ервяч ны х машин при перера ботке .омашев Е.Д. неньютоновских п олим ер ных жидкостей лименко В.Н. ондак Н.М . : осач В.Г . ответственный секретарь : исьменный Е.Н . · латонов В.В. нежкин Ю.Ф . l иалко Н . М . .алатов А.А. J урчков А .В. пик Э.Я. едак ционны й совет: лексеенко С.В. (Росси я ) игел У. (США) ацлавик Ю. (Польша) оверда В . П . (Рос с ия) оновалов В.И . (Ро сс ия) ..................... 25 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Бессараб А.С. , Долинекий А .А. , Драганов Б .Х. Оптимизация утилизационных теплообменных ап паратов ............................................ 32 ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕУСТАНОВКИ Рыжков С.С. , Билык Б. И . Турбофоретические маслоотделители для систем суфлирования газотурбинных дв игателей ... ..... ....... ... . 37 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА Приемов С . И . Метод расчета эффективности пыле- юриг Х. (Г ерма ния) аджамдар А. (Канада) золоулавливания механических скрубберов ............... 44 артыненко О.Г. (Б елар усь) атеи И . (Румыния) АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА и з ута И . (Яп о ния) инг-Ш а н-Ж у (Кит ай ) а i<оря ков В.Е. (Ро сс ия) l~ре д Н . (В ел ик обр итания) нте н Дж . Е . (США) Долинекий А.А., Домашев Е.Д., Свириденко И . И . Либ ерализация мирового рын ка электроэнергии как условие повышения эффективности и безопасности АЭС .......... .......... ....... .49 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Уд~. 66.045.1:519.1 БЕССАРАБ A.C.I, ДОЛИПСКИЙ А.А. 2 , ДРАГАНОВ Б.Х.З 1 Украинский государственный университет пищевых технологий ~ Ин-т технической теплофизики НАН Украины з Национальный аграрны~ университет Украины ОПТИМИЗАЦИЯ УТИЛИЗАЦИОННЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Викnадено методику дослiдження аnаратiв · методами тeopli rрафiв. Наве дено структурний rраф nроцесу тепло обмiну, двохдольний iнформацiйний граф та iнформацiйний граф матема тично)' моделi. Викnадено методику енергетичного та техн iко-економiчного аналiзу i оп тим iза цli ТА. Изложена методика исследования теnлообменных аnnаратов методами теории графов. Приведены структурный граф процесса теплообмена, двудоль· ный информационный граф, информа ционный rраф математической модели . Изложены методики энер гетического, те хнико-экономического анализа и оп тимизации ТА . а te - коэффициент тем пературоnроводности; - dЕ - F- эксергетическая температура ; '11-КПД. Нижние индексы: с- удельная теnлоемкость; D- вектор технологических параметров; диаметр; ех- эксергетический; эксергия; q- поверхность теплообмена; р - параметр гидравлический ; параметр тепловой; Н - энтальпия; t- термический; К- вектор конструкционных nараметров; вх- входной ; вых- выходной ; коэффициент теплоnередачи; k - L- технологическая 1- длина г- горячий; топология; труб; кж-кожух; м р- давление; RS- газовая постоянная; площадь проходнаго сечения; п- потери энергии в аппарате; ер- среднее значение; U - вектор режимных nараметров; V- вектор параметров окружающей w - скорость потока; W- водяной эквивалент; ст - стенки; т- тепловой; · среды; ТА - труба; Х- ХОЛОДНЫЙ. Верхние индексы: Х, У- векторы входных и выходных nараметров; к- конечн ый; а- коэффициент теплообмена; н- нагреваемый, начальн'ый ; v - коэффициент кинематической вязкости ; A.rp- о- охлаждаемый ; коэффициент трения ; ~ - коэффициент местных nотерь; р - плотность ; эф- эффективный. Одним из существенных элементов энергосбере гающих. систем, и спользующих - межтрубно~ пространство; - окружающая среда; ос Т - температура; t, возобновляемые и тем энергосбережения могут бы'Гь решены при наи более благоприятном вторичные энергоресурсы, является утилизационный элементов, теплообменный аппарат. Задач и оптимизации сие- менников. 32 The technique of а геsеагсh of heat exchange apparatuses (ЕА) Ьу . methods of а gгaph theory is stated. The heat exchang~s . Ьichromatic information columns, information columns of а mathematical model эге indicated of the stгuc tural columns of process. Are stated а technique of the power and technological analysis and optimization ЕА. в том функцщ)нировании всех ее числе утилизационных теnлооб ISSN .0204-Зб02. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, N9 1 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ В основу анализа теплообменных систем следует положить . математическую модель протекающих в элемент стенки кожуха 1 и первой трубы 2. Указан ные на схеме параметры процесса в дальн ейшем по них физических процессов. Это позволяет связать вторяются. Структурный граф процесса теnлообмена характеристики входных параметров теплообменного в ТА представлен на рис . аппарата (например, значения температуры входного техноЛогического потока) с параметрами выходного потока и характеристиками состояния теплообмен ников с учетом технологических связей между НИ\!И. Математическая модель анализа ТА формируется в виде функциональной зависимости У =f (Х, К, D, L, Будем кожухот наибольшее распространение среди утилизационных К конструкционным К параметрам относятся: поверхность теплообмена F, диаметры кожуха dk и труб dтр, длина труб /, количество ходов в трубном пространстве N, площади проходных сечений в тру бах Srp и межтрубном nространстве Sм. Технологиче скими параметрами массовые расходы н н tr, fx - 2. · приняты такие . обозначения: mг, горячего и холодного mx потоков; начальные температуры горячего и холод- ного потоков; t~, t~ - конечные температуры горя температура окру жаюшей среды; с~, с~ - удельные теnлоемкости го рекуперативный рубный , ТрУ,бчатый теплообменник, как лолучивший ТА. - 1и 2 чего и холодного потоков; Тос - И, V) . рассматривать На рис. D. являются линейные скорости потоков в трубнрм Wтр и межтрубном wм пространст вах, коэффици е н ты теплоотдачи а: и теплопередачи k, средне логарифl\шческан разность температур Ы, тепловая нагрузка ТА. К структуре технологических связей L следует отнести связь между элементами теnлообменной . системы (отдельных теnлообменни ков, входящих в систему, насоса и т. д .). к . парамет рячего и холоднрго nотоко в на выходе из теплооб менной аппаратуры; lн.ст.-о - температура наружной поверхности стенки со стороны окружающего возду ха; tст - темnература поверхности трубы со стороны горячего потока; lг.ст - температура поверхности тру бы со стороны горячего подогреваемого nотока; а:г.ст - коэффициент теплообмена между горячим пото ком и внутренней поверхностью кожуха; <Хст.х - ко эффициент теплообмена между внутренней стенкой трубы и холодным потоком; аг.ст.о - коэффициент теплообмена между горячим nотоком и внешней стеной трубы; а:ст.о - коэффициент теплообмена ме жду внешней стенкой и внешней окружающей ере- рам окружаюшей среды следует отнести температуру То.с.• а также давление и относительную влажность окружающего воздуха. Критерий оптимизации 'f1 формулируется сле дующим образом : 'fl=q>(X , K,D,L, И, V). Для анализа теплообменных аппаратов обратимся к методам те ори и графов r1] . Теплообменную систему мож!-fо представить в ви де упорядоченной совокупности компонентов, объе диненных между собой с помощью полюсов связи. Каждому двухполюсному элементу соответствуют уравнение и граф , представляющий собой направ ленную ветвь. При исследовании теплообменных систем целесообразно воспользоваться тепловым структурным графом. Структурные графы отобража ют особенности технологической топологии системы и позволяют установить связь технологической структуры и между б Рис. 1. Кожухотрубный теп.лооб.менньtй аппарат: а- общий вид теп.лообменнико; б - элемент тепло обменника с изображением схемы теплообмена. изменениями количественными ха рактеристиками установки. В Полюсные уравнения теплообменного аппарата входя·т .энтальпия Н и тем пература Т. Рассмотрим кожухотрубный, одноходовой тепло обменник (рис. 1). с коридорным расположен ием труб Приведенные . ниже положения в принциле примен имы для те плообменников с шахтным распо ложением труб, а также для пластинчатых теплооб ме нников. Рядом со схемой теплообменника показа н ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, NQ 1 Рис. 2. Структурный граф процесса теплообмена в теплообменном аппарате. 33 ТЕ ПЛ О- И МАССООБМЕННЫЕ АПП АРАТЫ дой; Сст.о - nарата; с: ходе; Cr, с, Приведе ин ая теплоемкость внешней стенки (кожуха) ; с: - теnлоемкость горячего nотока на выходе из ап - те nлоемкость холодного nотока на вы - теnлоемкость горячего и холодного nо токов на входе ; н;, н; - энтальпии горячего и хо матрица исnользуется для вы nолне ния расч етов процессов теnлообмена в ТА Анал и зируя различные тоnологические и тех ноло гические варианты, можно выбрать оnтимальный в энергетическом отношении. В [2] разработан ап про кс имационно - гибридный алгоритм расчета мн о гоконтур ных с истем , в частности, теnлообменны х лодного nотоков на входе в ТА. Значения Т0 и Н0 , установок. вестн ыми . Запишем математическую модель -теnлооб менного аппарата в наиболее общем виде: относящиеся к окружающей среде, сч итаются и з В структур ном графе nроцесса теплообмена узло вая точка О соответствует базовой точ ке и змерения темnературы (О 0 С). Прежде чем nредставить полюс ные уравнения в матричной форме, изложим исход Ji ~Q= kFЬ.tcp; /2 ~kт f(t~, ные nредnосылки . В теnлообмен н ике в каждом ряде имеется количество рядов - j. i труб; П римем, что по мере перем е fз ~Ь.tср = ( t;1 - t:) - (t~- t:) н ч е нию коэффициенты теnлообмена со стороны на ренней поверхности труб dст.-х не изме няются. В тех случаях, когда в процессе теnлообмена имеет место изменени е агре гатного состояния одного и з nотоков , также принимается , что коэффициенты теnлообмена аг.ст.-о и аст.-о имеют nостоя н ное знач е н и е во всем объеме теnлообме н н и ка . И х можно обозначить через а ">Ф г .ст.о и а ЗФ.. ет х , которые обеспечивают те же усло- вия теплообмена , что и и х переме нные значения. Кроме то го, не будем уч итывать термическое со противлен ие з начения нием стенки no трубы вследствие малого ero сравнен и ю с термическим сопроти вле со стороны процессов конве ктивного теnлообмена . к lг - lx 1n - - к к lr - lx щения горячего потока от входного к выходному се ружн ой _nоверхности труб dr.cт-o и со стороны внут 1:,wr>wx,'->r,Ux .ar>ax ,К); ..., . j(K)' /4 ~wr(t~~ -t~) - W.x(t~ -'.~) = О; fs ~Q = wr (l~ -t~); р "".~: w2 fб~ Ы>= ( Лтр/тр d ·2= L.."=>P \1122 Jf(K), где К - конструкцион н ый т и п теплообменн и ка. Для интенсификаци и теплообмена мoryr приме няться устройства no турбулизации пото ка в трубах. В этом случае эффект от повышения з начени я ко эффициента теплопередачи k должен nревысить от рицательный эффект от дополнител ьного n овыше ния nадания давлен ия ~р (3]. К ак правило , р асход горячего и холодного nото Полюсны е уравнения составляющих nроцесса те плообмена в матричной форме имеют вид: н; ков зада н и оптими з ирующими вел и чинами являют ся Ф0 = {F, 1). 1 1 о о о о о о о о о о о о о Н" г о 1 о о о о о о о о о о о о нн о о Сг о о о о о о о о о о о тк о о о Сх о о о о о о о о о о тх о о о о с"г о о о о о о о о о тк о о о о о с"г о о о о о о о о тн о о о о о о Сет о о о о о о О. Нет-о о о о ·о о о о Сет-О о о о о о о тет-о нг.ст о о о о о о о о аг.ст о о о о о тг-ет о о о о о о о о о а ст-о о о о о Тст-х о о о о о о о о о о аг.ст- о о о о тк.ст-о о о о о о о о о о о о Лет. к о о Нет.к Тет-к о о о о о о о о о о о о о тн.ет-о нн.ст-о о о о о о о о о о о о о нн х Hr Нх нr г н: Нет Нст-х нг.ет-о = · ает-о х г х тет х о тое тое 34 JSSN 0204-3602. Пром. теплотехника. 2004, т. 26. N2 1 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Двудольный информационный граф и ииформа ционный граф ской [41 системы уравнений математиче модели утилизационного теnлообменного ап ной разности температур Ет; гидравлическим соnро тивлением nри течении теплоносителей Ер, nотеря ми теплоты в окружающую среду [5] Ее, т. е. = Ет+ + Ер Ее . nарата приведены на рис . 3 и 4. Для э нергетич ес кой оценки теnлообменного апnа En рата определим его эксергетический КПД лоносителя и индекс н для нагреваемого nотока . 'le х Евых = = Общие nотери эксерги и nри теплообме не из-за Евх - En Евх Евх где Евх - под веденная к теnлообменнику эксергия; Евых - эксергия , отведенная от ТА; En - nотери эк сергии в апnарате . Для эксергетической оценки теплообменного аn парата определим его эксергетический КПД ч ех Евых =-· Еох где Евх Еuых - Примем индекс о для охлаждаемого nотока теn конечной разности температур между теnлоносите лям и =Е9 - Е9 =Qt.•e , о Ет где н EYq, ЕНq- эксергии потоков о и н; Q - теnловая нагрузка теnлообменника; 6•е - средняя разность эксергетических температурных функций лотоков о Ев>:- En =~::....·_.:.:.. и Евх н при охлаждении nервого потока и нагреве вто рого. nодведенная к теnлообменнику эксергия; эксергия, отведенная от ТА; En - потери эксер гии в аnпарате . Потер и эксергии в теnлообменном аппарате обу словлены необратимым теnлообменом из-за конеч- Эксергетическая тем nературная функция = 1- •е То.е / Т Eq= Q•e. Потери эксергии от коне•tной разности темnера тур nри теnлообмене будут равны Ет =Q ( ( 1- То.с 1Тн ) - ( 1- Т0.с 1Т0 ) J= = QТо.с ((тн -To)IToТ.r)· П ользуясь понятием водяного эквивалента W = т,.сг :::: m xCx, получим: \ Рис. 3. Двудольный информационный граф системы уравиений .математической .модели теплообменного аппарата. Е = Т. W · ln rхк Тгк т о.с тн тн х г Эксергетический КПД_2,еnлообмена (Ер 0 "·rex = Еq 1Е"q = IQ• 0 е = Ео.с = 0): /Q-r е 1 = 11 = 1t~ 1"С; = М0 1I:!.E11 , где 6Е0 , 6.Е11 - изменение эксергии nото ков о и н . П отери эксергии от гидравлического соtr ротивле ния в теnлообменном апnарате определяются соот; ношением (6] : Е = Т. R ln Рвых + D.p р ос где 6р Рвых ' = Рвх - Рвых - nадение давления в системе. 1 Рвых << 1 nотеря эксергии от гидравли При 6р ческого соnротивления Ер =тRТосдр 1Рвых · Потери эксер гии от теnлообмена с окружающей средой Es Рис. 4. Иифор.мациониый граф системы уравиений .мате.матической .модели тf!nАОоб.меююго аппарата. ISSN 0204-3602. Пром. тепiютехника, 2004, т. 26, NQ 1 =Qte.o = Е~ о.с + Е; о.е = = т1 Qн[l- ;ос н .о ]+m {1[1- ;ос]. 0 0 .0 35 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ гне Тн.о - сренняя темnература наружной nоверхно сти теnлообменного апnарата со стороны nотока Н; Тос - сренняя темnература наружной nоверхности ТА лообмена, кВт; Се - стоимость ениницы энергии, грн ./( кВт·ч.ас). Приведеиные эксnлуатационные затраты оnрене со стороны nотока о. лятся зависимо стью П отери эксергии от теnлообмена с окружаюшей ереной Es могут быть оnренелены, пользуясь значе ниями энтальnий nотоков [4] Es = mнCн(tti.o где Сн и с0 - - fo.c) + mocoUo.s - fo.c) , теnлоемкости соответствен н о потоков о и н. В результате можно заnисать выражение .аля эк '· серrетического КПД теnлообменного апnарата [6, 7] Е - Ет - Ер - Е вх = llex = s Еех t es где - Т. х = тк т tt Jx Jx ln (Txк / Т:') Так как эксерrия Е меньше количества теnлоты Q, то П э.nр ~ ПЕ.nр· Отсюна сленует, что П з.nр можно как нижнюю мых и разрабатываемых теnлообменных аnпаратов. Анализируя варианты конструктивных решений , можно выбрать оnтимальный вариант f-ro.c. н 7r средняя эксерrетич еская темnература Метод оптимизации дает возможность nовы сить эффективность теnлообменных апnаратов особенно в системах теплоснабжения, используюших возоб новляемые и втори чны е энергоресурсы. ЛИТЕРАТУРА н ости теnлообме ниных аnnаратов являются nриве неиные и эксnлутационные затраты (8]1 Н ам nрен ставляется, что .аля ТА более целесообразно nользо 1. Оре О. Теория графов.- М.: Наука, 1968.- 318 с. 2. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Правниченко А.В. ваться nриведеиными затрата ми П 3 через затрачен ную на nроцесс энергию 19] NCq•r П э= Е11 К1 N+-- , энергии, (1) ", Аnроксимиционно-rибридный 3. 1 /rон; К3 отнесенн ые к грн./(кВт·час); затраченной в nроцессе, N - ; тг - работы теnлообменника в год, модинамический КПД nроцесса. И з уравнения ( 1) стоимость ; Cq - следует расчетная зависимость nы 5. EIIKЭ 't г 6. 7. 11r Эксергетич еские М .: Машино моделирования расчеты химико 1974.-344 технических с. систем: Бродянекого В. М.- К.: Н аук. Думка, 1991 .- 360 с. Чернышевский И.К. КПД эффективных те::nлооб аnnаратов // Энергомашиностроение.- С. 24-26. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Гурьева Л.В. Оnти мизация затраты можно [7] 8. = E KFF + 6ECt:rr, 11 Kr - удельные каnиталовложения, отнесенные к енинице nоверхности теnлообмена ТА, грн .fм 2 ; F nоверхности теnлообмена, м 2 ; 6Е =. Еех - Ееых - ко личество энергии , израсхонован ной на nроцесс теn- теnлообменных М .: Атомизнат, оnренелить rне 36 каналах.- 1964.- N2 8.- nроnорционально затратам энергии ПЕ математического менных Cq +-, Эксnлутационные с. Сnрав. Пособие 1 Бродлиский В.М., Верхивкер Г.П. , КаjJчев Я.Я. и др.; П он ред. Долинекого А.А ., .аля энергетических nривененных затрат Пэ.nр: п э.nр -- в 1981 .- 205 технологических систем. - М.: Химия, тер llt - многокон 4. Кафаров В.В., Перов В.Л., Мешалкин В.П. nринци количество часов чfrод; теnлообмена строение, количество энергии, кВт·ч ениницы теnлоты, rрн /кВт·ч удельные затраченной расчет турных химико-технологических систем // Докла ды АН СССР.- 1980.- Т. 251.- N2 4.- С. 925-928. Калинин Э. К. , Дреriцер Г.А., Ярхо С.А. И нтенсифи кация нормативн ый коэффициент эффективности каnиталовложений, каnиталовложения, выбранной no целевой функции. Технико-экономическими критериями эффектив - зна- И зложе нный метон nозволяет оnренелить энерге изоляции теnлообменного ап nарата. гне Е11 граничную оценку тические и экономические nоказатели рассчитывае =l----~--~r______~x~~---- Q r.ae Выводы t' х~х +ll чения П E.np· -l +~1f:C.r:f".",' .: ~ 7н ПЕ ЕнКF ( E.tlp =Q= К6Т рассматривать r"I.Jt ~· +п~ tPx + то.с. П nроцессов и систем. 1988.- 192 с. Каневец Г.Е. Обобшенные методы расчета теnло обменников. К.: Наук. нумка, 1979.- 35 1 с. 9. Nitsch R. Zur Theorie der termodynamischen und energiewirtschaft1ichen Bewertung von Energieum vand1ungs verfachren // Wissenschaft1iche Zeitschrift, 1965. Bd. 7, .N'2 2. S. 88-99. Получено 03. 12.2003 г. JSSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, Ng 1