Моделирование и расчет двухтрубного теплообменника с учетом структуры потоков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат наук Воронцова, Светлана Борисовна

• Воронцова, Светлана Борисовна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Воронцова, Светлана Борисовна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Назначение и устройство двухтрубных теплообменников

1.2 Методы интенсификации работы двухтрубных теплообменников

1.3 Модели структуры потоков

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВХОДНЫХ

ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭФФЕКТОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

2.1 Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента

2.2 Моделирование экспериментальных данных методом корреляционного анализа

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ

ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ В ДВУХТРУБНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

3.1 Исследование влияния структуры потоков на параметры двухтрубного теплообменника

3.2 Утилизация тепла влажного воздуха на выходе из сушилок в двухтрубном теплообменнике

3.3 Моделирование процесса нагревания воздуха конденсирующимся паром в двухтрубном теплообменнике

3.4 Моделирование работы двухтрубного теплообменника

при кипении жидкости, нагреваемой дымовыми газами

3.5 Алгоритм расчета двухтрубного теплообменника с учетом продольной теплопроводности по обоим теплоносителям

3.6 Модель двухтрубного теплообменника с комбинированными структурами потоков теплоносителей

3.7 Влияние структуры потока газового теплоносителя на параметры теплообменника

3.8 Влияние оребрения на эффективность работы двухтрубного теплообменника

3.8.1 Расчет двухтрубного теплообменника с оребрением

3.8.2 Оценка экономической эффективности модернизации двухтрубного теплообменника за счет оребрения

4 НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ДВУХТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОЧИСТКИ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА

4.1 Периодическая очистка двухтрубных теплообменников

4.1.1 Устройства для безразборной очистки наружной поверхности труб

4.1.2 Разборные конструкции двухтрубных теплообменников

4.2 Устройства для непрерывной очистки

4.3 Конструкции двухтрубных теплообменников

с интенсификаторами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

Приложение

Приложение А. Справочные данные для расчета двухтрубного

теплообменника для утилизации тепла влажного воздуха

Приложение Б. Справочные данные для расчета двухтрубного

теплообменника для нагревания воздуха конденсирующимся паром.. 156 Приложение В. Справочные данные для расчета двухтрубного теплообменника для кипения жидкости, нагреваемой

дымовыми газами

Приложение Г. Справочные данные для расчета двухтрубного теплообменника при нагревании дутьевого воздуха котельной за

счет утилизации тепла дымовых газов

Приложение Д. Справочные данные для расчета двухтрубного теплообменника со скачками температур теплоносителей и структурой

потоков идеального смешения на входе

Приложение Е. Справочные данные для расчета двухтрубного теплообменника, когда в межтрубном пространстве охлаждается дымовой газ, а в центральной трубе нагревается дизельное топливо

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и расчет двухтрубного теплообменника с учетом структуры потоков»

ВВЕДЕНИЕ

В химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, машиностроительной, атомной, пищевой и других смежных отраслях промышленности проведение многих технологических процессов связано с необходимостью подвода или отвода тепловой энергии. Реализуются эти процессы в теплообменных аппаратах.

При небольших тепловых нагрузках и расходах теплоносителей особенно актуально применение двухтрубных теплообменников. Они могут использоваться в процессах, сопровождающихся частичным кипением или конденсацией теплоносителя. Также их применяют для газообразных и жидких сред при высоком давлении. Двухтрубные теплообменники характеризуются небольшим гидравлическим сопротивлением, и, следовательно, более высокими скоростями движения теплоносителей (до 3 м/с), что обеспечивает более высокие коэффициенты теплоотдачи. Особым преимуществом является разнообразие компоновок двухтрубных теплообменников, что дает возможность быстрой сборки из типовых элементов на месте монтажа и установки дополнительных секций.

Актуальность и степень разработанности темы исследования. В работах по способам интенсификации теплообменных процессов в двухтрубных теплообменниках проведены многочисленные исследования по очистке теплопередаю-щих поверхностей от загрязнений и отложений, но при этом практически не исследована реальная структура потоков теплоносителей, которая отличается от общепринятой модели идеального вытеснения.

Существующий до настоящего времени подход к проектированию и расчету массообменных аппаратов и химических ректоров предполагает описание структуры потоков на основании экспериментально полученных кривых отклика. Недостатком используемых моделей, кроме сложности экспериментального определения самой кривой отклика, является дискретное описание концентрационного (или температурного) фона со скачками концентрации (или температуры) на гра-

нице перехода от одного звена к другому. Последний недостаток нивелируется в диффузионной модели структуры потока, в которой скачок концентрации имеется только на входе. Эта модель описывается дифференциальным уравнением второго порядка и тоже связана с необходимостью определения числа Рв£ диффузионного по дисперсии кривой отклика Pe£ = Pe£ (ст2 ).

В 1979 году И. А. Гильденблатом и в 2009 году В. Н. Бобылёвым были предприняты попытки описать температурный профиль в объектах при моделировании тепловых процессов по диффузионной модели, в которой критерий Пекле оставался диффузионным.

Учет влияния реальной структуры потоков теплоносителей на удельную тепловую мощность, площадь теплопередачи и длину теплообменника может повысить точность расчета и проектирования двухтрубных теплообменников.

Цель работы - разработка и экспериментальное обоснование решений, направленных на повышение точности расчета и эффективности функционирования двухтрубных теплообменников с учетом влияния структуры потоков теплоносителей на основе модели продольной теплопроводности.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- моделирование двухтрубного теплообменника со структурой потоков теплоносителей, учитывающей скачкообразное изменение температур на входе и продольную теплопроводность;

- разработка алгоритмов и программ расчетов двухтрубного теплообменника на основании модели структуры потоков теплоносителей с учетом продольной теплопроводности;

- разработка новых разборных конструкций двухтрубных теплообменников и устройств для очистки теплообменных поверхностей от отложений в межтрубном пространстве.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем:

1. Экспериментально исследован эффект скачкообразного изменения температуры теплоносителей на входе в двухтрубный теплообменник и получено

уравнение, позволяющее определить зависимость относительного скачка температуры от числа Рейнольдса.

2. Разработана математическая модель структуры потоков теплоносителей с учётом продольной теплопроводности на основе дифференциального уравнения второго порядка. Модель адекватно описывает скачкообразное изменение температуры теплоносителей на входе, что позволяет учесть уменьшение локальной и интегральной движущей силы процесса.

3. С учётом продольной теплопроводности составлено неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка и получены аналитические решения для нагревания газа при конденсации пара и охлаждения газа при кипении жидкости.

Теоретическая и практическая значимость. На основе дифференциальных уравнений теплового баланса и теплопередачи разработана математическая модель процесса переноса тепла в двухтрубном теплообменнике, учитывающая продольную теплопроводность.

На основе предложенной модели разработан алгоритм расчета двухтрубного теплообменника с учетом структуры потоков теплоносителей. Из расчетов установлено, что учет продольной теплопроводности при числе Рей-нольдса более 12000 соответствует скачку температуры горячего теплоносителя на входе (относительно начальной), равному 0,08, и приводит к увеличению поверхности теплопередачи и длины труб на 10,3%. Методика расчета двухтрубных теплообменников с учетом продольной теплопроводности внедрена в конструкторском бюро ОАО «Волгограднефтемаш».

Предложен алгоритм расчета двухтрубного теплообменника с комбинированными структурами потоков теплоносителей с преднамеренным созданием зон идеального смешения на входе в аппарат. Показана целесообразность специального обеспечения скачков температур теплоносителей, которая обоснована уменьшением необходимой поверхности теплопередачи и длины труб двухтрубного теплообменника на 20%.

Предложен новый тип оребрения теплопередающей поверхности двухтрубного теплообменника при помощи тонкостенных съемных гильз с продольными ребрами, который позволяет увеличить поверхность теплоотдачи в 2,5 раза.

Разработаны конструкции двухтрубных теплообменников, позволяющие упростить эксплуатацию и увеличить поверхность теплопередачи на 15%; а также устройства для очистки их теплопередающих поверхностей, повышающие эффективность работы. Новизна конструкций и устройств подтверждена пятью патентами РФ на полезные модели.

Перспективные методы интенсификации работы двухтрубных теплообменников; программы для расчета двухтрубных теплообменников; новые конструкции двухтрубных теплообменников и устройств для их очистки внедрены в учебный процесс и используются при проведении лекционных и практических занятий, выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ для студентов направлений подготовки бакалавриата и магистратуры «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».

Методы исследования. При выполнении исследований и решении поставленных задач были проведены эксперименты и использовались методы физического и математического моделирования, методы корреляционного анализа, аналитические методы расчета параметров моделей, методы решения изобретательских задач.

На защиту выносятся:

1. Экспериментально полученное уравнение, определяющее зависимость относительного скачка температуры теплоносителя на входе от числа Рейнольдса.

2. Математическая модель структуры потоков теплоносителей в двухтрубном теплообменнике с учетом продольного переноса теплоты теплопроводностью.

3. Алгоритм расчета двухтрубного теплообменника по уточненной методике.

4. Разборные конструкции двухтрубных теплообменников и устройства для очистки поверхностей теплообмена.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается обоснованным применением метрологически поверенного оборудования, применением апробированных методов корреляционного анализа при обработке экспериментальных данных с помощью прикладных компьютерных программ.

Апробация работы. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы доложены на 9 международных, 3 всероссийских, 1 республиканской, 5 межрегиональных, 10 региональных и 4 внутривузовских конференциях.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 научных работы, в том числе 10 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 в журнале, индексируемом в базе БсориБ; 2 монографии; 1 учебное пособие; получено 5 патентов РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 163 страницах, содержит 46 рисунков, 21 таблицу, библиографию из 114 наименований.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Назначение и устройство двухтрубных теплообменников

Двухтрубные теплообменники применяют при небольших тепловых нагрузках, когда расходы теплоносителей невелики. Они могут использоваться в процессах с частичным изменением агрегатного состояния теплоносителей [1]. Например, их применяют при производстве метанола и аммиака в качестве конденсаторов.

Двухтрубный теплообменник состоит из двух концентрически расположенных труб: труба меньшего диаметра вставлена в трубу большего диаметра (рисунок 1.1).

1 - внутренняя труба; 2 - внешняя труба; 3 - соединительное колено (двойник); 4 - патрубок (тройник) Рисунок 1.1 - Неразборный двухтрубный теплообменник с приварными двойниками

По внутренней трубе 1 движется один теплоноситель, а другой - по кольцевому зазору между внутренней 1 и наружной 2 трубами. С помощью двойника 3 соединяются внутренние трубы 1, а наружные - с помощью соединительных патрубков (тройников) 4. Для выполнения условий ограничения перепада давления по каждому потоку и применимости понятия средней разности температур секции двухтрубного теплообменника могут быть соединены параллельно или последо-

вательно [1]. Двухтрубные теплообменники изготавливаются с площадью поверхности теплообмена от 0,5 до 93 м2 и находят широкое применение в различных отраслях промышленности при температуре рабочей среды от минус 30 °С до 400 °С и давлении 1,6^10 МПа. Длина теплообменных труб обычно составляет 3^6 м, диаметр - 25^159 мм, а диаметр наружной трубы - 57^219 мм [2-5].

Классифицируют двухтрубные теплообменники по принципу сборки и по количеству потоков теплоносителей (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Классификация двухтрубных теплообменников

Неразборные двухтрубные теплообменники (рисунок 1.1) являются жесткой конструкцией (изготавливают путем сварки труб), поэтому их не используют при разности температур теплоносителей больше 70 градусов. Двухтрубные теплообменники могут быть двух типов: с приварными (рисунок 1.1) и съемными (рисунок 1.3) двойниками [4, 5].

Очистка таких теплообменников вызывает массу затруднений, особенно это касается теплообменников с приварными двойниками. Теплообменники со съемными двойниками более пригодны для очистки внутренней теплообменной тру-

бы, но также сохраняется открытым вопрос очистки межтрубного пространства. Поэтому срок службы таких теплообменников недолог.

1 - внутренняя труба; 2 - внешняя труба; 3 - соединительное колено (двойник); 4 - патрубок (тройник); 5 - фланцевое соединение Рисунок 1.3 - Неразборный двухтрубный однопоточный теплообменник со съемными двойниками

Главной особенностью разборных двухтрубных теплообменников является возможность регулярной механической очистки, как внутренней поверхности теплообменной трубы, так и наружной. Также в разборных конструкциях обеспечивается компенсация деформаций теплообменных труб, а возможность температурных удлинений кожуховых труб ограничена, поэтому в межтрубном пространстве перепад температур теплоносителя на входе и выходе не должен превышать 150 °С. Разборные двухтрубные теплообменники условно можно разделить на три типа: малопоточные, малогабаритные и многопоточные.

Малопоточные двухтрубные теплообменники применяют при относительно малых расходах теплоносителей (для жидких сред: от 0,1 до 15 т/ч в трубном пространстве и от 0,4 до 30 т/ч - в межтрубном [6]). В основном, малопоточные теп-лообменные аппараты применяют в лабораторных и пилотных установках, а также довольно часто используют для подогрева мазута и охлаждения масла. К малопоточным относятся однопоточные и двухпоточные теплообменники. Однопоточный разборный теплообменник представлен на рисунке 1.4.

6 7 8 1 2 3 4 5

1 - внутренняя труба; 2 - внешняя труба; 3 - опора; 4 - решетка внешних труб; 5 - распределительная камера; 6 - решетка внутренних труб; 7, 8 - фланцы Рисунок 1.4 - Разборный двухтрубный однопоточный теплообменник

Такие теплообменники предназначены для работы с загрязненными и склонными к образованию отложений рабочими средами, так как трубы крепятся в трубных решетках и герметизируются с помощью сальниковых уплотнений, что позволяет без особых сложностей осуществлять разборку, чистку и ремонт. Поэтому область их применения достаточно широка, особенно в различных очистных установках [5].

Допускается также выполнение аппарата двухпоточным по межтрубному пространству, например, когда процесс теплообмена идет с испарением или конденсацией наружного теплоносителя (паровой подогреватель). Двухпоточный теплообменник имеет две распределительные камеры, а в крышке размещены два соединительных колена. Главным отличием от однопоточных теплообменников при прочих равных условиях является увеличение поверхности теплообмена и проходного сечения для теплоносителей в два раза (рисунок 1.5).

В отличие от малопоточных теплообменников разборные многопоточные теплообменники предназначены для больших расходов теплоносителей (для жидких сред: от 10 до 200 т/ч в трубном пространстве и от 10 до 300 т/ч в - межтрубном [6]). В основном, они применяются для осуществления конвективного теплообмена в рабочих средах: жидкость - жидкость, газ - газ, жидкость - газ.

1, 2 - распределительные камеры; 3 - решетка теплообменных труб; 4 - решетка кожуховых труб; 5 - опора; 6 - кожуховые трубы; 7 - теплообменные трубы; 8 - соединительное колено; 9 - поворотная

камера; 10 - пластина Рисунок 1.5 - Двухпоточный разборный двухтрубный теплообменник

Многопоточные теплообменники (рисунок 1.6) применяются для реализации процессов теплообмена с частичным испарением или конденсацией теплоносителей.

1, 2 - распределительные камеры; 3 - решетка теплообменных труб; 4 - решетка кожуховых труб; 5 - опора; 6 - кожуховые трубы; 7 - теплообменные трубы; 8 - соединительное колено; 9 - поворотная камера; 10 - пластина; 11 - отвод к нижнему аппарату Рисунок 1.6 - Многопоточный разборный двухтрубный теплообменник с приварными двойниками

Также необходимо отметить, что в случаях, когда средняя разница температур теплоносителей более 70 °С или требуется обязательная очистка кольцевого пространства, рекомендуется применять двухтрубные теплообменники с компенсирующими устройствами. Одним из самых распространенных является компенсирующее устройство в виде герметичного уплотнения с помощью сальниковой набивки кольцевой щели между наружной и внутренней трубами [4].

1.2 Методы интенсификации работы двухтрубных теплообменников

Для уменьшения габаритов двухтрубных теплообменников и для повышения эффективности их работы известны различные методы интенсификации теплообмена.

Основополагающим при интенсификации теплообменных процессов является повышение коэффициента теплопередачи, который зависит от коэффициентов теплоотдачи теплоносителей [7]. Сегодня известно множество теплоносителей, разнообразных по своим физико-химическим свойствам и отличающихся по показателям коэффициентов теплоотдачи а, например, со стороны воды а=2000^7000 Вт/(м2К), со стороны органических жидкостей а=100^600 Вт/(м2К), а со стороны дымовых газов а<50 Вт/(м2К). Следовательно, интенсификация теплопередачи должна осуществляться со стороны теплоносителя, имеющего малое значение коэффициента теплоотдачи, особенно это актуально для газовых теплоносителей. В случае если теплоносители имеют близкие по величине коэффициенты теплоотдачи, то интенсификация теплоотдачи может осуществляться с обеих сторон теплообмена. Но при интенсификации теплообмена возникает и сложность - это увеличение гидравлического сопротивления, для преодоления которого необходимы определенные затраты энергии.

Известные на сегодняшний день методы и способы интенсификации в основном ориентированы на теплоносители с высоким значением критерия Рей-нольдса [8 - 14]. Вопрос интенсификации теплообмена при ламинарном течении

мало исследован, несмотря на то, что рабочая среда, перемещаясь в пристенном слое, может достаточно эффективно переносить теплоту [15, 16].

Методы интенсификации теплообменных процессов можно классифицировать на две больших группы: активные и пассивные (рисунок 1.7).

< Вращение или вибрация поверхности тешообмена Л Перемешивание теплоносителя

И Воздействие на поток теплоносителя магнитным, электрическим и ультразвуковым полями

Применение зернистой насадки

Добавление в тешоноситель твердых частиц или

_газовых пузырьков_

Продувка трубного и межтрубного пространств от _инертных газов_

Предотвращение отложений на теплообменной поверхности

Очистка тетопередаюгцей поверхности

Рисунок 1.7 - Классификация методов интенсификации теплообмена

К активным относятся методы, в основе которых лежит механическое или физическое воздействие, оказываемое на теплопередающую поверхность или рабочую среду. Пассивные методы реализуются при воздействии на поток теплоносителя различной формой поверхности теплообмена [17, 18].

Особый интерес в рамках данной работы представляют следующие методы: предотвращение образования отложений на теплопередающей поверхности и ее очистка в межтрубном пространстве двухтрубных теплообменников; оребрение поверхности теплообмена.

Для интенсификации теплообмена в межтрубном пространстве двухтрубных теплообменников широко применяются ребристые и ошипованные теплооб-менные трубы, которые различаются по своему назначению (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Назначение ребристых и ошипованных труб в двухтрубных теплообменниках

Интенсификатор Теплоноситель Рабочая температура

Стальные трубы с продольными ребрами Газы Вязкие жидкости >150 °С

Алюминиевые трубы с продольными ребрами Газы Вязкие жидкости <150 °С

Ошипованные стальные трубы Высоковязкие жидкости (мазут, гудрон и другие тяжелые нефтепродукты)

В области работы с высоковязкими жидкостями ошипованные теплообмен-ные трубы имеют преимущество по сравнению с оребренными трубами за счет меньшего гидравлического сопротивления и меньшей склонности к образованиям отложений на поверхности [5].

Сегодня известно большое многообразие типов оребрения. Оребрение теплообменных труб эффективно до тех пор, пока выполняется соотношение

a1F1=a2F2, (1.1)

где F1 и F2 - площади поверхностей теплообмена со стороны теплоносителей.

Отечественными и зарубежными исследователями накоплен обширный опыт по изучению механизма образования отложений [12, 19-21]. К наиболее видным ученым в данной области следует отнести С.С. Кутателадзе, Д.К. Керна, Р.Е. Ситона, А.П. Ваткинсон, Г.Х. Гильмора. В особенности интересны научные труды Дахина О.Х., посвященные исследованию кинетики образования различного рода отложений на теплообменных поверхностях и их влиянию на параметры работы теплообменников [22-25].

Многие исследования посвящены проблеме загрязнения теплообменных поверхностей, основной причиной которых является несовершенство известных конструкций теплообменных аппаратов [21, 26]. В области решения данной проблемы особенно хочется отметить идею самоочищающегося теплообменника, предложенную Михайловым Г.М., Тябиным Н.В. и Ревой Л.С. [27-29]. Высокая эффективность теплообмена в этом теплообменнике достигается за счет примене-

ния зернистого материала и непрерывной очистки теплообменных поверхностей в процессе эксплуатации. Вопрос борьбы с отложениями на теплообменных поверхностях актуален и сегодня. Известные методы очистки классифицируют на четыре типа: химические, механические, гидродинамические [30] и физические [31, 32]. В настоящее время довольно активно ведутся разработки и внедрение новых методов и способов очистки теплообменных аппаратов [33, 34].

1.3 Модели структуры потоков

В настоящее время российские и зарубежные ученые исследуют структуру потока в химических аппаратах [35]. Издан ряд работ, в которых изложены основы химической кибернетики. Среди них труды академика В.В. Кафарова, О. Ле-веншпиля, С.С. Кутателадзе, работы А.Ю. Закгейма, И.И. Иоффе, А.Н. Планов-ского, Гильденблата И.А., В.П. Захарова, К.С. Минскера, В.Н. Бобылёва, Е.А. Калинина, М.П. Цыганкова [35 - 46].

До середины прошлого века в основе расчета гидромеханических, тепловых, массообменных процессов и химических реакторов использовались модели идеального вытеснения и идеального перемешивания. Первые полагают, что все частицы потока движутся с постоянной одинаковой скоростью и имеют время пребывания, равное среднему времени пребывания в объекте, вторые - что перемешивание происходит мгновенно, то есть температурные (¿) и концентрационные (С) процессы безградиентны

д дС

0; = 0, (1.2)

дХг=1,2,3 дХг=1,2,3

где х - координата направления движения потока.

С середины прошлого века, когда начало развиваться учение о структуре потоков, появились модели, описывающие распределение частиц по времени пребывания в объекте и учитывающие отклонение реальных процессов от моделей идеального вытеснения и идеального смешения [36, 37]. Это так называемые яче-

ечные, диффузионные и комбинированные с последовательным и параллельным соединением звеньев идеального вытеснения и смешения.

Модель идеального смешения. Данная модель основана на принципе мгновенного распределения потока, поступающего в аппарат, по всему его объему в результате полного перемешивания частиц. Концентрация вещества одинакова во всех точках аппарата и на выходе из него в каждый момент времени [46, 47].

В дифференциальном виде математическое описание модели идеального смешения имеет вид [47]

^ = ^ (Св - с), (1.3)

л к в

где ду - объемный расход потока; V - объем зоны идеального смешения, м3;

Св, С( - концентрация вещества соответственно на входе и в любой точке объема аппарата, моль/м3.

Дифференциальная С-кривая для модели идеального смешения на импульсное возмущение, введенное в аппарат в начальный момент времени имеет вид, представленный на рисунке 1.8 [46, 48].

t=0 ? Рисунок 1.8 - Кривая отклика модели идеального смешения

Аппараты смешения в первую очередь характеризуются временем пребывания в аппарате и эффективностью смешения.

Модель идеального вытеснения. Под идеальным вытеснением понимается поршневое течение потока при равномерном распределении концентрации веще-

ства в направлении, перпендикулярном движению [47]. Время пребывания всех частиц одинаково.

Математическое описание данной модели представлено дифференциальным уравнением в частных производных, так как концентрация изменяется во времени и в пространстве [47, 48].

дС__ дС_ дх '

(1.4)

где V - средняя скорость потока, м/с.

На рисунке 1.9 представлена кривая отклика модели идеального вытеснения при импульсном возмущении в начальный момент времени.

Рисунок 1.9 - Кривая отклика модели идеального вытеснения

К преимуществам данной модели можно отнести простоту решения уравнений математического описания и допустимую степень воспроизведения реальной гидродинамической ситуации [47]. На сегодняшний день теплообменные аппараты обычно рассчитывают по модели идеального вытеснения [39 - 41].

Ячеечная модель. Для трубчатых аппаратов гидродинамику потоков целесообразнее представлять в виде ячеечной модели [47].

Ячеечные модели могут быть с равным и неравным объемом ячеек идеального смешения, то есть опирающиеся на модель идеального смешения и комбинированные модели с последовательным и параллельным соединением звеньев идеального вытеснения и смешения.

Для определения параметров этих моделей - числа ячеек идеального смешения и числа звеньев с последовательным и параллельным их соединением, доли объемов каждого звена используются функции распределения времени пребывания.

Математическое описание ячеечной модели для каждой ячейки смешения состоит из пп уравнений:

1 ЛС = ± (см - С), (1.5)

пп Л тм

где ты - общее время пребывания потока.

В частности после снятия кривых отклика (графической интерпретации этих функций на входной импульсный (рисунок 1.10), ступенчатый или гармонический сигналы) определяется их дисперсия, то есть центральный момент второго порядка а2 по ней, например, число ячеек пп = у 2 .

/ о

С(т)

Рисунок 1.1 0 - Кривая отклика ячеечной модели

г

Недостатком этой модели, кроме сложности экспериментального определения самой кривой отклика, является дискретное описание концентрационного фона (или температурного фона) со скачками концентрации (или температуры) на границе перехода от одного звена к другому (что на самом деле обычно не имеет место - функции концентрации или температур внутри объекта изменяются по объему и длине без скачков).

Последний недостаток нивелируется в диффузионной модели структуры потока. В ней скачок концентрации имеет место только на входе.

Диффузионная модель. В основе диффузионной модели лежит модель идеального вытеснения, учитывающая диффузионное перемешивание локальных струй в потоке и наличие обратных потоков за счет вихревого течения локальных струй [48-53].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Воронцова, Светлана Борисовна, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по теплообменникам: в 2 т. / под ред. Б.С. Петухова и В.К. Шико-ва. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 2 т.

2. Тимонин, А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: справочник. Т.2. / А. С. Тимонин - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 1030 с.

3. Архаров, А.М. Теплотехника: учебник для вузов / А. М. Архаров, И.А. Архаров и др.: под общ. ред. А.М. Архарова и В.Н. Афанасьева. - 2-е изд., перераб.: доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 712 с.

4. Машины и аппараты химических производств: учебник для вузов / А. С. Тимонин, Б. Г. Балдин, В. Я. Борщев, Ю. И. Гусев и др.: под общ. ред. А. С. Тимо-нина. - Калуга: Изд-во «Ноосфера», 2014. - 856 с.

5. ТУ 3612-014-00220302-99. Теплообменники труба в трубе. Технические условия. М: ОАО «ВНИИнефтемаш», 1999. - 109 с.

6. Ластовкин, Г.А. Справочник нефтепереработчика / Г.А. Ластовкин, Е.Д. Рад-ченко, М.Г. Рудина. - Ленинград: Химия, 1986. - 648 с.

7. Суслов, В.А. Тепломассообмен: учебное пособие / В.А. Суслов. - 3-е изд., перераб.: доп. - СПб: Изд-во СПбГТУРП, 2008 - 120 с.

8. Антуфьев, В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева / В.М. Антуфьев. - М.: Энергия, 1966. - 184 с.

9. Воронин, Г.И. Эффективные теплообменники / Г.И. Воронин, Е.В. Дубровский. - М.: Машиностроение, 1973. - 95 с.

10.Гортышов, Ю.Ф. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом / Ю.Ф. Гортышов, В.В. Олимпиев. - Казань: Изд-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 1999. - 176 с.

11.Калинин, Э.К. Интенсификация теплообмена в каналах / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярко. - М.: Машиностроение, 1990. - 208 с.

12.Коваленко, Л.М. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи / Л.М. Коваленко, А.Ф. Глушков. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 240 с.

13.Кутателадзе, С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справочное пособие / С.С. Кутателадзе. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

14.Щукин, В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил / В.К. Щукин. - М.: Машиностроение, 1980. - 240 с.

15.Назмеев, Ю.Г. Интенсификация конвективного теплообмена ленточными за-кручивателями при течении в трубах аномально вязких жид-костей / Ю.Г. Назмеев // ИФЖ. - 1979. - Т.38. - №2. - С. 239-244.

16.Пермяков, В.А. Теплообменники вязких жидкостей, применяемых на электростанциях / В.А. Пермяков, Е.С. Левин, Г.В. Дивова. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 175 с.

17.Жукаускас, А.А. Конвективный перенос в теплообменниках / А.А. Жукаускас. - М.: Наука, 1982. - 472 с.

18.Лаптев, А.Г. Методы интенсификации и моделирования тепломассообменных процессов: учебно-справочное пособие / А.Г. Лаптев, Н.А. Николаев, М.М. Башаров. - М.: «Теплотехник», 2011. - 335 с.

19.Kern, D.Q. A theoretical analysis of thermal surface fouling / D.Q. Kern, R.E. Sea-ton // British Chemical Engineering - 1959. - vol.4. - N 5. - pp. 258-262.

20.Watkinson, A.P. Scaling of Enhanced heat Exchanger tubes / A.P. Watkinson, L. Luis, R. Brent. // The Canadian journal of Chemical Engineering. - 1974. - vol.52. -N 5. - pp. 558-562.

21.Gilmour, G.H. No Fooling — No Fouling / G.H. Gilmour // Chemical Engineering Process. - 1965. - vol. 61. - N 7. - pp. 49-54.

22.Дахин, О.Х. Исследование механизма образования кристаллических отложений и их влияние на изменение гидродинамических и тепловых параметров / О.Х. Дахин // Реология в процессах и аппаратах химических производств: Труды ВПИ. - 1972. - C. 38-52.

23. Дахин, О.Х. О механизме смывания вязко-пластического слоя отложений с наружной поверхности круглой трубы / О.Х. Дахин // Процессы и аппараты химических производств: Труды ВПИ. - 1972. - C. 30-41.

24.Дахин, О.Х. Экспериментальное исследование процесса образования отложений на внутренних поверхностях круглых труб / О.Х. Дахин, Н.В. Тябин // Химия и химическая технология: Труды ВПИ. - 1970. - C. 482-489.

25. Дахин, О.Х. Исследование кинетики образования отложений осадка на стенках теплообменной аппаратуры / О.Х. Дахин, Л.А. Кондакова, Ю.И. Красотин, Н.В. Тябин, А.Е. Фолиянц // Химия и химическая технология: Труды ВПИ. -1968. - C. 237-243.

26. Огарев, Н.В. Исследование процесса смыва смолообразных отложений органическими растворителями / Н.В. Огарев, Д.А. Чулаков // Реология в процессах и аппаратах химических производств: Труды ВПИ. - 1972. - C. 38-52.

27.Рева, Л.С. Высокоэффективные самоочищаемые теплообменники / Рева Л.С., Михайлов Г.М., Тябин Н.В. // Современные машины и аппараты химических производств : [тез. докл.] первой всесоюз. науч. конф., 27-29 сент. 1977 г. -Чимкент, 1977. - Т. 2. - C. 339-343.

28.А.с. 720283 СССР, МПК F 28 F 19/00; F 28 С 3/16. Способ предотвращения отложений и очистки теплообменных поверхностей [текст] / Г.М. Михайлов, Н.В. Тябин, Л.С. Рева; заявитель и патентообладатель «Волгоградский политехнический институт». - № 2644433; заявл. 11.07.1978, опубл. 05.03.1980, Бюл. № 9.

29.А.с. 920350 СССР, МПК F 28 G 3/16. Способ очистки рабочей поверхности теплообменных аппаратов [текст] / Г.М. Михайлов, Л.С. Рева, Н.В. Тябин; заявитель и патентообладатель «Волгоградский политехнический институт». -№ 2863963; заявл. 03.01.1980, опубл. 15.04.1982, Бюл. № 14.

30.Кучеренко, Д. И. Гидромеханическая очистка теплообменных аппаратов с использованием абразивной присадки / Д. И. Кучеренко // Водоснабжение и санитарная техника. - 2007. - № 12. - C. 35-40.

31.UK Patent Application GB 2109656, IPC: B 06 B 1/00. Method and source for generating acoustic oscillations / Fomin V. I.; Guzenko S. I.; Egai M. N.; Manenkov J. A.; applicants and inventors Fomin V. I.; Guz-enko S. I.; Egai M. N.; Manenkov J. A. - GB 19820027100; date of fill-ing 02.02.1981; date of issue 02.06.1983.

32.Пат. № 2061294 Российская Федерация, MÛR H 02 N 2/00, H 01 L 41/12. Mаг-нитострикционное устройство угловых перемещений [текст] / Грахова Л.В., Грахов П.А., Кусимов С.Т., Тлявлин А.З.; заявитель и патентообладатель Уфимский авиационный институт им. С. Орджоникидзе - № 92002507/25; за-явл. 27.10.1992; опубл. 27.05.1996, Бюл. № 26. - 4 с.

33Журзенков, Д.С. Промышленные методы механической очистки внутренней поверхности труб теплообменников / Д.С. Mурзенков, Б.А. Дулькин, С.Б. Во-ротнева // Известия ВолгГТУ. Сер. Реология, процессы и аппараты химической технологии. Вып. 8. - 2015. - № 1 (154). - C. VV-V9.

34.Голованчиков, А.Б. Перспективные устройства для очистки теплообменных поверхностей: учебное пособие / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева. - Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2014. - 64 с.

35.Improving parameter estimation for column experiments by multi-model evaluation and comparison / Guoping Tang, Melanie A. Mayes, Jack C. Parker, Xiangping L. Yin, David B. Watson, Philip M. Jardine. // Journal of Hydrology. -2009. - Vol. 376, Is. 3-4. - P. 567-578.

36.Левеншпиль, О. Инженерное оформление химических процессов / О. Ле-веншпиль: под ред. M. Г. Слинько. - M. : Химия, 1969. - 624 с.

37.Кафаров, В. В. Mетоды кибернетики в химии и химической технологии / В. В. Кафаров. - M. : Химия, 1968. - 379 с.

38.3акгейм, А. Ю. Mатематическое моделирование основных процессов химических производств / А. Ю. Закгейм, M. Б. Глебов. - M. : Высш. шк. , 1991. -400 с.

39.Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. - M.: Атом-издат, 1979. - 416 с.

40.Бобылев, В. Н. Тепловой расчет подогревателя с учетом структуры потока теплоносителя / В. H. Бобылев // Химическая промышленность сегодня. - 2009. -№ 7. - С. 45 - 50.

41. Захаров, В. П. Влияние структуры потоков на эффективность конвективного теплообмена в трубчатых аппаратах / В. П. Захаров, К. С. Mинскер, Ал. Ал.

Берлин, Ф. Б. Шевляков // Теоретические основы химической технологии. -2004. - Т. 38, №5. - С. 528 - 531.

42.Kalinin, E. K. Efficient Surfaces for Heat Exchangers Fundamentals and design / E. K. Kalinin, G. A. Dreitser, I. Z. Kopp, A. S. Myakotchin. - Engl. ed. ed.: Arthur E. Bergles a. William Begell. - New York; Wallingford : Begell house, cop. 2002. -XIX, 392 с.

43.Гильденблат, И. А. Влияние коэффициента диффузии на массообмен между потоками жидкостей и газом / И. А. Гильденблат, А. И. Родионов, В. И. Демченко // ТОХТ. - 1972. - Т. 4. - № 1. - С. 10-16.

44. Гильденблат, И. А. Влияние структуры потоков на эффективность работы теп-лообменных аппаратов. Пример расчета по курсу процессов и аппаратов / И. А. Гильденблат. - М., МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1979. - 24 с.

45.Цыганков, М. П. Особенности математического моделирования высокотемпературных теплообменников / М. П. Цыганков, Д. С. Кручинин // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2013. - Т. 56, вып. 3. - C. 95-99.

46.Soleymani, A. Dimensionless number for identification of flow patterns inside a T-micromixer / A. Soleymani, H. Yousefi, I. Turunen // Chemical Engineering Science. - 2008. - Vol. 63, Is. 21. - pp. 5291-5297.

47.Бондарь, А. Г. Математическое моделирование в химической технологии / А. Г. Бондарь. - Киев : Вища школа, 1973. - 280 с.

48.Самойлов, Н.А. Моделирование в химической технологии и расчет реакторов : учеб. пособие / Н. А. Самойлов. - Уфа : Изд-во «Монография», 2005. - 224 с.

49.Голованчиков, А. Б. Моделирование структуры потоков в химических реакторах : монография / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина. - Волгоград: Изд-во ВолгГТУ. 2009. - 240 с.

50.Голованчиков, А. Б. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии. Ч. 5. Химические процессы и реакторы : учеб. пособие / А. Б. Голованчиков, Б. В. Симонов. - Волгоград : Изд-во РПК «Политехник», 1998. -122 с.

51.Тябин, Н. В. Методы кибернетики в реологии и химической технологии : учебное пособие / Н .В. Тябин, А. Б. Голованчиков. - Волгоград: Изд-во «Волгоградская правда», 1983. - 103 с.

52.Голованчиков, А. Б. Математические модели аппаратов при перемешивании / А. Б. Голованчиков, Н. В. Тябин // Теоретические основы химической технологии. - 1983. - Т. 17, № 4. - С. 502-509.

53.Гильденблат, И. А. Структура потоков и распределение времени пребывания жидкости в аппаратах. Лекции по курсу ПАХТ / И. А. Гильденблат, С. З. Каган. - М: Изд-во МХТИ, 1969. - 365 с.

54. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии : учебник для вузов. В 2 кн. Кн. 1. / В .Г. Айнштейн, М. К. Захаров, Г. А. Носов, В. В. Захарен-ко, Т. В. Зиновкина, А. Л. Таран, А. Е. Костанян: под ред. В. Г. Айнштейна. -М. : Химия. 1999. - 888 с.

55.Martin A.D. Interpretation of residence time distribution data. Chemical Engineering Science. - 2000. - V. 55. - P. 5907-5917.

56.Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии : учебник для ВУЗов / А. Г. Касаткин. - изд. 14-е, стереотип. - М.: ООО ИД «Альянс», 2008. - 753 с.

57. Бобылёв, В.Н. Подбор и расчет трубчатых теплообменников: учеб-метод. пособие / В.Н. Бобылёв. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2003. - 80 с.

58. Голованчиков, А.Б. Экспериментальные исследования скачка температур теплоносителей на входе двухтрубного теплообменника [Электронный ресурс] / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, А.В. Маринин // XII межрегиональная научно-практическая конференция «Взаимодействие предприятий и вузов -наука, кадры, новые технологии» (г. Волжский, 26 апр. 2016 г.) : матер. : сб. докл. конф. - Волгоград: ВПИ (филиал) ВолгГТУ, 2016. - C. 48-50. - Режим доступа : http://www.volpi.ru/files/science/science conference/12mnpk 2016/ 12mnpk 2016.pdf.

59.Павлов, К. Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учеб. пособие для вузов / К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Нос-

ков: под ред. чл.-кор. АН России П. Г. Романкова. - 12-е изд. стереотипное. -М.: Альянс, 2005. - 576 с.

60.Фёрстер Э. Методы корреляционного и регрессионного анализа / Э. Фёрстер, Б. Рёнц: перевод с немецкого и предисловие В.М. Ивановой. - М.: Финансы и статистика, 1983. - 303 с.

61.Голованчиков, А.Б. Моделирование гидромеханических и тепломассообмен-ных процессов в аппаратах и реакторах : монография / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова. - Волгоград: ВолгГТУ, 2013. - 140 с.

62.Голованчиков, А.Б. Влияние структуры потоков и термического сопротивления на технологические параметры двухтрубного теплообменника / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Б.А. Дулькин // Известия ВолгГТУ. Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. Вып. 22. - 2014. - № 25 (152). - С. 121-126.

63.Голованчиков, А. Б. Применение ЭВМ в химической технологии и экологии: учеб. пособие / А. Б. Голованчиков, Б. В. Симонов. - Волгоград: ВолгГТУ, 1994. - Ч.1. - 114 с.

64.Голованчиков, А. Б. Моделирование процессов усреднения концентраций в аппаратах с комбинированной структурой потоков / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, В. В. Миняйло // Известия ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 14 : межвуз. сб. науч. ст. - 2012. - № 10 (97). - С. 19-22.

65.Голованчиков, А. Б. Интенсификация теплообмена в кожухотрубном реакторе / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова // Изв. ВолгГТУ. Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии». Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. - 2011. - № 1. - С. 76-77.

66.Молочко, А.Ф. Новое направление в системах очистки теплообменного оборудования от отложений / А.Ф. Молочко // Новости теплоснабжения. - 2001. -№ 7. - С. 40-42.

67.Лавренченко, Г.К. Анализ способов очистки теплообменников от различных видов загрязнений / Г.К. Лавренченко, А.В. Копытин, Н.М. Дмитриев // Технические газы. - 2014. - №5. - С.52-61.

68.Клименюк, И.В. Процесс образования отложений на теплообменных поверхностях / И.В. Клименюк, А.А. Арапко // Вестник Дальневосточного государственного технического университета. - 2011. - № 1. - С. 144-152.

69.Рамм, В. М. Абсорбция газов / В. М. Рамм. - издание второе, перераб. и до-полн. - М.: Химия, 1976. - 655 с.

70. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский [и др.]: под ред. Ю.И. Дытнерского. - 4-е издание. - М: ООО ИД «Альянс», 2008. - 272 с.

71.Голованчиков, А.Б. Моделирование работы двухтрубного теплообменника с учётом теплодиффузии газового теплоносителя / А.Б. Голованчиков, С.Б. Во-ротнева // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2015. - Т. 58, вып. 9. - C. 58-62.

72.Голованчиков, А.Б. Моделирование гидродинамических и тепловых процессов в двухтрубном теплообменнике : монография / Голованчиков А.Б., Воротнева С.Б. - Волгоград: ВолгГТУ, 2015. - 160 с.

73.Выгодский, М. Я. Справочник по высшей математике / М. Я. Выгодский. - 8-е изд. - М. : Наука, 1966. - 870 с.

74.Воротнева, С.Б. Моделирование и расчёт промышленных теплообменников с учётом продольной теплопроводности / С.Б. Воротнева, А.Б. Голованчиков, С.А. Анцыперов // V Международная конференция-школа по химической технологии ХТ16 : сб. тез. докл. сателлитной конф. XX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (г. Волгоград, 16-20 мая 2016 г.). В 3 т. Т. 3 -Волгоград: ВолгГТУ [и др.], 2016. - C. 58-60.

75.Полянин, А. Д. Реакционно-диффузионные уравнения с задержкой по времени / А. Д. Полянин, А. И. Журов, А. В. Вязьмин // Вест. Тамб. гос. техн. ун-та. -2015. - Т. 21, № 1. - С. 71 - 77.

76.Мищенко, К. П. Краткий справочник физико-химических величин / К. П. Мищенко, А. А. Равдель. - 7-е. изд., испр. - Л. : Химия, 1974. - 200 с.

77.Туголуков, Е. Н. Моделирование теплопередачи в биметаллических аппаратах с каналами охлаждения в стенках / Е. Н. Туголуков, В. А. Богуш, А. Г. Ткачев // Вестник ТГТУ. 2003. - Т.9. - № 1. - С. 42 - 49.

78.Платэ, Н. А. Основы химии и технологии мономеров: учеб. пособие / Н. А. Платэ, Е. В. Сливинский. - М.: Наука: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002. - 696 с.

79.Голованчиков, А.Б. Моделирование тепловых процессов в двухтрубном теплообменнике с теплодиффузионной моделью структуры потоков / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Б. А. Дулькин // Известия ВолгГТУ. Сер. Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах. - 2015. - № 13 (177). - C. 13-18.

80.Влияние оребрения теплопередающих поверхностей на эффективность работы двухтрубного теплообменника / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Б.А. Дулькин, С.Р. Коломиец, Д.Р. Коломиец // Известия ВолгГТУ. Сер. Реология, процессы и аппараты химической технологии. Вып. 8. - 2015. - № 1 (154). -C. 80-85.

81.Пат. 124187 Российская Федерация, МПК B 01 J 8/00. Кожухотрубный реактор [текст] / А. Б. Голованчиков, Н. А. Дулькина, Ю. В. Аристова, С. В. Кляузов, К. С. Марковская; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет». - № 2012120941/05; заявл. 22.05.12; опубл. 20.01.13, Бюл. № 2. - 5 с.: ил.

82.Пат. № 130379 Российская Федерация, МПК F 28 F 1/00. Теплообменник «труба в трубе» [текст] / А. Б. Голованчиков, С. Б. Воротнева, Н. А. Дулькина, Б. А. Дулькин, Л. В. Кетат, Т. А. Кузнецова; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU). - № 2013103932/06; заявл. 29.01.13; опубл. 20.07.13, Бюл. № 20. - 6 с.: ил.

83.Свиридов, Н.Ф. Установка утилизации тепла дымовых газов [Электронный ресурс] / Н.Ф. Свиридов, Р.Н. Свиридов, И.Н. Ивуков, Б.Л. Терк // Журнал «Новости теплоснабжения», № 8, 2002. - Режим доступа: http://ispu.ru/files/ ustanovka_utilizacii .doc.

84.Влияние оребрения теплопередающих поверхностей на эффективность работы двухтрубного теплообменника / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Б.А. Дулькин, С.Р. Коломиец, Д.Р. Коломиец // Известия ВолгГТУ. Сер. Реология, процессы и аппараты химической технологии. Вып. 8. - 2015. - № 1 (154). -C. 80-85.

85.Нагорная, Н.В. Экономика энергетики : учеб. пособие / Н.В. Нагорная. - Владивосток: Издательство ДВГТУ, 2007. - 157 с.

86.Лимонов, А.И. Организация производства (энергетика) / А.И. Лимонов. -Минск: БНТУ, 2012. - 37 с.

87.Князева, И.А. Экономическая эффективность модернизации теплообменного оборудования за счет замены гладкостенных теплообменных элементов на пружинно-винтовые каналы / И.А. Князева, Я.Д. Золотоносов // Известия КГАСУ. - 2014. - №4 (30). - С. 361-364.

88.Козьмина, З.Ю. Оценка экономической эффективности модернизации энергетического оборудования [Электронный ресурс] / З.Ю. Козьмина, Ю.М. Бродов, А.Ю. Домников, П.Н. Плотников, Л.В. Домникова // Электронный журнал «Исследовано в России». - 2013. - № 6. - Режим доступа: http://zhurnal.ape. relarn.ru/articles/2003/113.pdf.

89.Осокин, В.Л. Теплообменник комбинированного типа - как энергосберегающее устройство / В.Л. Осокин, Ю.М. Макарова // Вестник НГИЭИ. - 2014. -№12 (43). - С. 64-69.

90.Горобец, В.Г. Сравнительный анализ теплоотдачи и гидравлического сопротивления пучков труб с оребрением различного типа / В.Г. Горобец // Труды 4-й РНКТ. Том 6. Дисперсные потоки и пористые среды. Интенсификация теплообмена. - Москва, 2006. - С. 182-186.

91.Чернов, Н.С. Технико-экономическая оценка эффективности теплообменных аппаратов / Н.С. Чернов // Автомобильная промышленность. - 2011. - №3. - С. 33-35.

92.Идельчик, Е.И. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Е.И. Идель-чик: под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е издание, перераб. и доп. - М: Машиностроение, 1992. - 672 с.

93.Пат. № 104099 Российская Федерация, МПК B 08 B 9/023. Устройство для очистки наружной поверхности труб / А.Б. Голованчиков, Л.С. Рева, Н.А. Дулькина, С.Б. Воротнева, С.Л. Рева, П.С. Васильев; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU). - № 2010144723/05; заявл. 01.11.2010; опубл. 10.05.2011, Бюл. № 13. - 5 с.: ил.

94.Пат. № 109675 Российская Федерация, МПК B 08 B 9/00. Устройство для очистки наружной поверхности труб / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Н.А. Дулькина, В.А. Панов, Л.С. Рева, С.Л. Рева; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU). - № 2011124488/05; заявл. 16.06.2011; опубл. 27.10.2011, Бюл. № 30. - 5 с.: ил.

95.Пат. № 114889 Российская Федерация, МПК B 08 B 9/00. Устройство для очистки наружной поверхности труб / А.Б. Голованчиков, Л.С. Рева, Н.А. Дулькина, С.Б. Воротнева, С.Л. Рева, П.С. Васильев; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU). - № 2011146514/05; заявл. 16.11.2011; опубл. 20.04.2012, Бюл. № 11. - 5 с.: ил.

96.Воротнева, С.Б. Перспективные устройства для механической очистки тепло-обменной аппаратуры на нефтехимических предприятиях / С.Б. Воротнева, А.Б. Голованчиков, Н.А. Дулькина // Известия ВолгГТУ. Серия «Реология,

процессы и аппараты химической технологии». Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - 2013. - № 1 (104). - С. 68-71.

97.Пат. № 154481 Российская Федерация, МПК F 28 F 1/00, F 28 D 7/10. Теплообменник «труба в трубе» / Л.С. Рева, А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, П.С. Васильев, С.А. Анцыперов, А.В. Маринин; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (ВД). - № 2014145530/06; заявл. 12.11.2014; опубл. 27.08.2015, Бюл. № 24. - 5 с.: ил.

98.Пат. № 149630 Российская Федерация, МПК В 08 В 9/023. Устройство для очистки наружной поверхности труб / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Н.А. Дулькина, С.Р. Коломиец, Д.Р. Коломиец, Д.С. Мурзенков; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) ^Ц). - № 2014116298/05; заявл. 22.04.2014; опубл. 10.01.2015, Бюл. № 1. - 5 с.: ил.

99.Воротнева, С.Б. Метод гидроабразивной очистки теплообменных поверхностей в центробежном поле / С.Б. Воротнева, А.Б. Голованчиков // Проблемы ресур-со- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК (ПРЭТ-2014): сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. (г. Иваново, 23-26 сент. 2014 г.) / Ивановский гос. химико-технол. ун-т [и др.]. - Иваново, 2014. - Т. 1 (Секционные доклады). - С. 166-169.

100. Абразивная гранула с положительной плавучестью / С. Б. Воротнева, А. Б. Голованчиков, С. Р. Коломиец, Д. Р. Коломиец // Известия ВолгГТУ. Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии». Выпуск 7: межвузовский сборник научных статей. - 2014. - № 1 (128). - С. 94-97.

101. Герасименко, А. А. Защита машин от биоповреждений / А. А. Герасименко. - М.: Машиностроение, 1984. - 112 с.

102. Пат. № 130379 Российская Федерация, МПК F 28 F 1/00. Теплообменник «труба в трубе» / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Н.А. Дулькина, Б.А.

Дулькин, Л.В. Кетат, Т.А. Кузнецова; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU). - № 2013103932/06; заявл. 29.01.2013; опубл. 20.07.2013, Бюл. № 20. - 6 с.: ил.

103. Шаповалов, Ю.Н. Машины и аппараты общехимического назначения / Ю.Н. Шаповалов, В.С. Шеин. - Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 1981. - 304 с.

104. Теплообменные аппараты и реакторы со съёмными рубашками [Электронный ресурс] / С.Б. Воротнева, А.Б. Голованчиков, С.Р. Коломиец, Д.Р. Коломи-ец // Взаимодействие предприятий и вузов - наука, кадры, инновации : сб. докл. IX межрегион. науч.-практ. конф., г. Волжский, 18-19 апр. 2013 г. / ВПИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - C. 25-27. - Режим доступа : http://volpi.ru/files/science/science_conference/ 9mnpk 2013/9mnpk 2013 full.pdf.

105. Пат. № 164327 Российская Федерация, МПК F 28 D 7/10, F 28 F 9/12. Теплообменник «труба в трубе» / Л.С. Рева, А.Б. Голованчиков, П.С. Васильев, С.Б. Воротнева, С.А. Брыкин, А.В. Исайкин; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU). - № 2015155762/06; заявл. 24.12.2015; опубл. 27.08.2016, Бюл. № 24. - 5 с.: ил.

106. Пат. № 117328 Российская Федерация, МПК B 08 B 9/023. Устройство для очистки наружной поверхности труб / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Н.А. Дулькина, Ю.В. Аристова, М.П. Купцов, О.В. Затямин; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU). - № 2012104218/04; заявл. 07.02.2012; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18. - 5 с.: ил.

107. Пат. № 128840 Российская Федерация, МПК B 08 B 9/023. Устройство для очистки наружной поверхности труб / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, М.Е. Кисиль, Д.А. Павлов, Д.С. Мурзенков; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU). - № 2012136402/05; заявл. 24.08.2012; опубл. 10.06.2013, Бюл. № 16. - 5 с.: ил.

108. Пат. № 152751 Российская Федерация, МПК B 08 B 9/023, F 28 G 13/00. Устройство для очистки наружной поверхности труб / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Н.А. Дулькина, С.Р. Коломиец, Д.Р. Коломиец, С.А. Анцыперов; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU). - № 2014144865/05; заявл. 06.11.2014; опубл. 20.06.2015, Бюл. № 17. - 5 с.: ил.

109. Устройство для непрерывной очистки двухтрубного теплообменника [Электронный ресурс] / С.Б. Воротнева, А.Б. Голованчиков, С.Р. Коломиец, Д.Р. Коломиец // Взаимодействие предприятий и вузов - наука, кадры, новые технологии : сб. докл. X межрегион. науч.-практ. конф. (г. Волжский, 29 апр. 2014 г.) / ВолгГТУ, ВПИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2014. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - C. 18-22. - Режим доступа : http://volpi.ru/files/science/ science conference/10 mnpk 2014/ 10_mnpk_2014.pdf.

110. Пат. № 166583 Российская Федерация, МПК F28D7/10. Теплообменник «труба в трубе» / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, Н.А. Дулькина, С.Р. Ко-ломиец, Д.Р. Коломиец, С.А. Анцыперов; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU). - № 2016102890/06; заявл. 28.01.2016; опубл. 10.12.2016, Бюл. № 34. - 6 с.: ил.

111. Пат. № 135101 Российская Федерация, МПК F28D7/10. Теплообменник типа «труба в трубе» / Е. В. Романова, А. Н. Колиух; заявитель и патентообладатель

ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет». -№ 2013128721/06; заявл. 24.06.2013; опубл. 27.11.2013, Бюл. №33. - 4 с.: ил.

112. А. с. 1019206 СССР, МПК F28F1/40 F28F13/12. Теплообменная труба / Б. Г. Оссовский, А. А. Мамай, Р. М. Сафин, А. И. Соколов, В. М. Федоров; заявитель и патентообладатель Стерлитамакский опытно-промышленный нефтехимический завод. - № 3322297 17.07.1981; заявл. 17.07.1981; опубл. 23.05.1983, Бюл. №19. - 3 с.: ил.

113. Яворский, Б.М. Справочник по физике / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. - 512 с.

114. Элементарный учебник физики Т.3 / Под редакцией Г.С. Ландсберга. - М.: Наука, 1986. - 127 с.

СПИСОК ИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА

Рисунок 1.1 - Неразборный двухтрубный теплообменник с приварными

двойниками..............................................................................................................................10

Рисунок 1.2 - Классификация двухтрубных теплообменников......................................11

Рисунок 1.3 - Неразборный двухтрубный однопоточный теплообменник со

съемными двойниками......................................................................................................12

Рисунок 1.4 - Разборный двухтрубный однопоточный теплообменник..................13

Рисунок 1.5 - Двухпоточный разборный двухтрубный теплообменник..................14

Рисунок 1.6 - Многопоточный разборный двухтрубный теплообменник с

приварными двойниками................................................................................................14

Рисунок 1.7 - Классификация методов интенсификации теплообмена....................16

Рисунок 1.8 - Кривая отклика модели идеального смешения............................................19

Рисунок 1.9 - Кривая отклика модели идеального вытеснения........................................20

Рисунок 1.10 - Кривая отклика ячеечной модели........................................................................21

Рисунок 2.1 - Экспериментальная установка....................................................................................25

Рисунок 2.2 - Внешний вид экспериментальной установки................................................26

Рисунок 2.3 - Изменение температуры горячего воздуха вдоль поверхности

теплообменника......................................................................................................................27

Рисунок 2.4 - График зависимости относительных разностей температур

воздуха 1от на входе в межтрубное пространство двухтрубного

теплообменника от числа Рейнольдса Явё......................................................32

Рисунок 2.5 - График зависимостей относительного скачка температур на входе газового теплоносителя от числа Рейнольдса для

уравнения (2.11) с коэффициентами (2.17)....................................................37

Рисунок 3.1 - Тепловые потоки на элементе длины & внутренней трубы............38

Рисунок 3.2 - Зависимость температуры мазута от длины внутренней трубы 40 Рисунок 3.3 - Распределение температуры теплоносителей поперек стенки

внутренней трубы..................................................................................................................41

Рисунок 3.4 - Зависимости длины внутренней трубы теплообменника от

термического сопротивления........................................... 42

Рисунок 3.5 - Схема материальных и тепловых потоков с учетом скорости

продольной теплопроводности горячего теплоносителя ug...... 44

Рисунок 3.6 - Расчетная схема изменения температуры теплоносителей по

длине двухтрубного теплообменника................................. 46

Рисунок 3.7 - Блок-схема расчета теплообменника со структурой потока по горячему теплоносителю в межтрубном пространстве,

учитывающей продольную теплопроводность..................... 49

Рисунок 3.8 - Профили температур теплоносителей в двухтрубном

теплообменнике............................................................ 53

Рисунок 3.9 - Зависимости температуры холодного теплоносителя от

температуры горячего теплоносителя................................. 53

Рисунок 3.10 - Зависимости числа Пекле продольной теплопроводности и увеличения относительной длины двухтрубного теплообменника от числа Рейнольдса горячего теплоносителя 54 Рисунок 3.11 - К выводу дифференциальных уравнений теплового баланса и

теплопередачи с учетом продольной теплопроводности......... 56

Рисунок 3.12 - Профили температур нагреваемого воздуха по длине

двухтрубного теплообменника........................................ 61

Рисунок 3.13 - Зависимость длины двухтрубного теплообменника и входной

температуры нагреваемого воздуха от числа Пекле.............. 61

Рисунок 3.14 - Схема материальных и тепловых потоков между сечениями

I-I и II-II толщиной dl................................................... 62

Рисунок 3.15 - Профили температур нагреваемого воздуха по длине

двухтрубного теплообменника........................................ 67

Рисунок 3.16 - Зависимость длины двухтрубного теплообменника и входной

температуры газа от числа Пекле..................................... 67

Рисунок 3.17 - Схема материальных потоков и их температур в

двухтрубном теплообменнике с учетом продольной

теплопроводности обоих теплоносителей........................... 69

Рисунок 3.18 - Расчетная схема изменения температуры теплоносителей в двухтрубном теплообменнике с комбинированными

структурами потоков.................................................... 77

Рисунок 3.19 - Профили температур теплоносителей по длине двухтрубного

теплообменника.......................................................... 88

Рисунок 3.20 - Блок-схема расчета двухтрубного теплообменника со структурой потоков по дымовым газам, учитывающей

продольное перемешивание........................................... 92

Рисунок 3.21 - Зависимости расчетной длины двухтрубного

теплообменника и входной температуры газового

теплоносителя от числа Пекле......................................... 93

Рисунок 3.22 - Разборный двухтрубный теплообменник с оребрением......... 96

Рисунок 3.23 - Гильзы с продольными ребрами...................................... 96

Рисунок 4.1 - Двухтрубный теплообменника с изогнутыми трубчатыми

элементами.................................................................. 106

Рисунок 4.2 - Установка для гидродинамической очистки двухтрубного

теплообменника............................................................ 108

Рисунок 4.3 - Схема разборной конструкции теплообменника

«труба в трубе»............................................................ 111

Рисунок 4.4 - Теплообменник «труба в трубе» разборный......................... 113

Рисунок 4.5 - Двухтрубный теплообменник с устройством для непрерывной

очистки....................................................................... 116

Рисунок 4.6 - Разборный двухтрубный теплообменник с дополнительной

теплопередачей через соединительные колена...................... 119

Рисунок 4.7 - Двухтрубный теплообменник с гофрой............................... 121

Рисунок 4.8 - Теплообменник «труба в трубе» со струной......................... 122

Таблица 1.1 - Назначение ребристых и ошипованных труб в двухтрубных

теплообменниках.......................................................... 17

Таблица 2.1 - Зависимости входных температур от числа Рейнольдса для воздуха в межтрубном пространстве двухтрубного

теплообменника............................................................ 29

Таблица 2.2 - Теоретические и экспериментальные значения относительных

разностей температур и их относительные отклонения........... 31

Таблица 2.3 - Результаты расчетов функций и г, и и дм в зависимости от

численного значения параметра С...................................... 34

Таблица 2.4 - Основные расчетные и табличные значения параметров для

уравнений (2.4), (2.11) и (2.15)......................................... 35

Таблица 3.1 - Исходные данные для расчета двухтрубного теплообменника

для утилизации тепла влажного воздуха.............................. 50

Таблица 3.2 - Расчетные параметры двухтрубного теплообменника для

утилизации тепла влажного воздуха................................... 50

Таблица 3.3 - Исходные данные для расчета двухтрубного теплообменника

для нагревания воздуха конденсирующимся паром................ 59

Таблица 3.4 - Расчетные параметры двухтрубного теплообменника для

нагревания воздуха конденсирующимся паром..................... 59

Таблица 3.5 - Основные расчетные параметры двухтрубного

теплообменника, в котором кипит уксусная кислота.............. 65

Таблица 3.6 - Исходные данные для расчета двухтрубного теплообменника при нагревании дутьевого воздуха котельной за счет

утилизации тепла дымовых газов...................................... 73

Таблица 3.7 - Расчетные параметры двухтрубного теплообменника при

нагревании дутьевого воздуха котельной за счет утилизации тепла дымовых газов...................................................... 74

Таблица 3.8 - Исходные данные для расчета двухтрубного теплообменника со скачками температур теплоносителей и структурой потоков

идеального смешения на входе......................................... 78

Таблица 3.9 - Результаты расчетов трехзонного двухтрубного

теплообменника со скачками температур и структурой потоков идеального смешения теплоносителей на входе

(типовой расчет соответствует алгоритму расчета II зоны)...... 79

Таблица 3.10 - Зависимости длины каждой зоны от скачков температуры

теплоносителей......................................................... 87

Таблица 3.11 - Исходные данные для расчета двухтрубного

теплообменника, когда в межтрубном пространстве охлаждается дымовой газ, а в центральной трубе

нагревается дизельное топливо....................................... 89

Таблица 3.12 - Результаты расчетов двухтрубного теплообменника при

различных структурах потоков теплоносителей.................. 90

Таблица 3.13 - Зависимость параметров работы двухтрубного

теплообменника от термического сопротивления при

различных структурах потоков теплоносителей.................. 94

Таблица 3.14 - Зависимости расчетных параметров двухтрубного теплообменника от числа Пекле продольной

теплопроводности........................................................ 94

Таблица 3.15 - Исходные данные для технико-экономического расчета

оребренного двухтрубного теплообменника....................... 100

Таблица 3.16 - Показатели технико-экономической оценки вариантов

исполнения двухтрубного теплообменника с оребрением внутренней трубы и без оребрения................................... 103