О некоторых проблемах создания высокоэффективных трубчатых теплообменных аппаратов

Размещено на http://allbest.ru

Московский авиационный институт (государственный технический университет)

УДК 536.27+662.987

О НЕКОТОРЫХ ПРОБЛЕМАХ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Г.А. Дрейцер

Москва

Условные обозначения

D_в, D_н - внутренний и наружный диаметры труб, м;

d_к - диаметр кольцевых диафрагм, м;

d_и- диаметр кольцевых канавок, м;

d₀ - диаметр сердцевины шнека, м;

d_е - эквивалентный диаметр, м;

E=Q/N - параметр эффективности,

F - поверхность теплообменника, м²;

K - коэффициент теплопередачи, Вт/м² К;

N - мощность на прокачку теплоносителя, Вт;

Nu - число Нуссельта;

Дp - потери давления, Па,

Q - тепловая мощность, Вт;

R - радиус, м;

R_ср термическое сопротивление слоя солеотложений; м²К/Вт;

Re - число Рейнольдса;

S - шаг закрутки; S_н - шаг размещения труб в пучке;

ДT - перепад температур, К;

t - шаг размещения диафрагм в трубе, м;

V - объем теплообмена аппарата, м³;

w - скорость, м/с;

- коэффициент теплообмена, Вт/м²К;

- произвольная постоянная с размерностью длины, принятая равной 1 м; - коэффициент гидравлического сопротивления.

Индексы: в - внутренний; гл - гладкий; н - наружный; eff - эффективный.

Введение

Теплообменные аппараты применяются в авиационной и космической технике, энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике, в системах отопления и горячего водоснабжения, кондиционирования, в различных тепловых двигателях. С ростом энергетических мощностей и объема производства все более увеличиваются масса и габариты применяемых теплообменных аппаратов. На их производство расходуется огромное количество легированных и цветных металлов.

Уменьшение массы и габаритов теплообменных аппаратов является актуальной проблемой. Наиболее перспективный путь решения этой проблемы - интенсификация теплообмена.

Опыт создания и эксплуатации различных тепломассообменных устройств показал, что разработанные к настоящему времени методы интенсификации теплообмена обеспечивают снижение габаритов и металлоемкости (массы) этих устройств в 1.5-2 раза и более по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей.

Исследования интенсификации теплообмена осуществляются в различных странах, причем в заметно возрастающем темпе. Необходимо отметить, что проведенные в бывшем СССР исследования внесли значительный вклад в решение этой проблемы, особенно в создание практически реализуемых методов интенсификации теплообмена. Достаточно вспомнить работы В. М. Антуфьева, В. М. Бузника, Г. И. Воронина, Е. В. Дубровского, Н. В. Зозули, Э. К. Калинина, В. К. Мигая, В. К. Щукина и многих других ученых. И только практической незаинтересованностью промышленности во внедрении высокоэффективных теплообменных аппаратов и в экономии металла можно объяснить слабое внедрение отечественных разработок в народное хозяйство.

К настоящему времени предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена.

Применительно к течению однофазных теплоносителей используются турбулизаторы потока на поверхности, шероховатые поверхности и поверхности, развитые за счет оребрения, закрутка потока спиральными ребрами, шнековыми устройствами, завихрителями, установленными на входе в канал, подмешивание к потоку жидкости газовых пузырей, а к потоку газа - твердых частиц или капель жидкости, вращение или вибрация поверхности теплообмена, пульсации потока теплоносителя, воздействие на поток электростатических нолей, отсос потока из пограничного слоя, струйные системы. Эффективность этих способов различна, в лучшем случае удается увеличить теплоотдачу в 2-3 раза, но для разных способов интенсификации при существенно различных затратах энергии.

Интенсификация теплообмена при кипении обеспечивает не только рост теплоотдачи при пузырьковом и пленочном кипении, но и увеличение максимального теплового потока при пузырьковом и минимального при пленочном кипении, а также увеличение соответствующих критических температурных напоров, т. е. сдвиг кривой кипения в область более высоких температурных напоров и тепловых потоков. Необходимо отметить, что возможности интенсификации теплообмена при кипении гораздо большие, чем в однофазных потоках. Так, коэффициент теплообмена при пленочном кипении удается увеличить до 10 раз, а критический тепловой поток - более чем в 3 раза. Наряду с турбулизаторами, закручивающими устройствами, оребрением для интенсификации теплообмена при кипении используют нанесение на поверхность тонких покрытий из низкотеплопроводного или пористого материала, устанавливают неизотермические ребра, используют шероховатые поверхности.

Для интенсификации теплообмена при конденсации предлагают турбулизаторы или ребра, разрушающие пленку конденсата, несмачиваемые покрытия, жидкие стимуляторы для создания капельной конденсации, закрутку потока или вращение поверхности теплообмена.

Высокоэффективным часто оказывается применение комбинированных методов интенсификации: комбинирование турбулизаторов с оребрением поверхности или с закруткой потока, использование закручивающих устройств при течении суспензий, при кипении - применение турбулизаторов с низкотеплопроводными покрытиями.

Необходимо отметить, что при выборе на практике того или иного метода интенсификации теплообмена приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и ее универсальность для различных однофазных и двухфазных теплоносителей, технологичность изготовления поверхности, технологичность сборки теплообменного аппарата, прочностные требования, загрязняемость поверхности, особенности эксплуатации и т. д. Все эти обстоятельства существенно снижают возможности выбора одного из многочисленных исследованных методов интенсификации.

1. Современные конструкции трубчатых теплообменных аппаратов

Компактность аппаратов определяется диаметром применяемых труб и допустимыми шагами их размещения в трубной решетке, которая в свою очередь лимитируется уровнем технологии, достигнутым в соответствующих отраслях промышленности, соображениями удобства ремонта, очистки и эксплуатации. Все эти обстоятельства в итоге сформулировали уровень компактности теплообменных аппаратов, применяемых в различных областях техники.

В настоящее время в России в теплообменных аппаратах, работающих в химической промышленности, применяются трубы с наружным диаметром D_н=17-50 мм, в энергетике D_н=16-50 мм, в системах отопления и горячего водоснабжения с минимальным диаметром D_н=16 мм, в судостроении D_н=10-12 мм, в холодильной и криогенной технике D_н=6-8 мм, в авиационной и космической технике D_н=2-4 мм, величину шага размещения труб в пучке обычно выбирают в пределах S_н/D_н=1,27-1,5, в редких случаях для особо компактных аппаратов S_н/D_н снижается до 1,2.

Конструктивные схемы аппаратов различаются незначительно: аппараты с продольным или поперечным омыванием межтрубного пространства, типа "труба в трубе" или со спиральными трубами. Для увеличения эффективности теплообмена в межтрубном пространстве применяется оребрение наружной поверхности труб: общие плоские ребра для пучка круглых или овальных труб, прямоугольные поперечные или продольные ребра, круглые ребра, многозаходные спиральные ребра, проволочное оребрение. Ребра изготовляются из меди, алюминия или других высокотеплопроводных материалов и обеспечивают увеличение поверхности теплообмена снаружи труб до 20 раз. Как правило, они гладкие, т. е. возможности роста теплоотдачи на них за счет дополнительной искусственной турбулизации потока не используются.

Широкое применение трубчатых теплообменников объясняется их значительно меньшей стоимостью и простотой изготовления по сравнению с пластинчатыми аппаратами, а также возможностью работы при более высоких температурах и давлениях. Но трубчатые аппараты проигрывают в компактности, а также в ряде случаев из-за трудности очистки межтрубного пространства. Поэтому в последние годы намечается тенденция к замене трубчатых теплообменников на пластинчатые. Это хорошо видно на примере широко используемых в нашей стране теплообменных аппаратов систем отопления и горячего водоснабжения.

Разработанные фирмой Альфа Лаваль пластинчатые разборные аппараты примерно в 3 раза менее габаритны по сравнению с соответствующими производимыми в настоящее время трубчатыми аппаратами при той же производительности. И хотя при этом пластинчатые аппараты стоят примерно втрое дороже, они неизбежно вытеснят из практики трубчатые аппараты.

2. Метод оценки эффективности интенсификации теплообмена в каналах

Следует отметить, что во многих исследованиях по интенсификации теплообмена либо вообще не обращается внимание на эффективность изучаемых методов, либо применяются непригодные для практики методы оценки. Как правило, в публикациях по интенсификации теплообмена стали сравнивать полученные результаты в виде зависимостей между отношениями Nu/Nu_гл и /_гл или оценивать эффективность исследованного метода интенсификации параметром (Nu/Nu_гл)/(/_гл), естественно, обращая особое внимание на те результаты, когда этот параметр больше единицы.

Хотелось бы обратить внимание на то, что возможность получения опережающего роста теплоотдачи относительно повышения гидравлического сопротивления по сравнению с аналогичным гладким каналом представляет большой научный интерес, но не всегда приводит к наиболее эффективной интенсификации теплообмена.

Известно [1], что наиболее просто оценить эффективность применения интенсификации теплообмена, сравнивая объемы или поверхности теплообмена двух теплообменных аппаратов, изготовленных из поверхности с интенсификацией теплообмена и без нее, при одинаковых тепловых мощностях и мощностях, затрачиваемых на прокачку теплоносителя (при одинаковых расходах теплоносителя это означает, что сравниваемые аппараты будут иметь одинаковые потери давления). Если сравниваемые каналы имеют одинаковые диаметры, если при определении поверхности теплообмена и скорости потока в канале с турбулизаторами не учитывать наличие турбулизаторов и если в рассматриваемом канале коэффициент теплообмена намного меньше, чем на другой стороне теплообменника, то отношения объемов сравниваемых аппаратов при турбулентном течении теплоносителя

(1)

где отношения _Re и (Nu/Nu_гл)_Rе берутся при одинаковых числах Рейнольдса, в данном случае для теплообменника с интенсификацией теплообмена. Как видно из (1), интенсификация эффективна, если (/_гл) < (Nu/Nu_гл)^3,5.

Оптимум V/V_гл не соответствует оптимуму величин (Nu/Nu_гл)/( /_гл). С учетом (1) и будем рассматривать различные методы интенсификации теплообмена.

В [2] ставится под сомнение предлагаемый в [1] метод. Авторы [2] считают, что конкретные значения параметров F/F_гл или V/V_гл должны быть лишь следствием принципиальной задачи проектирования теплообменного аппарата - получения максимального значения Е/Е_гл, где Е=Q/N, Е_гл=Q_гл/N_гл.

Более того, авторы [2] считают, что до их предложения в литературе вообще отсутствует конкретное сопоставление теплогидравлических качеств теплообменников «на основе единого разумного критерия» и что в [2], вероятно, впервые сформулированы условия рациональной интенсификации теплообмена в технике.

Возражая авторам [2], необходимо отметить, что предлагаемые ими оптимальные значения параметров турбулизаторов не обеспечивают максимальное уменьшение F/F_гл или V/V_гл. Например, для исследованных в [1] размещенных в трубах кольцевых турбулизаторов с d_в/D_в=0,96-0,98, t/D_в=0,5-1, как предлагается в [2],. получаем V/V_гл=0,7-0,8, в то время как согласно [1] в этих трубах можно получить V/V_гл=0,48-0,5 при d_в/D_в=0,93-0,95 t/D_в=0,25-1, хотя при этом (Nu/Nu_гл)_Re<(/_гл)_Re, т.е. при параметрах Е/Е_гл<1.

В [3] предложен новый обобщающий метод сравнения эффективности поверхностей, названный методом эффективных параметров. Метод основан на использовании в качестве условия сравнения равенство эффективных чисел Рейнольдса

(2)

Для сравниваемых поверхностей более эффективной будет та, которая имеет большее значение эффективное число Нуссельта

(3)

В последнее время возникает интерес к применению термодинамических методов для оценки эффективности работ теплообменных аппаратов и, в частности, интенсификации теплообмена. В работе В. Зимпарова [4] получена конкретная методика сравнения.

Он предлагает сравнивать суммарные изменения энтропии в теплообменниках при совершении в них необратимых процессов теплообмена и преодоления потоком гидравлического сопротивления. Если интенсификация теплообмена эффективна, суммарное изменение энтропии в аппаратах с интенсификацией будет меньше, чем в аппарате с гладкими поверхностями.

Следует отметить, что при сравнении различных методов, интенсификация теплообмена оценки эффективности по методикам [1, 3, 4] дают качественно одинаковые результаты.

3. Выбор рационального метода интенсификации теплообмена при течении газов и жидкостей в трубах

Как показывают многочисленные данные, из всех известных методов интенсификации теплообмена в трубах наибольшее внимание как эффективным и технологически реализуемым уделяется искусственной турбулизации потока кольцевыми диафрагмами.

В качестве примера эффективной искусственной турбулизации потока рассмотрим метод, разработанный в Московском авиационном институте применительно к трубчатым теплообменным аппаратам [1].

Рис.1. Труба с кольцевыми турбулизаторами

Сущность предложенного метода заключается в следующем. На наружной поверхности трубы накаткой наносятся периодически расположенные кольцевые канавки (рис. 1).

При этом на внутренней стороне трубы образуются кольцевые диафрагмы с плавной конфигурацией. Кольцевые диафрагмы и канавки турбулизируют поток в пристеночном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена снаружи и внутри труб.

При этом не увеличивается наружный диаметр труб, что позволяет использовать данные трубы в тесных пучках и не менять существующей технологии сборки теплообменных аппаратов.

Разработанная БНИИМЕТМАШ технология накатанных труб несложна, допускает использование стандартного оборудования;

Разработанные трубы с кольцевыми турбулизаторами применимы для аппаратов, работающих на газах и жидкостях, при кипении и конденсации теплоносителей, т. е. обладают необходимой для практического применения универсальностью.

Кроме того, этим трубам характерна пониженная загрязняемость. Таким образом, трубы с кольцевыми турбулизаторами удовлетворяют всем требованиям, необходимым для их широкого практического использования.

Следует отметить, что именно в этих трубах была впервые обнаружена признанная в качестве научного открытия неизвестная ранее закономерность изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции, заключающейся в том, что в определенном диапазоне размеров и расположений турбулизаторов рост теплоотдачи больше роста гидравлического сопротивления по сравнению с аналогичным гладким каналом [5].

Использование практически реализуемого соотношения (Nu/Nu_гл)>(/_гл) позволяет при заданных значениях тепловой мощности и гидравлического сопротивления теплообменника уменьшить не только объем аппарата, но и площадь его поперечного сечения.

При течении в этих трубах воздуха были получены максимальные значения интенсификации теплообмена Nu/Nu_гл = 2.65, 2.82, 3.12, соответственно при Re - 10⁴, 10⁵, 410⁵.

По данным [6] эти данные близки к рассчитанным предельным значениям интенсификации теплообмена в трубах за счет турбулизации потока Nu/Nu_гл=4.09 и 3.39 при Рг=0.7 и Rе=10⁴ и 10⁵ соответственно, т. е. резервы дальнейшего увеличения интенсификации теплообмена рассмотренным методом небольшие.

Применение данного метода интенсификация теплообмена позволяет в 1,5-2 раза уменьшить объем теплообменного аппарата при неизменных значениях тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей.

В последнее время были поставлены новые экспериментальные и расчетные исследования по влиянию геометрической формы турбулизаторов на интенсификацию теплообмена [7, 8].

Геометрическую форму сечения кольцевых турбулизаторов-диафрагм можно представить в виде сегмента радиусом R (рис.1). Представленные в [1] расчеты зависимостей были получены при примерно одинаковых значениях относительных R/D_в0,1.

В то же время на практике применяются диафрагмы более плавной формы (с большими значениями параметров R/D_в). Результаты приведенных экспериментальных исследований представлены на рис.2.

Увеличение радиуса закруглений диафрагм приводит к уменьшению коэффициентов теплообмена и гидравлического сопротивления при постоянстве других параметров, определяющих эффективность интенсификации теплообмена (Re, d_в/D_в, t/D_в).

С разбросом, не превышающем 10%, получены опытные данные по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению обобщаются единой зависимостью:



а)

б)

Рис.2. Влияние радиуса закругления кольцевых турбулизаторов на гидравлическое сопротивление (а) и теплообмен (б) в трубах.

Различными точками показаны данные разных авторов: 1- по уравнению (4).

(4)

справедливой для =0.1-0,5 и упомянутых в [1] диапазонах d_в/D_в=0,88-0,98; t/D_в=0,25-2,5; Re=10⁴-410⁵. Здесь и определены по приведенным в [1] расчетным формулам и таблицам для R/D_в=0,1.

Полученные зависимости позволяют с предельной точностью проводить расчет теплообмена и гидравлического сопротивления в трубах с практически любыми формами турбулизаторов, полученных накаткой.

В [9] были детально рассмотрены имеющиеся данные [10] по интенсификации теплообмена в трубах благодаря непрерывной закрутке потока, которая может быть обеспечена с помощью скрученных лент или шнековых вставок, расположенных по всей длине трубы.

В отличие от местной закрутки она технологически проще и обеспечивает большее увеличение средней теплоотдачи, так как степень закрутки потока по длине канала не уменьшается.

Однако при этом растет и гидравлическое сопротивление вследствие дополнительных потерь давления на трение на поверхности ленты или шнека.

При Rе=10⁴ закрученная лента дает /_гл=2.34-1.8 и /_гл=4.05-2.5, что позволяет получать уменьшение объема аппарата V/V_гл=0.53 - 0.64.

С ростом Rе эффективность ленточных вставок существенно падает: для Rе=10⁵ получено /_гл=1.88-1.49, /_гл=5.55-1.65, что дает V/V_гл=0.822-0.70. конвективный теплообмен турбулизация поток

Следует отметить, что ни при каких значениях чисел Rе и шагах закрутки ленты не удалось получить /_гл/_гл, т. е. опережающего увеличения коэффициента теплообмена по сравнению с ростом гидравлического сопротивления.

Применение кольцевых турбулизаторов позволяет в характерном для теплообменных аппаратов диапазоне изменения чисел Rе=10⁴-10⁵ обеспечить стабильное увеличение теплоотдачи в 2.3-2.43 раза при росте гидравлического сопротивления в 3.8-4.15 раза, что дает возможность получить V/V_гл=0.52-0.5 или уменьшение объема аппарата в 1.95-2 раза (опережающий рост теплоотдачи в таких трубах достигается при больших значениях d_в/D_в=0.97-0.98, при этом V/V_гл=0.5-0.6).

Таким образом, эффективность интенсификации с помощью ленточных вставок при Rе=10⁴ несколько ниже, а при Rе=10⁵ существенно ниже, чем эффективность интенсификации теплообмена кольцевыми турбулизаторами.

Эффективность шнековых вставок значительно ниже ленточных. Даже при минимальных значениях d₀/D=0.33 и =0.05 для шагов закрутки S/D_в4-12 получается /_гл=1.75-1.16 и /_гл=4.74-2.64 при Rе10⁴ и /_гл=0.88-0.58 и /_гл=3.4-1.38 при Rе10⁴.

При этом для Rе=10⁴ V/V_гл=0.84-1.19, а для Rе = 10⁵ V/V_гл = 1.9-2.67.

Таким образом, незначительное повышение эффективности (V/V_гл < 1) можно получить только при S/D_в = 4 и Rе - 10⁴. С ростом Rе и S/D_в величина V/V_гл > 1, т. е. применение шнековых вставок дает отрицательный результат, поскольку ухудшает параметры теплообменных аппаратов.

Еще менее эффективными оказываются шнековые вставки с большими относительными диаметрами сердцевины шнека d₀/D_в и большими толщинами ребер шнека .

К сожалению, на факт уменьшения теплообмена в трубе со шнеками по сравнению с трубой без шнека (<_гл) исследователи не обратили внимания.

По-видимому, такой результат был получен вследствие существенного снижения степени турбулентности потока из-за дополнительных затрат энергии на трение потока на поверхности шнека.

Весьма наглядно сопоставление эффективности рассмотренных методов интенсификации представлено на рис.3, где показаны зависимости максимального увеличения теплоотдачи при допускаемом увеличении гидравлического сопротивления.

Видно, что в практически интересном диапазоне чисел Re применение кольцевых турбулизаторов обеспечивает большее увеличение коэффициентов теплообмена и поэтому более эффективно.



Рис. 3. Максимальное увеличение теплоотдачи (Nu/Nu_гл)_max при допустимом увеличении гидравлического сопротивления /_гл 1 - Re=10⁴; 2 - Re=10⁵; 3 - кольцевые турбулизаторы [1]; 4 - скрученная лента [9]; 5 - шнек [9]; 6 - Nu/Nu_гл=/_гл .

Все приведённые выше данные для винтовых вставок получены при плотном прилегании их к внутренним стенкам труб. Если же между вставками и трубой появляется кольцевой зазор, эффективность интенсификации теплообмена заметно уменьшается [10].

Другие методы закрутки (спиральные каналы, закрутка потока на входе в канал, витые трубы, спиральные проволочные вставки, спиральные или продольные ребра внутри труб) менее эффективны, чем рассмотренные выше.

Также менее эффективны такие методы, как организация пульсаций потока, использование шероховатых поверхностей.

Поэтому применение кольцевых диафрагм предпочтительно в трубах как наиболее эффективный метод.

4. Выбор эффективных методов интенсификации теплообмена в продольно омываемых пучках труб

Как описывалось выше, применение круглых труб с кольцевыми диафрагмами оказывается весьма эффективным при течении теплоносителя внутри труб.

Однако образующиеся при накатке диафрагм внутри труб кольцевые канавки снаружи труб могут обеспечить существенную интенсификацию теплообмена в межтрубном пространстве только для тесных пучков труб S_н/D_н1,2, практически редко применяемым. Поэтому в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи по обеим сторонам теплообменника соизмеримы или когда они спереди трубы меньше, чем внутри, необходима также интенсификация теплообмена в межтрубном пространстве.

Рис. 4. Теплообменник с витыми трубами. 1 - витая труба; 2 - трубная доска.

Обычно некоторую интенсификацию дают различные дистанционирующие устройства, устанавливаемые в межтрубном пространстве. На наш взгляд, более эффективным является применение плотноупакованных пучков витых труб (рис.4) [11, 12]. Наибольший эффект дает применение витых труб с накатанными на них поперечными канавками снаружи и выступами внутри (рис.5).

Эти трубы позволили до 2,5 раз увеличить коэффициент теплопередачи в широком диапазоне изменения отношения коэффициентов теплообмена снаружи и внутри труб.

Рис. 5. Витая труба овального профиля с поперечными канавками: 1- труба; 2- канавки; 3- диафрагмы

Внутри этих труб коэффициент теплопередачи возрастает до 2,4-2,5 раза, а снаружи при продольном обтекании пучка на 30-50%. Хорошие результаты дает применение перехода с продольного обтекания межтрубного пространства на винтообразное (например, с помощью спиральных перегородок фирмы АВВ (рис.6) [13].

Рис.6.Трубчатый аппарат со спиральной вставкой в межтрубном пространстве

При этом используются преимущества поперечного обтекания пучков труб по сравнению с продольным и удается избежать неизбежные дополнительные потери давления на повороты потока между ходами и плохообтекаемые участки пучков труб, свойственные аппаратам с многоходовым поперечным обтеканием межтрубного пространства.

По данным фирмы АВВ при этом удается повысить коэффициент теплообмена в 2.6 раза по сравнению с продольным обтеканием пучка при одинаковом гидравлическом сопротивлении межтрубного пространства.

Замена обычного блока опорных перегородок на винтовую перегородку, в лопастях которой сделаны отверстия для прохода пучка труб, реализует практически поперечное обтекание пучка труб, обеспечивает отсутствие застойных зон, участков с продольным омыванием труб и с торможением, поворотом и разгоном потока. Аналогичные результаты получены в [14].

5. Эффективные трубчатые теплообменные аппараты для систем отопления и горячего водоснабжения

В настоящее время для систем отопления и горячего водоснабжения применяются теплообменные аппараты, состоящие из латунных труб диаметром D_н/D_в=16/14мм, причем эти трубы, как правило, являются гладкими. Такие аппараты не могут выдержать конкуренцию с пластинчатыми аппаратами.

Переход на трубы вдвое меньшего диаметра (с 16мм на 8мм), что технически вполне выполнимо, использование имеющихся методов интенсификации теплообмена (круглых и витых труб с кольцевыми турбулизаторами, спиральных перегородок фирмы АВВ) позволяет в 3,5-5,5 раз уменьшить объем аппаратов. Результаты соответствующих расчетов, выполненных для водо-водяного подогревателя завода САТЭКС, состоящего из 19 гладких труб длиной l=2 м, а также имеющих тот же объем и вдвое большую поверхность аппаратов, состоящих из труб 8/7мм, соответственно гладких, круглых с кольцевой накаткой, витых труб с диафрагмами, и круглых труб с накаткой и спиральной перегородкой в межтрубном пространстве, представлены в таблице. Там же представлены данные для пластинчатого теплообменника фирмы Альфа Лаваль, имеющего близкие к рассмотренным аппаратам вес и габариты.

Расчет проведен для стандартных условий: скорость воды в трубах и межтрубном пространстве w=1м/с, температурный напор ?Т=10K, средних температур горячей и холодной воды соответственно 75⁰С и 65⁰С.

Как видно из таблицы, выпускаемый трубчатый аппарат примерно в 2 раза менее эффективен, чем пластинчатый. Переход на трубы 8/7 мм делает его вполне сопоставимым с пластинчатым даже при отсутствии какой-либо интенсификации теплообмена. Интенсификация теплообмена увеличивает в 1,3-2,2 раза тепловую мощность аппарата и делает ее в 1,9-3,1 раза больше, чем для пластинчатого аппарата.

Таблица. Эффективность водо-водяных подогревателей

		трубчатые	пластинчатые
		1	2	3	4	5	6
Поверхность теплообмена блока, F	м2	3,58	7,16	7,16	7,16	7,16	5
Коэффициенты теплопередачи, К	Вт/м2К	2259	3336	4580	5326	7470	3425
Тепловая мощность аппарата, Q	кВт	98,7	239	328	381	539	171
Потери давлен. по хол. стороне Дрх	м.в.ст.	1	1	3,6	3,2	3,4	1
Вес аппарата, G	кг	140	143,5	143,5	143,5	150	157
Габаритный объем, V	м3	0,229	0,229	0,229	0,229	0,229	0,245
Отношение коэффициентов теплопередачи трубчатого и пластинчатого аппаратов	-	0,660	0,974	1,337	1,51	2,18	1
Отношение тепловых мощностей трубчатого и пластинчатого аппаратов	-	0,472	1,40	1,92	2,23	3,15	1

Обозначения: 1-подогреватель САТЭКС, 16/14мм, 19 гладких труб;

2- 8/7 мм, 76 труб гладких;

3- 8/7 мм, 76 круглых труб с кольцевыми диафрагмами;

4- 8/7 мм, 76 витых труб с поперечными диафрагмами;

5- 8/7 мм, 76 круглых труб с кольцевыми диафрагмами; спиральная перегородка в межтрубном пространстве;

6- пластинчатый аппарат Альфа Лаваль - модель М6-MFG.

Таким образом, имеется полная возможность сделать трубчатые аппараты конкурентоспособными и даже более компактными по сравнению с пластинчатыми. Опыт производства таких аппаратов (с диаметром труб 8 мм) имеется, например, в судостроительной промышленности, и он уже используется в ООО Теплообмен (г. Севастополь) для производства аппаратов систем отопления и горячего водоснабжения.

Следует отметить, что даже при сохранении диаметра используемых труб 16 мм применение интенсификации теплообмена позволяет получить коэффициент теплопередачи К=3030-5100 Вт/м²К и тепловую мощность, составляющую 0,63-1,08 от мощности пластинчатого теплообменного аппарата, т.е. сделать их конкурентоспособными.

6. Интенсификация теплообмена при кипении

Перечисленные выше методы интенсификации теплообмена при кипении и получающиеся при этом результаты рассмотрены в [1, 15, 16]. Наилучшие результаты для интенсификации теплообмена при пленочном кипении и для расширения областей пузырькового кипения дает применение кольцевых турбулизаторов, низкотеплопроводных покрытий и струйных систем.

7. Интенсификация теплообмена при конденсации

Из всех исследованных способов интенсификации теплообмена при конденсации, по-видимому, наилучшие результаты обеспечивают упомянутые выше трубы с кольцевыми турбулизаторами (см. рис. 1). Как показано в [1], при конденсации пара на наружной поверхности горизонтальных труб коэффициент теплообмена увеличивается в 1.8-2.65 раза, причем тем больше, чем глубже канавки, чем меньше их шаг и чем меньше радиус закругления выступающих частей труб. При конденсации пара на наружной поверхности вертикальных труб интенсификация ниже: она составляет 1.3-1.5 для неподвижного пара и 1.9-2.8 для движущегося пара.

Поскольку данные трубы одновременно существенно интенсифицируют теплоотдачу и внутри труб (в рассматриваемых опытах до 2--2.5 раза), применение их позволяет в целом уменьшить объем конденсаторов в 1.5-2 раза, что значительно лучше других методов. Например, использование продольно накатанных труб или труб с проволочным продольным оребрением позволяет в лучшем случае увеличить коэффициент теплообмена в 1.4-1.6 раза, а применение профильных витых труб дает возможность увеличить коэффициент теплообмена всего на 15%, а гидравлическое сопротивление возрастает при этом на 40-60%.

Следует отметить, что коэффициент теплообмена при конденсации пара на вертикальных трубах с кольцевыми канавками может быть значительно повышен наклоном труб на 3-5° или наклонным размещением кольцевых диафрагм.

8. Солеотложения в трубах с турбулизаторами

Весьма актуальной считается проблема снижения загрязнений на поверхностях теплообмена. Использование охлаждающей воды, содержащей соли временной жесткости, приводит к выпадению их в осадок на поверхностях теплообмена при повышении температуры охлаждающей воды. В последние годы значительно возрос интерес к исследованию возможности снижения солеотложений на поверхностях теплообмена с помощью искусственной турбулизации. Весьма эффективными оказались трубы с кольцевыми турбулизаторами, что подтверждено специально проведенными экспериментами при обтекании водой повышенной жесткости наружной и внутренней поверхностей труб (рис. 1) с различными параметрами турбулизаторов [17]. Скорость воды изменялась в пределах 0.1-1.5 м/с, температура 50-90°С, длительность эксперимента до 360 ч. В результате этих опытов были получены зависимости термического сопротивления слоя солеотложений R_ф, снаружи и внутри труб от параметров турбулизаторов, скорости воды, времени.

Наличие турбулизаторов в 3-5 раз снижает солеотложения на обеих поверхностях труб, причем зависимость R_ф от времени имеет асимптотический характер, через 100-150 ч значение R_ф становится постоянным.

Отложения в трубах с турбулизаторами тем меньше, чем больше высота диафрагм или глубина канавок, чем меньше шаг их размещения. Характерно, что при течении воды повышенной жесткости (до 20 мгэкв/л) в трубах с диафрагмами за 100 ч работы коэффициент теплообмена упал не более чем на 10%, а гидравлическое сопротивление почти не изменилось. Для гладкой трубы за это время коэффициент теплообмена упал на 30%, а сопротивление выросло на 25%. Поэтому эффективность труб с турбулизаторами увеличивается при наличии солеотложений. Если при их отсутствии коэффициент теплообмена увеличивается в 1-2.5 раза, то через 300 ч работы при наличии солеотложений это отношение возрастет до 3.5-5.

Проведенные эксперименты показали, что поскольку солеотложения снаружи и внутри труб с турбулизаторами значительно меньшие, чем в гладких, это позволяет при использовании таких труб обеспечить устойчивую работу теплообменных аппаратов без специальных мероприятий по очистке поверхностей.

Выводы

К сожалению, объем доклада не позволяет остановиться на других достаточно эффективных способах интенсификации теплообмена (струйные системы, пористые и низкотемпературные покрытия, методы интенсификации теплообмена в пластинчатых теплообменниках, пучках оребренных труб).

Однако даже ознакомление с приведенными результатами показывает, что имеются хорошо исследованные и технологически просто реализуемые достаточно эффективные методы интенсификации теплообмена в каналах теплообменных аппаратов. Реализация этих методов позволяет существенно снизить металлоемкость современных теплообменных аппаратов, повысить их эксплуатационную надежность.

Работа выполнена в соответствии с Государственной программой поддержки ведущих школ РФ (Грант НШ-1350.2003.2) и при поддержке РФФИ (Грант 02-02-16293) и МО РФ (Грант Т.02-01-2-1142).

Литература

1. Калинин Э.К. , Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 200с.

2. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И.А. Эффективность промышленно эффективных интенсификаторов теплопередачи (Обзор. Анализ. Рекомендации) // Известия РАН, Энергетика. 2002. №3. С.102-118.

3. Дрейцер Г.А., Дзюбенко Б.В., Якименко Р.И. Интенсификация теплообмена и анализ методов сравнения теплогидравлической эффективности теплопередающих поверхностей. //Труды Второй Российской национальной конференции по теплообмену. - М.: МЭИ. 1998. Т.6. С.99-102.

4. Zimparov V.D. Extended performance evaluation criteria for heat transfer surfaces: Heat transfer through ducts with constant wall temperatures //Int. J. Heat Mass Transfer. 2000. v.43. No17. P.3137-3150.

5. Диплом на научное открытие № 242 СССР. Закономерность изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо и др. Открытия, изобретения. 1981. № 35.

6. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Предельная интенсификация теплообмена в трубах за счет искусственной турбулизации потока //ИФЖ. 2003. Т.76, №1. С.46-51.

7. Дрейцер Г.А., Мякочин А.С. Влияние геометрической формы турбулизаторов на эффективность интенсификации конвективного теплообмена в трубах // Теплоэнергетика. 2002. №6. С.57-59.

8. Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Лобанов И.Е. Расчет конвективного теплообмена в трубах с периодическими выступами // Проблемы гидродинамики и теплообмена в энергетических установках. М.: Изд. МЭИ. 2003. Т.1. С.57-60.

9. Дрейцер Г.А. Эффективность использования закрутки потока для интенсификации теплообмена в трубчатых теплообменных аппаратах // Теплоэнергетика. 1997. №11. С.61-65.

10. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М.: Машиностроение. 1980. 240с.

11. Дрейцер Г.А. Проблемы создания компактных трубчатых теплообменных аппаратов //Теплоэнергетика . 1995. №3. С.11-18.

12. Дрейцер Г.А., Мякочин А.С., Неверов А.С. и др. Испытания новых конструкций промышленных высокоэффективных трубчатых теплообменных аппаратов // Труды Второй Российской национальной конференции по теплообмену. М.: МЭИ. 1998. Т.6. С.103-106.

13. Chinangad R.S., Master B.I., Thome J.R. Helixchanger Heat Exchanger: Single - Phase and Two-Phase Enhancement // Compact Heat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries. New York, Wallingford (UK). Begell House, Inc. 1999. P.471-477.

14. Осипов М.И., Олесевич Р.К., Олесевич К.А. Экспериментальное и численное исследование теплообменных аппаратов шнекового типа //Труды Второй Российской национальной конференции по тепломассообмену. М.: МЭИ. 2002. Т.6. С.159-162.

15. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З. и др. Эффективные поверхности теплообмена. М.: Энергоатомиздат. 1998. 400с.

16. Dreitser G.A. Modern problems of cryogenic heat transfer and its enhancement (Generalization of experimental results. Practical recommendations and different applications) //Low Temperature and Cryogenic Refrigeration. Dordrecht, Boston, London. Kruger Academic Publications. 2003. P.201-220.

17. Дрейцер Г.А. Исследования солеотложений при течении воды с повышенной карбонатной жесткостью в каналах с дискретными турбулизаторами //Теплоэнергетика. 1996. №3 C.30-35.

Аннотация

О некоторых проблемах создания высокоэффективных трубчатых теплообменных аппаратов. Г.А. Дрейцер. Московский авиационный институт (государственный технический университет). УДК 536.27+662.987

Рассмотрены современные достижения в области интенсификации теплообмена в трубчатых теплообменных аппаратах. Сформулированы требования к высокоэффективным трубчатым поверхностям теплообмена. На примере теплообменных аппаратов систем отопления и горячего водоснабжения показано, что имеется полная возможность сделать трубчатые аппараты более компактными по сравнению с пластинчатыми. Представлен критический анализ современных методов оценки эффективности интенсификации теплообмена в каналах. Рассмотрены проблемы интенсификации теплообмена при кипении и конденсации теплоносителей, а также в условиях солеотложений. Представлены высокоэффективные конструкции трубчатых теплообменных аппаратов.

Ключевые слова: Теплообменный аппарат, труба, интенсификация теплообмена, кольцевые турбулизаторы, конвективный теплообмен, кипение, конденсация, солеотложение.

Размещено на Allbest.ru

...