УДК 66.045.129.2

Промышленное применение интенсификации в теплообменниках

Нафиков Алмаз Салаватович – студент магистратуры факультета Трубопроводного транспорта Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Еговцева Валерия Андреевна – студент магистратуры факультета Трубопроводного транспорта Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Аннотация: Статья посвящена сравнению «улучшенных» теплообменных аппаратов с привычными секционными кожухотрубчатыми и пластинчатыми теплообменниками. Рассмотрены общие сведения о методах интенсификации теплообмена в кожухотрубчатых ТОА, выявлены более распространенные и актуальные из них в нашей стране, а также проанализирована конструкция «улучшенного» теплообменника и его паспортные характеристики. Представлена диаграмма результатов измерений анализа теплопотерь по всем видам исходных теплообменников с построением.

Ключевые слова: теплообменный аппарат, теплообменник, энергосбережение, интенсификационные трубы, секционные, пластинчатые.

В настоящее время, в связи с ростом стоимости энергоносителей, повышение энергоэффективности теплообменных аппаратов стало одной из проблем, требующих решения на производственных предприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве. Тепловая эффективность любого теплообменника характеризуется коэффициентом теплопередачи, значение которого определяется интенсивностью процессов теплообмена между горячей и холодной средой. Интенсивность процессов передачи теплоты зависит от ряда факторов, таких как форма и размер поверхности теплообмена, скорость движения теплоносителя и наличие загрязнений на поверхности теплообмена.

При разработке теплообменников используется довольно обширный перечень способов интенсификации, и некоторые из них уже являются достаточно традиционными для теплоэнергетической сферы: использование вихревого режима теплоносителей, ленточных трубок, искривленных каналов, увеличение как изнутри, так и снаружи шероховатости трубы, тесные пучки труб, применение турбулизаторов потоков горячей и холодной среды, уменьшение диаметра канала, увеличение скорости теплоносителя, установка поперечных, Z-образных, кольцевых перегородок в трубном пучке, и набирающие популярность змеевики.

Но несмотря на то, что существует большое количество способов интенсификации, изучены они в разной степени. Лишь часть из них доведена до промышленного уровня использования. Хотя общие физические принципы, которые лежат в основе данных методов и объясняют возможность благоприятного эффекта при их применении, известны уже долгое время, количественные зависимости гидравлического сопротивления и теплообмена в объемном диапазоне изменения параметров интенсификаторов гидродинамических условий течения и теплообмена определены не в полном объеме.

В области энергосбережения при эксплуатации ТОА одним из направлений является улучшение процесса теплопередачи путем интенсификации процессов теплопередачи путем турбулизации пограничного слоя потока возле теплообменной поверхности. Одним из методов, применяемых для этой цели, является использование труб с накатом, что увеличивает коэффициент теплопередачи и, соответственно, эффективность работы оборудования.

Количество тепла, передаваемого от горячей среды к холодной за единицу времени, прямо пропорционально среднелогарифмическому температурному напору и площади поверхности по длине теплообменника.

Значение коэффициента теплопередачи в значительной степени определяется наибольшим значением термического сопротивления. Поэтому для того, чтобы максимально интенсифицировать теплопередачу, наибольшее термическое сопротивление должно быть снижено. Иными словами, требуется повысить наименьший коэффициент теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи, определяющийся коэффициентами теплоотдачи со стороны нагреваемого/греющего теплоносителей при чистых поверхностях теплообмена, увеличивается в результате усиления процессов интенсификации теплообмена. Во многих случаях физические и химические свойства используемых теплоносителей, а также давления, температуры и коэффициенты теплоотдачи сильно различаются. Так, значение коэффициента теплоотдачи воды α = 2000...7000 Вт/(м2·°С), газообразных теплоносителей α ≤ 200 Вт/(м2·°С) и вязких жидкостей α = 100...600 Вт/(м2·°С) [1].

А.Е. Берглс после своих исследований приводит классификацию шестнадцати методов интенсификации теплоотдачи [2], которые он разделил на пассивные методы, в основе которых лежит воздействие на поток формой поверхности теплообмена, включая установку дополнительных элементов, и активные методы, улучшающие теплопередачу путем добавления внешней энергии к потоку.

Таблица 1. Методы интесификации (по А.Е. Берглсу).

В настоящее время не рационально использовать активные методы для отопления и ГВС, так как это малоэффективно и дорогостояще, поэтому чаще всего применяются первые шесть пассивных методов:

а) обработанные, текстурированные поверхности – теплообменные поверхности, имеющие маломасштабные прерывистые или непрерывные деформации, которые создаются обработкой;

б) шероховатые поверхности.

В данном методе у поверхности изменяют форму, которая без увеличения площади поверхности теплообмена создает турбулизацию потоков. Размеры структурирования поверхностей колеблются от песочной шероховатости до дискретных объемных выступов либо выемок;

в) развитые (ребристые) поверхности, увеличивающие как площадь поверхности теплоотдачи и теплопередачи, так и значительно влияющие на поток;

г) перемешивающие устройства – это вставки, которые требуются для хорошей эффективности процессов переноса теплоносителя перпендикулярно от поверхности теплообмена в основной поток;

д) устройства, закручивающие поток в каналах в виде спиралеобразных лент или шнеков, витых трубы, которые вызывают закрутку потока, а также формирование вторичной циркуляции;

е) змеевики. Скручивание трубок увеличивает компактность TOA и создает вторичные токи и вихри в канале, увеличивающее количество выделяемого тепла [3].

Задача определения эффективности различных методов и оборудования для улучшения теплоотдачи является комплексной и сложной из-за большого разнообразия критериев. При ее решении необходимо иметь в виду большое число коэффициентов, которые учитывают производственные факторы такие, как технологичность обработки поверхности теплообмена, установку устройств и другие процессы производства, экономические факторы такие, как затраты на эксплуатацию, обслуживание, разработку и др., надежность, совместимость сред и материалов, безопасность, экологичность и многое другое.

Кроме выполнения технических условий и обеспечения требуемых характеристик теплообменников при использовании способов интенсификации теплоотдачи, создатели придерживаются следующих целей:

а) без изменения мощности на прокачку теплоносителя или без потерь давления при определенном его расходе увеличение теплопроизводительности существующих теплообменных аппаратов;

б) при фиксированных значениях габаритов теплообменника для обеспечения требуемой тепловой мощности снижение температурного напора между греющей и нагреваемой средой;

в) уменьшение массогабаритных характеристик теплообменника при сохранении его тепловой мощности и уровня потерь давления в его трактах;

г) без уменьшения или увеличения площади поверхности теплообмена снижение теплопроизводительности на прокачку теплоносителя при фиксированной тепловой мощности.

Цели а, б и г соответствуют задачам энергосбережения, а цель в – ресурсосбережения. Методы интенсификации, по своей сути, снижают термическое сопротивление пристенных слоев при теплообмене, тем самым способствуя повышению коэффициента теплоотдачи с увеличением площади его поверхности или без него.

Около 80-90 % отечественного и мирового рынка теплообменников приходятся на трубчатые теплообменные аппараты различных видов, типов и назначений. Широкий диапазон рабочих давлений и температур, использование в различных отраслях производств и в видах технических устройств и технологий – это главное преимущество трубчатых ТОА. Однако у большинства промышленных трубчатых теплообменников невысокие показатели эффективности [3].

Среди мира интенсификационных труб выделяют кольцевую и спиральную накатки, системы выступов, объемных выемок различного размера и концентрации расположения. В данных теплообменных аппаратах для увеличения эффективности теплообмена используются профилированные трубки, которые имеют кольцевую накатку на внешней поверхности.

Рисунок 1. Продольный разрез теплообменной трубы с кольцевыми выступами.

Использование поверхностных интенсификаторов теплоотдачи в профилированных трубках, которые позволяют разрушать пограничный слой ламинарного режима или вязкостный подслой пограничного слоя турбулентного течения, не затрагивая основной поток, перемешивая и турбулизуя пристенные слои потока газа либо жидкости, что помогает обеспечить высокую теплогидравлическую эффективность интенсификации, является перспективным способом повышения эффективности теплообменников [4].

Рисунок 2. Внешний вид труб с кольцевыми выступами.

Способ получения теплообменных труб с внешними кольцевыми выступами, который включает установку конца трубы в отверстие разъемной матрицы, имеющей на внутренней поверхности внешние канавки, фиксацию трубы от возможного перемещения и последующее формирование на ней кольцевых выступов путем приложения к торцу трубы осевого усилия, вызывающего деформирование материала трубы с обеспечением его пластического течения в кольцевые канавки матрицы, отличающийся тем, что перед установкой конца трубы в отверстие разъемной матрицы производят правку трубы, отрезку части мерной длины, зачистку внешней поверхности ее концов и формирование на трубе участка с криволинейной образующей, обращенной к оси трубы, установку конца трубы в отверстие разъемной матрицы осуществляют с расположением участка трубы с криволинейной образующей напротив внутренней кольцевой канавки матрицы, а при формировании кольцевых выступов трубы производят осевое перемещение матрицы со скоростью, равной скорости деформирования материала трубы [5].

Таблица 2. Основные технические сведения теплообменника.

Таблица 3. Параметры теплообменника.

Предназначен для подогрева, охлаждения, конденсации различных типов жидкостей, газо- и парообразных сред на объектах теплоэнергетики (котельные, ТЭЦ, ИТП, ЦТП) и в общепромышленном применении отраслей:

• целлюлозно – бумажная промышленность;
• нефтегазовое производство;
• топливная промышленность;
• металлургия;
• судостроение;
• приборостроение;
• сельское хозяйство.

Рисунок 3. Диаграмма среднемесячного фактического коэффициента теплопередачи теплообменников на горячее водоснабжение.

Коэффициент теплопередачи, как расчетный, так и фактический, теплообменников с накатом на центральное отопление лучше, чем у секционных кожухотрубчатых, и стремится к коэффициенту теплопередачи пластинчатых ТОА, что как раз и описывается в экспериментальной литературе. А на диаграммах для ГВС получается, что коэффициент теплопередачи теплообменников с накатом лучше, чем у секционных кожухотрубчатых, и чем у пластинчатых. Это связано с тем, что расход в теплообменных аппаратах на ГВС нестабилен, поэтому требуется более глубокий расчет по определённым промежуткам времени: утро, день, вечер, ночь.

Список литературы

1. Интенсификация теплообмена в трубчатых теплообменниках [Электронный ресурс]. – URL: https://studfile.net/preview/2014883/page:10/ (Дата обращения: 24.02.2023).
2. Поникаров, И.И. Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов / И.И. Поникаров, О.А. Перелыгин, В.Н. Доронин, М.Г. Гайнуллин. – М. : Машиностроение, 1989. – 368 с.
3. Промышленное применение интенсификации теплообмена – современное состояние проблемы (обзор) [Электронный ресурс]. – URL: https://www.researchgate.net/publication/297687084_Promyslennoe_primenenie_intensifikacii_teploobmena_-_sovremennoe_sostoanie_problemy_obzor (Дата обращения: 11.03.2023).
4. Теплогидравлическая эффективность профилированных каналов различной формы при ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения теплоносителей [Электронный ресурс]. – URL: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1685981059&tld=ru&lang=ru&name= (Дата обращения: 15.04.2023).
5. Пат. RU 2 163 С1 Российская Федерация, МПК B21D 53/08, B21D 41/00, F28F 1/16. Способ получения теплообменных труб [Текст] / Батраев Г.А., Козий С.И., Козий С.С., Резник Л.А.; патентообладатели: Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева, ООО «Ремонтно-механический завод». – №99113055/02; заявл. 15.06.1999; опубл. 10.03.2001, Бюл. №12. – 10 с.