Теплообменные аппараты нашли широкое применение во многих областях хозяйственной деятельности, энергетической, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, холодильной и криогенной технике, в системах отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования. В связи с ростом энергонапряженности устройств, повышением требований к возможным режимам регулирования систем достаточно актуально стоит вопрос изучения возможных процессов интенсификации теплообмена. Уменьшение массогабаритных характеристик теплообменников за счет процессов интенсификации особенно имеет большое значение энергетике [1].
Опыт создания и эксплуатации различных теплообменных аппаратов показал, что разработанные к настоящему времени методы интенсификации теплообмена обеспечивают снижение габаритов и металлоемкости (массы) устройств в 1,5…2,0 и более раза по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности используемой на прокачку теплоносителей.
В настоящее время предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена. Применительно к течению однофазных теплоносителей используются турбулизаторы потока на поверхности, шероховатые 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 теплоносителя, воздействие на поток электростатических полей, отсос потока из пограничного слоя, струйные системы. Эффективность интенсификации для разных способов при существенно различных затратах энергии различна.
Интенсификация теплообмена при использовании периодически кольцевых выступов (рис. 1). Это один из наиболее эффективных и исследованных способов интенсификации. Стоит отметить, что накатка кольцевых канавок достаточно технологична, так как не увеличивает наружный диаметр труб, позволяя использовать данные трубы в тесных пучках и не менять существующей технологии сборки теплообменных аппаратов. Кольцевые диафрагмы и канавки турбузируют поток в пристенном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена снаружи и внутри труб.
Рис. 1. Продольный разрез трубы с кольцевой накаткой
Для труб с кольцевыми турбулизаторами получены обобщающие зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса Re, шага расположения турбулизаторов t/D и высоты турбулизатора d/D. Во всех нижеприведенных зависимостях при вычислении коэффициентов теплоотдачи в трубах с кольцевыми турбулизаторами и в пучках труб увеличение поверхности теплообмена не учитывалось, т. е. плотность теплового потока определялась по поверхности гладкой трубы [1].
При расчете Re и скорость потока находят по проходному сечению гладких каналов. Опытные данные по средней теплоотдаче при нагревании и охлаждении газов обобщают формулами, погрешность которых составляет 12 %:
(формула справедлива при d/D=0,88…0,98 и t/D=0,25…0,8).
(формула справедлива при d/D=0,88…0,98 и t/D=0,8…2,5)
В обеих формулах число Re берут при среднемассовой температуре газа.
Приведенные выше формулы справедливы в диапазоне чисел Re=1044105.
Данные по коэффициентам гидравлического сопротивления обобщают с погрешностью 12 % в диапазоне Re=1044105 следующими зависимостями:
– для d/D=0,9…0,97 и t/D=0,5…10,0
здесь n=0,14 для нагревания газов, n=0 для охлаждения газов, n=1/3 для нагревания жидкостей;
– для d/D=0,88…0,98 и t/D=0,5
– для d/D=0,9…0,98 и t/D=0,25
В обеих формулах число Re берут при среднемассовой температуре газа.
Приведенные выше формулы справедливы в диапазоне чисел Re=1044105.
Закрутка потока в трубах с помощью винтовых вставок. При закрутке потока местные пристеночные скорости увеличиваются, и общее течение изменяется. Закрутка потока в трубах осуществляется при использовании закрученных лент и шнеков (рис. 2). При этом оно поддерживается непрерывно по всей длине трубы, что обеспечивает постоянство соотношения тангенциальной и осевой составляющей скорости [1].
Рис. 2. Винтовые вставки: 1-закрученная лента; 2-шнек
Рис. 3. Схема образования вторичных течений в трубе с закрученной лентой.
При закрутке потока лентой в поперечном сечении жидкость перетекает от периферии к центру в результате действия градиента давления. Кроме того, жидкость из пограничного слоя проникает в ядро потока. Эти движения приводят к возникновению четырех вихревых областей (рис. 3), которые способствуют усилению теплообмена и совместно с действием центробежных сил уменьшают толщину пограничного слоя. Вихревое смешение также способствует возникновению турбулентного течения при меньших числах Re.
Турбулентное течение теплоносителей в теплообменных аппаратах предпочтительнее, так как оно обеспечивает выгоднее соотношение между уровнем теплообмена и величиной потерь давления по сравнению с ламинарным режимом.
Однако ламинарное и переходное течения также реализуются в каналах теплообменного оборудования как при нерасчетных режимах работы (пониженные расходы сред), так и при нормальных режимах эксплуатации. При ламинарных режимах течения определяющим механизмом переноса тепла является теплопроводность (поперек потока, по нормали к стенке), поэтому интенсивность теплоотдачи относительно мала. В отличие от турбулентного течения, в ламинарном (переходном) потоке термическое сопротивление в канале более равномерно распределено по всему его поперечному сечению, поэтому для интенсификации теплоотдачи необходимо возмущающее воздействие на обширную зону пристенного течения. Ленточные завихрители в этой области режимов особенно эффективны. Для ламинарного течения предпочтителен диапазон шагов закручивателя S=(6…10)D. Анализ, проведенный в различных работах, показывает, что увеличение теплоотдачи, полученное с помощью закручивателей, в переходном и турбулентном режимах с ростом числа Re значительно падает, и поэтому использовать закручиватели при больших числах Re для потока в трубе не рекомендуется.
Каналы со спиральными выступами и пружинными вставками. Спиральные проволочные пружинки широко используются в теплообменных аппаратах. Спиральные проволочные турбулизаторы помимо турбулизации пристенной части потока осуществляют также вращение всего потока вокруг его оси [3]:
Спиральные проволочные пружинки были экспериментально изучены Н. В. Зозулей и И. Н. Шкуратовым, З. Нагаокий, В. М. Азарсковым, А Клачаком [2] и др.
На рис.4 представлены спиральные проволочные пружинки.
Рис. 4. Спиральная пружинка в трубе.
Основными параметрами трубы с проволочной вставкой являются: диаметр трубы D, диаметр проволоки d, шаг проволочной вставки s, угол закрутки спирали .
Интенсификаторы типа «диффузор-конфузор». Трубчатые поверхности теплообмена с волнистыми стенками состоят из участков конфузоров и диффузоров, которые изготавливаются путем накатки специальными роликами (рис. 5) [4]. Углы расширения диффузоров и конфузоров выбираются по условию получения с нестационарными отрывными явлениями. Такие отрывы потока интенсифицируют теплообмен.
При малой относительной длине диффузора и при наличии подпора за счет конфузора, отрывы потока носят нестационарный характер, что благоприятно сказывается на интенсификации теплообмена. Внешняя турбулентность при отрицательном градиенте давления способствует интенсификации теплообмена. Указанные условия реализуются в рассматриваемом случае следующим образом: турбулентность генерируется в диффузорной области и благоприятно воздействует в конфузорной области.
Рис. 5. Продольный разрез трубы типа конфузор-диффузор.
Данные трубы характеризуются относительно низким сопротивлением и высоким теплообменом. Теплосъем при равном сопротивлении увеличивается приблизительно 1,5 раза.
Трубы типа «конфузор-диффузор» перспективны для применения и в ламинарном, и в переходном режимах течения различных сред в трубах теплообменников. Эксперименты показывают, что при использовании труб типа «конфузор-диффузор» теплосъем увеличивается на 40…70 %.
Опыт создания и эксплуатации, различных тепломассообменных устройств показал, что разработанные методы интенсификации теплообмена обеспечивают снижение габаритов и массы этих устройствах в 1,5…2 раза и более по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей.
Эффективность этих способов различна, в лучшем случае удается увеличить теплоотдачу в 2–3 раза, но для разных способов при существенно различных затратах энергии.
Литература:
- Кузма-Китча, Ю. А. Методы интенсификации теплообмена. М.: Изд-во МЭИ, 2001, 112 с.
- Халатов А. А., Борисов И. И., Щевцов С. В. Тепломассообмен и теплогидравлическая эффективность вихревых и закрученных потоков. Киев. 2005, -500 с.
- Назмеев Ю. Г. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков реологических сложных жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1996. -300 с.
- Мигай В. К. Повышение эффективности современных теплообменников. Л.: Энергоиздат, 1980. -143 с.
