Выбор и сравнение эффективности методов интенсификации теплообмена в промышленных теплообменных аппаратах

Энерго- и ресурсосбережение можно рассматривать как оптимизацию энергетических и материальных потоков существующих технологических процессов для производства продуктов, а более широко — как поиск новых путей рационального использования энергии и сырья для получения тех же, а также новых продуктов. Достижение положительных результатов при экономии энергетических ресурсов возможно только при анализе промышленного энергоиспользования, уровней полезного использования энергии и энергетических потерь на разных участках промышленного предприятия, определении основных, наиболее эффективных путей экономии энергетических ресурсов в промышленности [1].

В современных условиях и в перспективе один из важных путей повышения экономичности энерготехнологических установок — совершенствование теплообменного оборудования с помощью внедрения эффективных способов интенсификации теплообмена. Посредством интенсификации теплообмена увеличивается количество тепла, передаваемого через единицу поверхности теплообмена, и, соответственно, уменьшаются массогабаритные показатели теплообменника; достигается более выгодное соотношение между передаваемым количеством тепла и мощностью, затрачиваемой на прокачивание теплоносителей. Высокое техническое качество интенсифицированного теплообменного оборудования улучшает общие характеристики энерготехнологических установок.

При разработке теплообменного оборудования используется довольно широкий перечень способов интенсификации, некоторые из них являются для теплоэнергетики достаточно традиционными: использование турбулентного режима течения теплоносителей, шероховатых поверхностей теплообмена, криволинейных каналов; уменьшение диаметра каналов; тесные пучки труб; повышение скорости течения сред; оребрение поверхности теплообмена; применение турбулизаторов потоков теплоносителей, псевдосжиженного слоя; устройство поперечных перегородок в трубном пучке.

Активное исследование и внедрение в промышленность различных методов интенсификации теплообмена обусловлены достижением больших практических результатов за счет уменьшения массы теплообменной аппаратуры или значительного повышения ее эффективности.

Разработаны и исследуются самые различные методы интенсификации теплообмена. Принципиально их классифицируют на две категории [2]:

1) активные методы интенсификации: механическое воздействие на поверхность теплообмена (вращение или вибрация поверхности, перемешивание жидкости и т. п.); воздействие на поток электрическим магнитным или акустическим полем, пульсациями давления; вдув или отсос рабочей среды через пористую поверхность и др.

2) пассивные методы, в основе которых — воздействие на поток формой поверхности теплообмена: применение вставных интенсификаторов (винтовых, локальных и пластинчатых закручивателей потока), различное оребрение поверхности теплообмена и др.

Рассматриваемые в данной статье методы интенсификации конвективного теплообмена относятся ко второй категории, и их, в свою очередь, можно разделить на следующие основные группы:

1) придание потоку жидкости вращательно-поступательного движения;

2) разрушение пристенных слоев жидкости.

Исследователями накоплен обширный экспериментальный материал по теплообмену в трубах с различными типами завихрителей, охватывающий высокий диапазон изменения нагрузок и физических свойств сред [3–5].

Для некоторых способов интенсификации при помощи ленточных завихрителей выполнены интересные обобщения опытных данных в [6–7].

Для сопоставления тепловой эффективности различных по конструкции интенсификаторов на основании экспериментов, проведенных разными авторами при различных средних температурах потока среды и в разных диапазонах чисел Рейнольдса и Прандтля, возможно использование соотношения:

(1)

где индекс «0» означает гладкую поверхность теплообмена.

Зависимость (1) характеризует увеличение коэффициента теплоотдачи в трубе с интенсификатором по сравнению с коэффициентом теплоотдачи в гладкой трубе.

Использование любого из известных методов сопровождается также ростом гидродинамического сопротивления. Поэтому для сопоставления полной теплогидродинамической эффективности различных по конструкции интенсификаторов часто целесообразно применение известного соотношения:

(2)

характеризующего относительное увеличение интенсивности теплообмена в трубе с интенсификатором на единицу дополнительно затраченной энергии.

Сравнение эффективности различных методов интенсификации теплообмена, также выполненное В. К. Мигаем в [8], приведено на рис. 1. Здесь . Автор указывает, что при малых значениях чисел Рейнольдса трубы с кольцевыми выступами обладают наилучшими показателями.

Рис. 1. Сравнительная эффективность различных методов интенсификации теплообмена: 1–7 — трубы соответственно: с кольцевыми выступами, типа конфузор-диффузор, со спиральными вставками, спирально-профилированные, с волнистой осью, с перфорированными вставками, с обтекаемыми выступами

Сравнительная оценка теплоотдачи для различных типов интенсификаторов выполнена в [9] и представлена на рис. 2.

Здесь К* — соответствующие каждому эксперименту критериальные уравнения для расчета чисел Nu. Как видно из рис. 1.3, эффективным способом интенсификации, по мнению авторов, является применение многозаходных спиральных канавок на внутренней поверхности труб, созданных методом электрохимической обработки.

Приведенный выше краткий сравнительный анализ известных работ показал целесообразность применения практически всех пассивных методов интенсификации теплообмена для ламинарного режима течения. Очевидна весьма высокая эффективность дискретной шероховатости в данных условиях при ее несомненной технологичности.

Рис. 2. Теплоотдача в трубах с различными типами интенсификаторов: 1-спиральные канавки; 2-ленточный завихритель; 3-винтовой змеевик; 4-лопаточный завихритель; 5-гладкая труба

Детальной проработке физических, теоретических и практических аспектов данного метода интенсификации теплообмена посвящено большое число работ таких видных ученых, как Г. А. Дрейцер, В. К. Мигай и другие, но в основном для турбулентного и переходного режимов течения. Г. А. Дрейцером [10] также изучен вопрос об эффектах солеотложения на шероховатых поверхностях теплообмена, где показано преимущество этих поверхностей в этом плане перед гладкими трубами и каналами.

Разумеется, выбор метода интенсификации теплообмена в каждом случае индивидуален и определяется назначением аппарата, его конструкцией, свойствами рабочего тела и тому подобными факторами.

Литература:

1. Лаптев А. Г., Николаев Н. А., Башаров М. М. Методы интенсификации и моделирования тепломассообменных процессов. Учебно-справочное пособие. –М.: «Теплотехник», 2011, -335 с.
2. Жукаускас А. А. Конвективный перенос в теплообменниках. –М.: Наука, 1982. -472 с.
3. Зозуля Н. В., Шкуратов Н. Я. Теплоотдача в трубах с проволочными турбулизаторами // теплообмен в энергетических установках. –Минск, 1967. с. 36.
4. Клачак А. Теплопередача в трубах с проволочными и ленточными турбулизаторами // Теплопередача. -1973. –сер. С. -№ 4. –с. 134–136.
5. Ковальногов А. Ф., Щукин В. К. Экспериментальное исследование теплоотдачи в трубах при местной закрутке потока шнековыми закручивателями // Теплоэнергетика. -1968. -№ 6. –с. 81–84.
6. Назмеев Ю. Г., Николаев Н. А. Обобщение опытных данных по теплоотдаче в трубах с ленточными завихрителями // Теплоэнергетика. -1980. -№ 3. –с. 51–53.
7. Щукин В. К. Обобщение опытных данных по теплоотдаче в трубах с ленточными завихрителями // Изв. Вузов. Авиационная техника. -1967. -№ 2. –с. 14–19.
8. Мигай В. К. Моделирование теплообменного и энергетического оборудования. –Л.: Энергоатомиздат, 1987. -236 с.
9. Рзаев А. И., Филатов Л. Л., Циклаури Г. В. и др. Влияние геометрии интенсификатора — спиральных канавок на конвективную теплоотдачу в трубах // Теплоэнергетика. -1992. -№ 2. –с. 53–55.
10. Дрейцер Г. А. Исследование солеотложений при течении воды с повышенной карбонатной жесткостью в каналах с дикретными турбулизаторами // Теплоэнергетика. -1996. -№ 3. –с. 30–35.