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, 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.
Обзор методов интенсификации теплообмена показал, что на сегодня существует масса способов увеличения коэффициента теплоотдачи. Делятся все эти способы на активные и пассивные. Под активными методами интенсификации понимается воздействие непосредственно на поток рабочей среды (завихрение, пульсации давления; вдув или отсос рабочей среды через пористую поверхность и т. п.) [1]. Пассивные методы наоборот характеризуют воздействие на саму поверхность теплообмена. Основным способом пассивного метода считается применение интенсификаторов.
Анализ конструкций отопительных котлов малой мощности и существующих способов интенсификации теплообмена в них показал, что возможности совершенствования этих котлов не исчерпаны. Повышение эффективности работы котлов может быть достигнуто как за счет конвективной, так и за счет лучистой составляющего результирующего теплопереноса.
Интенсификацию теплообмена в элементах котла можно проводить двумя путями: установлением интенсификаторов теплообмена в топке или в жаротрубном элементе. Как отмечено в работах [2, 3], первый способ ощутимо влияет как на теплотехнические, так и на экологические результаты (кпд возрастает на 1–3 %, выбросы СО уменьшаются в 5 раз, NOx в 2 раза). Как правило, в цилиндрическую топку устанавливают вторичные излучатели, что способствует лучшему теплообмену в топке, а также приводит к улучшению экологических показателей. Для водогрейного котла малой мощности такой способ интенсификации практически не используют. Поскольку размеры топки достаточно малы, единственным способом интенсификации теплообмена является установление турбулизирующих вставок в газотрубном пучке.
Разработано много методов оценки эффективности теплообменных аппаратов. Из них наиболее обоснованным, лаконичным и признанным в новейшей литературе является метод энергетических коэффициентов академика М. В. Кирпичева с относительным универсальным критерием эффективности [4]:
(1)
Используя критериальные уравнения подобия, выражение (1) переписывают в «рабочем» виде, удобном для сопоставления эмпирического материала:
(2)
Выявление возможностей конкретного интенсификатора предлагается [4] проводить путем нахождения максимального значения 
при каждом конкретном числе Re. Например, для поперечных выступов при фиксированном числе Re и ряде постоянных высот (h/D) диафрагм при всех возможных размерах шагов (s/h) находят массив коэффициентов 
. Из этого множества выбирается коэффициент
(Re) c параметрами выступов (h/D, t/h), оптимальными для заданного числа Re. Построение кривой для всех чисел Рейнольдса (Re), дает представление о предельной эффективности интенсификатора.
Режимы с опережающим ростом теплообмена по сравнению с увеличением гидравлических потерь
. В ряде случаев представляет наибольший практический интерес, позволяя провести энергоэффективную оптимизацию конструкции. Такие режимы наиболее значительно проявляются в переходной области (
). сходя на нет 
области развитой турбулентности 
либо при 
.
Среди различных методов создания эффективных тепло-гидродинамических режимов наиболее простым в реализации является метод закрутки потока. Повышая коэффициент теплоотдачи в 2–2.5 раза и более, он оказывает существенное влияние на протекание разных теплоэнергетических процессов, позволяя увеличить тепловые потоки, уменьшить температурную неравномерность в конструкции, стабилизировать горение, уменьшить занос поверхностей нагрева. Непрекращающиеся более полувека интенсивные исследования в этом направлении свидетельствуют об его актуальности и практической значимости полученных результатов. При этом, наряду с новыми способами интенсификации с 
[3], обеспечиваемыми путем «встраивания» в турбулентный поток самоорганизующихся закрученных струй (т.н. смерчевые технологии), продолжают развиваться классические варианты создания вихревых структур посредством турбулизации потока на периодической поперечной шероховатости определенных (оптимальных) параметров. Возбуждая в пристенной области отрывное вихревое движение со струйными эффектами, элементы переодической шероховатости поставляют основную массу факторов отклонения в сторону увеличения теплогидродинамической эффективности 
что начинает находить соответствующее расчетно-теоретическое обоснование [5,6]. Эффективность Е' такого интенсификатора зависит от шага s/D и рода жидкости. При пропускании воздуха в трубках с малыми шагами накатки 
, углы атаки 
эффективность (с некоторым превышением) тяготеет к варианту поперечной шероховатости. Вытянутые спирали и водные потоки создают более выраженный закручивающий эффект и теплогидравлическая эффективность будет уменьшаться 
.
В условиях работы жаротрубных котлов интенсификацию теплоотдачи необходимо выполнять внутри трубы, где движутся дымовые газы. Наиболее эффективными являются турбулизирующие вставки, которые, помимо уменьшения сечения для прохода газа, а отсюда увеличения скорости потока и конвективной составляющей теплоотдачи, обеспечивают дополнительный тепловой поток излучением от нагретой вставки к стенке жаротрубного элемента. В связи с высокими требованиями к современным водогрейным жаротрубным котлам малой мощности, в конструировании и изготовлении необходимо обеспечить небольшие габариты и массу котлов. Известно, что путем интенсификации теплообмена достигают увеличения коэффициента теплопередачи при одновременном увеличении потерь давления.
Проведены исследования интенсификации теплообмена в жаротрубном пучке водогрейного котла с применением таких интенсификаторов теплообмена: пластина, цилиндрическая вставка и скрученная лента. Исследования проведены для таких условий работы котла: мощность котла 32 кВт, мощность топки 15,6 кВт, мощность жаротрубного пучка 16,4 кВт, коэффициент избытка вохдуха α=1,4, температура дымовых газов на входе в жаротрубный пучок t1=805,6 0C, на выходе t2=160 0C, температурный режим воды 70/50 0C.
В условиях работы жаротрубных котлов интенсификацию теплоотдачи необходимо выполнять внутри трубы, где движутся дымовые газы. Наиболее эффективными являются турбулизирующие вставки, которые, помимо уменьшения сечения для прохода газа, а отсюда увеличения скорости потока и конвективной составляющей теплоотдачи, обеспечивают дополнительный тепловой поток излучением от нагретой вставки к стенке жаротрубного элемента. Использование разнообразных вставок в жаротрубных водогрейных котлах малой мощности является эффективным способом теплообмена.
Литература:
- Горшенин А. С. Методы интенсификации теплообмена // Самара: Издво СамГТУ. 2009.- 82 c.
- Басок Б. И. Численное моделирование процессов аэродинамики в топке водогрейного котла со вторичным излучателем / Б. И. Басок., В. Г. Демченко, М. П. Мартыненко // Промышленная теплотехника. 2006. № 1. С. 17–22.
- Гришкова А. В. Уменьшение выбросов оксидов азота от водогрейных котлов путем внесения в топку промежуточного излучателя с оптимальными параметрами / А. В. Гришкова, Б. М. Красовский, А. Ю. Ракитин// Промышленная энергетика. 2004. № 5. С. 32–33.
- Леонтьев А. И., Гортышов Ю. Ф., Олимпиев В. В., Попов И. А. Эффективные интенсификаторы теплоотдачи для ламинарных (турбулентных) потоков в каналах энергоустановок // Известия Академии наук. Энергетика. 2005. № 1. С.75–91.
- Мигай В. К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоатомиздат. 1987. С. 264.
- Дрейцер Г. А., Лобанов И. Е. Исследование предельной интенсификации теплообмена в трубах за счет искусственной турбулизации потока // Теплофизика высоких температур. Т. 40. № 6. 2002. С. 958–963.
