В данной статье сравниваются классический кожухотрубчатый теплообменник и кожухотрубчатый теплообменник с геликоидальным потоком по конструкции и тепловой эффективности.
Ключевые слова: трубное пространство, межтрубное пространство, температура жидкости, теплообменник, геликоидальный поток, перегородка.
Кожухотрубчатые теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами — как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.
Теплообмен жидкости в трубном и межтрубном пространстве происходит за счет теплопередачи между стенками труб. Более эффективного теплообмена можно добиться, когда более прогретые потоки жидкости соприкасаются с менее нагретыми, т. е. происходит смешивание потоков. Чтобы добиться такого процесса в теплообменниках применяют трубные перегородки, которые создают турбулентные потоки. В классическом теплообменнике, перегородки располагаются строго в вертикальном положении.
И для создания более высокого смешивания потоков жидкости на АО «Уралтехнострой-Туймазыхиммаш» конструкторами было предложено поделить классическую перегородку на квадранты и расположить их под углом на 40о по отношению к последующим. Предполагалось, что так можно будет воссоздать более хаотичный поток жидкости в межтрубном пространстве, нежели с классическими перегородками.
Рис. 1. Схема расположения и основные размеры квадрантов для механической обработки на ЧПУ станке теплообменника с геликоидальным потоком
Для того, чтобы сравнить тепло-гидравлические параметры двух теплообменников, использовался метод конечных элементов. Этот метод позволит получить ре зультаты температур потоков, скорости движения теплоносителей и давления создаваемое жидкостью. В САПР Компас 3D-V.17 была смоделирована 3D модель каждого из теплообменника. Использовались следующие исходные данные Табл. 1.
Таблица 1
Характеристики теплообменников
|
№ |
Название |
Значение |
Размерность |
|
|
Теплообменник с геликоидальным потоком |
Классический теплообменник |
|||
|
1 |
Количество теплообменных труб |
19 |
19 |
шт. |
|
2 |
Наружный диаметр труб |
20 |
20 |
мм |
|
3 |
Толщина стенки трубы |
2 |
2 |
мм |
|
4 |
Угол расположения труб |
60 |
60 |
град |
|
5 |
Длина труб |
1000 |
1000 |
мм |
|
6 |
Расстояние между трубами (межосевое) |
22,5 |
22,5 |
мм |
|
7 |
Количество перегородок |
7 |
20 |
шт. |
|
8 |
Вырез перегородки |
28 |
75 |
% |
|
9 |
Диаметр штуцера трубного пространства |
89 |
89 |
мм |
|
10 |
Диаметр штуцера межтрубного пространства |
89 |
89 |
мм |
|
11 |
Расход жидкости трубного пространства |
11 |
11 |
м3/час |
|
12 |
Расход жидкости межтрубного пространства |
11 |
11 |
м3/час |
|
13 |
Температура на входе в трубное пространство |
80 |
80 |
о С |
|
14 |
Температура на входе в межтрубное пространство |
20 |
20 |
о С |
3D модели (каждая по отдельности) были помещены в САПР Siemens NX v. 11.0 для дальнейших расчётов. Были удалены грани, для того, чтобы оставить только трубное и межтрубное пространство жидкости. Сетку из конечных элементов наложили, как для трубного, так и для межтрубного пространства. Размер КЭ равен 5 мм, Размер, основанный на кривизне поверхности равен 21 мм, Допуск малого элемента (% размера элемента) равен 50. Для трубного и межтрубного пространства эти параметры идентичны. Для того чтобы узнать температуру потока, нужно задать граничащий элемент между трубным и межтрубным пространством, а именно стенки труб, за счёт которых и происходит теплообмен между средами трубного и межтрубного пространства. Для этого выбирался материал труб (сталь В20) и также накладывалась КЭ сетка.
Были заданы граничные условия потока, а именно: Объёмный расход жидкости на входе — 11 м3/ч (для трубного и межтрубного пространства), Температура — на входе в трубное пространство 80оС, в межтрубное 20оC.
а) б)
Рис. 3. Значение температур в теплообменнике с геликоидальным потоком на различных участках
Температура жидкости на входе в трубы немного падает и имеет среднее значение равное 79,7оС. На этом же участке, но уже в межтрубной зоне, температура поднялась и имеет среднее значение в 26,1оС (Рис. 3а). В средней части теплообменника температура жидкости в трубной части имеет среднее значение 77,8оС, а в межтрубной зоне достигает среднего значения в 23,9оС (Рис. 3б). В крайней части теплообменника температура жидкости в трубной зоне имеет среднее значение равное 75,4оС, а температура в межтрубной зоне имеет среднее значение равное 21,3оС. Температура жидкости на выходе из трубного пространства равна 74,7оС (Рис. 3б).
Рис. 4. Значение скоростей в теплообменнике с геликоидальным потоком на различных участках
Скорости на входе в трубное пространство имеют среднее значение 0,42 м/с. Скорость на выходе из межтрубного пространства принимает значение 0,54 м/с. Скорость в трубном пространстве равна 0,9 м/с (Рис. 4а). Скорость на выходе из трубного пространства равна 0,5 м/с. Скорость на входе в межтрубное пространство равна 0,43 м/с. (Рис. 4б).
а)б)
Рис. 5. Значение температур в классическом теплообменнике
Температура жидкости, на входе в трубы немного падает и имеет среднее значение равное 77,5оС. В этом же участке, но уже в межтрубной зоне температура поднялась и имеет среднее значение в 26,1оС. Температура на выходе из межтрубного пространства равна 25,1оС (Рис. 5а). В средней части теплообменника температура жидкости в трубной части имеет среднее значение 77,3оС. В межтрубной зоне достигает среднего значения в 23,9оС (Рис. 5а). В крайней части теплообменника температура жидкости в трубной зоне имеет среднее значение равное 74,9оС, а температура в межтрубной зоне имеет среднее значение равное 21,2оС. Температура жидкости на выходе из трубного пространства равна 74,4оС (Рис. 5б).
Скорости на входе в трубное пространство имеют среднее значение 0,4 м/с. Скорость на выходе из межтрубного хаотична и принимает значения от 0,22 м/с до 1,77 м/с. Скорость в трубном пространстве равна 0,87 м/с (Рис. 6а). Скорость на выходе из трубного пространства равна 0,48 м/с. Скорость на входе в межтрубное пространство равна 0,54 м/с. (Рис. 6б).
Сравнивая полученные данные, мы можем сказать, что у теплообменника с прямыми перегородками скорость течения жидкости (Vmax=1,895 м/c; Vmin=0,003 м/c) больше, чем у теплообменника с перегородками расположенными под углом в 40о (Vmax=0,955 м/c; Vmin=0,002 м/c). Также высокая скорость повлияла на степень завихрения, у теплообменника с прямыми перегородками Smax = 587,16; Smin = 48,93 ед., а у теплообменника с перегородками расположенными под углом в 40о Smax = 155,57; Smin = 13,13 ед. Тем самым более высокая степень завихрения создаёт у жидкости, более турбулентный поток, при котором жидкость смешивается быстрее. Поэтому у теплообменника с прямыми перегородками теплообмен происходит качественнее и разница температур на выходе из труб достигает 1оС.
Литература:
- Хафзетдинов Т. Р., Лобанов М. А. Современный метод проектирования и анализа конструкции новейшей теплообменной аппаратуры // Материалы III Всероссийской научно-практической молодежной конференции с международным участием «Современные технологии композиционных материалов”. — Уфа: РИЦ БашГУ, 2018. — С. 298–303.
- Латыпов Г. Р., Лобанов М. А., Хафзетдинов Т. Р. Разработка двухконтурного испытательного стенда для оценки тепловой эффективности и гидравлических сопротивлений теплообменных аппаратов // Доклады Башкирского Государственного университета. — 2018. — № 1, Т.3. — С. 6–11.
