Особенности создания и использования эффективных теплообменных аппаратов
Авторы: Агзамов Шавкат Козимович, Неъматова Севинар Бахтияровна
Рубрика: Энергетика
Опубликовано в Техника. Технологии. Инженерия №2 (16) май 2020 г.
Дата публикации: 20.04.2020
Статья просмотрена: 124 раза
Библиографическое описание:
Агзамов, Ш. К. Особенности создания и использования эффективных теплообменных аппаратов / Ш. К. Агзамов, С. Б. Неъматова. — Текст : непосредственный // Техника. Технологии. Инженерия. — 2020. — № 2 (16). — С. 19-23. — URL: https://moluch.ru/th/8/archive/165/5144/ (дата обращения: 19.04.2024).
В статье рассматриваются особенности создания и использования эффективных теплообменных аппаратов. Представлен конструкции труб с развитой поверхностью теплообмена. Приведен порядок определения степени развитости поверхности теплообменника, коэффициента теплопередачи, а также расчет уравнения теплопередачи. В результате создания эффективных теплообменников используются три основные параметра: наружный диаметр труб; расчетная скорость потока; число Прандтля
Ключевые слова: теплообменный аппарат, коэффициент теплопередачи, критерий Нуссельта.
Теплообменный аппарат будет легче переносить тепло, если теплоносителя с более высокими значениями температуры и давления направить внутрь труб. Это позволяет в первом случае расходовать остродефицитные высоколегированные стали только для трубной решетки, а кожух делать из более простых материалов. Во втором случае облегчается чистка труб в процессе эксплуатации теплообменников. Как правило, среды, по которым лимитируются потери давления (а это обычно газообразные среды с меньшим давлением), удобнее размещать снаружи труб; меняя шаги размещения труб в пучке, число ходов в межтрубном пространстве, можно выдержать заданные потери давления.
Если один из теплоносителей испаряется или конденсируется, то его удобнее направить в межтрубное пространство, в противном случае, как правило, неизбежно неравномерное распределение расхода теплоносителя по трубам и снижение эффективности работы аппарата.
Несмотря на разнообразие используемых теплообменников, можно кратко сформулировать предъявляемые к ним основные требования теплового, гидродинамического, конструктивного, эксплуатационного и технологического характера:- максимальная компактность, т. е. аппарат при заданных значениях тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей имеет малый вес и габаритные размеры.
Решение вопроса о том, какой теплоноситель следует направить внутрь труб, а какой снаружи, зависит от давления и температуры сред, удобства компоновки аппарата в той технологической схеме, в которой он работает, от агрессивности теплоносителя и загрязняемой им поверхности теплообмена, от допустимых потерь давления по теплоносителю. Из всех существующих типов рекуперативных аппаратов пластинчато-ребристые обладают наибольшей компактностью, они позволяют разместить в 1 м3 объема аппарата до 1500 м2 поверхности теплообмена. Корпусы таких аппаратов обычно делаются прямоугольными, что исключает их использование при высоких температурах и давлениях теплоносителей.
Одной из разновидностей трубчатых аппаратов являются трубчато-ребристые. Они используются в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи снаружи труб во много раз меньше коэффициента теплоотдачи внутри труб. Увеличение поверхности теплообмена снаружи труб и дополнительная турбулизация потока ребрами позволяют значительно увеличить теплосъем с поверхности теплообменных труб.
Улучшение тепло гидродинамических характеристик поверхностей нагрева возможно несколькими способами, одним из которых является развитие внутренней и наружной поверхностей труб радиальным вдавливанием участков стенки трубы с образованием впадин и выступов различного профиля (рис. 1).
Рис. 1. Схема поверхности теплообменного аппарата с треугольными кольцевыми впадинами и выступами [1]
Увеличение поверхности теплообменного аппарата позволяет получить существенное развитие поверхностей, омываемых теплоносителями внутри и снаружи, а также интенсифицировать теплообмен за счет турбулизации потоков в выемках и впадинах.
Если представить приближенно профиль поверхности как последовательность треугольных выступов и впадин и пренебречь толщиной оболочки, то несложный геометрический анализ показывает, что степень развития поверхности канала ψ = Fтр/Fгл зависит от угла при вершине треугольного выступа β (0 < β < π) и его высоты h:
; (1)
где Fтр — площадь поверхности трубы с треугольными выступами и впадинами; Fгл — площадь поверхности гладкой трубы. Функция y = 1/sin(β/2) минимальна (равна 1) при β = π и стремится к бесконечности при β → 0. За счет уменьшения угла β можно получить существенное увеличение теплообменной поверхности. Так, если взять профиль выступа в виде равнобедренного треугольника с прямым углом при вершине β = π/2, то степень развития поверхности составит
(2)
Отсюда следует, что максимальная (предельная) степень развития поверхности, равная ψпред = √ 2, достигается при величине h → 0, когда число выступов на единице длины трубы стремится к бесконечности. Если взять за основу равносторонний треугольник (β = π/3), то формула (1) приобретает вид:
(3)
Получить степень развития поверхности ψ > 2 возможно за счет дальнейшего уменьшения угла β. Тогда профиль наружной и внутренней поверхностей соответствует профилю поперечно оребренной трубы, где значительно ухудшаются условия теплообмена на внутренней и внешней поверхностях, что указывает на нецелесообразность бесконечного снижения значений угла β.
Если представить профиль поверхности как последовательность полукруглых выступов и впадин (рис. 2) и пренебречь толщиной оболочки, то можно показать, что степень развития поверхности канала ψ зависит только от диаметра полукруглого выступа:
(4)
В случае (4) максимальная степень развития поверхности, равная ψпред = π/2, достигается при d → 0, когда число выступов на единице длины трубы стремится к бесконечности. Любое заметное (ψ > 1,15) двухстороннее развитие поверхности целесообразно, так как прямым образом влияет на увеличение передаваемого теплового потока и обеспечивает соответствующее снижение металлоемкости теплообменника.
Рис. 2. Схема конструкций теплообменных труб с развитой поверхностью теплообмена [1]: а — поперечное винтовое оребрение; б — поперечные кольцевые ребра; в — спиральные ребра; г — продольное оребрение; д — оребрение с помощью продольно приваренных проволок; е, ж — проволочное оребрение: кольцевое или спиральное
Наличие на наружной поверхности труб оребрения заставляет увеличивать шаг размещения труб в пучке и меняет технологию сборки трубчатых аппаратов.
Интенсификация теплообмена в трубах позволяет уменьшить минеральные отложения на внутренней поверхности примерно в пять раз по сравнению с гладкими круглыми трубами. В связи с этим представляет практический интерес предлагаемый учеными класс пружинно-витых каналов, витки которых выполнены из проволоки различного поперечного сечения и жестко скреплены лазерной сваркой. На рис. 3 представлен пружинно-витой канал, выполненный из проволоки круглого сечения.
Рис. 3. Схема пружинно-витого канала [1]
Степень развития поверхностей ψ пружинно-витых каналов определяется выражениями (1) и (2). В отличие от цилиндрических каналов конфигурация пружинно-витых труб обеспечивает снижение металлоемкости по сравнению с гладким каналом в среднем на 27 %.
Действительно, отношение массы материала, требуемого для изготовления труб одинаковой длины, равно отношению площадей поперечных сечений этих каналов [1].
Так, например, для пружинно-витого канала, выполненного из проволоки круглого сечения, отношение равно:
(5)
где Мгл — масса гладкой трубы; Мкр — масса пружинно-витого канала, выполненного из круглого сечения; S — площадь поперечного сечения стенки гладкой трубы Sгл и пружинно-витого канала Sкр, соответственно. В целях интенсификации теплообмена за счет турбулизации течения предложено установить в проточной части теплообменного элемента 1 интенсификаторы 2, выполненные в виде спиральных пружинно-витых элементов, жестко закрепленных между витками тугой пружины (рис. 3).
В связи с развитием и использованием нанотехнологий в процессе производства появляется возможность изготовления таких труб из цветных металлов (алюминий, латунь, медь).
Определение коэффициента теплопередачи
Для элемента поверхности теплообмена dF уравнение теплопередачи в дифференциальной форме записывается в виде
dQ = К ∆ТdF, Вт, (6)
где К — коэффициент теплопередачи, Вт/м2К); ∆Т = ТГ — ТХ — текущий температурный напор. Суммарный поток тепла через поверхность теплообмена
Q= Вт, (7)
Для определения Q, необходимо знать распределение К и ∆Т по поверхности теплообмена. Для однофазных теплоносителей коэффициент теплопередачи обычно изменяется незначительно и поэтому принимается постоянным по всей поверхности теплообмена. Тогда
Q= Вт, (8)
где средний по поверхности теплообмена температурный напор
(9)
Уравнение (1.3) является уравнением теплопередачи. Оно позволяет при конструкторском расчете определить поверхность теплообмена F.
Расчет уравнения теплопередачи
Если в теплообменном аппарате коэффициент теплопередачи существенно изменяется на отдельных участках поверхности теплообмена (как, например, для аппаратов с кипением или конденсацией теплоносителя на части поверхности), вводится средний по поверхности коэффициент К [3].
Для плоской стенки коэффициент теплопередачи
K= (10)
где , - коэффициенты теплоотдачи, Вт/м2К;-толщина стенки;
— коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м* К;
Для цилиндрической стенки при отнесении теплового потока соответственно к внутренней и наружной поверхности
K1 = ; ; (11)
K2 = ; ; (12)
где , коэффициенты теплоотдачи внутри и снаружи трубы, Вт/м2К;
d1 и d2 — внутренний и наружный диаметры.
Если 1,8, то вполне допустимо использование определения К по формуле для плоской стенки (10), т. е.
Q= Вт, (13)
где d0 = при d0 = при d0= 0,5 ( + ) при ; здесь L — длина труб.
Если ввести линейный коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки
= ; ; (14)
то
Q = Вт, (15)
Необходимые для определения коэффициентов теплоотдачи расчетные зависимости приводятся в учебниках, монографиях, справочниках, например в [4].
В [4] приведены рекомендации для расчета теплоотдачи в трубах, кольцевых и плоских каналах, продольно омываемых пучках труб.
В теплообменных аппаратах используются также поперечно обтекаемые пучки гладких труб с шахматным и коридорным расположением. Средняя теплоотдача для многорядных пучков гладких труб (Z > 10) определяется по формуле [4]:
= С (Prf / Prw) 0.25, (16)
где для коридорных пучков при = ..,.коэффициенты с = 0,56 и n= 0,5. при = с = 0,2; п = 0,65 для 2 и C =0.2 ; п = 0,65; при S 2 / < 2; причем для S 2 / 1,5 принимается С = 0,2; при S 2 / > 3 принимается S 2 / = 3. При коэффициенты С = 0,02; п. = 0,84. Для шахматных пучков при = С = 0,64; n = 0,5 при = — и
коэффициенты C =0,23+0,06 п= 0,6; при > 2*105 коэффициенты С = 0,023; п = 0,84.
Таким образом за определяющий размер принят наружный диаметр труб DH, за расчетную скорость потока — средняя скорость в узком поперечном сечении пучка, за определяющую температуру — средняя температура потока , а число Прандтля определяется по средней температуре стенки. Для газов = 1
Литература:
- Халисматов И. Х., Агзамов Ш. К., Наубеев Т. Х., Сапашов И. Я., Абдикамалов Д. Х. Эффективность использования воздушного охлаждения.//International Scientific and Practical Conference «WORLDSCIENCE». № 3(7).Vol 1, March 2016. 47–52 с.
- Писменный Е. Н., Баранюк М. М., Вознюк М. М. Равноразвитые поверхности теплообмена и методика численных их теплогидравлических характеристик //Промышленная теплотехника, / 2012. № 1. 13–18 с.
- Дзюбенко Б. В. Влияние закрутки потока на тепломассообмен в условиях солеотложений в витых трубах// Труды IV-й Рос. нац. конф. по теплообм.:Т.6. Дисперсные потоки и пористые среды. Интенсификация теплообмена. -М.: Изд-во МЭИ, 2006.- 312 с.
- Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. — М.: Машиностроение, 1981. — 205 с.
- Успехи теплопередачи. Т.2 Интенсификация теплообмена / под ред. Э.К Калинина // Вильнюс, «Мокслас», 1988 г.-187 с.
Похожие статьи
Выбор и сравнение эффективности методов интенсификации...
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...
Интенсификация теплообмена в каналах | Статья в журнале...
Клачак А. Теплопередача в трубах с проволочными и ленточными турбулизаторами... Интенсификация теплообмена в пружинно-винтовых каналах. Одним из путей решения проблемы интенсификации процесса теплообмена является создание малогабаритной...
Алгоритм расчет теплообменного аппарата | Статья в журнале...
Алгоритм расчет теплообменного аппарата. Автор: Смирнов Михаил Николаевич.
где – коэффициент теплоотдачи от газов к стенке; Ɛ – коэффициент загрязнения в зависимости от скорости течения газов в трубе; – отношение толщины стенки к коэффициенту...
Расчет рабочих характеристик контурных тепловых труб
Процесс теплопередачи через стенки труб и слой теплогидроизоляционной конструкции, применяемых при строительстве и эксплуатации
Где, соответственно – число Нуссельта для одиночной трубы, – коэффициент структуры для... Интенсификация теплообмена в каналах...
Экспериментальное исследование коэффициента теплоотдачи...
В настоящее время на производство теплообменного оборудования расходуется огромное количество легированных и цветных металлов. Поэтому, при проектировании и изготовлении современных теплообменников необходимо стремится к тому, чтобы они...
Сравнение пластинчатых и кожухотрубных теплообменных...
Коэффициент теплопередачи у водяных пластинчатых водоподогревателей систем горячего водоснабжения, при поверхности теплообмена. Малый запас ∆S создаст необходимость частых промывок теплообменника, повышая эксплуатационные затраты, и уменьшит...
Повышение эффективности конвективного теплообмена в котлах...
Ключевые слова: тепловой поток, поверхность, гладкая труба, потенциальный центр парообразования, коэффициент
Интенсификация теплообмена в теплообменных аппаратах имеет большое
Интенсификация теплообмена в пружинно-винтовых каналах.
Численное моделирование процессов теплообмена на примере...
В статье рассматривается численное моделирование процессов теплопередачи на примере кожухотрубного теплообменного аппарата (ТОА). Производится сравнение расчетов проведенным в программной среде MS Excel c расчетами, полученными при численном...
Исследование зависимости коэффициента теплоотдачи пучка...
Необходимо отметить тот факт, что коэффициент теплоотдачи увеличивается от первого ряда трубного пучка к пятому и остается неизменным в последующих рядах. Поэтому при расчете средних чисел Нуссельта для пучка из десяти и более рядов труб нет необходимости...
Похожие статьи
Выбор и сравнение эффективности методов интенсификации...
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...
Интенсификация теплообмена в каналах | Статья в журнале...
Клачак А. Теплопередача в трубах с проволочными и ленточными турбулизаторами... Интенсификация теплообмена в пружинно-винтовых каналах. Одним из путей решения проблемы интенсификации процесса теплообмена является создание малогабаритной...
Алгоритм расчет теплообменного аппарата | Статья в журнале...
Алгоритм расчет теплообменного аппарата. Автор: Смирнов Михаил Николаевич.
где – коэффициент теплоотдачи от газов к стенке; Ɛ – коэффициент загрязнения в зависимости от скорости течения газов в трубе; – отношение толщины стенки к коэффициенту...
Расчет рабочих характеристик контурных тепловых труб
Процесс теплопередачи через стенки труб и слой теплогидроизоляционной конструкции, применяемых при строительстве и эксплуатации
Где, соответственно – число Нуссельта для одиночной трубы, – коэффициент структуры для... Интенсификация теплообмена в каналах...
Экспериментальное исследование коэффициента теплоотдачи...
В настоящее время на производство теплообменного оборудования расходуется огромное количество легированных и цветных металлов. Поэтому, при проектировании и изготовлении современных теплообменников необходимо стремится к тому, чтобы они...
Сравнение пластинчатых и кожухотрубных теплообменных...
Коэффициент теплопередачи у водяных пластинчатых водоподогревателей систем горячего водоснабжения, при поверхности теплообмена. Малый запас ∆S создаст необходимость частых промывок теплообменника, повышая эксплуатационные затраты, и уменьшит...
Повышение эффективности конвективного теплообмена в котлах...
Ключевые слова: тепловой поток, поверхность, гладкая труба, потенциальный центр парообразования, коэффициент
Интенсификация теплообмена в теплообменных аппаратах имеет большое
Интенсификация теплообмена в пружинно-винтовых каналах.
Численное моделирование процессов теплообмена на примере...
В статье рассматривается численное моделирование процессов теплопередачи на примере кожухотрубного теплообменного аппарата (ТОА). Производится сравнение расчетов проведенным в программной среде MS Excel c расчетами, полученными при численном...
Исследование зависимости коэффициента теплоотдачи пучка...
Необходимо отметить тот факт, что коэффициент теплоотдачи увеличивается от первого ряда трубного пучка к пятому и остается неизменным в последующих рядах. Поэтому при расчете средних чисел Нуссельта для пучка из десяти и более рядов труб нет необходимости...