Теория вопроса
Интенсификация теплообмена связана с организацией турбулентного режима течения жидкости в теплообменном аппарате. Этот режим обусловлен геометрическими характеристиками канала, скоростью тока теплоносителя и его кинематической вязкостью (число Рейнольдса). Другими словами, чем скорость тока выше, а поверхность обтекания сложнее, тем более вероятен турбулентный режим течения.
Практически все средства интенсификации теплообмена направлены на создание дополнительной турбулизации в канале для теплоносителя, поэтому наиболее популярным способом является нанесение шероховатости на поверхности теплообмена. Основная проблема, которую необходимо решить инженерам демонстрирует простейшая аналогия Рейнолдьса(а) и кривая Нуннера (б).
Где Nu, Cf число Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи) и коэффициент трения на поверхности с интенсификаторами теплообмена, Nu0, Cf0 число Нуссельта и коэффициент трения на гладкой поверхности.
Данные уравнения показывают неразрывную связь между интенсификацией теплообмена и ростом гидравлического сопротивления.
Практика применения
В пластинчатом разборном теплообменном аппарате поверхность нагрева можно увеличить навеской дополнительного пакета пластин в раму. Однако это ведет и к увеличению проходного сечения каналов для теплоносителя, что снижает скорость тока и, как следствие, коэффициент теплопередачи.
Для изменения теплогидравлических характеристик классической пластины с шевронным профилем производители предлагают решения с разным углом рифления. Обычно это два угла рифления, которые могут в сумме составить каналы трех и более типов, и разной глубиной штамповки для увеличения или заужения канала.
Эволюция данного типа рифления в конечном итоге выявила многие недостатки конструкции. Это наличие застойных зон в периферийной части пластины, трудно решаемые посредством использования распределительных площадок. Большие механические напряжения в зоне контакта двух пластин, обусловленные формой шевронного рифления, приводят к увеличению толщины металлического листа и термического сопротивления между двумя тепло обменивающимися средами. Соотношение роста гидравлического сопротивления к росту коэффициента теплоотдачи не является оптимальным.
Экспериментально установлено
Необходимо было искать новые подходы. На Рис. 1 приведены результаты экспериментального анализа различных способов интенсификации теплообмена (Бурцев С. А., 2013). Более всего интересны следующие области: 6, 6а, 6b – сферические углубления на поверхности (однофазный теплообмен); [экспериментальные данные получены: Moon H.K., O'Konnel T., Glezer B.]; 12 – сферические углубления (фазовый переход - кипение); a: линия аналогии Рейнольдса.
Рис. 1 Сравнительный анализ различных способов интенсификации теплообмена
Наиболее оптимальным является средство интенсификации, область данных которых находится над кривой аналогии Рейнольдса. Обычно подобные результаты показывают средства вихревой интенсификации теплообмена.
При использовании сферических углублений росту теплообмена соответствует практически равноценный рост гидравлического сопротивления, в отличие от прочих средств интенсификации, когда рост гидравлического сопротивления существенно опережает рост коэффициента теплоотдачи.
Использование дискретных шероховатостей имеет большой потенциал: коэффициент теплопередачи увеличивается без существенного роста гидравлического сопротивления и размеров теплообменника.
Преимущества технологии
Сферические углубления предоставляют значительный уровень свободы в разработке пластин, так как переменными величинами являются глубина штамповки, относительный шаг расположения, тип расположения - шахматный, коридорный или комбинированный, форма углубления - сферическая, овальная. Более сложная структура тока по пластине позволяет увеличить эквивалентную термическую длину без физического увеличения ее размера, т.е. теплообменный аппарат уменьшается в габаритах. Среди плюсов новой технологии гибкая настройка тепло гидравлических характеристик пластины под конкретные условия работы.
Увеличение точек касания пластин между собой за счет использования углублений различной формы повышает механическую прочность пластины. Точки касания можно размещать относительно произвольно, увеличивая их количество там, где это необходимо. Плоские контактные площадки способствуют разгрузке пластины от касательных напряжений в зоне контакта пластин . В результате в металле присутствует только нормальная составляющая напряжений, а не совокупность касательных и нормальных, как это происходит в точке касания округлых вершин шевронных профилей.
Увеличение количества точек контакта так же позволяет сделать пластину более тонкой при сохранении ее прочностных характеристик. Снижение толщины ведет к уменьшению веса теплообменных аппаратов, что актуально при монтаже в стесненных условиях или при использовании аппаратов с большим пакетом пластин. Вес пакета таких пластин снижается до 30% в сравнении с шевронным рифлением.
Теплопередающая поверхность пластины становится более эффективной за счет равномерного протока теплоносителя. При использовании углублений вместо шеврона нет существенной зависимости гидравлического сопротивления от угла набегания, есть лишь обычная зависимость гидравлического сопротивления от длины траектории пробега объема теплоносителя. Благодаря этому гидравлические сопротивления основной линии тока и периферийной для пластины с углублениями практически идентичны и скорость на пластине более равномерна, без ярко выраженных минимумов и максимумов.
На Рис.2 условно приведено ядро потока, имеющее наибольшую скорость тока и наибольший коэффициент теплоотдачи. Синим цветом обозначено ядро потока на лицевой стороне пластины, желтым - на тыльной стороне. В зоне пересечения данных потоков (обозначена зеленым) коэффициент теплопередачи максимален. Данное пересечение имеет значительно меньшую площадь у теплообменника с шевронной пластиной.
Рис.2 Эффективная поверхность теплопередачи (обозначена зеленым) у шевронной пластины и пластины Micro plate
В теплообменной поверхности нового типа при соприкосновении двух пластин с дискретными шероховатостями образуется канал формы «сопло-диффузор». Последовательность «сопло-диффузор» обеспечивает микропульсации потока, которые помогают эффективнее смывать загрязнения с пластины. Это минимизирует затраты на обслуживание теплообменного аппарата.
Все достоинства дискретных шероховатостей как средства интенсификации теплообмена реализованы в новых пластинчатых теплообменных аппаратах компании «Данфосс», созданных с использованием запатентованной технологии Micro plate. Инновационная технология адаптирована для сегментов тепло и холодоснабжения.
Теплообменники под торговой маркой Micro plate паяных и разборных типов уже применяются на российском рынке, позволяя использовать все перечисленные преимущества в различных инженерных системах.
