Рис. 1. Поверхность с треугольными кольцевыми впадинами и выступами
Рис. 2. Поверхность с кольцевыми впадинами и выступами
Рис. 3. Пружинно-витой канал
Рис. 4. Теплообменный элемент с пружинным интенсификатором
Рис. 5. Теплообменный элемент с выступами и лысками
Рис. 6. Змеевиковый пружинно-витой канал
Рис. 7. Кожухотрубчатый теплообменник
Важным направлением решения задач ресурсои энергосбережения является разработка и внедрение новых видов развитых конвективных поверхностей теплообмена, отличающихся высокой теплогидродинамической эффективностью, технологичностью и невысокой стоимостью. В различных отраслях промышленности и ЖКХ одним из наиболее распространенных видов технологического оборудования являются теплообменные аппараты скоростного типа.
Внедрение эффективных и дешевых теплообменников с трубными пучками, выполненными в виде интенсифицированных теплообменных труб, приведет к существенной экономии материальных и энергетических ресурсов. Улучшение теплогидродинамических характеристик поверхностей нагрева возможно несколькими способами [1], одним из которых является развитие внутренней и наружной поверхностей труб радиальным вдавливанием участков стенки трубы с образованием впадин и выступов различного профиля (рис. 1).
Это позволяет получить существенное развитие поверхностей, омываемых теплоносителями внутри и снаружи, а также интенсифицировать теплообмен за счет турбулизации потоков в выемках и впадинах [2]. 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:
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
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:
Получить степень развития поверхности ψ > 2 возможно за счет дальнейшего уменьшения угла β. Тогда профиль наружной и внутренней поверхностей соответствует профилю поперечнооребренной трубы, где значительно ухудшаются условия теплообмена на внутренней и внешней поверхностях, что указывает на нецелесообразность бесконечного снижения значений угла β [2]. 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:
В этом случае 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 [2].
В целях улучшения внутренней гидродинамической обстановки целесообразно, на авторский взгляд, формировать поверхности теплообмена в виде винтообразных впадин и выступов, что приведет к закрутке потока внутри трубы, и, как следствие, к интенсификации теплообмена. Заметим также, что закрутка потока позволяет уменьшить солеотложения на внутренних поверхностях. В работе [3] показано, что с течением времени термическое сопротивление слоя солеотложений внутри этих труб асимптотически приближается к своему постоянному значению, что не наблюдается на внутренних поверхностях гладких круглых труб.
Интенсификация теплообмена в трубах позволяет уменьшить минеральные отложения на внутренней поверхности примерно в пять раз по сравнению с гладкими круглыми трубами [3]. В связи с этим представляет практический интерес предлагаемый авторами класс пружинно-витых каналов, витки которых выполнены из проволоки различного поперечного сечения и жестко скреплены лазерной сваркой [4–9]. На рис. 3 представлен пружинно-витой канал, выполненный из проволоки круглого сечения.
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. Так, например, для пружинно-витого канала, выполненного из проволоки круглого сечения, это отношение равно:
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 [5] установить в проточной части теплообменного элемента 1 интенсификаторы 2, выполненные в виде спиральных пружинно-витых элементов, жестко закрепленных между витками тугой пружины (рис. 4).
Спиральные пружинно-витые интенсификаторы 2, показанные на рис. 4, выполнены из элементов прямоугольного сечения и выполняют, кроме того, роль внутреннего оребрения. Концы такого теплообменного элемента снабжены патрубками 3 для последующей их развальцовки в трубных плитах кожухотрубных теплообменников. Пружинно-витые интенсификаторы 2 устанавливают путем ввинчивания их в зазоры между витками растянутого пружинно-витого теплообменного элемента 1 с последующим их жестким креплением между витками.
Для увеличения эффективности теплообмена предложено также устанавливать в проточной части канала непрерывные спиральные интенсификаторы с отштампованными лепестками, отогнутыми по направлению закрутки потока [6]. А в работе [7] предложено проточную часть пружинно-витой трубы выполнить в виде чередующихся с заданным шагом выступов 1 и лысок 2 (рис. 5). Сочетание зон выступов и лысок с заданным шагом способствует быстрому выравниванию поля температур в проточной части трубы и обеспечивает высокую эффективность теплообмена.
Предлагается также конструкция пружинно-витого канала, имеющая конфузорно-диффузорные элементы [8]. На базе рассмотренных пружинновитых каналов предложена серия теплообменных аппаратов. На рис. 6 представлен змеевиковый теплообменник типа «труба в трубе» [9]. Внутренняя труба выполнена в виде пружинно-витого канала круглого или эллиптического сечения, а внешняя — из гладкой цилиндрической трубы. Змеевиковый теплообменник работает следующим образом: во внутреннюю трубу подается вода, а в межтрубное пространство в противоток — насыщенный пар.
При таком конструктивном решении жидкость движется по сложной траектории. Во-первых, по виткам проточной части внутреннего змеевика, где реализуется закрученное течение жидкости по внутренним впадинам пружинновитого канала, и, во-вторых, по винтовой линии, определяемой витками самого змеевикового теплообменного элемента. В межтрубном пространстве из-за внешнего винтового оребрения внутреннего змеевика реализуется закрученное течение со сложной трехмерной вихревой структурой, что интенсифицирует теплообменные процессы, протекающие в межтрубном пространстве.
В связи с этим змеевиковые теплообменники на базе пружинно-витых каналов обеспечивают высокие коэффициенты теплоотдачи на внутренней и внешней стенках змеевиковых элементов, что позволяет существенно увеличить коэффициенты теплопередачи и тем самым снизить габаритные размеры аппарата в сравнении с известными теплообменными устройствами этого класса. На рис. 7 представлен кожухотрубный теплообменник [10], содержащий корпус и трубные решетки, в которых закреплен трубный пучок, выполненный из теплообменных элементов типа «труба в трубе».
Внешние трубы теплообменных элементов пучка закреплены в дополнительных трубных решетках, установленных в корпусе между трубными решетками внутренних трубок теплообменного элемента пучка. Внутренние трубки могут быть или пружинно-витыми — рис. 7а, или в форме витых труб «конфузор-диффузор» — рис. 7б. Благодаря этому в стесненном кольцевом межтрубном пространстве теплообменного элемента типа «труба в трубе» реализуется эффект закручивания теплоагента на внешней стенке трубы, что вызывает срыв конденсатной пленки с поверхности трубок и переход пленочной конденсации в «пленочно-капельную» или «капельную», вызывая рост коэффициентов теплоотдачи.
Эта конструкция может быть использована для нагрева высоковязких и аномально-вязких сред, так как быстрый разогрев среды позволяет обеспечить высокие циркуляционные токи в проточной части внутренних трубок, вызывая рост коэффициентов теплоотдачи от внутренней стенки трубы в ядро потока. Рост коэффициентов теплоотдачи способствует общему увеличению коэффициента теплопередачи в теплообменнике, что положительно отразится на его габаритных размерах и гидравлических характеристиках.
Таким образом, предложенные пружинно-витые каналы имеют высокую степень развития поверхности, а интенсификация теплообмена в таких каналах позволяет существенно (примерно в пять раз) уменьшить минеральные отложения на внутренней поверхности по сравнению с гладкими круглыми трубами. Металлоемкость конструкций снижается как минимум на 27 %. В связи с развитием и использованием нанотехнологий в процессе производства появляется возможность изготовления таких труб из цветных металлов (алюминий, латунь, медь).
Следует отметить, что рассматриваемые конфигурации пружинно-витых каналов могут применяться в теплообменных аппаратах как гравитационного, так и ротационного типов. В настоящее время для проведения систематических экспериментальных исследований предлагаемых конструкций теплообменных элементов на базе ОАО «ПО ЕлАЗ» создается экспериментальная установка. Будет проведена оценка гидравлических сопротивлений и теплообменных характеристик проточной части проектируемых теплообменных элементов [11].
