Повышение теплоотдачи рекуперативных теплообменников

С внедрением в практику мероприятий по энергосбережению насыщенность систем ОВК рекуперативными теплообменниками значительно возросла. Это обстоятельство предопределило тенденцию увеличения капитальных затрат, повышения металлоемкости и потребности в строительных площадях. В связи с этим на повестку дня с особенной значимостью встает вопрос оптимизации рекуперативных теплообменников — снижения металлоемкости, повышения теплоотдачи без увеличения габаритных размеров.

Основные направления, по которым решаются эти вопросы, — интенсификация теплообмена со стороны воздуха, придание поверхности теплообмена различных форм и конструкций, турбулизирующих пограничный слой, поиск геометрических размеров оребрения, при которых на создание поверхности теплообмена требуется минимальное количество материала, изменение компоновки пучка теплообменных трубок теплообменников, перераспределение потока теплоносителя в теплообменнике между отдельными ходами, обеспечивающими наиболее эффективное использование температурных потенциалов теплообменивающихся сред. Поиски по каждому из перечисленных направлений позволяют в известной мере совершенствовать теплотехнические характеристики теплообменников.

В настоящей работе автор предлагает еще одно из возможных направлений, обеспечивающее повышение теплоотдачи теплообменников независимо от достигнутых теоретических и экспериментальных успехов по перечисленным выше направлениям. Суть предлагаемого направления сводится к оптимальному перераспределению внутренней и внешней поверхностей теплообмена при неизменной ее величине и длине теплообменной трубки. Рассмотрим теплообменную трубку, имеющую как внутреннее, так и внешнее (наружное) оребрение. Согласно теории теплообмена [1] удельный тепловой поток выражается как:

где α — коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м2⋅К); η — коэффициент термической эффективности; x — отношение поверхностей к суммарной поверхности Fс: xнар = Fнар/Fс и xтр = Fтр/Fс, где Fc = Fвн + Fнар; δ — толщина стенки, м; λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К); Δt — разность температур теплообменивающихся сред; индексы: вн — внутренний, нар — наружный, тр — труба. А коэффициент оребрения: Ψ = Fнар/Fвн.

Коэффициент qo по своей природе определяет количество теплоты, проходящее в оребренной трубке через 1 м2 с суммарной поверхностью Fс при разности температур теплообменивающихся сред 1 К. Если принять, что имеет место Fс = Fвн + Fнар = const и xтр = Fтр/Fс, то зависимость (1) принимает максимальное значение при:

При данном распределении поверхностей теплообмена величина коэффициента qo принимает максимальное значение, соответственно, при:

Для большей наглядности по зависимостям (2) и (3) составлены таблицы, в которых практически для всех возможных сочетаний αвнηвн/αнарηнар определены хопт.нар и qo.max. В таблицах величина α охватывает диапазон от величины коэффициентов теплоотдачи воздуха при естественной конвекции (5) до максимальных величин, имеющих место при конденсации пара или кипения (10 000) на внутренней или наружной сторонах, соответственно.

Единица в табл. 1 указывает на то, что одна из поверхностей теплообмена бесконечно мала, а другая оценивается порядка 999 после запятой и является результатом округления компьютера. В табл. 3 дан перевод величины хнар в более привычную величину — коэффициент оребрения Y. Из приведенного следует, что, например, любой воздухоподогреватель определенного конструктивного выполнения однозначно обусловливает аэрогидродинамические условия движения теплообменивающихся сред, при которых теплообменник будет обеспечивать максимальный удельный теплосъем qo.max.

Это является расчетным режимом данного воздухоподогревателя, все другие режимы являются эксплуатационными (для имеющихся промежуточных температурных условий). В связи с этим для оценки совершенства теплообменников, применяемых в конкретных условиях, следует оценить отличие реальной удельной тепловой напряженности qo суммарной поверхности рассматриваемого воздухонагревателя с максимально возможной qo.max:

ϕ = qo/qo.max. (4)

Проиллюстрируем на конкретном примере: тип оребрения — накатное, внутренний диаметр трубки — 0,013 м; наружный диаметр ребра — 0,039 м; внутренний диаметр ребра — 0,018 м; толщина ребра у основания — 0,001 м; толщина ребра на торце — 0,0005 м; шаг ребер — 0,003 м; наружная площадь нагрева 1 п.м. элемента — 0,737 м2; внутренняя площадь нагрева — 0,041 м2; суммарная площадь нагрева — 0,778 м2; доля наружной поверхности в суммарной — 0,948; коэффициент оребрения — 18,055.

Как ясно видно, воздухоподогреватель обозначенной конструкции теплотехнически целесообразен для зоны коэффициентов теплоотдачи, обозначенных одной или двумя звездочками маркируется предполагаемое сочетание коэффициентов теплоотдачи, при которых ожидается работа воздухоподогревателя.

В результате можно сделать вывод, что предлагаемая конструкция воздухоподогревателя в реальном диапазоне изменения a имеет эффективность на 15–64 % ниже теоретически возможной, то есть данный воздухоподогреватель для целей подогрева воздуха в системах ОВК не совсем рационален. В табл. 5 приведены удельные значения теплосъема с суммарной поверхности теплообмена при различных долях наружной поверхности, которые могут быть рекомендованы при конструировании воздухоподогревателей для систем отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК). Вообще, с точки зрения эффективного использования теплотехнического оборудования желательно для всех режимов его эксплуатации обеспечивать следующее условие:

Это возможно только при качественном регулировании параметров теплоносителя, что имеет место в холодный период года в системах теплоснабжения. В другие периоды года приходится переходить на количественный способ регулирования. Современные воздухоподогреватели конструктивно представляют трубку, на которую тем или иным способом прикреплено оребрение. Ассортимент трубок, используемых в воздухоподогревателях, не очень большой.

В связи с этим представляется возможным оценить целесообразность распределения поверхностей теплообмена между внутренней и внешней поверхностями. Результаты такой оценки представлены в табл. 6. Данные табл. 6 показывают, что для всех оптимальных значений доли наружного оребрения (отмечено звездочкой) в воздухоподогревателях необходимо предусматривать оребрение внутренней поверхности. Причем требуемая величина оребрения внутренней поверхности увеличивается, если в конструкции воздухоподогревателя используются трубки малого диаметра.

Кроме того, данные таблицы указывают на то, что если требуется выполнять воздухоподогреватель без оребрения внутренней поверхности, то во всех случаях трубка должна быть внутренним диаметром более 17 мм, а доля наружной поверхности в суммарной — выше 0,9. Однако, удельные значения теплосъема будут ниже оптимальных.

Оребрение внутренней поверхности ведет к повышению αвн и, соответственно, к увеличению удельного теплосъема с единицы суммарной поверхности теплообмена и оптимального значения доли наружной поверхности теплообмена в суммарной. Изложенное выше и приведенные зависимости с таблицами убедительно дают основание сделать следующие важные выводы:

1. Каждая конструкция теплообменника (воздухоподогревателя) теплотехнически оптимальна только для одного конкретного значения распределения поверхностей нагрева на наружной и внутренней сторонах, обусловленного гидродинамическими условиями течения теплообменивающихся сред.
2. Поскольку гидродинамические условия теплообмена обусловлены конструктивными элементами теплообменника (диаметр трубки, шаг оребрения, живые сечения для прохода теплообменивающихся сред и т.д.), каждый теплообменник должен быть сконструирован для вполне определенных (конкретных для данного случая расчетных) условий — тепловая нагрузка, расчетные параметры теплообменивающихся сред — и характеризоваться вполне определенным значением максимального удельного теплосъема с единицы суммарной поверхности теплообмена.
3. Приводимые в литературе данные по коэффициентам теплопередачи, в частности, воздухоподогревателей получены, как правило, без учета оптимальных режимов теплообмена и представляют собой зависимости коэффициентов теплопередачи от гидродинамических режимов с учетом коэффициента ϕ, который, как следует из табл. 4, может внести большие погрешности.
4. Сложившаяся практика подбора воздухоподогревателей самими производителями по программам, составленными по неизвестно каким экспериментальным данным, без сообщения потребителю элементарной информации о поверхности теплообмена, расчетных параметрах теплоносителя и воздуха, коэффициентах теплопередачи, живых сечениях для прохода теплообменивающихся сред и т.п. вызывает у квалифицированных проектировщиков и потребителей сомнение в правильности предложенного оборудования, а также в возможности использовать в процессе проектирования и эксплуатации данный теплообменник в отличных условиях. Поэтому рекомендуется при приобретении оборудования требовать у производителя гарантию на правильность произведенного подбора и обеспечение рабочих характеристик не только в расчетном режиме, но и промежуточном, когда возникает опасность замораживания теплообменника.
5. Необходимо также, чтобы производитель, помимо указанных выше данных, приводил показатели, характеризующие оптимальность конструкции, степень их отклонения от расчетных параметров или все исходные данные для расчета показателей. Отсутствие этих данных может означать, что теплообменник подобран некорректно, его поверхности теплообмена завышены (то есть, фактически, завышены материалоемкость и, соответственно, стоимость).
6. Сравнивать степень совершенства теплообменников следует только по удельным показателям удельного теплосъема с суммарной поверхности теплообмена, отдавая предпочтение теплообменнику, характеризующемуся большим значением удельного теплосъема.
7. Установленные в данной статье закономерности распространяются на теплообменники различного типа и конструкций, как на водовоздушные, так и водоводяные и паровые.