CC BY
281
УДК 66.015.24:664
С.Д. Угрюмова, Е.Ю. Попова, С.А. Акимов, И.В. Панюкова
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,
690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ НАГРЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ В КОМПАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ
Интенсификация теплообмена может быть достигнута компактностью теплопередающей поверхности, которая зависит от назначения и конструкции аппарата. Разработанная схема энергетической оценки позволяет рассчитать эффективность при сравнительном анализе теплообменников, применяемых в пищевой отрасли.
Ключевые слова: теплообменный аппарат, интенсификация, теплоотдача, теплообмен.
S.D. Ugryumova, E.Yu. Popova, S.A. Akimov, I.V. Panyukova INTENSIFICATION OF PROCESSES OF HEATING AND COOLING IN COMPACT HEAT-TRANSMITTING DEVICES
The heat exchange intensification can be reached compactness of a heat-transmitting surface which depends on appointment and a device design. The developed scheme of a power estimation allows to calculate efficiency at the comparative analysis of the heat exchangers applied in food branch.
Keywords: the teploobmennyj device, an intensification, heat conductivity, heat exchange.
Теплообменные аппараты и устройства - важная составная и металлоёмкая часть всех двигательных и энергетических установок. Они широко применяются в теплоэнергетике, технологических процессах химической, нефтеперерабатывающей и пищевой промышленности, металлургии, строительстве и многих других отраслях народного хозяйства. Масса теплообменных аппаратов составляет около 35-40 % суммарной массы всей технологической аппаратуры в пищевых производствах.
Среди теплообменных аппаратов наиболее распространены трубчатые и пластинчатые. В масштабах страны на них расходуется огромное количество легированных и цветных металлов.
Создание более эффективных и компактных теплообменников обеспечивает значительную экономию топлива, металлов и затрат труда.
Весомую роль в решении этих проблем может сыграть широкое внедрение эффективных методов интенсификации теплообмена в каналах при разработке и производстве теплообменных аппаратов и устройств в машиностроении.
Опыт создания и эксплуатации различных тепломассообменных устройств показал, что разработанные в цикле исследований методы интенсификации теплообмена в каналах обеспечивают снижение габаритов и металлоёмкости (массы) этих устройств в 1,5-2 и более раз (по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей), а также существенное уменьшение засоряемости и солеотложений в проточных каналах. Это в 2 -3 раза снижает затраты и трудоёмкость эксплуатации, увеличивает ресурс и надёжность.
Задачи интенсификации теплообмена возможно решить путём уменьшения габаритов и массы теплообменных устройств или снижением температурного напора по сравнению с их величиной, которая достигается в данных условиях обычными путями. Если увеличение скорости потока в пределах, допустимых на практике, не обеспечивает получения необходимых габаритов теплообменного устройства или заданной температуры стенок, то необходима интенсификация теплообмена методами, которые
обеспечат уменьшение габаритов при умеренном увеличении суммарных потерь мощности на прокачку теплоносителей через теплообменные аппараты.
Выделяются два направления интенсификации. Одно из них связано с увеличением теплового потока без учёта дополнительных потерь энергии.
Второе направление связано с увеличением теплового потока при заданной величине энергии, затрачиваемой на перекачку теплоносителя, т.е. с увеличением эффективности теплоотдачи. Оно становится особенно важным для стационарно работающих теплообменных аппаратов.
Как известно, при взаимодействии твёрдой теплопередающей непроницаемой поверхности с омывающим ее потоком образуется пограничный слой, оказывающий основное сопротивление теплопередаче. Чем больше толщина теплового потока пограничного слоя и чем ниже теплопроводность теплоносителя, тем меньше теплоотдача. Увеличить теплосъём можно разными путями, в первую очередь подбором теплоносителя, поскольку Ни~Ргп.
Определив теплоноситель с учётом его теплофизических свойств, можно рассматривать вопрос интенсификации теплообмена за счёт выбора надлежащего гидродинамического режима. Наивыгоднейшим в отношении теплообмена гидродинамическим режимом является турбулентный, или переходный, режим в пограничном слое, но естественное развитие турбулентности начинается при весьма высокой скорости потока, а следовательно, и значительном гидравлическом сопротивлении. Поэтому во многих случаях для интенсификации конвективного теплообмена необходима либо искусственная турбулизация пограничного слоя, позволяющая перенести процесс теплообмена из ламинарной области в турбулентную, либо уменьшение толщины или разрушение пограничного слоя [1].
Важным фактором на пути увеличения теплосъёма является подбор оптимальной геометрии и типа теплообменной поверхности. Условия работы теплообменника определяют и тип поверхности. Так, при больших давлениях наиболее приемлемы круглые трубы, при малых коэффициентах теплоотдачи - различные оребрённые поверхности и т.д. Технология обработки алюминия и других металлов даёт возможность сконструировать каналы любых форм, и в настоящее время наиболее качественным примером этого служат пластинчатые теплообменники.
Исследован ряд методов интенсификации [2, 3, 4, 5]:
1. Метод целенаправленной искусственной турбулизации потока в пристенной зоне, основанный на периодическом создании небольших вихревых зон около стенки, являющихся источником дополнительной турбулизации потока. Метод реализован для трубчатых и пластинчато-ребристых теплообменных аппаратов. Для трубчатых теплообменных аппаратов - путём накатки труб на автоматизированных стенках, обеспечивающей двустороннюю интенсификацию теплообмена: внутри труб - за счёт плавно очерченных поперечных выступов, на которых создаётся система продольных винтообразных вихрей; снаружи труб при их продольном обтекании - за счёт поперечных канавок, на которых возникают поперечные вихри. Для пластинчато-ребристых теплообменных аппаратов метод реализован с помощью автоматизированных технологий периодического рассечения и относительного смещения ребер или штамповки на ребрах поперечных выступов и канавок. На передних кромках рассеченных ребер и на поперечных выступах-канавках возникают поперечные вихри.
2. Метод закрутки потока внутри овальных труб и при продольном и поперечном обтекании плотноупакованных пучков витых труб и стержней. Метод реализован протягиванием круглых труб через фильеру, придающую им заданную овальную форму и закрутку, или получением витых стержней по специальной технологии [3].
3. Метод управляемого отрыва пограничного слоя при поперечном обтекании пучков труб с помощью образования на них специальных турбулизаторов. Метод турбулизации пограничного слоя с использованием искусственной шероховатости реализован для плоских поверхностей и трубчатых теплообменников применительно к потокам различных жидкостей [6, 7].
С увеличением компактности теплообменника, как правило, уменьшается удельный расход металла на единицу передаваемого тепла. Применение компактных теплообменников оправдывает себя в том случае, если одним из теплоносителей служит газ, а сами теплоносители достаточно чисты и не вызывают коррозии поверхностей.
Наиболее высокая компактность достигается в пластинчато-ребристых теплообменниках [1, 3, 6], состоящих из пакета плоских пластин, между которыми находятся соединяющие их рёбра. Оба теплоносителя движутся между чередующимися парами пластин, причем течение теплоносителей может быть противоточным или перекрёстным. Конструкции пластинчато-ребристых теплообменников таковы, что теплообмен может происходить между несколькими теплоносителями одновременно.
Результаты исследования теплообменников, работающих на жидкостях большой плотности, показали, что затраты энергии на преодоление сил трения обычно малы по сравнению с тепловыми нагрузками поверхности, вследствие чего влияние затрат мощности на преодоление трения редко является определяющим. Однако в теплообменниках, работающих на жидкостях малой плотности, например на газах, затраты механической энергии на преодоление силы трения очень легко могут достигнуть величины, близкой к количеству энергии, передаваемой в виде тепла.
В связи с этим следует помнить, что в большинстве тепловых систем механическая энергия стоит в 4-10 раз дороже, чем эквивалентное ей количество тепла.
Для большинства геометрических форм каналов, которые могут быть использованы при компоновке поверхности теплообменника, как показали наши теоретические исследования, тепловая нагрузка на единицу поверхности может быть увеличена путём увеличения скорости жидкости, изменение этой нагрузки пропорционально изменению скорости в степени несколько меньшей, чем единица.
Затрата энергии на преодоление трения также возрастает с увеличением скорости потока, но она изменится пропорционально кубу или, по крайней мере, квадрату скорости, но никак не меньше. Это и есть та характерная особенность взаимной зависимости параметров, которая позволяет принимать в расчёт именно эти два показателя - тепловую нагрузку и трение (потерю напора); это та особенность, которая определяет многие характеристики теплообменников различных классов, в том числе и пластинчатых теплообменных аппаратов.
Падение тепловой нагрузки может быть компенсировано увеличением поверхности теплообмена (увеличением поверхности пластин), что, в свою очередь, также приведёт к увеличению затрат энергии на преодоление сил сопротивления движению, но только в той пропорции, в какой увеличена поверхность теплообмена.
Следует отметить, что выбор конфигурации поверхности для конкретного теплообменника является сложной задачей.
Поверхность, основной характеристикой которой является высокое отношение теплового потока к затрате энергии на преодоление трения, будем в дальнейшем называть высокоэффективной поверхностью.
Исследования показали, что компактность сама по себе является залогом высокой эффективности теплообменной поверхности. Сечения каналов компактной поверхности малы, а коэффициент теплоотдачи а всегда изменяется пропорционально гидравлическому диаметру канала в отрицательной степени. Таким образом, в самой природе компактных поверхностей заложены свойства, обуславливающие высокий коэффициент теплоотдачи.
На высокую эффективность теплообменной поверхности влияет не только малый диаметр каналов, но и любая модификация геометрии поверхности, ведущая к более высокому коэффициенту теплоотдачи для данной скорости потока.
Один из наиболее широко используемых способов увеличения коэффициента теплоотдачи состоит в применении прерывистых поверхностей [2] с таким расчётом, чтобы уменьшить толщину пограничного слоя у этих поверхностей.
Придание поверхности прерывистости увеличивает фактор трения, однако небольшое увеличение интенсивности теплоотдачи может возместить значительное увеличение фактора трения, поскольку скорость потока может быть при этом уменьшена, а потери энергии на продление трения изменятся пропорционально кубу скорости.
Другие методы достижения высокой эффективности с помощью изменения геометрии канала включают использование криволинейных или волнистых (рифлёных) поверхностей, на которых происходит отрыв пограничного слоя. Пучок труб, в котором поток жидкости перпендикулярен оси труб, является высокоэффективной поверхностью, так как на каждой отдельной трубе образуется новый пограничный слой, и коэффициент теплоотдачи в этом случае намного выше, чем при течении жидкости с той же скоростью внутри труб. Для увеличения теплоотдачи часто применяют различные типы вставок (турбулизаторов), но такой метод не является столь эффективным, как разрыв и уменьшение толщины пограничного слоя непосредственно на поверхности теплообмена.
Естественно, что компактные высокоэффективные поверхности теплообмена могут иметь множество разнообразных геометрических форм, и во многих случаях наиболее приемлемыми являются как раз те, которые имеют очень сложную геометрическую форму. Только для поверхности с простой геометрической формой, такой, как пластинчатая форма, можно произвести полный аналитический расчёт для выявления основных её характеристик; для остальных поверхностей основные показатели могут быть получены только экспериментальным путём с использованием законов моделирования для определения диапазона применимости полученных результатов.
Различные типы рассматриваемых нами компактных поверхностей объединены в следующие группы:
1. Трубчатые поверхности: а) движение потока внутри круглых и плоских
(сплющенных) труб; б) поперечное обтекание пучков гладких труб.
2. Пластинчато-ребристые поверхности: а) гладкие рёбра; б) жалюзийные рёбра; в) короткие пластинчатые рёбра; г) волнистые рёбра; д) стерженьковые рёбра; е) перфорированные рёбра.
3. Поперечное обтекание пучков оребрённых труб: а) круглые рёбра и трубы; б) круглые трубы, сплошные рёбра; в) плоские трубы, сплошные рёбра.
4. Насадочные поверхности.
Установлено, что трубчатые поверхности являются простейшей формой компактной поверхности теплообмена. Опытные данные получены как для случая движения внутри труб, так и для поперечного их обтекания в пучках, причём были использованы круглые трубы и трубы, сплющенные до овальной формы. Модификацией плоских труб являются трубы, сплющенные на отдельных участках; это приводит к разрушению пограничного слоя и интенсифицирует теплоотдачу без увеличения скорости движения теплоносителя.
Однако применение пластинчато-ребристых поверхностей особенно целесообразно, когда осуществляется теплообмен между газовым и жидкостным потоками, так как при этом развитая поверхность может быть эффективно использована на обеих сторонах аппарата. Они позволяют сосредоточить в единице объема большую поверхность теплообмена. При конструировании таких теплообменников имеются широкие возможности комбинирования форм поверхности с учётом специфических свойств теплоносителей, для каждого из которых может быть выбрана наиболее подходящая развитая поверхность. Такой свободы в выборе типа поверхностей нет в пучках труб, где
оба теплоносителя движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, причем поверхность теплообмена на обеих сторонах приблизительно одинакова.
Оценка различных типов теплообменных аппаратов (кожухотрубного и пластинчатого типов) проведена нами по схеме, представленной на рисунке.
3
Тип теплообменного аппарата
Е
Трубчатый 1« Пластинчатый
і г 1
Коэффициент ► Гидравлические
4
I!
теплопередачи
сопротивления
Теплоотдача
I Объемный__________
расход ^
[ Масса установки |
к- Затраты мощности
1—1► Использованные металлы
Технологичность *
[
Себестоимость
]'
Надежность
и долговечность
іеч
Загрязняемость
Ремонтопригодност
Энергетическая эффективность
ь-
Примерная взаимосвязь свойств теплообменников при их оценке и сравнении Approximate interrelation of properties of heat exchangers at their estimation and comparison
Так как наиболее ответственным элементом теплообменника является поверхность теплообмена, то в первую очередь надо оценить основные ее свойства.
Совершенство теплообменной поверхности с энергетической точки зрения характеризуется соотношением переданного количества тепла Q через данную поверхность теплообмена и энергии N затраченной движущейся жидкостью на преодоление сопротивления:
Q осОО( оО1 (1)
N V Ор ( р / О р Ор
где V - средний объёмный расход теплоносителя; F - площадь теплообменной поверхности; f - минимальное проходное сечение; а - коэффициент теплоотдачи; At -температурный напор; Ap - перепад давлений.
Из уравнения (1) следует, что эффективность теплообменника зависит от конструктивного параметра f / F.
Для идентичности условий сравнения различных поверхностей и теплоносителей необходимо принять: At = 1 °С; (Prf / Prw)s = 1; D = 1 м, проводя ряд преобразований, получим:
(2)
где комплекс Е\ характеризует влияние на эффективность размеров поверхности теплообмена, комплекс Е2 определяет влияние физических свойств теплоносителя на эффективность теплообмена, а комплекс Е3 выражает взаимосвязь между теплоотдачей и мощностью, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению теплоносителя.
f
V D у
D2 ЯП Pr n (Prf/Prw )p At
f f у f Pfvf
e3=c Re;, (3)
2
где c / к - постоянная эксперимента; r - показатель степени в зависимости числа Эйлера от числа Рейнольдса; F - поверхность теплообмена; f - поверхность пластины; D - наружный диаметр трубы; d - внутренний диаметр трубы; Я - коэффициент теплопроводности теплоносителя; Prf - критерий Прандтля для теплоносителя; Prw - критерий Прандтля для аппарата; At - температурный напор; pf - давление теплоносителя в аппарате; v -коэффициент кинематической вязкости; с - теплоёмкость; Ref - критерий Рейнольдса; m -параметр эффективности пластины.
Эффективность теплоотдачи Е характеризует процесс теплообмена только энергетически. Но энергетически выгоднее, чтобы процесс теплоотдачи протекал при меньших скоростях. Однако надо учитывать, что в этом случае поверхность теплообмена увеличивается. Поэтому только совместная оценка эксплуатационных и капитальных затрат может дать оптимальное решение вопроса в каждом отдельном случае.
Сравнительная оценка эффективности теплообмена в пластинчатых и трубчатых теплообменных аппаратах, проведённая по схеме, представленной на рисунке, показала, что коэффициент теплоотдачи в пластинчатых аппаратах на 20-25 % выше, чем в трубчатых аппаратах.
Подводя итоги, можно отметить следующие основные задачи в области создания наиболее эффективных теплообменников:
1. Расширение исследований по созданию теплообменных процессов и аппаратов, направленных на экономию энергии за счёт использования вторичных энергетических ресурсов.
2. Создание новых усовершенствованных методов для расчёта разных задач на ЭВМ с целью скорейшего внедрения полученных научных результатов и производство эффективных компактных аппаратов, значительно повышающих производительность труда и качество продукции.
Список литературы
1. Кейс В.М. Компактные теплообменники [Текст] / В.М. Кейс, А.Л. Лондон; пер. с англ. - М.: Энергия, 1967. - 224 с.
2. Барановский Н.В. и др. Пластинчатые и спиральные теплообменники [Текст]. - М.: Машиностроение, 1973. - 288 с.
3. Гоголин А.А. Интенсификация теплообмена в испарителях холодильных машин [Текст]. / Гоголин А.А., Данилова, Азерсков В.М., Медникова Н.М. - М.: Легк. и пищ. пром-сть, 1982. - 224 с.
4. Жукаускас А.А. Проблемы интенсификации конвективного теплообмена [Текст] / А.А. Жукаускас // Тепломассообмен-VII: Проблемные докл.VII Всесоюз. конф. по тепломассообмену. - Минск, 1985. - Ч. 1. - С. 17-41.
5. Угрюмова С.Д. и др. Использование методов интенсификации в аппаратах пищевых производств [Текст] // Социально-экономические приоритеты российского общества. - Екатеринбург: МОРФ, УГЭУ, 2000.
6. Угрюмова С.Д. и др. Повышение эффективности работы тепловых установок по переработке пищевого сырья [Текст] // Пищевые технологии: проблемы и перспективы в XXI веке. - Владивосток: ДВГАЭУ, 2000.
7. Власенко А.С. Поверхностные интенсификаторы в теплообменниках [Текст] / А.С. Власенко, В.С. Глазов, Э.Д. Сергиевский // Молоч. пром-сть. - 2009. - № 5. -С. 16-18.
Сведения об авторах: Угрюмова Светлана Дмитриевна, доктор технических наук, профессор;
Попова Екатерина Юрьевна, магистр;
Акимов Сергей Александрович, аспирант;
Панюкова Ирина Владимировна, аспирант.
