VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Теплообменные устройства (теплообменные аппараты и котлы) являются одними из важнейших аппаратов химических и нефтегазоперерабатывающих предприятий, а также энергетических установок. Их эксплуатационные параметры влияют на топливную экономичность, эксплуатационную надёжность, стабильность характеристик во времени, экологическую безопасность и другие показатели теплообменных аппаратов.

Существующее в мировой и отечественной практике ужесточение требовании к характеристикам энергетических установок побуждает конструкторов, ученых, в том числе и разработчиков теплообменной аппаратуры, искать новые конструктивные решения и внедрять новые физические принципы, способствующие улучшению показателей тепловой и энергетической эффективности, компактности, надежности и других показателей теплообменных устройств (ТУ) [1].

Обеспечение надёжной и эффективной работы энергетических установок систем, включающих конвективные теплообменные аппараты, представляется перспективным в условиях растущего дефицита топливно-энергетических и сырьевых ресурсов.

Значительные металлоёмкость, затраты энергии на перемещение теплоносителей и обслуживание, а также проектно-конструкторские и производственные расходы требуют повышения эффективности теплообменных аппаратов.

Повышение эффективности теплоотдачи для широко применяемых поперечно обтекаемых трубчатых, а также компактных профильных пластинчатых поверхностей и создание на их основе современных и экономичных газо-газовых и газо-жидкостных теплообменных аппаратов является актуальной задачей.

В связи с этим особый интерес проявляется к способам пристенной интенсификации теплообмена, которые имеют высокую энергетическую эффективность вследствие турбулизации лишь пристенной области течения. В результате этого затраты энергии на прокачку теплоносителя значительно сокращаются по сравнению с затратами при турбулизации ядра потока. Пристенные интенсификаторы теплообмена могут иметь различное конструктивное исполнение. Это выступы и выемки различной формы (цилиндрические, сферические, призматические и др.), расположенные на теплообменной поверхность вдоль, поперек или наклонно по отношению к направлению потока [2,3].

Пристенная интенсификация теплообмена, в условиях внутренней задачи, наиболее эффективна в случае применения плавно очерченных кольцевых выступов на внутренней поверхности труб. При течении потока в межтрубном пространстве высокий уровень интенсификации теплоотдачи достигается, как правило, благодаря поперечному обтеканию шахматных и коридорных пучков труб. Однако использование поперечно обтекаемых пучков труб связано с ростом гидравлического сопротивления и ухудшением компактности.

В последнее время пристальное внимание многих исследователей привлекает интенсификация теплообмена с помощью сферических выемок на поверхности. Именно профилирование продольно-омываемых труб судовых ТУ упорядоченными системами сферических углублений представляется наиболее перспективным [2].

Подавляющее большинство исследований посвящено описанию структуры течения и теплообменным процессам в одиночном углублении в условиях «внешней» задачи. Единичные работы посвящены изучению теплообмена и сопротивления трубчатых поверхностей. В тех немногочисленных работах, где этот вопрос освещается, внутренний рельеф профилированных труб, образованный сферическими выступами, либо не рассматривался, либо исследования касались лишь вопросов гидродинамики. Кроме этого, имеющиеся в литературе данные весьма противоречивы, и, в первую очередь, это касается уровня достигаемой интенсификации. Отсутствие систематизированных данных, позволяющих рассчитывать тепло-гидравлические характеристики поверхностей, профилированных сферическими углублениями и выступами, свидетельствует о целесообразности проведения подобных исследований.

На рис.1 представлены результаты опытов по теплоотдаче на плоской стенке и гофрированных стенках (рис.1). Здесь h высоты и глубина гофры, а t – шаг одной гофры.

 

α, Вт/м²К

 

 

Re

 

Рис.1. Влияние скорости потока Re на коэффициент теплоотдачи при нагреве

раствора KCl на пластинчато- спиральных поверхностях.

 - гладкая труба;  - спиральная, гладкая поверхность;  - пластинчато-

спиральная, гофрированная поверхность с h/t = 0,5;  - пластинчато-

спиральная, гофрированная поверхность с h/t = 0,8.

Опыты по интенсификации теплообмена на гофрированных листах изогнутых по спирали и образующие прямоугольные каналы проведены при числах Рейнольдса Re=2400-39000 и шаге размещения гофров h/t = 0,5-0,8. Особо следует отметить, что режимы течения раствора исследовались как переходная, так и ламинарная области. Из рисунка видно, что данные по гладкой трубе расположены внизу и при Re=2400 величина интенсивности теплоотдачи равна =1100, при Re=8500 значение =2400 и при Re=27000 - =5100 Вт/м²К. Аналогичные опыты на плоской стенке спиральной поверхности показали интенсификацию 20%. Это обусловлено спиральной составляющей потока жидкости.

Перенос тепла на гофрированных листах изогнутых по спирали и образующие прямоугольные каналы оказался намного выше, чем для спиральной гладкой поверхности и гладкой трубы. Если, для гладкой трубы при Re=2400 величина интенсивности теплоотдачи равна =1100, то для гофрированной поверхности с h/t = 0,5 величина =1870. Такие же результаты зафиксированы и для других значений чисел Re. Наличие гофрированной поверхности и тонкостенных пластин интенсифицирует процесс теплоотдачи в 1,7 раза.

Пластинчато-спиральные гофрированные поверхности имеют высокие тепловые характеристики. Так, мощность, затрачиваемая на единицу теплообменной поверхности на порядок меньше, чем у аппаратов с гладкой трубой.

Литература

1. Справочник по теплообменникам: Пер. с англ. Под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. т.1. - Под ред. О.Г. Мартыненко, А.А. Михалевича, В.К. Шикова. т.2. - М.: Энергоатомиздат, 1987.-532 с.

2. Теплообмен и гидродинамика в каналах сложной формы / Ю.И. Да­нилов, Б.В. Дзюбенко, Г.А. Дрейцер, Л.А. Ашмантас - М.: Машиностроение, 1966.-273 с.

Код для цитирования: Скопировать