О некоторых проблемах создания высокоэффективных кожухотрубных теплообменников

Г.А. Дрейцер, Московский авиационный институт (государственный технический университет)

Рассмотрены современные достижения в области интенсификации теплообмена в трубчатых теплообменных аппаратах. Сформулированы требования к высокоэффективным трубчатым поверхностям теплообмена. На примере теплообменных аппаратов систем отопления и горячго водоснабжения показано, что имеется полная возможность сделать кожухотрубные теплообменники более компактными по сравнению с пластинчатыми. Представлен критический анализ современных методов оценки эффективности интенсификации теплообмена в каналах. Рассмотрены проблемы интенсификации теплообмена при кипении и конденсации теплоносителей, а также в условиях солеотложений. Представлены высокоэффективные конструкции трубчатых теплообменных аппаратов. Ключевые слова Теплообменный аппарат, труба, интенсификация теплообмена, кольцевые турбулизаторы, конвективный теплообмен, кипение, конденсация, солеотложение.

Условные обозначения

D_в ,D_н – внутренний и наружный диаметры труб, м; d_к – диаметр кольцевых диафрагм, м; d_и – диаметр кольцевых канавок, м; d₀ – диаметр сердцевины шнека, м; d_е – эквивалентный диаметр, м; E =Q/ N– параметр эффективности, F– поверхность теплообменника, м²; K – коэффициент теплопередачи, Вт/м² К; N – мощность на прокачку теплоносителя, Вт; Nu – число Нуссельта; △p– потери давления, Па, Q– тепловая мощность, Вт; R– радиус, м; R_ср термическое сопротивление слоя солеотложений; м²К/Вт; Re – число Рейнольдса; S – шаг закрутки; S_н – шаг размещения труб в пучке; △T– перепад температур, К; t – шаг размещения диафрагм в трубе, м; V – объем теплообмена аппарата, м³; w – скорость, м/с; a-коэффициент теплообмена, Вт/м²К; b -произвольная постоянная с размерностью длины, принятая равной 1 м; x -коэффициент гидравлического сопротивления. Индексы: в – внутренний; гл – гладкий; н – наружный; eff – эффективный.

Введение

Теплообменные аппараты применяются в авиационной и космической технике, энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике, в системах отопления и горячего водоснабжения, кондиционирования, в различных тепловых двигателях. С ростом энергетических мощностей и объема производства все более увеличиваются масса и габариты применяемых теплообменных аппаратов. На их производство расходуется огромное количество легированных и цветных металлов. Уменьшение массы и габаритов теплообменных аппаратов является актуальной проблемой. Наиболее перспективный путь решения этой проблемы – интенсификация теплообмена. Опыт создания и эксплуатации различных тепломассообменных устройств показал, что разработанные к настоящему времени методы интенсификации теплообмена обеспечивают снижение габаритов и металлоемкости (массы) этих устройств в 1.5-2 раза и более по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей. Исследования интенсификации теплообмена осуществляются в различных странах, причем в заметно возрастающем темпе. Необходимо отметить, что проведенные в бывшем СССР исследования внесли значительный вклад в решение этой проблемы, особенно в создание практически реализуемых методов интенсификации теплообмена. Достаточно вспомнить работы В. М. Антуфьева, В. М. Бузника, Г. И. Воронина, Е. В. Дубровского, Н. В. Зозули, Э. К. Калинина, В. К. Мигая, В. К. Щукина и многих других ученых. И только практической незаинтересованностью промышленности во внедрении высокоэффективных теплообменных аппаратов и в экономии металла можно объяснить слабое внедрение отечественных разработок в народное хозяйство. К настоящему времени предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена. Применительно к течению однофазных теплоносителей используются турбулизаторы потока на поверхности, шероховатые поверхности и поверхности, развитые за счет оребрения, закрутка потока спиральными ребрами, шнековыми устройствами, завихрителями, установленными на входе в канал, подмешивание к потоку жидкости газовых пузырей, а к потоку газа – твердых частиц или капель жидкости, вращение или вибрация поверхности теплообмена, пульсации потока теплоносителя, воздействие на поток электростатических нолей, отсос потока из пограничного слоя, струйные системы. Эффективность этих способов различна, в лучшем случае удается увеличить теплоотдачу в 2-3 раза, но для разных способов интенсификации при существенно различных затратах энергии. Интенсификация теплообмена при кипении обеспечивает не только рост теплоотдачи при пузырьковом и пленочном кипении, но и увеличение максимального теплового потока при пузырьковом и минимального при пленочном кипении, а также увеличение соответствующих критических температурных напоров, т. е. сдвиг кривой кипения в область более высоких температурных напоров и тепловых потоков. Необходимо отметить, что возможности интенсификации теплообмена при кипении гораздо большие, чем в однофазных потоках. Так, коэффициент теплообмена при пленочном кипении удается увеличить до 10 раз, а критический тепловой поток -более чем в 3 раза. Наряду с турбулизаторами, закручивающими устройствами, оребрением для интенсификации теплообмена при кипении используют нанесение на поверхность тонких покрытий из низкотеплопроводного или пористого материала, устанавливают неизотермические ребра, используют шероховатые поверхности. Для интенсификации теплообмена при конденсации предлагают турбулизаторы или ребра, разрушающие пленку конденсата, несмачиваемые покрытия, жидкие стимуляторы для создания капельной конденсации, закрутку потока или вращение поверхности теплообмена. Высокоэффективным часто оказывается применение комбинированных методов интенсификации: комбинирование турбулизаторов с оребрением поверхности или с закруткой потока, использование закручивающих устройств при течении суспензий, при кипении – применение турбулизаторов с низкотеплопроводными покрытиями. Необходимо отметить, что при выборе на практике того или иного метода интенсификации теплообмена приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и ее универсальность для различных однофазных и двухфазных теплоносителей, технологичность изготовления поверхности, технологичность сборки теплообменного аппарата, прочностные требования, загрязняемость поверхности, особенности эксплуатации и т. д. Все эти обстоятельства существенно снижают возможности выбора одного из многочисленных исследованных методов интенсификации.

1. Современные конструкции трубчатых теплообменных аппаратов

Компактность аппаратов определяется диаметром применяемых труб и допустимыми шагами их размещения в трубной решетке, которая в свою очередь лимитируется уровнем технологии, достигнутым в соответствующих отраслях промышленности, соображениями удобства ремонта, очистки и эксплуатации. Все эти обстоятельства в итоге сформулировали уровень компактности теплообменных аппаратов, применяемых в различных областях техники. В настоящее время в России в теплообменных аппаратах, работающих в химической промышленности, применяются трубы с наружным диаметром D_н =17-50 мм, в энергетике D_н =16-50 мм, в системах отопления и горячего водоснабжения с минимальным диаметром D_н =16 мм, в судостроении D_н =10-12 мм, в холодильной и криогенной технике D_н =6-8 мм, в авиационной и космической технике D_н =2-4 мм, величину шага размещения труб в пучке обычно выбирают в пределах S_н /D_н =1,27-1,5, в редких случаях для особо компактных аппаратов S_н /D_н снижается до 1,2. Конструктивные схемы аппаратов различаются незначительно: аппараты с продольным или поперечным омыванием межтрубного пространства, типа "труба в трубе" или со спиральными трубами. Для увеличения эффективности теплообмена в межтрубном пространстве применяется оребрение наружной поверхности труб: общие плоские ребра для пучка круглых или овальных труб, прямоугольные поперечные или продольные ребра, круглые ребра, многозаходные
спиральные ребра, проволочное оребрение. Ребра изготовляются из меди, алюминия или других высокотеплопроводных материалов и обеспечивают увеличение поверхности теплообмена снаружи труб до 20 раз. Как правило, они гладкие, т. е. возможности роста теплоотдачи на них за счет дополнительной искусственной турбулизации потока не используются. Широкое применение трубчатых теплообменников объясняется их значительно меньшей стоимостью и простотой изготовления по сравнению с пластинчатыми аппаратами, а также возможностью работы при более высоких температурах и давлениях. Но трубчатые аппараты проигрывают в компактности, а также в ряде случаев из-за трудности очистки межтрубного пространства. Поэтому в последние годы намечается тенденция к замене трубчатых теплообменников на пластинчатые. Это хорошо видно на примере широко используемых в нашей стране теплообменных аппаратов систем отопления и горячего водоснабжения. Разработанные фирмой Альфа Лаваль пластинчатые разборные аппараты примерно в 3 раза менее габаритны по сравнению с соответствующими производимыми в настоящее время трубчатыми аппаратами при той же производительности. И хотя при этом пластинчатые аппараты стоят примерно втрое дороже, они неизбежно вытеснят из практики трубчатые аппараты.

2. Метод оценки эффективности интенсификации теплообмена в каналах

Следует отметить, что во многих исследованиях по интенсификации теплообмена либо вообще не обращается внимание на эффективность изучаемых методов, либо применяются непригодные для практики методы оценки. Как правило, в публикациях по интенсификации теплообмена стали сравнивать полученные результаты в виде зависимостей между отношениями Nu / Nu гл и x/x гл или оценивать эффективность исследованного метода интенсификации параметром ( Nu / Nu гл )/( x/x гл ), естественно, обращая особое внимание на те результаты, когда этот параметр больше единицы. Хотелось бы обратить внимание на то, что возможность получения опережающего роста теплоотдачи относительно повышения гидравлического сопротивления по сравнению с аналогичным гладким каналом представляет большой научный интерес, но не всегда приводит к наиболее эффективной интенсификации теплообмена. Известно [1], что наиболее просто оценить эффективность применения интенсификации теплообмена, сравнивая объемы или поверхности теплообмена двух теплообменных аппаратов, изготовленных из поверхности с интенсификацией теплообмена и без нее, при одинаковых тепловых мощностях и мощностях, затрачиваемых на прокачку теплоносителя (при одинаковых расходах теплоносителя это означает, что сравниваемые аппараты будут иметь одинаковые потери давления). Если сравниваемые каналы имеют одинаковые диаметры, если при определении поверхности теплообмена и скорости потока в канале с турбулизаторами не учитывать наличие турбулизаторов и если в рассматриваемом канале коэффициент теплообмена намного меньше, чем на другой стороне теплообменника, то отношения объемов сравниваемых аппаратов при турбулентном течении теплоносителя (1)

Re и ( Nu / Nu гл )R берутся при одинаковых числах Рейнольдса, в данном случае для теплообменника с интенсификацией теплообмена. Как видно из (1), интенсификация эффективна, если (x/x гл ) < ( Nu / Nu гл )3,5 . Оптимум V/V гл не соответствует оптимуму величин ( Nu / Nu гл )/( x / x гл ). С учетом (1) и будем рассматривать различные методы интенсификации теплообмена. В [2] ставится под сомнение предлагаемый в [1] метод. Авторы [2] считают, что конкретные значения параметров F/F гл или V/V гл должны быть лишь следствием принципиальной задачи проектирования теплообменного аппарата – получения максимального значения Е/Егл, где Е=Q/ N, Егл=Q гл /N гл . Более того, авторы [2] считают, что до их предложения в литературе вообще отсутствует конкретное сопоставление теплогидравлических качеств теплообменников «на основе единого разумного критерия» и что в [2], вероятно, впервые сформулированы условия рациональной интенсификации теплообмена в технике. Возражая авторам [2], необходимо отметить, что предлагаемые ими оптимальные значения параметров турбулизаторов не обеспечивают максимальное уменьшение F/F гл или V/V гл . Например, для исследованных в [1] размещенных в трубах кольцевых турбулизаторов с d в /D_в =0,96-0,98, t / D_в =0,5-1, как предлагается в [2],. получаем V/V гл =0,7-0,8, в то время как согласно [1] в этих трубах можно получить V/V гл =0,48-0,5 при d в /D_в =0,93-0,95 t / D_в =0,25-1, хотя при этом ( Nu / Nu гл ) Re <( x / x гл ) Re , т.е. при параметрах Е/Егл<1. В [3] предложен новый обобщающий метод сравнения эффективности поверхностей, названный методом эффективных параметров.
Метод основан на использовании в качестве условия сравнения равенство эффективных чисел Рейнольдса:

Для сравниваемых поверхностей более эффективной будет та, которая имеет большее значение эффективное число Нуссельта:

В последнее время возникает интерес к применению термодинамических методов для оценки эффективности работ теплообменных аппаратов и, в частности, интенсификации теплообмена. В работе В. Зимпарова [4] получена конкретная методика сравнения. Он предлагает сравнивать суммарные изменения энтропии в теплообменниках при совершении в них необратимых процессов теплообмена и преодоления потоком гидравлического сопротивления. Если интенсификация теплообмена эффективна, суммарное изменение энтропии в аппаратах с интенсификацией будет меньше, чем в аппарате с гладкими поверхностями. Следует отметить, что при сравнении различных методов, интенсификация теплообмена оценки эффективности по методикам [1, 3, 4] дают качественно одинаковые результаты.

3. Выбор рационального метода интенсификации теплообмена при течении газов и жидкостей в трубах

Как показывают многочисленные данные, из всех известных методов интенсификации теплообмена в трубах наибольшее внимание как эффективным и технологически реализуемым уделяется искусственной турбулизации потока кольцевыми диафрагмами.

Рис.1. Труба с кольцевыми турбулизаторами

В качестве примера эффективной искусственной турбулизации потока рассмотрим метод, разработанный в Московском авиационном институте применительно к трубчатым теплообменным аппаратам [1].
Сущность предложенного метода заключается в следующем. На наружной поверхности трубы накаткой наносятся периодически расположенные кольцевые канавки (рис. 1). При этом на внутренней стороне трубы образуются кольцевые диафрагмы с плавной конфигурацией. Кольцевые диафрагмы и канавки турбулизируют поток в пристеночном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена снаружи и внутри труб. При этом не увеличивается наружный диаметр труб, что позволяет использовать данные трубы в тесных пучках и не менять существующей технологии сборки теплообменных аппаратов. Разработанная технология накатанных труб несложна, допускает использование стандартного оборудования; Разработанные трубы с кольцевыми турбулизаторами применимы для аппаратов, работающих на газах и жидкостях, при кипении и конденсации теплоносителей, т. е. обладают необходимой для практического применения универсальностью. Кроме того, этим трубам характерна пониженная загрязняемость. Таким образом, трубы с кольцевыми турбулизаторами удовлетворяют всем требованиям, необходимым для их широкого практического использования.