ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 1, с. 65-73
УДК 532.529.5
ОБ ЭФФЕКТИВНЫХ ТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ
© 2015 г. А. А. Коноплев, Г. Г. Алексанян, Б. Л. Рытов, Ал. Ал. Берлин
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва alexey.konoplyov@gmail.com Поступила в редакцию 19.12.2013 г.
Из экспериментальных данных получены оценки тепловых и массогабаритных параметров кожухо-трубчатого теплообменника с плотной упаковкой трубного пучка без перегородок в межтрубном пространстве при интенсификации теплообмена глубоким профилированием. Сравнение этих данных с аналогичными данными для теплообменника при интенсификации теплообмена накаткой, указывает на явное преимущество теплообменников, интенсифицированных глубоким профилированием.
Ключевые слова: интенсификация теплообмена, трубчатые теплообменники.
DOI: 10.7868/S0040357115010054
Создание эффективных трубчатых теплооб-менных аппаратов, обладающих высокими тепловыми и массогабаритными характеристиками, пожалуй, следует признать сегодня весьма актуальной задачей, одним из способов решения которой является применение эффективного метода интенсификации теплообмена. Другим же важным способом, является также правильный выбор конструктивных параметров теплообменника, включая параметры теплообменной трубки, что позволит получить значения тепловых и массогабаритных характеристик оптимальными, или близкими к ним.
Так используя представления критериальной модели теплообмена, нетрудно показать, что, например, изменения диаметра теплообменной трубки приводят к изменениям ряда параметров теплообменных аппаратов (если их сравнивать между собой при использовании для одного и того же технологического процесса теплообмена). Предполагая скорость потока постоянной v = const, соотношение пропорциональности для критериальной модели вида Nu ~ Re0 8, изменение диаметра гладких трубок в n раз, т.е., считая, что Dn = nD (здесь и ниже для удобства и простоты индексом n отметим параметры, соответствующие измененному диаметру трубок), приводит к следующему:
Ln = n12L, (la)
Fn/Gn = n02(F/G), (1б)
Fn/Vn = n-1(F/V), (1в)
Apn = n-°-05Ap ~ Ap. (1г)
Таким образом, при уменьшении диаметра трубки (n < 1) имеет место более чем пропорцио-
нальное уменьшение длины теплообменника (1а), а также некоторое уменьшение удельной поверхности теплообмена (1б), которое имеет место при обратно пропорциональном росте поверхности теплообмена в единице объема (1в). Вместе с тем, имеется так же и незначительный рост удельных затрат энергии на прокачку теплоносителей, пропорциональных Ар (1г), которым, вероятно, при оценках влияния диаметра трубки на тепловые и массогабаритные параметры теплообменного аппарата можно пренебречь.
В современных трубчатых теплообменниках, предназначенных для использования в технологических процессах химических производств, а также в системах теплоснабжения, применяются теп-лообменные трубки из латуни и стали, гладкие и профилированные накаткой, диаметром 25—16 мм, иногда и менее, и со стенкой толщиной в 1—2 мм, а иногда также и менее.
Однако в последнее время на рынке теплооб-менного оборудования появились кожухотрубча-тые теплообменники, содержащие плотноупако-ванные пучки гладких или профилированных накаткой тонкостенных стальных или титановых трубок малого диаметра (приблизительно 8 мм), размещаемые под кожухом без перегородок в межтрубном пространстве [2]. Как показала практика их эксплуатации в системах теплоснабжения, они существенно превосходят все другие кожухо-трубчатые теплообменники по тепловым и массо-габаритным показателям, однако, обладают также и рядом недостатков, проявляющихся при их эксплуатации. Связанны эти недостатки прежде всего с малой ремонтопригодностью, с невозможностью механической очистки трубного и
5
65
межтрубного пространств, а также со свойствами пучков именно тонкостенных трубок — провисанием, чувствительностью к вибрациям, скачкам давления, гидравлическим ударам и т.п.
Вероятно, применение более эффективного метода интенсификации теплообмена, чем накатка кольцевых или спиральных канавок на стенках теплообменных трубок, позволит не только в целом повысить эффективность тепло-обменного аппарата, но также в той или иной степени нейтрализовать отмеченные несколько выше недостатки. Таким методом, как нам представляется вполне мог бы стать метод глубокого профилирования трубного и межтрубного каналов теплообменника, предложенный нами несколько раннее именно как метод эффективной интенсификации теплообмена (см., например, [1]).
Таким образом, целью настоящей работы является определение характеристик интенсифицированных глубоким профилированием теплообменников, и сравнение их с аналогичными характеристиками теплообменников ТТАИ, которые по тепловым и массогабаритным параметрам находятся вне конкуренции со всеми другими теплообменниками систем теплоснабжения.
ТЕПЛООБМЕННИК ТТАИ
Авторы глубоко признательны генеральному директору НПО "Термэк" Александру Лаврентьевичу Наумову, предоставившему для лабораторных экспериментов водо-водяной теплообменник марки ТТАИ-2-25/1450, выпущенный предприятием-изготовителем "Теплообмен" с заводским номером 1970 и не бывший на момент испытаний в эксплуатации.
Особенностью теплообменника ТТАИ является использование плотноупакованного пучка тонкостенных профилированных накаткой трубок малого диаметра, размещаемого под кожухом без перегородок в межтрубном пространстве. По паспортным данным нагреваемым каналом теплообменника является трубный, нагреваемой и греющей средами — пресная вода с начальными температурами 5 и 105°С, расходами — 1.56 и 3.44 т/ч, соответственно, и выходной температурой нагреваемой среды 60°С. Перепад давления по трубному пространству не превышает 0.3, по межтрубному — 0.25 кгс/см2.
Конструктивно теплообменник выполнен с двумя входами в межтрубное пространство, разнесенными по его концам, и выходом из него посередине. При этом, таким образом, через каждое поперечное сечение межтрубного канала протекает лишь половина общего расхода. Такая схема течения за счет 2-х кратного увеличения расхода теплоносителя греющего канала позволяет несколько уменьшить снижение его температуры, тем самым увеличивая температурный напор теп-
лообмена (разность средних температур теплоносителей).
Однако, если на конечном участке трубного канала (прилегающего к выходу из него) имеет место противоточное обтекание трубного пучка, то на начальном его участке — прямоточное. Вероятно, в силу достаточно большой разности температур теплоносителей на этом участке, отличием в значениях параметров, определенных для прямотока и противотока можно пренебречь.
Поэтому, не имея возможности обеспечить в наших лабораторных условиях номинальные значения расходов, а также и температур, и полагая, что главной целью экспериментов является оценка коэффициентов теплообмена теплообменника (ТТАИ), мы оставили лишь один из входов в межтрубное пространство, используя другой как выход из него, закрыв при этом выход посередине. Таким образом, мы получили теплообменник чисто противоточной схемы с теми же самыми коэффициентами теплообмена, что и у исходного теплообменника.
Вместе с тем, оценивая некоторые параметры теплообменника по найденным экспериментальным данным, мы будем их оценивать также и для схемы течения с двумя входами.
Трубный пучок ТТАИ содержит 6 трубок, изготовленных из стали Х17Н13М2Т для которых измеренные нами диаметр, толщина стенок и длина омываемой части составляли, соответственно, 8, 0.2 и 1390 мм, расчетное значение коэффициента теплопроводности принято равным X = 15 Вт/(м2 К). Некоторые из этих данных, а также некоторые оценки, полученные из уравнений баланса, приведены табл. 1.
В таблице 1 приведены также результаты двух экспериментов с теплообменником ТТАИ. Как и в прежних наших работах, они проводились методом натурных испытаний по методике, которая достаточно подробно описана в наших предыдущих работах (см., например, [1, 3]). В очень кратком изложении она сводится к следующему. Проводя эксперимент в области переменных расходов Стр, mjn — GTV — Стр, тах и &Мт, min — Смт — Смт, max при
постоянстве входных температур теплоносителей, можно предположить, что изменения каждого из коэффициентов теплоотдачи а по длине канала, и трубного, и межтрубного, могли бы быть приближены какой-нибудь подходящей функцией. В качестве такой функции можно было бы использовать, например, полиномом некоторой степени, коэффициенты которого, в свою очередь, могли бы быть найдены из полученных экспериментальных данных. В этом случае параметры теплообмена непосредственным образом описывались бы их продольными распределениями, а средние значения могли бы быть получены осреднением этих распределений.
Таблица 1. Оценка теплотехнических параметров теплообменника ТТАИ1)
По данным техпаспорта По критериальной модели По экспериментальным данным
№ Пара- расчет по к.м. расчет по к.м. с "коррекцией" эксперимент 1 эксперимент 2
п/п метры и из уравнений ба- ланса2)
расчет на усл-я НР расчет на усл-я НР расчет на усл-я СР данные эксперимента пересчет на усл-я НР пересчет на усл-я СР данные эксперимента пересчет на усл-я НР пересчет на усл-я СР
1 О 0. 433 0 .43 3 0 .43 3 0 . 272 0 .21 7 0 .43 3 0 . 272 0 . 21 7 0 . 433 0 . 272
2 х 0.478 0 .478 0 .478 0 . 300 0 .23 9 0 .478 0 . 300 0 . 239 0 . 478 0 . 300
2 ?вх 5 5 5 1 5 1 8 .4 7 5 1 5 3 .28 5 1 5
1 05 1 0 5 1 05 60 60.06 1 05 60 5 0.03 1 05 60
3 ?вых 60 43.0 1 54.49 3 7.54 3 9.92 5 3.90 3 7.3 6 26.24 5 5.33 38.0 1
8 0.25 70.73 60.3 3 3 9.54 40.60 60.8 7 3 9.7 1 2 9.1 4 5 9.58 39.1 2
4 ?ср 34.8 5 23 .1 9 28 .60 26.04 28.8 5 28.25 25.94 1 4.0 6 28.93 26.26
93.68 8 7.1 7 8 1 .70 49.5 7 5 0.02 8 1.9 1 49.65 3 8.96 8 1.23 49.35
5 д? 58.83 63.98 53.09 23.53 21.17 53.66 23.7 24.9 52.83 23.08
6 0 99.60 68.97 8 8.893 > 99.60 25.65 19.44 88.8 23) 97.3 7 25.44 20.88 9 1 .433) 1 0 2. 8 26.19
7 К 8.08 5.14 8.08 5.20 4.38 7.90 5.12 4.00 8.34 5.41
8 а 8 .9 14.9 9 .6 7 .0 1 2 .7 8 .2 6 .3 1 3.7 8 .8
16.2 25.6 1 4 .6 1 5 .9 3 3.6 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.