ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2012, том 46, № 6, с. 639-647
УДК 532.529.5
О КОМПАКТНОСТИ ТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
© 2012 г. А. А. Коноплев, Г. Г. Алексанян, Б. Л. Рытов, А. А. Берлин
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва alexey.konoplyov@gmail.com Поступила в редакцию 13.12.2011 г.
На примере теплообменников типа "труба в трубе" с гладкими и профилированными трубками рассмотрено влияние проходного сечения межтрубного канала на параметры теплообмена при продольном обтекании труб. Показано, что уменьшение проходного сечения может приводить к росту эффективности теплообмена. Утверждается, что оптимизация трубного и межтрубного пространств способна привести к существенному улучшению компактности трубчатых теплообменников.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема создания компактных высокоэффективных трубчатых теплообменных аппаратов в настоящее время весьма актуальна. Обусловлена она, прежде всего, тем, что трубчатые теплообменники, обладая рядом серьезных преимуществ перед теплообменниками других типов, тем не менее, зачастую значительно проигрывают им именно в компактности. Так, например, по сравнению с пластинчатыми теплообменниками, трубчатые более просты в изготовлении, обладают более низкой стоимостью, допускают возможности работы при более высоких и температурах, и давлениях [1].
Способы решения этой проблемы хорошо известны. Они заключаются, главным образом, в использовании минимально возможных по конструктивным и технологическим соображениям размеров теплообменных каналов трубчатых теплообменников (и труб, и межтрубного пространства), а также в выборе (и, вероятно, в разработке) подходящих и эффективных способов интенсификации теплообмена.
С этой точки зрения, большими перспективами, на наш взгляд, обладает такой способ интенсификации теплообмена, как интенсификация его глубоким профилированием теплообменных каналов (см., например, [2]). Главной особенностью глубокого профилирования является значительно более высокий рост коэффициентов теплообмена, чем в других известных способах интенсификации, включая и такой способ, получивший уже широкое промышленное применение, как накатка канавок по поверхности теплообменных труб [3, 4]. Отметим, что увеличение коэффициентов теплообмена при его интенсификации позволяет сократить требуемую длину теплообмена и тем самым уменьшить длину теплообменных труб и теплообменных аппаратов.
И, хотя при интенсификации теплообмена глубоким профилированием имеет место также рост коэффициента сопротивления, который еще более внушителен, чем рост коэффициентов теплообмена, тем не менее достаточно часто можно получить весьма эффективные теплообменные поверхности (см., например, [2]).
Для оценки эффективности интенсификации теплообмена в [2] предложен простой метод, сущность которого заключается в сравнении удельных поверхностей теплообмена при заданном соотношении полных удельных затрат энергии на прокачку теплоносителей для одной и той же задачи теплообмена при ее осуществлении в сопоставляемых теплообменных устройствах. Здесь под одной и той же задачей теплообмена следует понимать как один и тот же состав греющих и нагреваемых теплоносителей при одном и том же соотношении их расходов, так и равенство их входных и выходных температур. Под удельными же характеристиками — характеристики, отнесенные к расходу теплоносителя какого-либо, выбранного лишь для определенности, канала, трубного или межтрубного, в не зависимости от того, является ли он греющим, или нагреваемым. А под полными затратами — суммарные затраты на прокачку теплоносителей по греющему и нагреваемому каналам соответствующего теплооб-менного устройства.
Этот метод достаточно универсален и может быть применен не только для оценки того или иного способа интенсификации теплообмена или сравнения этих способов между собой, но также и для сопоставления между собой теплообменников различных конструктивных решений, или даже теплообменников различных типов, как, например, трубчатых с пластинчатыми.
Интенсификация теплообмена глубоким профилированием может быть эффективна. Это сле-
дует понимать как то, что теплообменная поверхность интенсифицированного теплообменника может быть меньше, как это показано, например, в [2], чем теплообменная поверхность соответствующего гладкотрубного теплообменника при равных с ним суммарных затратах энергии на прокачку теплоносителей. Эти обстоятельства, в сочетании со значительным ростом коэффициентов теплообмена при интенсификации, создающем предпосылки для значительного уменьшения длины теплообменника, позволяют развивать его теплообменную поверхность в поперечном направлении, улучшая тем самым компактность трубчатых теплообменников.
Есть еще одна, достаточно важная для создания компактных теплообменников особенность интенсификации глубоким профилированием. Она состоит в том, что при увеличении разрешенных потерь энергии на прокачку теплоносителей с превышением их по сравнению с потерями в соответствующем гладкотрубном теплообменнике, рост эффективности (т.е. уменьшение теплооб-менной поверхности) при этом значительно выше, чем в случае интенсификации теплообмена накаткой (см., например, [2]). Это обусловлено со сравнительно невысокой интенсификацией коэффициентов теплообмена в последнем случае.
Таким образом, вопросы, связанные с проектированием трубных каналов компактных трубчатых теплообменников, по-видимому, можно считать, в той или иной степени достаточности, проработанными. В гораздо меньшей степени это может относиться к межтрубным каналам. Коэффициенты теплообмена в них, как правило, невелики, в силу чего являются определяющими для коэффициентов теплообмена устройства в целом. Поэтому для их увеличения требуется принятие некоторых дополнительных мер. Одной из них, вероятно, могло бы быть уменьшение проходного сечения межтрубного пространства.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В настоящей работе на примере теплообменника "труба в трубе" мы хотели бы выявить влияние величины проходного сечения межтрубного канала на эффективность теплообмена при продольном обтекании глубокопрофилированных труб, сопоставив полученные результаты с аналогичными результатами для гладких труб. С этой целью были проведены эксперименты на лабораторных теплообменниках и с гладкими, и с профилированными трубками.
Длина теплообменников с медной внутренней трубкой наружным диаметром 23 мм и внутренним — 19 мм составляла 624 мм. Внутренняя профилированная трубка теплообменника была про-
филирована накаткой глубоких выступов, размещенными с шагом td/DTp = 1.26 и сужающими проходное сечение трубного канала до величины dTp/DTp = 0.52. Кожух теплообменника был выполнен из гладкой трубки с внутренним диаметром 46 мм, который за счет специальных вставок мог изменяться. Таким образом, для профилированной и гладкой трубок с наружным диаметром 23 мм мы имели теплообменники с диаметром кожуха 46, 37 и 28 мм, при этом соотношение проходных сечений межтрубного кольцевого и трубного каналов составляло величину 4.26, 2.26 и 0.69 соответственно.
Эксперименты проводились методом натурных испытаний. Если в этом случае из 4 независимых переменных (например, расходы греющего и нагреваемого теплоносителей Ог и Он и их входные температуры ?вх, г и ?вх, н), описывающих процесс теплопередачи, две (например, ?вх, г и ?вх, н) оставались бы неизменными, а две другие (например, Ог и Он) изменялись бы в определенных пределах, то для испытуемого теплообменного устройства из полученных в эксперименте данных (например, ?вых,г = f(Gv, Он) или ?вых,н = Д^г, Он)) в предположении постоянства коэффициента теплопередачи K по длине теплообменника L можно найти для него зависимости K=ДОг, Он) или K = =У(Яетр, Яемт), его значение при заданных параметрах Ог и Он, или соответствующих Яетр и Яемт, средние значения остальных параметров теплообмена и даже построить в этом же предположении, т.е. K(L) = const, их продольные распределения. Методика эта не вызывает каких-либо существенных затруднений, несколько более подробно она изложена в [5].
Однако, как это было показано в [6], при проведении экспериментов подобным образом можно отказаться от предположения K(L) = const, предположив взамен, что изменения каждого из коэффициентов теплоотдачи ia по длине канала, как трубного, так и межтрубного, могли бы быть приближены какой-нибудь подходящей функцией. В качестве такой функции можно было бы использовать, например, полином 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.
В настоящей работе мы будем использовать оба этих способа нахождения средних значений параметров теплообмена для того, чтобы попытаться затем сравнить их между собой на данном конкретном примере.
Эксперименты проводились в двух вариантах, в одном из которых трубный канал теплообменника был греющим (вариант теплообмена ТГ), в другом — нагреваемым (вариант ТН). В обоих вариантах входная температура греющего теплоносителя была равна ?вх, г = 70.0°C, и отклонения ее от этой величины не превышали 0.1°С. В качестве нагреваемого теплоносителя использовалась водопроводная вода. В этом случае его входная температура t н соответствовала температуре воды в водопроводной сети, и в разных экспериментах могла отличаться на несколько градусов. Однако при проведении конкретного эксперимента, когда, изменяя расходы теплоносителей, необходимо поддерживать условие ?вх = const, ¿вх, н могла изменяться лишь в пределах нескольких десятых долей градуса. Поэтому влиянием этих отклонений, как, впрочем, и отклонений ?вх, г, на точность вычисления коэффициентов теплообмена вполне можно пренебречь. Расходы теплоносителей изменялись в пределах, равных, приблизительно, для греющего канала — Ог/рг = (7—35) х 10-5 м3/с и для нагреваемого — ^н/рн = (9—40) х 10-5 м3/с.
Для определения коэффициентов гидродинамического сопротивления были проведены специально п
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.