научная статья по теме ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА ГЛУБОКИМ ПРОФИЛИРОВАНИЕМ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА ГЛУБОКИМ ПРОФИЛИРОВАНИЕМ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2012, том 46, № 1, с. 24-34

УДК 532.529.5

ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА ГЛУБОКИМ ПРОФИЛИРОВАНИЕМ

© 2012 г. А. А. Коноплёв, 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 29.06.2010 г.; после доработки 31.03.2011 г.

Предложен метод оценки эффективности интенсификации теплообмена. Экспериментально показано, что интенсификация теплообмена в кожухотрубчатых теплообменниках глубоким профилированием эффективна. Показано также, что эффективность интенсификации теплообмена глубоким профилированием, вопреки существующим представлениям, существенно выше эффективности интенсификации накаткой.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема интенсификации процессов конвективного теплообмена имеет большое значение для совершенствования теплообменных устройств. Для ее решения предложены и, в той или иной степени, исследованы различные способы [1—4], среди которых, ввиду их относительной простоты и технологичности, особое положение занимают способы, связанные с профилированием каналов теплообменника. Некоторые из предложенных способов находят промышленное применение [5].

Правильный выбор в пользу тех или иных способов интенсификации теплообмена при решении технологических задач может быть осуществлен лишь на основе надлежащей оценки их свойств и параметров. Эта оценка, понимаемая часто как эффективность интенсификации, должна быть построена на соотнесении эффекта интенсификации и затрат на ее осуществление и носить сравнительный характер. Она может быть получена путем сопоставления данных для оцениваемого теплообменника (или его канала) с уже известными данными, в качестве которых чаще всего и удобнее всего использовать данные для гладкотрубных теплообменников (каналов).

Однако необходимо признать, что на сегодняшний день не существует не только общепризнанного метода оценки эффективности интенсификации теплообмена, не существует даже ее общепризнанного определения. На эту проблему часто вообще не обращают какого-либо внимания, ограничивая оценку интенсификации лишь приведением зависимостей вида

Ми/Мига = / (Яе), С/С гл = I (Яе),

№/№гл = I (Яе). С/С гл ^ 7

(1а) (1б)

(1в)

Безусловно, в зависимостях (1) содержится вся информация, необходимая для оценок того или иного метода интенсификации, однако для оценок достаточно понятных и важных с практической точки зрения, только лишь этих зависимостей, вероятно, недостаточно.

В [6] авторы предлагают оценивать эффективность интенсификации с помощью энергетического критерия Кирпичева Е = Q/'N, или некоторой его модификации Е = E/At, полагая, что при сравнении двух теплообменников, тот из них, теплообмен в котором интенсифицирован более эффективным способом, и должен обладать большим значением соответствующего критерия. Само же сравнение при этом должно проводиться при одинаковых числах Яе и числах труб в теплообменниках, а также их длинах Ь и диаметрах Б, т.е. сравнивать необходимо в одинаковых условиях конструктивно идентичные теплообменники, отличающиеся лишь интенсификаторами в трубных каналах. Глобальные же параметры теплообменников, такие как поверхность теплообмена Е, тепловая мощность Q, мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителя, N должны быть получены при проектировании и оценены впоследствии.

В случае, если один из сравниваемых теплообменников гладкотрубный, можно записать

Е' = №/Миг

Е' С/С гл

х/х г

(р/р гл гл )

(1г)

где второй сомножитель в правой части, связанный со свойствами теплоносителей, появляется из-за разницы выходных температур, которая имеет место при одинаковой длине рассматриваемых теплообменников, и наличии в одном из них интенсификации теплообмена. Если пренебречь этим сомножителем, оценка интенсификации по критерию Е '/Егл становится тождественной ее

оценке по зависимости (1в). И хотя авторы [6] полагают, что "коэффициент E' необходимо классифицировать как простой и физически ясный, основополагающий критерий оценки эффективности интенсификации", на наш взгляд, он мало информативен, и потому малополезен.

Действительно, при проектировании теплооб-менных устройств выполнение требований минимизации затрат N/Q должно приводить к росту теплообменной поверхности F, а требования минимизации поверхности F/Q - к росту потерь на прокачку N. Задача проектирования, поэтому, состоит в нахождении разумного копромисса между этими требованиями для каждой конкретной задачи теплообмена, который обычно может быть найден при выполнении каких-либо ограничивающих условий. Например, при непревышении допустимого уровня потерь N.

Выбор соотношения (1в) в качестве критерия оценки эффективности интенсификации теплообмена, на наш взгляд, не является удачным. Так, в случае равенства Nu/Nura = Z/Zra, иногда это, возможно, имеет место, критерии эффективности интенсифицированного и гладкотрубного теплообменников будут равны. Однако при равных расходах и перепадах давления, температурах и тепловых мощностях, длины труб при равных их диаметрах, а следовательно, и поверхности теплообмена будут отличаться в Nu/Nura раз.

Если же при интенсификации мы имеем дело с опережающим ростом коэффициента сопротивления по сравнению с ростом теплоотдачи, что характерно для большинства практически важных способов интенсификации, т.е. Nu/Nu^ < Z/Zra, то параметр эффективности интенсифицированного теплообменника будет всегда меньше, чем у гладкотрубного (см., например, [6], где приведен рассчитанный авторами коэффициент эффективности для более чем десятка известных способов, для которых имеющиеся в литературе данные, в той или иной степени, достоверны). Означает ли это то, что в данном случае любая интенсификация неэффективна, особенно если, следуя [6], считать, что задача проектирования состоит в "...достижении максимально возможного теплогидродинами-ческого совершенства теплообменных аппаратов (ТА) - E = max"?

В силу того, что в турбулентном режиме зависимости Q и N от скорости теплоносителя различны (Q — в степени не выше первой, тогда как N — в степени, приближающейся к третьей), функция E = = E(Re) является функцией монотонной, максимальное значение которой лежит на нижней границе турбулентного режима. Поэтому следование при проектировании требованию E = max должно приводить к большому росту F. По этой причине критерий E, на наш взгляд, в гораздо большей степени подходит для характеристики некоторого

теплообменного процесса, осуществляемого в теплообменном устройстве, чем для характеристики собственно этого самого теплообменного устройства.

В [3, 4, 7] описан другой подход, в котором оценку эффективности интенсификации теплообмена предлагается определять путем сравнения по одному из основных параметров, таких как Е, 0, или N двух теплообменников, в одном из которых теплообмен интенсифицирован оцениваемым способом, а в другом же — нет (например, теплообменник с гладкими трубами). При этом предполагается у сравниваемых между собой теплообменников равенство тепловых мощностей, расходов, перепадов давления, которые выравниваются за счет изменения числа труб при сохранении общих их расходов и других параметров. Такая оценка может быть проведена как для трубного, так и для межтрубного канала при продольном его обтекании. Однако следует заметить, что здесь, как и везде ранее, оппозитный канал предполагается термостатированным, т.е. обладающим очень большой теплоотдачей, и потому не влияющей на теплопередачу, а все сказанное выше об эффективности интенсификации относится, прежде всего, к интенсификации теплоотдачи.

Для оценки эффективности интенсификации теплопередачи в целом в [3, 4, 7] предлагается, предварительно оценив эффективность интенсификации теплоотдачи раздельно по каждому из каналов, объединить их затем с учетом соотношения коэффициентов теплоотдачи. По мнению авторов, это позволит упростить выкладки и повысить наглядность сравнения.

В [3, 4] выведены критерии для оценки эффективности интенсификации теплоотдачи. Так, для сравнения Е и Егл критерий имеет вид

F_

F

(Z/Z гл )

0.4 Re

1.4 '

(Nu/Nura )Re

(2a)

Однако здесь следует отметить одну неточность, заключающуюся в том, что если Е, Ми/Мигл, ^/Сгл определены в (2а) при числе Яе интенсифицированного канала, то Егл должно быть определено при числе Рейнольдса гладкотрубного канала Яегл, которое при Ми/Мигл < ^/Сгл не совпадает с Яе и явным образом из (2а) не следует. Поэтому использование для оценок выражения (2а) без учета зависимости

Re = f (Rera),

(2б)

не является корректным и может приводить к ошибкам, причем тем большим, чем больше Яегл, а также отличие Ми/Мигл от ^/Сгл. Получить же зависимость (2б) или зависимость

F = f (Re, Nu,Z,Rera,Nura,Z ra),

F

(2в)

можно не иначе, как в результате решения соответствующей системы уравнений.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Разделяя в целом подход [3, 4] к оценке эффективности интенсификации теплообмена как к сравнению основных параметров теплообменников, мы хотели бы внести в него некоторые уточнения и дополнения.

Действительно, поскольку целью интенсификации теплообмена является его увеличение, приводящее в итоге к уменьшению теплообменной поверхности, то и оценивать ее необходимо именно по этому эффекту, т.е. по сокращению поверхности теплообмена. Однако поскольку при интенсификации теплоотдачи, как правило, возрастают коэффициенты сопротивления, то оценку эффективности интенсификации необходимо производить при затратах на прокачку, равных между собой, или же находящихся в каком-то ином, но вполне определенном соотношении. И наконец, для получения оценок эффективности интенсификации теплообмена нет необходимости проводить сравнения по какому-либо из параметров гипотетических теплообменников, требуя равенства всех остальных. Для этих целей вполне достаточно сопоставления удельных, т.е. отнесенных к единице массы теплоносителя, характеристик.

Эффективность интенсификации теплоотдачи. Так, например, уравнение

Q = Q

G GL

(3)

выражает равенство удельных тепловых потоков, что при равенстве входных температур обеспечивает одинаковые выходные и

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.

Показать целиком