Монография Попов т3

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

-разнообразие профилей выштамповок и широкого разнообразия стилей их нанесения

-разнообразие организации потока в теплообменных элементах. Пластины изготавливаются с помощью сварки по периметру - лазерной,

плазменной сваркой или электросваркой, внутреннее пятно в выштамповке сваривается обычно электросваркой.

Разнообразие организации потока осуществляется за счет сплошных выштамповок, обеспечивающих увеличение пути течения теплоносителя в теплообменном элементе, организации противотока, многократного перекрестного тока, изменения скорости теплоносителя по длине пластины и других видов течения. Примеры такой организации течения показано на рис.3.301.

В качестве материалов при создании формованных пластин в настоящее время используются следующие материалы - нержавеющая сталь, титан, никель, оригинальные сплавы. Толщина формованных пластин составляет от

0.6мм до 2.8 мм.

Регулярные выштамповки обеспечивают высокую турбулизацию потока и следовательно повышают теплогидравлическую эффективность, достигая значений свойственных неглубоким плавным впадинам шевронного типа, используемым в обычных пластинчатых теплообменниках. Высокая эффективность таких поверхностей связана также с высокоразвитой поверхностью и как следствие большим значением компактности и отсутствием «мертвых» зон по тракту теплообменного элемента.

Рис.3.301. Примеры организации потока в теплообменных элементах с выемками/выступами

Скругление кромок выштамповок повышает гидравлическую эффективность и способствует уменьшению загрязнений.

349

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Штампованные пластинчатые элементы созданы для того, чтобы заменить кожухотрубные теплообменники. Новый вид теплообменных элементов и теплообменных аппаратов на их базе имеют большую тепловую эффективность по сравнению с трубчатыми конструкциями. В то же время они оказывают существенную конкуренцию обычным пластинчатым сварным и разборным теплообменным аппаратам. В основном это связано с большими допустимыми давлениями в пластинчатых штампованно-сварных теплообменниках.

Штампованные пластины предполагают множество преимуществ перед шевронными пластинами пластинчатых теплообменников:

•допускают колебания давления, в том числе циклические.

•допускают инверсии давления.

•устойчивы к короблению.

Универсальность теплообменных элементов на основе штампованных выемками поверхностей позволяет создавать на их базе целый спектр теплообменных аппаратов.

Первый из типов теплообменных аппаратов на базе штампованных сварных теплообменных панелей – теплообменник с разборным кожухом и сварной теплообменной матрицей (рис.3.302 и 3.303). Такие теплообменники в основном используются как экономайзеры. Данные теплообменники снабжены пазами, которые позволяют менять пластины и производить осмотр теплообменной матрицы и ее очистку (рис.3.304). Возможность варьирования расстояния между теплообменными панелями, объединенная с уникальной геометрией штамповки, позволяет обеспечивать эффективную теплопередачу. Сглаженный контур штамповки уменьшает загрязнение.

Рис.3.302. Примеры пластинчатых ТА

Рис.3.303. Примеры кожухопластинчатых ТА

350

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Теплообменники данного типа имеют множество применений, включая нагреватели; охладители; испарители, конденсаторы, нагреватели вязких жидкостей. Отсутствие прокладок между пластинами по сравнению с разборными пластинчатыми теплообменниками позволяет использовать их с агрессивными средами и при более высоких температурах и давлениях.

Рис.3.304. Примеры кожухопластинчатых ТА

Другим типом теплообменных аппаратов на базе штампованных поверхностей являются сварные и паянные ламельные теплообменники (рис.3.305). В основном они предназначены для замены кожухотрубных теплообменников и рассчитаны на значитель-

ные давления. Ламельные тепло-

обменники на базе новых поверхностей - адаптация традиционного кожухотрубного теплообменника. Он объединяет новые теплопередающие поверхности вместо труб, обеспечивая очень эффективный, сваренный теплообменник, который является особенно эффективным с жидкостями, которые за-

грязняют и забивают обычные кожухотрубные теплообменники. Особенности ламельных теплообменников: легко доступный, мало загрязняющийся, обеспечивает чистку поверхности, полностью сваренная конструкция - никаких прокладок, обеспечивает высокие давления и низкие температуры, компактный, высокие коэффициенты теплопередачи. Основное назначение - целлюлозобу-

351

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

мажные фабрики, энергетика, легкая промышленность, пищевая промышленность, химическая промышленность, бытовые нужды.

Перспективным является и использование так называемых свободных сборок (рис.3.306). Основное назначение – использование в сильно загрязненных потоках.

Фирмы-производители штампованных пластинчатых теплообменных элементов предлагают также на их основе пластинчатые теплообменники (рис.3.307), выполненных по подобию нашедших широкое применение пластинчатых теплообменников с шевронными поверхностями.

На базе пластинчатых теплообменников и пакетов из штампованных плоских или изогнутых пластин собираются гибридные тепло-

обменники (рис.3.308). Теплообменники разборные и имеют резиновые прокладки. В обслуживании подобны хорошо известным пластинчатым теплообменникам.

В табл.3.14 проведен сравнительный анализ 3 видов теплообменников – кожухотрубного, обычного пластинчатого и нового теплообменника на базе пластинчатых теплообменных элементов с выштамповками. Хорошо видно, что последний теплообменник имеет хорошие характеристик, которые по большинству показателей превосходят характеристики кожухотрубных и пластинчатых теплообменников.

Приведенные выше данные относятся к обзору иностранных производителей теплообменного оборудования [134–141] – Альфа Лаваль, Трантер, ВиЭКс, АВП, Буко, Мюллер, Т-Димпле, Балкфлоу и т.д. В отечественной литера-

352

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

туре пластинчатые теплообменные аппараты со сферическими элементами описаны в работах [142–144].

Таблица 3.14. Сравнительные характеристики трех основных типов

теплообменных аппаратов

353

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

штампованными листами с соответствующим дистанционированием. Теплогидравлические характеристики таких поверхностей можно определить на установке с обогревом пакета листов кипящей водой. Автором и Н.Ф.Новожиловым на указанной установке применительно к газотурбинным воздухоподогревателям были исследованы пластинчатые поверхности теплообмена с шаровыми выступами и впадинами. Эскизы этих поверхностей показаны на рис.3.309.

Пластины представляют собой плоские листы с выдавленными полушаровыми выступами (с противоположной стороны получаются впадины). Выступы располагаются в коридорном порядке с поперечным и продольным шагом S1=S2=21 мм. Диаметр выступа 8 мм. При наложении двух листов друг на друга (взаимное расположение выступов в пакете – шахматное) образуется канал с обтеканием полусферических элементов, расположенных в шахматном порядке. Предполагается, что эти каналы будут составлять газовые каналы газотурбинного воздухонагревателя. Воздушные каналы воздухоподогревателя будут представлять собой каналы с полушаровыми впадинами. Их дистанционируют проволоками или проставками. Указанные каналы изучаются раздельно: канал с полушаровыми выступами и канал с полушаровыми впадинами. Результаты опытов для первого канала аппроксимировались уравнением

Nu = 0,0146 Re0,94 ; ξ = 0,19 .

Соответственно для второго канала

Nu = 0,0114 Re0,93 ; ξ = 0,1.

Подобные теплообменные каналы описаны и в работе [144]. Приведенные данные обзора показывают, что теплообменники с штампо-

ванными сварными теплообменными элементами имеют ряд преимуществ перед другими теплообменниками и перспективны для широкого промышленного использования.

Сферические выемки в качестве интенсификаторов теплообмена могут использоваться и в кожухотрубных теплообменниках.

Рис.3.310. Теплообменные трубы со сферическими выемками

354

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Вработах Я.П.Чудновского и А.П.Козлова [145,146] приводятся результаты испытания кожухотрубного теплообменного аппарата для химической промышленности. Сферические выемки нанесены на внешней поверхности труб при их поперечном обтекании (рис.3.310).

Полученные данные в работе [146] сравниваются с результатами испытания оребренного пучка труб в таком же по габаритам теплообменном аппарате

(рис.3.311).

Полученные данные сравнения (рис.3.332) показывают, что трубы с выемками имеют тепловую мощность на 30–70% выше, чем оребренные при прочих равных габаритных характеристиках теплообменных аппаратов. При этом потери давления в тракте теп-

лообменного аппарата со сферическими выемками на 50–90% ниже, в зависимости от скорости течения теплоносителя.

Рис.3.332. Результаты тепловых и гидравлических испытаний теплообменных аппаратов с оребренными трубами и трубами со сферическими выемками на внешней поверхности

Сферические выемки в качестве интенсификаторов теплообмена предлагается использовать и на трубчатых твэлах. В патенте [147] описан подобный твэл ядерной установки. Тонкостенная оболочка твэла контейнерного ЯР, имеющая на наружной поверхности интенсификаторы теплообмена, отличающиеся тем, что, с целью повышения коэффициента теплоотдачи и уменьшения гидравлического сопротивления, интенсификаторы выполнены в виде сферических выемок, расположенных в шахматном порядке.

355

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Сферические выемки могут использоваться в качестве интенсификаторов и внутри труб. В работе [54] приведены результаты испытаний теплообменных трубок для теплоэнергетического оборудования, выполненные на ОАО «Завод им.С.Орджоникидзе», г.Подольск.

В презентации К.Шелдона [148] показаны результаты испытания теплообменного аппарата с трубами, на внутренней поверхности которых нанесены системы сферических выемок (рис.3.313). Трубы имели диаметр 1,5 дюйма.

Выемки наносились диаметром 0,39 дюйма и глубиной 0,08 и 0,16 дюйма, что обеспечивало относительную глубину выемок 0,205 и 0,41. Варьировался шаг нанесения выемок – от 0,4287 до 0,523 дюйма.

На рис.3.314 показаны графики по уровню интенсификации теплообмена и увеличению потерь давления в гладкотрубном теплообменнике и теплообменнике с трубами со сферическими выемками внутри труб. Видно, что максимальная интенсификация достигает 2,10–2,15 раз и свойственна для труб с «глубокими» практически выемками независимо от относительного шага. Для «мелких» выемок интенсификация теплообмена составляет до 1,22–1,68 раз и сильно изменяется в зависимости от шага выемок. Потери давления растут значительно быстрее при нанесении выемок. Для «глубоких» выемок увеличение гидросопротивления составило до 6,8–7,3 раз, для «мелких» – 3,5–2,3 раза. При этом для «мелких» выемок также существенно влияние шага их расположения.

Рис.3.314. Увеличение теплоотдачи и гидросопротивления труб со сферическими выемками на внутренней поверхности: – трубы 1: глубина выемок h=0.08", шаг выемок p=0.523"; – трубы 2: h=0.16", p=0.4287"; – трубы 3: h=0.16", p=0.523"; – трубы 4: h=0.08", p=0.4287"

356

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования

Как ясно из результатов работы [148] максимальная теплоотдача наблюдается в каналах с «глубокими» сферическими выемками, а максимальная теплогидравлическая эффективность – в каналах с «мелкими» выемками. Это было неоднократно показано при рассмотрении вопросов теплоотдачи и теплогидавлической эффективности в вышеприведенных разделах.

Впрезентации к докладу А.А.Халатова [6] указывается о создании и испытании кожухотрубных теплообменных аппаратов с вихревыми структурами (выемками), формируемыми на поверхности труб, которые уменьшают зону отрыва потока, снижают гидравлические потери, способствуют самоочищению поверхности трубы от промышленных загрязнений (рис.3.315).

Втом же докладе [6] указывается о применение сферический выемок в теплообменнике печи прокатного стана (рис.3.316), что снижает температуру стенки на 50...600ºС в области Re=550...6000 и повышает термическую стойкость

теплообменника в 3...5 раз. Данный теплообменник разработан для печи прокатного производства, где сжигается около 40 млн м3 природного газа в год. Экономия газа на одной печи при рекуперации (2 рекуператора с интенсификацией в виде сферических выемок) составляет около 5 млн.м3. При

стоимости природного газа $440/1000 м3 экономия на одном рекуператоре может составить $1,1 млн. в год.

Рис.3.316. Теплообменник для печи прокатного производства с вставками со сферическими выемками

357

Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи

вканалах теплообменного оборудования

Вработах Ю.А.Кирсанова изложены результаты расчетных и экспериментальных исследований регенеративного теплообменника переключательного типа с насадками в виде сборок пластин со сферическими выемками и выступами. Установлена высокая теплогидравлическая эффективность использования данных интенсификаторов теплообмена.

Кроме теплообменников в энергетике и различных отраслях промышленности, сферические выемки находят широкое применение в системах охлаждения турбин авиационных газотурбинных двигателей. В работах [13,50,66,103,118] приведены примеры нанесения поверхностных интенсификаторов в виде сферических выемок в охлаждаемых трактах лопаток ГТД

(рис.3.317).

Рис.3.317. Образцы рабочих охлаждаемых лопаток турбин с интенсификацией теплообмена при помощи ограниченных «вихревых» трактов [13,50,66,103,118]

В работе Е.В.Дилевской и С.И.Каськова [149] указывается, что силовые электронные приборы (таблеточные тиристоры, диоды), комплектующие полупроводниковые преобразователи энергии, при функционировании выделяют достаточно большое количество тепла (100-500 Вт на один прибор). В связи с этим они снабжаются двумя индивидуальными охладителями, обеспечивающими двусторонний теплоотвод. Электрические схемы преобразователей энергии предусматривают использование таких модулей, которые занимают 60-70% объема преобразовательного устройства. Из этого следует, что их эксплуатационные параметры определяются энергоэффективностью охладителей. В настоящее время для термостатирования силовых электронных приборов (тиристоров) с выделяемой мощностью 150-500 Вт используются охладители на ос-

358