Способи інтенсифікації теплообміну

Завдання інтенсифікації процесу теплообміну і створення високоефективних теплообмінних апаратів дуже актуальне. Для інтенсифікації процесів теплообміну застосовують наступні прийоми:

1) запобігання відкладенням (шламу, солей, корозійних оксидів) шляхом систематичного промивання, чищення і спеціальної обробки поверхонь теплообміну і попереднього відділення з теплоносіїв речовин і домішок, що дають відкладення;

2) продування трубного і міжтрубного просторів від інертних газів, що різко знижують теплообмін при конденсації пари;

3) штучна турбулізація потоку;

4) оребрення поверхні теплообміну.

Проблема інтенсифікації роботи кожухотрубних теплообмінників пов'язана головним чином з вирівнюванням термічних опорів на протилежних сторонах теплообмінної поверхні. Цього досягають або збільшенням поверхні теплообміну F, наприклад оребренням її з боку теплоносія з меншим коефіцієнтом тепловіддачі α, або збільшенням коефіцієнта тепловіддачі раціональним підбором гідродинаміки теплоносія. Останнє повинне призводити до вирівнювання швидкостей і температур по перерізу потоку теплоносія, а отже і до зменшення термічного опору його пограничного шару. Результати досліджень показують, що саме опір пограничного шару є головним фактором, який знижує інтенсивність теплопередачі.

Теплообмін значно покращується також при ліквідації застійних зон у міжтрубному просторі. Особливо часто такі зони утворюються поблизу трубних решіток, оскільки штуцери входу і виходу теплоносія з міжтрубного простору розміщені на деякій відстані від них. Найбільш радикальний спосіб виключення утворення таких зон – встановлення розподільних камер на вході і виході теплоносія з міжтрубного простору.

Ефект тепловіддачі на зовнішній поверхні труб істотно підвищують кільцеві канавки, які інтенсифікують теплообмін в міжтрубному просторі приблизно в 2 рази турбулізацією потоку в пограничному шарі.

У теплообмінниках з передачею теплоти від рідини в трубному просторі до в'язкої рідини або газу в міжтрубному просторі коефіцієнти тепловіддачі із зовнішнього боку труб приблизно на порядок менше, ніж із внутрішньої сторони. Наприклад, в газорідинних теплообмінниках коефіцієнт тепловіддачі з боку рідини (α_р) може досягати 6 кВт /(м ² ° С), а з боку газу (α_г) не перевищує 0,1 кВт /(м ² ° С). Очевидно, що застосування гладких труб в таких теплообмінниках призводить до різкого збільшення їх маси і розмірів. Прагнення інтенсифікувати тепловіддачу з боку малоефективного теплоносія (гази, в'язкі рідини) привело до розробки різних конструкцій оребрених труб.

Встановлено, що оребрення збільшує не лише теплообмінну поверхню, але і коефіцієнт тепловіддачі від оребреної поверхні до теплоносія внаслідок турбулізації потоку ребрами. При цьому, потрібно враховувати зростання втрат на прокачування теплоносія. Застосовують труби з повздовжніми (рис. 3.11а) і розрізними (рис.3.11б) ребрами, з поперечними ребрами різного профілю (рис. 3.11в). Оребрення на трубах можна виконати у вигляді спіральних ребер (рис. 3.11г), голок різної товщини та ін. Оребрення найефективніше, якщо забезпечується співвідношення α_гF_г = α_рF_р, де F_г і F_р - поверхні теплообміну з боку відповідно газу і рідини.

Рис. 3.11. Зовнішнє оребрення труб

Рис. 3.12. Труби з турбулентними вставками

 

Ефективність ребра, яку можна характеризувати коефіцієнтом тепловіддачі, залежить від його форми, висоти і матеріалу. Якщо потрібно невисокий коефіцієнт тепловіддачі, необхідну ефективність можуть забезпечити сталеві ребра; при необхідності досягнення великих коефіцієнтів доцільне застосування мідних або алюмінієвих ребер. Ефективність ребра різко знижується, якщо воно не виготовлене за одне ціле з трубою, не приварено або не припаяно до неї.

Якщо термічний опір визначається трубним простором, використовують методи впливу на потік пристроями, які руйнують і турбулізують внутрішній пограничний шар. Це різного роду турбулентні вставки (спіралі, діафрагми, диски) і насадки (кільця, кульки), що поміщаються в трубу. Очевидно, що при цьому зростає гідравлічний опір труби.

Турбулентні вставки у вигляді діафрагми (рис. 3.12а) розміщують в трубі на певній відстані одна від одної. За наявності таких вставок перехід до турбулентної течії в трубах відбувається при Re=140 (для труб без вставок при Re=2300), що дозволяє приблизно в 4 рази інтенсифікувати теплообмін. Вставки у вигляді дисків (рис. 3.12б) з певним кроком розміщують на тонкому стержні, вставленому в труби. По своїй дії на потік такі вставки близькі до діафрагм. Спіральні вставки (рис. 3.12в), як правило, виготовляють з тонких алюмінієвих або латунних стрічок. При низьких значеннях Re вони дозволяють підвищити коефіцієнт тепловіддачі в 2-3 рази.

Окрім вставок і насадок теплообмін в трубах можна інтенсифікувати застосуванням шорстких поверхонь, накаткою згаданих кільцевих канавок, зміною поперечного перерізу труби внутрішнім оребренням (рис.3.13). В цьому випадку навіть при ламінарному режимі течії теплоносія тепловіддача в трубах на 20-100 % вище, ніж в гладких трубах.

Рис. 3.13. Внутрішнє оребрення труб

Вплив швидкості і напряму течії пари. При значних швидкостях потік пари динамічно впливає на плівку конденсату. Якщо рух пари співпадає з напрямом течії плівки, потік пари прискорює рух конденсату в плівці, її товщина зменшується і коефіцієнт тепловіддачі зростає. При русі пари від низу до верху, тобто у зворотному напрямі, течія плівки гальмується, товщина її збільшується, а коефіцієнт тепловіддачі зменшується. Проте таке явище відбувається лише до тих пір, поки динамічний вплив пари не перевищить силу тяжіння. Після цього плівка конденсату захоплюється вгору і частково зривається з поверхні. При цьому із збільшенням швидкості пари коефіцієнт тепловіддачі знову росте.

Рис. 3.14. Схема встановлення конденсатних ковпачків на вертикальних трубах

Вплив компоновки поверхні нагріву. Тепловіддача на горизонтальних трубах має більшу інтенсивність, чим на вертикальних, оскільки в першому випадку товщина плівки конденсату менша. Проте це справедливо лише для однієї трубки або для верхнього ряду в пучку. У багаторядних пучках конденсат з верхніх рядів стікає на нижні ряди, тому і плівка тут виходить товщою. Проте в реальних умовах конденсат стікає у вигляді окремих крапель або цівками, що викликає одночасно значні збурення і навіть турбулізацію плівки. Крім того, при конденсації пари на багаторядному пучку необхідно враховувати вплив швидкості руху пари в проміжках між трубами, яка може змінювати характер стікання конденсату. Для вертикальних труб коефіцієнт тепловіддачі донизу зменшується внаслідок потовщення плівки. В цьому випадку середнє значення коефіцієнта тепловіддачі можна збільшити шляхом встановлення по висоті труби конденсатовідвідних ковпачків (рис 3.14). Встановлення таких ковпачків через кожні 10см на трубі, наприклад заввишки h=3м збільшує середнє значення коефіцієнта тепловіддачі в 2-3 рази.

Ще більше збільшення тепловіддачі здійснюється при подачі пари у вигляді тонких цівок, що рухаються з великою швидкістю. При ударі таких цівок об стінку відбувається руйнування плівки і розбризкування конденсату. За літературними даними термічний опір тепловіддачі при цьому зменшується в 3-10 разів. Останнє, як правило, значною мірою залежить від діаметру цівок, їх кількості, напряму і швидкості витікання. Є і інші засоби інтенсифікації тепловіддачі. Проте це завдання в більшості випадків не дуже актуальне, оскільки при конденсації пари тепловіддача і так досить висока. Тому при проектуванні конденсаторів велику увагу слід приділяти профілактичним заходам проти зниження тепловіддачі внаслідок, наприклад, наявності повітря, неправильного відведення конденсату і подачі пари в апарат, відкладення на поверхні солей, масла і інших забруднень. Саме ці обставини можуть виявитися причиною незадовільної роботи конденсаторів.