«ТЕПЛООБМЕНА ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА И.А. ПОПОВ Х.М. МАХЯНОВ В.М. ГУРЕЕВ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА Под общей редакцией Ю.Ф.Гортышова ...»

Рис.3.69. Оребренные трубы компании Dma GmbH (Германия): а – биметаллические трубы с алюминиевыми и медными ребрами; б – трубы с гофрированными ребрами из углеродистой стали Компания Tex-Fin., Inc (США) выпускает для низко- и среднетемпературных процессов:

– трубы с припаянными круглыми гладкими трубами (припой покрывает все ребро) с внешним диаметром 9/16–2 дюйма, высотой ребер до 1 дюйма и 5– 13 ребрами на дюйм – трубы с припаянными круглыми гладкими трубами с внешним диаметром 3/8–2 дюйма, высотой ребер –1 дюйма и 4–13 ребрами на дюйм – трубы с приваренными круглыми гладкими трубами с внешним диаметром 9/16–2 дюйма, высотой ребер –1дюйма и 5–13 ребрами на дюйм – трубы с продольными припаянными ребрами с внешним диаметром 3/4– дюйма, высотой ребер 7/32–5/8 дюйма и 16–40 ребрами на дюйм – трубы с перфорированными алюминиевыми и медными ребрами, запрессованными в канавках на трубе, с внешним диаметром 3/8–2 дюйма, высотой ребер –1 дюйма и 4–13 ребрами на дюйм Для повышения коэффициента теплоотдачи внутри труб при течении вязких теплоносителей они снабжаются спиральными ленточными интенсиФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

фикаторами (рис.3.70). Спиральные ленты изготавливаются из углеродистой или нержавеющей стали, алюминия, медных или никелевых сплавов. Более подробно интенсификация внутри труб будет рассмотрена в последующих параграфах.

Рис.3.70. Интенсификация теплоотдачи внутри оребренных труб с помощью закрутки потока скрученными лентами Рис.3.71. Оребренные трубы компания Tex-Fin., Inc для высокотемпературного теплообменного оборудования Для теплообменного оборудования для высокотемпературных процессов Tex-Fin., Inc (США) предлагает (рис.3.71):

– биметаллические трубы с внешним диаметром 3/4–8,625 дюйм с сегментными ребрами высотой 3/8–1 дюйм, толщиной ребер 0,035–0,102 дюйма и плотностью 1–7 ребер на дюйм;

– трубы с внешним диаметром 3/4–8,625 дюйм с экструдированными гладкими круговыми ребрами высотой 3/8–1 дюйм, толщиной ребер 0,035– 0,102 дюйма и плотностью 1–7 ребер на дюйм;

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

–трубы с внешним диаметром 3/4–8,625 дюйм с экструдированными продольными ребрами высотой 3/8–1 дюйм, толщиной ребер 0,035–0, дюйма.

Для аппаратов воздушного охлаждения отдельно предлагаются:

– трубы внешним диаметром 1/2–2 дюйма с ребрами L-типа высотой 1/4–1 дюйм, плотностью 4–13 ребер на дюйм;

– трубы внешним диаметром 9/16–2 дюйма с ребрами G-типа высотой 1/4–1 дюйм, плотностью 5–13 ребер на дюйм;

– трубы внешним диаметром 1–1 дюйма с экструдированными ребрами высотой 1/2–5/8 дюйма, плотностью 8–11 ребер на дюйм;

– трубы внешним диаметром 1/2–2 дюйма с кольцевыми плотно посаженными ребрами высотой 1/4–1 дюйм, плотностью 4–13 ребер на дюйм.

Ребра изготавливаются из углеродистой или нержавеющей стали, сплавов хрома, медно-никелевых сплавов, бронзы, меди и алюминия.

Компания Profins Limited (Великобритания) была создана с целью обеспечения высококачественных спирально-ребристых труб для применения в нефтехимической и энергетической отраслях мировой промышленности при техобслуживании и изготовлении теплообменников с воздушным охлаждением, конденсаторов и калориферов. Компания выпускает трубы с оребрением G-, L-, LL-, KL-типов, эксрудированные биметаллические оребренные трубы Для выполнения процесса оребрения в компании Profins Limited (Великобритания) применяют оборудование двух типов. Показатели производительности данного оборудования приведены ниже.

Оборудование для оребрения производства компании McElroy Наружный диаметр оребот 15,88 мм до 50,8 мм ренной трубы:

Высота оребрения: от 6,35мм до 25,4мм Толщина оребрения: от 0,30 мм) до 0,76 мм) Материал оребряемой трув зависимости от типа оребрения бы:

Материал оребрения: алюминий или медь Оборудование для оребрения производства компании Razmussen Наружный диаметр оребот 15,88 мм до 101,6 мм ренной трубы:

Высота оребрения: от 6,35 мм до 25,4 мм

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Толщина оребрения: от 0,30 мм) до 1мм Материал оребряемой тру- углеродистая / нержавеющая сталь или медь и Материал оребрения:

Тип оребрения: полугофрированное Компания Profins Limited (Великобритания) изготавливает трубы с цельно-экструдированным низким оребрением. Трубы могут быть изготовлены из углеродистой стали, нержавеющей стали или сплавов на основе меди с наружным диаметром труб от 12,57 мм до 25,4 мм и плотностью оребрения от 632 до 1417 ребер на метр (от 16 до 36 ребер на дюйм).

имеет то преимущество, что она способна повысить тепловые характеристики теплообменника без изменения и 36 ребер/дюйм. Применяемые материалы – углеродистая и низколегированная сталь; нержавеющая сталь 304, Рис.3.72. Оребренные трубы про- на основе меди, в том числе сплавы 443, изводства компании Flamingo 687, 706, 715; титановые и высоконикеChillers (Индия) левые сплавы. Типичные соотношения развитой поверхности теплообмена (оребренная/наружная гладкая поверхность): наружный диаметр 19,05 мм с 19 ребрами/дюйм – 270%; наружный диаметр 25,4 мм с 26 ребрами/дюйм – 330%.

Компания Flamingo Chillers (Индия) производит воздушноохлаждаемые чиллеры, которые нашли широкое применение при производстве пластмасс,

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

резины, а также в химической и фармацевтической отраслях промышленности. Элементами чиллеров являются конденсаторы и испарители. Все модели чиллеров используют в качестве рабочей сред хладагент R-22, однако используются и R134a, R407C, R404a и R717. Теплообменники изготавливаются из нержавеющей или углеродистой стали, бронзы, титана, алюминия, медноникелевого сплава, сплавов Monel, Inconel. Трубы теплообменных аппаратов изготавливаются с внешним и внутренним экструдированным оребрением (рис.3.72).

Один из мировых лидеров по выпуску теплообменного оборудования – компания Lu-Ve Group (Франция) – выпускает сухие градирни с медными трубами с внутренними турбулизаторами с 1967 года. С 1988 года компания начала выпуск воздухоохладителей серии Hitec (рис.3.73) с трубами Turbocoil с внутренними спиральными пазами и внешним оребрением Turbofin (рис.3.74). С 1991 года начато производство подобных конденсаторов.

Рис.3.73. Воздухоохладители серии Hitec компании Lu-Ve Group (Франция) Рис.3.74. Трубы с внутренними спиральными пазами и внешним общим жаллюзийным оребрением Turbofin компании Lu-Ve Group (Франция)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Компания Badrin Industries (Индия) специализируется на производстве оребренных труб, змеевиков, масляных радиаторов, теплообменников, воздушных подогревателей, маслоохладителей и т.д. Основной тип оребренных труб – спиральные гофрированные. Материал – углеродистая и нержавеющая сталь, медь, бронза. Диаметр труб – от 6 до 73 мм, плотность оребрения – 2– ребра на дюйм. Высота ребер – от 4 до 30 мм.

Рис.3.75. Трубы со спиральными гофрированными и плоскими и продольными прямыми ребрами компании Heft Engineers (Индия) Компания Heft Engineers (Индия) выпускает трубы со спиральными гофрированными и плоскими и продольными прямыми ребрами (рис.3.75).

Эллипсоидные оребренные трубы (рис.3.76) для аппаратов воздушного охлаждения производит американское представительство корпорации GEA.

Оребренные биметаллические трубы ЗАО «Уралкотломаш» (Россия) применяются для изготовления аппаратов воздушного охлаждения, промышленных и бытовых отопительных радиаторов, воздушных калориферов.

Оребренные трубы изготавливаются методом холодной прокатки алюминиевой заготовки на несущей латунной или стальной трубе. Оребренные трубы и готовые изделия находят применение в диапазоне эксплуатационных температурах до 300°С и давлении среды до 450 кг/см2 как в нейтральных так и агрессивных средах.

Спирально-оребренные поверхности ЗАО «Уралкотломаш» производится прикорневой приваркой непрерывным швом ленты к трубе.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.76. Эллипсоидные оребренные трубы для аппаратов воздушного охлаждения компании GEA Power Cooling Systems (США) Преимущества спирально-оребренной поверхности нагрева производства ЗАО «Уралкотломаш» перед гладкотрубными:

коэффициент теплопередачи увеличивается до 50% расход труб сокращается до 50% общий вес теплообменников с применением оребренных труб снижается на 30-40% ресурс работы поверхности нагрева увеличивается в 2-3 раза за счет снижения скорости в шахтах и, в связи с этим, уменьшение абразивного износа уменьшение на 20-25% аэродинамического сопротивления за счет снижения скорости дымовых газов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

снижение температуры дымовых газов за счет увеличения поверхности нагрева без расширения шахты.

Технические характеристики оребренных биметаллических труб Оребренные, с несущей трубой 25 мм 9; 14.6; 20; Материал, используемый при изготовлении Максимальная длина оребренной трубы, мм.

Углеродистые стали 1х11, 1х12, 1х15, 1,3х17, 1,5х Рис.3.77. Спирально-оребренная поверхность ЗАО «Уралкотломаш»

Схематический чертёж оребренной трубы и параметры оребренных труб представлены на рис.3.77.

Оребренные навивочным методом трубы ЗАО «Уралкотломаш» производятся навивкой алюминиевой ленты на несущую трубу с насечкой наружной поверхности несущей трубы (KLM-ребро), что является инновационным методом оребрения в общемировой практике машиностроения. На российФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ском рынке данные оребренные трубы представлены импортными аналогами "Крезо-Луар", "ГЕА". Проводимая насечка поверхности оребренной трубы увеличивает площадь контакта до 50% в сравнении с гладкой трубой. Это позволяет получить более низкие термические напряжения на несущую трубу, что увеличивается сопротивляемость знакопеременным термическим нагрузкам. Несущая труба защищена от атмосферной коррозии. Использование данного метода изготовления оребренных труб снижает расход алюминия в 1,6–1,8 раза в сравнении с накаточным способом, и снижает себестоимость изготовления.

KLM - оребренные трубы соединили достоинства труб с навитыми завальцованными и L-ребрами при сохранении высокопроизводительной технологии изготовления. Оребренные трубы изготавливаются по следующему техпроцессу: из предварительной подготовки внешней поверхности несущей трубы перед натяжением ребра путем нанесения насечки. Одновременно, к оребряемой трубе подводится полоска ленты, где она проходит операцию формирования и образует основание ребра. Когда L-ребро сформировано, то его горизонтальное основание накладывается на трубу и закатывается во выступ - впадины. Технологический процесс обеспечивает надежный контакт ребра с несущей трубой независимо от ее диаметра по всей длине.

На основе выпускаемых оребренных труб (рис.3.78) ЗАО «Уралкотломаш» изготавливает аппараты воздушного охлаждения АВО горизонтального типа АВГ, зигзагообразного типа АВЗ, малопоточного типа с двумя вентиляторами АВЗ-Д и горизонтального типа вязких продуктов АВГ-В, предназначенных для конденсации и охлаждения парообразных и жидких сред, применяемых в технологических процессах химических и нефтеперерабатывающих заводов, а также на электрических станциях и в газовой промышленности.

Секции АВО изготовляются из поперечно-оребренных труб длиной 1,5.

..12 м, часть секций – из труб с алюминиевым оребрением, которое наносится на гладкую трубу методом экструзии, при этом коэффициент оребрения может быть 9; 14,6 или 20. Кроме того, используются трубы с приварными ребрами из стальной ленты, коэффициент оребрения до 15. Преимущества стального приварного оребрения в том, что приварная лента не имеет зазора между теплообменной трубой и ребром и рабочая температура охлаждаемой среды может достигать 700 °С. Длина таких труб может быть до 20 м.

ОАО "Подольский машиностроительный завод" (Россия) освоил изготовление секций АВО вертикального типа с продольным оребрением труб.

Теплообменники с таким оребрением обладают малым сопротивлением по воздушной среде, что улучшает слив и дренаж среды при остановах.

Компании Shanghai Shenhua Steel Tube Co., Ltd. (Китай) и Wuxi City Qianzhou Seamless Tube Factory (Китай) производят спирально оребренные трубы (рис.3.79 из углеродистой стали и алюминиевых сплавов внешним диаметром от 4 до 76,2 мм, высотой ребер от 5 до 30 мм, шагом от 0,3 до мм.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.78. Спирально-оребренные поверхности ЗАО «Уралкотломаш»

Рис.3.79 Спирально оребренные трубы компаний Shanghai Shenhua Steel Tube Co., Ltd. (Китай) и Wuxi City Qianzhou Seamless Tube Factory (Китай)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.80. Трубы с экструдированными ребрами компании Mraz S.A. (Аргентина) Рис.3.81. Трубы со спиральным внешним сплошным и разрезным оребрением компании Dae Ryung Corporation (Корея) Компания Elhamd Heatexchangers Co. (Египет) производит трубы с гофрированными спиральными ребрами. Использование гофр на ребрах увеличивает площадь теплообмена в 1,4 раза. Труб производятся диаметром от до 76 мм из нержавеющей стали, алюминия и меди.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Компания Mraz S.A. (Аргентина) выпускает медные и алюминиевые трубы с экструдированными ребрами (рис.3.80) для конденсаторов, испарителей, воздухо– и маслоохладителей, водонагревателей и радиаторов. Плотность высоких ребер – 11,5±0,5 ребер на дюйм; плотность средних ребер – 19±1 ребер на дюйм высотой 2,35 мм и толщиной 0,25 мм.

Компания Elyon Industry Co. Ltd (Корея) специализируется на выпуске алюминиевых и медных труб с разрезными ребрами различной высоты.

Компания Dae Ryung Corporation (Корея) изготавливает трубы диаметром 3/8–8 дюймов со спиральным внешним сплошным и разрезным оребрением (рис.3.81) высотой от 9 до 38 мм из углеродистой и нержавеющей стали плотностью от 60 до 315 ребер на метр.

Компания Koch Heat Transfer Company LP (США) выпускает продольно оребренные трубы (рис.3.82). Ребра разрезные по длине с отогнутыми торцами для увеличения коэффициентов теплоотдачи при продольном их обтекании за счет воздействия на образующийся пограничный слой.

Рис.3.82. Продольно оребренные трубы и поддерживающие перегородки для них компании Koch Heat Transfer Company LP (США) Компания Pragya Equipments Pvt Ltd (Индия) производит трубы со спирально разрезным оребрением из нержавеющей стали, меди и алюминиевых сплавов внешним диаметром от 8 до 100 мм, высотой ребер от 5 до 25 мм, плотностью оребрения от 2 до 10 ребер на дюйм.

Компания Shanghai Jinshi Suotai Mechanical & Electric Equipment Co., Ltd (Китай) производит экструдированные биметаллические трубы (рис.3.83).

Количество компаний, выпускаемый оребренные трубы различной конструкции довольно много в мире. Среди множества компаний, кроме вышеописанный можно выделить компании FinTube Technology Со., Ltd (США), Wellman Hunt-Graham (Великобритания), AmerCool (США), T–Heat Exchangers (Великобритания), Ewha Corporation (Корея), которые производят внешне оребренные поверхности для систем нагрева и охлаждения рабочих

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

сред, аппаратов воздушного охлаждения, систем утилизации теплоты, сушильных аппаратов, систем вентиляции и кондиционирования, конденсаторов и охладителей.

Рис.3.83. Экструдированные биметаллические трубы компании Shanghai Jinshi Suotai Mechanical & Electric Equipment Co., Ltd (Китай)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

В Индии компаниями, специализирующимися на выпуске оребренных труб являются Henok Engineers (Индия), Young Industries (Индия), Tube Tech Industries (Индия), Thermotech Industries (Индия), Rayon Applied Engineers (Индия), Chintamani Thermal Technologies Pvt. Ltd. (Индия), Fin Tubes Mfg.Co. (Индия), Natasha Fin Tubes (Индия), Sasmith Engineering Corporation (Индия), Virtex Engineers (Индия), Shree Ganesh Tools Making Works (Индия), Marathe Engineering Industries (Индия), Apollo Electrical Industries (Индия), Multimetals Ltd. (Индия), Usha Engineering Works (Индия), Mark Engineers (Индия), Neha Engineering (Индия), Able Tech Engineering (Индия), Flora Engineering Co. (Индия), Radiator Point (Индия), Heft Engineers (Индия) и многие другие.

Рис.3.84. Спирально оребренные экструдированные трубы компании Wuxi Xin Ming Non-Ferrous Metal Materials Ltd. (Китай) В Китае среди производителей оребренных труб можно выделить компании Hangzhou Junqiang Machinery Fabrication Co., Ltd. (Китай), Baoding Langrui Architecture Machinery Co., Ltd. (Китай) (рис.3.84), Wuxi Xin Ming Non-Ferrous Metal Materials Ltd. (Китай), Zhangjiagang Baishun New Building Material Co., Ltd. (Китай), Jiangsu Shiji Tianyuan Import & Export Co., Ltd., Jiangyin Dynamo Power Equipment Co., Ltd. (Китай) и многие другие. Внешне ореренные трубы компании Jiangyin Zhongdi Air Separation Equipment Co.,Ltd

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

(Китай) отличаются тем, что внутри труб для повышения теплопередачи наносятся спирльные низкие выступы с малым углом закрутки (рис.3.85).

Рис.3.85. Внешне ореренные трубы со спиральными гладкими и разрезными ребрами и внутренними интенсификаторами компании Jiangyin Zhongdi Air Separation Equipment Co. Ltd (Китай) Достаточно большое количество компаний продолжают специализироваться на выпуске проволочно-оребренных труб.

Компания Concept Engineering International (Индия) и Sun Heat Transfer Technologies (Индия) выпускает серию труб с проволочным спиральным оребрением на внешней и внутренней стороне. Данный тип оребрения имеет, по словам разработчиков, ряд уникальных свойств:

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

1) высокая степень турбулентности потока воздуха уменьшает загрязнение теплообменной поверхности;

2) высокая степень турбулентности потока воздуха обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи и как следствие повышает компактность теплообменника, тем самым снижая потери давления;

3) проволочное оребрение может работать при рабочих температурах до 180°C при использовании стандартного припоя. Использование высокотемпературных серебряных припоев позволяет поднять рабочие температуры до 290°C. Оребрение на внешней или внутренней стороне труб может быть и просто плотно намотано;

4) проволочное оребрение из меди, нержавеющей стали 304 и 316, СS, GI может наноситься на трубы из различных материалов, в том числе углеродистой стали, меди, медно–никелевых сплавов, латуни, бронзы, алюминия, нержавеющей стали;

5) проволочное оребрение может наноситься как снаружи, так и внутри труб, причем трубы могут быть криволинейными.

Внешне оребренные трубы (рис.3.86) компании Concept Engineering International (Индия) имеют следующие параметры:

Внешний внешний диа- внешний диа- ке вокруг проволочдиаметр тру- метр прово- метр прово- трубы ной спирали Каждая петля в витке изготовлена из проволоки диаметром 0.71 мм, хотя для нержавеющей стали диаметр проволоки может составлять от 0,5 до 0,91 мм, а для меди – от 0,5 до 1,3 мм. Количество петель в витке и витков на фут длины может изменяться по требованиям заказчика труб.

Данные трубы предназначены в первую очередь для воздушных масло– и топливоохладителей, систем нагрева или охлаждения воды и пара при больших давлениях.

Компании Industrial Thermal Engineers (Индия), Neha Engineering (Индия), Talab (Индия) и TAAM (Индия) также специализируются на выпуске проволочно–петельного оребрения для теплообменных труб общего назначения (рис.3.87). Для воздушных маслоохладителей оребрение наносится как снаружи труб, так и внутри труб.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.86. Трубы с проволочным оребрением производства компании Concept Engineering International (Индия): а – внешне оребренная труба; б – труба с круглыми припаянными ребрами снаружи и внутренней турбулизирующей вставкой в виде проволочной спирали Рис.3.87. Теплообменные трубы с внешним и внутренним проволочнопетельным оребрением: а – компании Industrial Thermal Engineers (Индия); б – компаний Talab (Индия) и TAAM (Индия)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Несмотря на некоторое количество компаний специализирующихся только на выпуске труб с проволочно-петельным оребрением, основная часть компаний предлагает весь комплекс труб с различными видами оребрения.

Компания SHE - Specialist Heat Exchangers (Великобритания) производит оребренные трубы типов L, LL, G, KL и турбулизирующие вставки в трубы (рис.3.88). Высота оребрения может достигать 22 мм. Продукция компании включает также трубы с проволочным оребрением, предназначенные для воздушных потоков с низкими скоростями, например при свободноконвективные течения или течения вязких жидкостей.

Компания Thermotech Industries (Индия) выпускает трубы, имеющие:

– спирально гофрированные с ребрами высотой 6,4–20 мм и плотностью 118–433 ребра на метр (3–11 на дюйм) на трубах диаметром 15,8–76, мм из нержавеющей и углеродистой стали, меди, алюминия, бронзы;

– ребра G-типа высотой 12,7–15,87 мм и плотностью 316–433 ребра на метр (8–11 на дюйм) на трубах диаметром 19,05–50,8 мм из углеродистой стали и алюминия;

– проволочно–петельные ребра высотой 12,7–15,87 мм и плотностью 36–66 витков на фут и 58–90 петель на оборот вокруг трубы на трубах диаметром 15,8–25,4 мм из проволоки диаметром 0,7 мм из углеродистой и нержавеющей стали, меди, бронзы.

Рис.3.88 Оребренные трубы компании SHE - Specialist Heat Exchangers (Великобритания) Компания Gei Industrial Systems Ltd (Индия) производит аппараты воздушного охлаждения масла и воды, воздушно-конденсационные установки, воздухоохладители, а также теплообменные для них. Компания производит трубы из меди, углеродистой или нержавеющей стали с припаянным медным и стальным проволочным оребрением (рис.3.89а). Данные трубы рассчитаны на рабочие температуры теплоносителей не выше 120°С. Диаметр труб –

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

9,5–38,1 мм, высота оребрения 11,75–17,5 мм, плотность оребрения – 800– 1700 петель на метр.

Рис.3.89. Оребренные трубы компании GEI Industrial Systems Ltd (Индия): а – трубы с припаянным проволочным оребрением; б – трубы с припаянными гофрированными ребрами; в – трубы с плотно посаженными L- и LL-типами ребер; г – трубы с ребрами G-типа; д – трубы с алюминиевыми экструдированными ребрами

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Медные трубы с припаянными гофрированными ребрами (рис.3.89б) компании Gei Industrial Systems Ltd (Индия) рассчитаны на рабочие температуры до 120°С. Диаметр труб – 9,5–25,4 мм, высота оребрения 11–16 мм, плотность оребрения – 276–450 ребер на метр.

Медные и алюминиевые трубы с плотно посаженными L- и LL-типами ребер (рис.3.89в) компании Gei Industrial Systems Ltd (Индия) рассчитаны на рабочие температуры до 120°С. Диаметр труб – 16–38,1 мм, высота оребрения 7–16 мм, плотность оребрения – 276–450 ребер на метр.

Стальные, медные и алюминиевые трубы с ребрами G-типа (рис.3.89г) рассчитаны на рабочие температуры до 400°С. Диаметр труб – 19,05–38, мм, высота оребрения 9–16 мм, плотность оребрения – 276–433 ребер на метр.

Медные и стальные трубы с алюминиевыми экструдированными ребрами (рис.3.89д) рассчитаны на рабочие температуры до 300°С. Диаметр труб – 25,4–38,1 мм, высота оребрения 12,7 и 15,8 мм, плотность оребрения – 8–11 ребер на дюйм.

Компания Hаmoon Mobaddel Co (Иран) производит аппараты воздушного охлаждения, кожухотрубчатые теплообменники, теплообменники «труба в трубе», а также оребренные трубы и турбулизаторы для них. Компания производит трубы с оребрением L-, KL-, G-типа, с экструдированными ребрами, индивидуальными спиральными плоскими и гофрированными ребрами, проволочно-петельным оребрением, общими пластинчатыми ребрами.

Материал ребер обычно алюминий и медь. Высота индивидуальных ребер от 6 до 22 мм при толщине от 0,3 до 0,8 мм (плотность оребрения 4–15 ребер на дюйм). Диаметр проволоки при проволочно–петельном оребрении из медной или стальной проволоки 0,5 мм (плотность оребрения 2–7 ребра на дюйм).

Для интенсификации теплоотдачи при течении высоковязких жидкостей при малых скоростях в трубах предусматривается установка турбулизаторов в виде проволочных матричных вставок из меди, углеродистой или нержавеющей стали.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

3.7. Интенсификация теплообмена в кожухотрубчатых теплообменных 3.7.1. Использование дискретно-шероховатых труб Первые попытки организовать производство интенсифицированных теплообменников на территории СССР стал выпуск ГОСТ 27590-88 на водоводяные подогреватели систем теплоснабжения (рис.3.90). Наряду с гладкотрубными теплообменниками, в нем впервые показаны возможности производства и использования интенсифицированных теплообменных аппаратов с профилированными трубами. Недостатком данного ГОСТа явилось то, что в нем не оговаривался тип профилирования трубок, а также геометрические параметры профилирования. Кроме этого, при использовании профилированных труб в теплообменнике не предусматривалось иные инновационные решения.

Рис.3.90. Водоводяной подогреватель ПВВ по ГОСТ 27590-88 (ТУ 400-28с профилированными трубками в виде кольцевой накатки Водоводяные подогреватели по ГОСТ 27590-88 (ТУ 400-28-132-90) предназначены для применения в системах отопления и горячего водоснабжения зданий и сооружений различного назначения. В качестве поверхности теплообмена используются профилированные трубки диаметром 161 мм из латуни марки Л68. Подогреватели изготавливаются с диаметром корпуса секций от 57 до 325 мм, длиной секций 2 и 4 м. Рабочее давление 1 МПа;

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

максимальная температура теплоносителя 150°С. Применение блока опорных перегородок дает возможность добиться поперечно-винтового омывания теплообменных труб, что позволяет повысить коэффициент теплопередачи подогревателей с профилированной трубой на 65% по сравнению с подогревателями без опорных перегородок, а также уменьшить количество секций тепловой установки с профилированными трубами на 50%.

С 1 октября 2007 года в Российской Федерации взамен ГОСТ 27590введен в действие ГОСТ 27590-2005.

В настоящее время разработаны и внедрены в производство другие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов с интенсификацией теплоотдачи.

ЗАО «ЦЭЭВТ» (Россия) уже более 10 лет выпускает достаточно большую номенклатуру теплообменных аппаратов различного назначения, среди которых особое место занимают подогреватели типа ВВПИ (водо-водяные подогреватели интенсифицированные), изготавливаемые по ТУ-4933-004ЗАО «ЦЭЭВТ» (Россия) проводит работы по созданию высокоэффективных кожухотрубных теплообменников совместно с ООО «Гидротермаль» (Россия).

В настоящее время при больших тепловых мощностях кожухотрубных теплообменников и при малых температурных напорах они изготавливаются с плотноупакованными трубами, имеющие корпус не в виде кожуха (трубы), а в виде параллелепипеда.

Все ТА для нужд отопления и ГВС ориентированы на латунную трубку с наружным диаметром 16 мм и внутренним диаметром 14 мм. Латунь слабо корродирует в среде котловой и сетевой воды, а большой внутренний диаметр трубки увеличивает жесткость трубы и облегчает механическую очистку трубного пространства. Последнее обстоятельство в недалеком прошлом было важнее соображений конкурентоспособности и достижения высоких массогабаритных показателей ТА. Известно, что чем меньше диаметр труб и толщина их стенки, тем выше коэффициенты использования массы и объема ТА. Известны ТА с наружным диаметром труб 6,3 или 8 мм, но в этих аппаратах очистка трубного пространства механическим способом затруднена.

По мнению специалистов ЗАО «ЦЭЭВТ» (Россия) и ООО «Гидротермаль» (Россия), конструкция кожухотрубного ТА должна позволять выполнять очистку трубного пространства от загрязняющих отложений как химическим, так и механическим способами, трубы при этом должны быть достаточно жесткими во избежание их существенного прогиба после нескольких лет эксплуатации. Таким требованиям отвечают трубы с наружным диаметром 12 мм, толщиной стенки 1 мм и длиной не более 2 м. Накопленный опыт эксплуатации ТА с такой трубой позволил перейти впоследствии на толщину стенки 0,8 мм.

В случае применения труб с наружным диаметром 12 мм и поперечным шагом 13–15 мм и размещения в достаточно малом объеме 1000 и более труб могут быть достигнуты теплогидравлические и массогабаритные показатели,

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

превышающие аналогичные показатели пластинчатых теплообменных аппаратов.

Рис.3.91. Трубы с кольцевой накаткой производства ЗАО «ЦЭЭВТ» (Россия) и ООО «Гидротермаль» (Россия) Для дальнейшего повышения эффективности кожухотрубных теплообменников необходимо применение теплогидравлически эффективного способа интенсификации. Согласно документации разработчиков конкурентоспособный кожухотрубный ТА для коммунального хозяйства должен быть оснащен трубами, профилированными таким образом, чтобы рост гидравлического сопротивления ненамного превышал рост теплоотдачи вследствие применения турбулизаторов потока. Это достигается накаткой на внешней поверхности трубы кольцевых или винтообразных канавок (рис.3.91), вследствие образования которых на внутренней поверхности трубы образуются плавно очерченные выступы небольшой высоты, интенсифицирующие теплоотдачу в трубах. Накатка кольцевых турбулизаторов с точки зрения теплоотдачи более эффективна, чем накатка винтообразных канавок, т.к. коэффициент теплоотдачи в трубах может быть увеличен в 2,1-2,5 раза против 1,4раз при росте гидравлического сопротивления трубного пучка в 5-7 раза против 4-6 раз по сравнению с гладкой трубой (если в случае применения гладких труб вклад трубного пучка в потери давления трубного тракта составляет около 70%, то в случае применения труб с кольцевой накаткой он

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

увеличивается до 95%). Для сравнения укажем, что применение вставок, закручивающих поток в трубах, приводит к росту теплоотдачи на 30-40% при увеличении потерь давления в 3,5-5,5 раз.

Выполненный специалистами ЗАО «ЦЭЭВТ» (Россия) и ООО «Гидротермаль» (Россия) мониторинг рынка производителей труб позволил выбрать в качестве заменителя латуни нержавеющую сталь аустенитного класса 08...12Х18Н10Т, которая за исключением особых случаев практически не корродирует в сетевой и котельной воде, в том числе при организации щелочных режимов водоподготовки, и обладает низкой адгезией к взвешенным частицам и кристаллам накипи. Стремление избавиться в конструкции ТА от коррозионных пар повлекло за собой выбор для трубных решеток, фланцев, перегородок, корпусов и патрубков ТА стали 12Х18Н10Т и способа закрепления труб в трубных решетках – сваркой в среде аргона. Такой же способ, обеспечивающий высокую прочность и герметичность, целесообразно использовать и для других постоянных соединений ТА.

ООО "Гидротермаль" (Россия) производит водо-водяные подогреватели ПМКИ (подогреватели многоходовые кожухотрубные интенсифицированные) по ТУ 4933-001-58960970-2004, которые представляют собой кожухотрубные теплообменные аппараты. Подогреватели водо-водяные ПМКИ предназначены для работы в котельных и тепловых пунктах в составе систем теплоснабжения и горячего водоснабжения. Кроме того, они могут использоваться в качестве охладителей в системах энергетических установок, утилизаторов вторичной теплоты, подогревателей и охладителей технологических сред. Типоразмерный ряд подогревателей водо-водяных ПМКИ включает аппараты теплопроизводительностью от 60 до 3800 кВт.

В подогревателях водо-водяных ПМКИ использован ряд новых технических решений, позволяющих резко улучшить все эксплуатационные характеристики в сравнении со стандартными подогревателями ПВ и любыми пластинчатыми теплообменниками. Массогабаритные показатели подогревателей воды ПМКИ соответствуют уровню разборных пластинчатых теплообменников. При этом сохранены традиционные положительные черты трубчатых аппаратов: прочность, неприхотливость в эксплуатации, умеренная стоимость. По устойчивости к атаке накипеобразующих элементов и взвешенных загрязнений подогреватели водо-водяные ПМКИ опережают как пластинчатые теплообменники, так и кожухотрубчатые бойлеры ПВ (рис.3.92).

Характерными особенностями подогревателей водо-водяных ПМКИ являются высокая скорость течения теплоносителей (1.5–2.0 м/с) греющего и нагреваемого теплоносителей, примерное равенство проходных сечений обоих пространств, обеспечивающееся выбором предельно малого шага труб в трубных решетках (S=1.2–1.21), уменьшение объема застойных зон с 25– до 5%, противоточная с продольным движением жидкости в межтрубном пространстве схема движения теплоносителей и поверхность теплообменных труб имеет специальную профилировку, уменьшение обводных течений в теФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

плообменниках (использование корпусов с поперечным сечении в форме многогранника или установка поперечных сегментных вытеснителей между трубными пучками и корпусом).

Рис.3.92. Общий вид подогревателя ПВ 32540003 и аналогичного по теплогидрвлическим характеристикам подогревателя ПМКИ–36,2/ Ряд подогревателей ПМКИ включает 44 основных типоразмера на тепловые потоки от 60 до 6000 кВт с длиной труб 1100–2000 мм (рис.3.93).

Мощности до 3000 кВт обеспечиваются работой однокорпусного подогревателя, а мощности до 6000 кВт работой блока из двух аппаратов. При номинальных значениях расходов подогреватели ПМКИ имеют умеренное гидравлическое сопротивление 25…60 кПа, что позволяет, при необходимости достижения высоких значений тепловой эффективности (например, для случаев с низкой температурой греющего теплоносителя), соединять подогреватели последовательно.

Ниже, на рис.3.94 и 3.95 и в табл.3.8 приведены результаты сравнения пластинчатых теплообменников с пластинами Sondex и современных аппаратов ПМКИ производства ООО “Гидротермаль” по габаритным и теплогидравлическим характреистикам.

105°С, нагреваемого теплоносителя – 70°С Тепловая мощность определена при входных температурах греющего теплоносителя –

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.93. Водо-водяные подогреватели ПМКИ: а – конструктивное исполнение «33», тепловая мощность17 147–3200 кВт, коэффициент теплопередачи до 5500 Вт/(м2·К), рабочее давление до 1,0 МПа, рабочая температура до 115°С; б – «22», 130–2800 кВт, до 4500 Вт/(м2·К), до 1,0 МПа, до 115°С; в – «44»,

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.93 (продолжение). Водо-водяные подогреватели ПМКИ Сравнительная таблица теплообменных аппаратов Расход, Водоводяной подогреватель интенсифицированный ВВПИ выпускается ЗАО «ЦЭЭВТ»

по ТУ-4933-004-47059130-99 и является полным аналогом подогревателя многоходового кожухотрубного интенсифицированного ПМКИ, выпускаемого ООО «Гидротермаль» по ТУ 4933-001-58960970-

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Из рис.3.94 видно, что сравниваемые аппараты имеют практически одинаковые удельные объемы. Некоторый разброс точек обусловлен различными видами конструктивного исполнения. Примечательно, что данный результат получен для аппаратов ПМКИ с трубками, имеющими гидравлический диаметр 10 мм, что в 1,6 раза больше гидравлического диаметра пластинчатых теплообменников.

Высокие значения коэффициентов теплоотдачи в пластинчатых ТА (15000...25000 Вт/(м2 К)) обусловлены высокой степенью объемной турбулизации потока в каналах сложной формы. При этом, однако, для теплообменников важно не только само значение коэффициента теплоотдачи, но и то, ценой каких гидравлических потерь оно достигнуто. А в этом отношении трубчатые интенсифицированные теплообменники ощутимо эффективней пластинчатых.

На рис.3.95 приведена зависимость коэффициентов теплоотдачи различных теплообменных поверхностей от удельных затрат мощности на прокачV P ку теплоносителя в каналах с этими поверхностями – N 0 = 1, где V1 Fk объемный расход теплоносителя через канал, P1 - гидравлическое сопротивление канала, Fk - рабочая поверхность канала. Видно, что пластинчатые поверхности по комплексному показателю теплогидравлической эффективности значительно опережают гладкие трубы. Однако если на это поле нанести данные современных теплообменных труб с кольцевой накаткой при dr=8,5...10 мм картина меняется на противоположную: при равной теплоотдаче пластины имеют примерно в двое худшее сопротивление. И это при том, что толщина стенок трубок ПМКИ составляет 1,0 мм, что в 2 раза превышает толщину сравниваемых пластин Sondex.

Рис.3.94. Зависимость габаритного объема теплообменников различных типов от площади теплообменной поверхности

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Что касается массовых характеристик (рис.3.96), то если пластинчатые разборные ТА не сравнивать с кожухотрубными теплообменниками полувековой давности (например, ГОСТ 27590), то они выглядят скромно. Если же сравнивать пластинчатые разборные ТА с тонкостенными кожухотрубными аппаратами, например серии ТТАИ (производитель ООО "Теплообмен"), то проигрыш пластинчатых ТА по данному параметру увеличивается на порядок.

Подогреватели пароводяные интенсифицированные (рис.3.97) спроектированы специалистами ООО "Гидротермаль" на базе известных паровых подогревателей ПП ГОСТ 28679-90 и изготавливаются по ТУ 4933-002Подогреватели пароводяные интенсифицированные предназначены для широкого использования с целью подогрева воды в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения и отопления насыщенным или перегретым паром от паропроводов низкого давления или паровых котлов. Характерными особенностями пароводяных подогревателей являются специальная профилировка поверхностей теплообменных труб, позволяющая увеличить теплопроизводительность подогревателей на 20–50% по сравнению со стандартными аппаратами; использование коррозионностойкой легированной стали для трубного пучка.

Рис.3.95. Зависимости коэффициентов теплоотдачи от удельной мощности, затраченной на перемещение среды, для пластин различных профилей и труб: 1 – тип П-2 при dэ=0,0059 м; 2 – тип П-5; 3 – тип «Альборн-149»; 4 – тип «Парафлоу НХ» при dэ=0,004 м; 5 – тип в елку «1-05», Sн=14 мм; 6 – тип в елку «П-05М», Sн=18 мм; 7 – тип «Розенблад 3S»; 8 – тип «Суперплейт-Е»;

9 – труба диаметром 25 мм; 10 – труба диаметром 38 мм; 11 – спиральный теплообменник при dэ=0,02 м; 12 – пластина канальчатая «Астра»; 13 – труба диаметром 121 мм, профилированная, с кольцевой накаткой dотн= 0,948, tотн=0,5; 14 – труба диаметром 100,8 мм, профилированная, с кольцевой накаткой dотн= 0,95, tотн=0,

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.96. Зависимость массы теплообменников различных типов от площади теплообменной поверхности Ряд подогревателей ПВПИ включает несколько типоразмеров на тепловые потоки от 1250 до 9600 кВт19.

Тепловая мощность определена при температуре насыщенного пара – 150°С; температуре сетевой воды на входе – 70°С; температуре сетевой воды на выходе – 95°С.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Охладители воды ОВВ и охладители масла ОВМ (рис.3.98), разработанные на предприятии ООО "Гидротермаль", предназначены для охлаждения мощных дизельных двигателей и относятся к классу кожухотрубных теплообменных аппаратов со съемным трубным пучком. В конструкциях охладителей воды и масла использован общий противоток или реверсный ток с многократным перекрестным движением теплоносителя в межтрубном пространстве.

Имеется ряд отличий, обеспечивающих улучшение эксплуатационных показателей охладителей воды и масла, в сравнении с известными аппаратами. В охладителях воды ОВВ и охладителях масла ОВМ использована использована трубка 121,0, а не 101,0 как в большинстве известных аппаратов, что позволило уменьшить засоряемость внутреннего пространства, где движется грязная вода внешнего контура охлаждения двигателя. Трубки имеют интенсификаторы теплоотдачи в виде кольцевых выступов и канавок, вследствие чего коэффициенты теплоотдачи увеличиваются в 1,1... 1,5 раза.

Изменена форма сечения пучков труб с целью уменьшения объема застойных зон в межтрубном пространстве. В охладителях для пресной воды использована сталь 12Х18Н10Т, отличающаяся очень высокой коррозионной стойкостью, прочностью и низкой адгезией к загрязняющим отложениям. В охладителях для морской воды используются медные и медно-никелевые сплавы с анодной защитой трубных решеток и торцевых участков труб, выполненной путем нанесения слоев олова, цинка, либо других материалов необходимой толщины.

Рис.3.98. Водяные охладители: а – охладитель водо-водяной двигателя 6ЧН32 48; б – охладитель водо-масленный ОВВМ-192. Наиболее часто в качестве интенсификаторов теплоотдачи в теплообменных аппаратах используется спиральная накатка. По мнению производителей теплообменных аппаратов данных тип поверхностных интенсификатоФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ров более технологичен, т.к. спиральная накатка производится за одну технологическую операцию – нанесение роликами накатки заданной глубины при одновременной продольной подаче трубы с заданной скоростью, пропорциональной шагу накатки.

Корпорация HRS Group (Испания) имеет ряд филиалов в Германии, Великобритании, США, Индии, Объединенных Арабских Эмиратах и производит трубчатые теплообменники с профилированными трубами Ecoflux, имеющими на внешней поверхности спиральную накатку или сферические выемки и соответствующие им выступы на внутренней стороне труб (рис.3.99 и 3.100). Данные типы профилирования позволяют при низких числах Рейнольдса значительно повысить уровень теплоотдачи при минимальном уровне потерь давления. Это связано с более ранним ламинарнотурбулентным переходом при течении газов и жидкостей в трубах (рис.3.101).

Рис.3.99. Профилированные трубы Ecoflux со спиральной накаткой или сферическими выемками корпорации HRS Group (Испания)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.100. Профили труб корпорации HRS Group (Испания): с крупными выемками, с мелкими выемками, со спиральной накаткой Рис.3.101. Характер изменения теплоотдачи в пустом гладком и профилированном каналах в зависимости от скорости потока (график качественный, без количественных значений) (корпорация HRS Group (Испания) Компанией выпускаются теплообменники типа «труба в трубе» из концентрических профилированных труб серии DT, типа «труба в трубе» из 3 концентрических профилированных труб серии AS, многотрубные кожухотрубчатые теплообменники серий K и MI (рис.3.102). Профилированные трубы изготавливаются из нержавеющей стали 304L, 316L, углеродистой стали, меди и медных сплавов, титана, сплавов Duplex, Hastelloy и др.

В табл.3.9 приведены сравнительные данные, показывающие преимущества использования теплообменников.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.102. Типы теплообменных аппаратов корпорации HRS Group (Испания) с профилированными трубами Рис.3.103. Примеры конструкций теплообменных аппаратов корпорации HRS Group (Испания) с профилированными трубами

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.103 (продолжение). Примеры конструкций теплообменных аппаратов корпорации HRS Group (Испания) с профилированными трубами

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.103 (продолжение). Примеры конструкций теплообменных аппаратов корпорации HRS Group (Испания) с профилированными трубами

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Теплообменники (рис.3.103) корпорации HRS Group (Испания) с профилированными трубами предназначены для пищевой, нефтехимической, химической, фармацевтической, целлюлозно-бумажной, цементной отраслях промышленности промышленности, энергетике, металлургии в качестве конденсаторов, охладителей и нагревателей, испарителей, чиллеров, выпарных аппаратов.

Пример замены гладкотрубного кожухотрубного теплообменника на интенсифицированный корпорации HRS Group (Испания) Штатный кожухотруб- Кожухотрубчатый тепчатый теплообменник с лообменник с профилигладкими трубами рованными трубами кв.м ний, мм в межтрубном пространстве, м/с в трубах, м/с теплообмена

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Пример замены гладкотрубного кожухотрубного теплообменника на интенсифицированный корпорации HRS Group (Испания) Штатный кожухотруб- Кожухотрубчатый тепчатый теплообменник с лообменник с профилигладкими трубами рованными трубами кв.м ний, мм в межтрубном пространстве, м/с в трубах, м/с трубном пространстве, атм трубном пучке, атм теплообмена

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Пример замены гладкотрубного кожухотрубного теплообменника на интенсифицированный корпорации HRS Group (Испания) Штатный кожухотруб- Кожухотрубчатый тепчатый теплообменник с лообменник с профилигладкими трубами рованными трубами кв.м ний, мм в межтрубном пространстве, м/с в трубах, м/с трубном пространстве, атм трубном пучке, атм теплообмена

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Компания BlueRidge Company (США) выпускает кожухотрубчатые теплобменники с трубами со спиральной накаткой (рис.3.104). Материала труб – нержавеющая сталь 316L или титан. Теплообменник спроектирован под высокие скорости и малые давления (до 150 psig при температуре 416F) теплоносителей и используется как рекуператор теплоты сбросной воды, водяной маслоохладитель, водоподогреватель и т.д.

Рис.3.104. Кожухотрубчатый теплообменник с трубами со спиральной накаткой компании BlueRidge Company (США) Компания Energy Transfer MDE (США) специализируется на выпуске труб со спиральной накаткой (рис.3.105). Спиральная накатка позволяет увеличить поверхность теплообмена и турбулизировать течение теплоносителей с обоих сторон трубы, что приводит к повышенной теплопередаче. Данные трубы предназначены для использования в конденсаторах, кожухотрубчатых теплообменниках общего назначения и холодильной технике. Трубы отличаются многообразием соотношения шага и глубины накатки.

Рис.3.105. Теплообменные трубы со спиральной накаткой компании Energy Transfer MDE (США)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.106 (продолжение). Теплообменные трубы со спиральной накаткой компании Energy Transfer MDE (США) Компания Thermaline Inc. (США) производит теплообменные аппараты на основе спирально накатанных труб для пищевой промышленности и фармацевтики (рис.3.106). Трубы изготавливаются из сталей 316, 304 и сплава AL6-XN.

Рис.3.106. Теплообменные аппараты на основе спирально накатанных труб компании Thermaline Inc. (США)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.106 (продолжение). Теплообменные аппараты на основе спирально накатанных труб компании Thermaline Inc. (США) Компания UK Exchangers Ltd (Великобритания) производит спирально накатанные трубы, которые позволяют увеличить коэффициент теплопередачи на 60% по сравнению с гладкими трубами, за счет турбулизации течения, уменьшить загрязняемость поверхностей. Компания производит на основе данных труб два типа теплообменников – типа «труба в трубе» и кожухотрубчатый (3.107).

Рис.3.107. Конструкции теплообменника типа «труба в трубе» и кожухотрубчатого теплообменника компании UK Exchangers Ltd (Великобритания)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Теплообменники используются в пищевой промышленности для нагрева, пастеризации и охлаждения продуктов питания; химической промышленности для нагрева и охлаждения этанола, гликоля, изопропилового спирта, толуэна, тяжелой топливной нефти, минеральных и синтетических масел, эмкльсий, глицерина, сольвентов и т.д.; фармацевтики для стерилизации дистилированной воды, воды для инъекций, кровяной плазмы и т.д.; в парфюмерной промышленности для рекуперации теплоты сбросной воды, термической обработки шампуней, лосьонов, кремов, гелей и т.д.

Трубы изготавливаются из нержавеющей стали марок 304 и 316 для максимальных давлений внутри труб 25 бар, в межтрубном пространстве или кольцевом зазоре – 16 бар.

Компания APV (Швеция) выпускает теплообменные аппараты различных типов и назначения, в том числе трубчатые теплообменники типа «труба в трубе» со спирально накатанными трубами. Теплообменники выпускаются двух-, трех- и четырехтрубными и предназначены в основном для ламинарных течений или высоковязких жидкостей (рис.3.108). Рабочее давление в теплообменнике – до 60 бар, рабочие температуры – до 285°C.

Рис.3.108. Теплообменники с накатанными трубами компании APV (Швеция) Компания MPG Mendener Przisionsrohr (Германия) специализируется на выпуске теплообменных оребренных, биметаллических и профилированых труб для конденсаторов. Профилированные трубы имеют спиральную накатку на поверхности для увеличения теплоотдачи как снаружи, так и внутри труб (рис.3.109 и 3.110). Изготавливаются трубы диаметром 8–63 мм с толщиной стенок 0,5–3 мм длиной до 12500 мм. Трубы изготавливаются из меди и ее сплавов, титана, нержавеющей и углеродистой стали, никелевых сплавов и алюминия. Теплообменные трубы предназначены для использоваФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ния в теплоутилизационных устройствах, в аппаратах пищевой и фармацевтической промышленности, холодильных установках, воздухо- и маслоохладителях, испарителях, выпарных аппаратах.

Рис.3.109. Теплообменные трубы компании MPG Mendener Przisionsrohr (Германия) со спиральной накаткой Рис.3.110. Теплообменные трубы компании MPG Mendener Przisionsrohr (Германия) со спиральной накаткой и проволочной спиральной намоткой Компания Britannia Heatex Ltd (Великобритания) выпускает для систем охлаждения компрессоров кожухотрубчатые теплообменники с перегородками и витыми трубами (рис.3.111).

Компания Waukesha (США) выпускает теплообменник типа «труба в трубе» с использованием профилированных труб. Используются трубы со спиральной накаткой (рис.3.112).

Компания Raypak (США/Канада) выпускает трубы для испарителей (рис.3.113). Трубы изготавливаются профилированными за счет спиральной накатки труб. Данные трубы могут использоваться и в паровых котлах. Для

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

изготовления труб используется титан. Профилирование труб со спиральной закруткой потока позволяет увеличить критические тепловые потоки при испарении воды в теплообменных аппаратах на основе данных труб. Закрутка поток позволяет также резко снизить загрязняемость внутренних поверхностей труб.

Подобные трубы выпускает компания Guangzhou Mingfeng Copper Capillary Tube Co., Ltd. (Китай) (рис.3.114).

Рис.3.111. Кожухотрубчатые теплообменники с витыми трубами компании Britannia Heatex Ltd (Великобритания) Рис.3.112. Теплообменники типа «труба в трубе» компании Waukesha (США) со спирально накатанными трубами

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.113. Трубы со спиральной глубокой накаткой компании Raypak (США/Канада) Рис.3.114. Спирально накатанные трубы компании Guangzhou Mingfeng Copper Capillary Tube Co., Ltd. (Китай) Компания Vaportec (Новая Зеландия) выпускает многозаходные спиральные трубы Spirex. Они предназначены для создания серии теплообменников, в том числе типа «труба в трубе» (рис.3.115) и кожухотрубчатых змеевиковых теплообменников (рис.3.116). Кожухотрубчатые теплообменники изготавливаются с использованием композиционных материалов для элементов кожуха. Змеевик изготавливается из стали или титана и имеет спиральную навивку трубы.

Теплообменники типа «труба в трубе» имеют и кожух и внутреннюю трубы, изготовленные из спиральных стальных или медных труб. Обычно внутренняя труба имеет диаметр 40 мм, а внешняя 50 мм, что позволяет получить не кольцевой канал, а практически обеспечить течение теплоносителя во внешнем канале по винтовой траектории как в шнеке. Интенсификацию теплоотдачи во внутренней трубы обеспечивают спиральные выступы.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.115. Теплообменник типа «труба в трубе» компании Vaportec (Новая Зеландия) с трубами Spirex для утилизации теплоты сбросных вод. Внутренняя труба D=40 мм, внешняя труба D=50 мм

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.116. Кожухотрубный змеевиковый теплообменник компании Vaportec (Новая Зеландия) с трубами Spirex Компания INEPEC Group (Китай) производит целый спектр накатанных труб для интенсификации кипения в теплообменном оборудовании. Основной тип профилирования при накатке – спиральная и кольцевая накатка (рис.3.117).

Компания Turbotec Products Inc. (США) выпускает различные серии интенсифицированных труб и теплообменные аппараты на их основе.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.117. Холоднокатаные трубы с волнистой, спиральной и кольцевой шероховатостью компании INEPEC Group (Китай) Рис.3.118. Трубы со спиральными желобками Groove-Rite компании Turbotec Products Inc. (США) Желобчатые трубы Groove-Rite составляют линию продукции компании для промышленных котлов. Трубы изготавливаются из нержавеющей стали и имеют несколько типов профилирования (рис.3.118), шагов и глубин желобков на поверхности труб (табл.3.10). На рис.3.119 показаны теплогидравлические характеристики «стандартной» желобчатой трубы.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Характерные размеры желобчатых труб Groove-Rite Труба с мелкими желобками и большим 0,400 0,024 0, шагом шагом Труба с глубокими желобками и мелким 0,315 0,035 0, шагом Стандартная толщина стенок труб 0,065 дюйма и стандартный внешний диаметр труб 0,625 дюйма Рис.3.119. Теплогидравлические характеристики стальных желобчатых труб компании Turbotec Products Inc. (США): 1 – гладкая труба; 2 – «стандартная»

желобчатая труба Groove-Rite; – тепловой поток; – потери давления Для инженерных расчетов теплогидравлических характеристик труб Groove-Rite специалисты Turbotec Products Inc. (США) предлагают следующие зависимости:

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

для коэффициента трения в трубах: f = b, P = f, для коэффициента теплоотдачи в трубах: = c Re 0,8 Pr 0, 4, где f – коэффициент трения; L – длина, фут; D – внутренний гидравлический диаметр трубы, =0,04425 фута; w – скорость газа, фут/с; g – гравитационная составляющая, 32,17 футов/с2; – коэффициент теплоотдачи, BTU/(ч·кв.фут·F); – коэффициент теплопроводности газов, BTU/(ч·фут·F).

Коэффициенты для расчета коэффициентов теплоотдачи выбираются из таблицы:

шагом шагом шагом Скрученные трубы Tru-Twist составляют линию продукции компании для всех типов выпускаемых ее трубчатых теплообменных аппаратов. Трубы изготавливаются из нержавеющей стали и титана (рис.3.120) диаметром от 1/8 до 6 дюймов. Увеличение теплопередачи при использовании данных труб составляет до 300%.

На рис.3.121 и 3.122 показаны теплогидравлические характеристики трех– и четырехзаходных скрученных стальных труб Tru-Twist при течении дымовых газов и воды.

Специалистами компании Turbotec Products Inc. (США) проведено сравнение теплогидравлических характеристик 4-заходной желобчатой титановой трубы Tru-Twist диаметром 7/8 дюйма с трубой имеющей шероховатость на внешней и внутренней поверхности диаметром 3/4 дюйма (рис.3.123). Сравнение проведено по коэффициенту теплопередачи при течении воды внутри и снаружи труб, а также по потерям давления при течении воды внутри труб и при продольном обтекании их. Для опытов интенсифицированные трубы помещались внутрь 1,5 дюймового кожуха. Результаты сравнительного анализа представлены на рис.3.124 и 3.125.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.120. Трубы со спиральными выступами на внешней стороне Tru-Twist компании Turbotec Products Inc. (США)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.121. Теплогидравлические характеристики скрученных стальных труб Tru-Twist компании Turbotec Products Inc. (США): 1 – 3-заходная скрученная труба диаметром 1,0 дюйма; 2 – 4-заходная скрученная труба диаметром 1, дюйма; 3 – 4-заходная скрученная труба диаметром 1,0 дюйма; – тепловой поток; – потери давления Рис.3.122. Теплогидравлические характеристики скрученных стальных труб Tru-Twist компании Turbotec Products Inc. (США): 1 – 3-заходная скрученная труба диаметром 1,0 дюйма; 2 – 4-заходная скрученная труба диаметром 1, дюйма; 3 – 4-заходная скрученная труба диаметром 1,0 дюйма; – тепловой поток; – потери давления

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.123. К сравнению 4-заходной желобчатой титановой трубы Tru-Twist компании Turbotec Products Inc. (США) и трубы с микрошероховатостями на внешней и внутренней поверхности Рис.3.124. Коэффициент теплопередачи для труб компании Turbotec Products – титановая труба Tru-Twist диаметром 7/8 дюйма (на Inc. (США):

гладком входном участке); – микрошероховатая труба диаметром 3/ дюйма Как видно из представленных графиков, для расходов воды 10 галлонов/мин внутри и снаружи труб коэффициент теплопередачи для труб TruTwist в 1,5 раза выше, чем в микрошероховатой трубе, – 831 BTU/(ч·кв.фут·F) против 542 BTU/(ч·кв.фут·F). Потери давления в трубах Tru-Twist в 2 раза

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

выше, чем в микрошероватых трубах, при расходе воды до 5 галлонов/мин. В кольцевом канале, образованном испытываемыми трубами и внешней пластиковой трубой диаметром 1,5 дюйма потери давления для труб Tru-Twist от 1,6 до 2,1 раза выше, чем микрошероховатой трубы, при расходах воды от до 40 галлонов/мин, соответственно.

Рис.3.125. Потери давления в шероховатой трубе (а) и в кольцевом канале (б) с внутренней шероховатой трубой компании Turbotec Products Inc. (США):

– титановая труба Tru-Twist диаметром 7/8 дюйма; – микрошероховатая труба диаметром 3/4 дюйма Компания Doucetti Industries, Inc. (США) выпускает испарители в виде трубчатых теплообменников типа «труба в трубе» c профилированной внутренней трубой для интенсификации теплоотдачи. Труба выполнена со спиральной накаткой с большим углом закрутки (рис.3.126). Внутренний диаметр внешней трубы изменяется в пределах от 1/2 до 6 1/8 дюйма при диаметре внутренней трубы от 1/4 до 2 5/8 дюймов, соответственно.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Испарители предназначены для использования в промышленных, передвижных и торговых холодильных установках.

Рис.3.126. Испарители с профилированной трубой компании Doucetti Industries, Inc. (США) Компания Osaka Steel Tube (Япония) производит трубы со спиральной накаткой (рис.3.127) из углеродистой и нержавеющей стали, меди и ее сплавов. Трубы предназначены для использования в жаротрубных котлах, системах кондиционирования и отопления, в системах утилизации теплоты. Среди основных потребителей труб известные компании – Daikin Industries, Ltd;

Hino Iron Works, Ltd; Isuzu Motors, Ltd; Nissan Motors, Ltd; Kawasaki Heavy Industries, Ltd и др. Основные параметры трубок со спиральной накаткой представлены ниже в табл.3.11.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.127. Интенсифицированные трубы компании Osaka Steel Tube (Япония) Характеристики трубок со спиральной накаткой Внутренний диа- Шаг спиральной Глубина канавок, Радиус накатки,

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Характеристики трубок со спиральной накаткой ства Fintube Technologies (США) спиральными выступами при течении пропилен гликоля различной концентрации в сравнении с гладкой трубой.

Уровень интенсификации теплоотдачи и повышения гидросопротивления в каналах за счет нанесения спиральных выступов на внутренней поверхности труб показан на рис.3.131. Как видно, максимальное повышение теплоотдачи характерно для переходной области течений (Re=2000-4000) и связано с более ранним ламинарно-турбулентным переходом в трубах со спиральными выступами.

Компания Teralba Industries (Австралия) выпускает кожухотрубчатые теплообменники серии Dimpleflo с профилированными трубами со сферическими выемки/выступами (рис.3.132).

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.129. Коэффициент трения в трубе с внутренним диаметром 0,8 дюйма внутренними спиральными выступами при течении пропилен гликоля различной концентрации. Обознчение: PG-XX – РG – пропилен гликоль, ХХ – его концентрация.

Рис.3.130. Теплоотдача в трубе с внутренним диаметром 0,8 дюйма внутренними спиральными выступами при течении пропилен гликоля различной концентрации. Обозначения на рис.3.129.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.131. Интенсификация теплоотдачи и повышение гидросопротивления в трубах с внутренним диаметром 0,8 дюйма и внутренними спиральными выступами при течении пропилен гликоля.

Интенсификация теплообмена в теплообменнике обусловлена турбулизацией течений теплоносителей. Теплообменники выпускаются как многотрубные, так и однотрубные (труба в трубе).

Основное применение данных теплообменников – пищевая, химическая, фармацевтическая, целлюлозо–бумажная, текстильная и другие отрасли промышленности.

Рис.3.132. Кожухотрубные теплообменники серии Dimpleflo с профилированными трубами со сферическими выемки/выступами компании Teralba Industries (Австралия).

Компания JBT FoodTech (США) выпускает кожухотрубные теплообменники и теплообменники типа «труба в трубе» для пищевой промышленности. Во всех теплообменниках используются интенсификаторы теплообФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

мена. Для менее вязких сред (например, апельсинового сока) при их термической обработки (пастеризации) используются кожухотрубные теплообменники с интенсификаторами теплообмена в виде нанесенных на трубы штамповкой сферических выемок/выступов (рис.3.133). При выдавливании на внешней стороне выемок, на внутренней внутренней образются выступы.

Рис.3.133. Кожухотрубные теплообменники с трубами со сферическими выемками компании JBT FoodTech (США) Профилированные трубы (рис.3.134) для теплообменного оборудования в виде спиральной накатки или волнистых продольных выемок предлагаются компанией Tonglian Stainless Steel Materials Co (Китай).

Рис.3.134. Профилированные трубы для теплообменного оборудования в виде спиральной накатки или волнистых продольных выемок компании Tonglian Stainless Steel Materials Co (Китай)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Кожухотрубчатые теплообменники представляют самый большой сегмент теплообменного оборудования (до 85%) в нефтехимической, химической, нефтеперерабатывающей, энергетической отраслях развитых стран Европы. Их конструкция обеспечивает работу при давлении в межтрубном пространстве до 350 бар, в теплообменных трубах – до 600 бар, при температурах теплоносителей от –120 до +600С в зависимости от используемых материалов. Однако существует ряд ограничений. Одним из таких недостатков является необходимость установки перегородок для поддержания труб и уменьшения или ликвидации их вибрации. Наличие плоских сегментных перегородок или перегородок типа диск/кольцо создает неравномерность скоростей при обтекании пучка труб и «мертвые» зоны, где накапливаются загрязнения и отложения. Применение скрученных труб позволяет ликвидировать этот недостаток, обеспечивая высокие коэффициенты теплоотдачи за счет организации чистого противотока и закрутки потоков теплоносителей.

Компания Koch Heat Transfer Group (США) включает подразделения Brown Fintube Company, IMB, Alloy Fab и имеет целый портфель энергоресурсосберегающих технологий для производства современных теплообменных аппаратов. Компания выпускает большой спектр теплообменного оборудования, включая кожухотрубчатые теплообменные аппараты и Рис.3.135. Витые трубы

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

вала на рынке более 400 теплообменников с витыми трубами. В последние годы реализация составляет около 60 теплообменников в год.

Использование в теплообменниках витых труб позволяет повысить теплопередачу, уменьшить весогабаритные параметры теплообменника, исключить вибрацию трубного пучка и уменьшить загрязняемость теплообменных каналов. Трубы по концам имеют круглое сечение, что обеспечивает их традиционное крепление в трубных досках. По длине основной же части трубы ее сечении овальное, что позволяет технологически просто произвести ее закрутку.

Рис.3.136. Теплообменные матрицы кожухотрубчатых теплообменников со скрученными прямыми и U-образными трубами компании Brown FinTube Company (США)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.136 (продолжение). Теплообменные матрицы кожухотрубчатых теплообменников со скрученными прямыми и U-образными трубами компании Brown FinTube Company (США) Данные теплообменники (рис.3.136) широко используются в энергетике как водо-водяные подогреватели, охладители машинного масла, конденсаторы ПТУ, испарители, в химической промышленности – подогреватели аммиака, при охлаждении и нагреве перекиси водорода, нефтяного газа, сырой нефти, асфальта; в целлюлозно-бумажной промышленности – при нагреве рабочих жидкостей, охлаждении масла, регенерации теплоты сточных вод; в ЖКХ – водо-водяные подогреватели; сталелитейной промышленности – охлаждение машинного масла, рекуперация теплоты уходящих газов; горноперерабатывающей промышленности – при охлаждении минеральных масел;

регенерации теплоты сточных вод.

Использование витых труб, имеющих эллипсоидное поперечное сечение, позволяет исключить перегородки в теплообменной матрице, обычно используемых для уменьшения вибраций трубных пучков и организации перекрестного тока теплоносителей.

Во-первых каждая труба поддерживается 2 смежными трубами, как показано на рис.3.137, в то же время имеется пространство по всей длине трубы для течения теплоносителя. Эта система устраняет вибрацию труб, которая является одной из основных проблем при эксплуатации теплообменников.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.137. Схема расположения смежных труб

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

вставок в круглых трубах. Это позволяет уменьшить расчетную длину труб и площадь поверхности теплообмена по сравнению с гладкотрубными теплообменниками той же тепловой мощности.

В-третьих, подобная конструкция исключает наличие «мертвых» зон с минимальной скоростью в областях за перегородкой (рис.3.139). Более равномерное обтекание пучка труб, которое наблюдается при использовании витых труб также способствует более высокой тепловой эффективности теплообменников. Устранение «мертвых» зон с минимальной скоростью или зон рециркуляции и увеличение турбулентности потока как в межтрубном пространстве, так и в трубах приводит к уменьшению загрязнения за счет осаждения отложений и частиц. Другие типы загрязнения – продукты химических реакций – могут быть удалены в ходе водоструйной очистки поверхностей при разборе кожуха теплообменника (рис.3.140). Внутри труб также эффективна водоструйная очистка по сравнению с гладкотрубными теплообменниками из-за наличия турбулизирующего воздействия закрутки потока.

В-четвертых, отсутствие сегментальных перегородок и сокращенная длина труб позволяет снизить потери давления при прокачке теплоносителя через межтрубное пространство.

Рис.3.139. Схема течения теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника с гладкими и витыми трубами

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.140. Пример возможности водоструйной очистки кожухотрубчатого теплообменниками с витыми трубами Пример энергоресурсосберегающего эффекта от использования кожухотрубного теплообменника с витыми трубами

DEA MVGO

Температура Температура Теплообменник с витыми трубами Теплообменник с прямыми гладкими трубами

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

В табл.3.12 приведен сравнительный анализ кожухотрубных теплообменников с прямыми и витыми трубами по результатам разработок и внедрений компании Brown Fintube. Как видно, переход на витые трубы позволяет экономить 20–50% площади теплообмена и, как следствие, до 20– 30% себестоимости теплообменника.

3.7.3. Использование спиральных лент в трубах Одним из старейших типов интенсификации теплоотдачи в трубах является использование скрученных лент. Исследованию теплоотдачи и гидросопротивления в трубах со скрученными лентами посвящено большое количество работ [1–88], в том числе при ламинарном течении – [1–14,77,79,82] и при турбулентном – [15–66]. Скрученные ленты эффективны и при течении однофазных теплоносителей, и при испарении жидкостей. Они широко используются как устройства для интенсификации массообмена при течении вязких жидкостей. Скрученные ленты часто используются в профилированных и внутренне микрооребренных каналах [89–97].

Компания Brown Fintube (США), входящая в группу компаний Koch Heat Transfer (США) предлагает труб с внутренними интенсификаторами (рис.3.141) в виде скрученных лент.

Рис.3.141. Интенсификаторы теплообмена в виде скрученных лент компании Brown Fintube (США) Использование подобных интенсификаторов теплообмена позволяет быстро произвести модернизацию существующих кожухотрубчатых теплообменников, повысив их эффективность. Увеличение коэффициента теплоотдачи в трубе со скрученной лентой составляет до 300% для вязких жидкоФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

стей при умеренном росте потерь давления. Для теплообменников новых схем, предлагаемых компанией Brown Fintube, установка скрученных лент позволяет повысить тепловую мощность теплообменника до 50% при увеличении стоимости теплообменника на 10%. Простая установка и демонтаж лент решает множество проблем. Например, организация ими закрученного потока в трубах эффективно решает задачу минимизации загрязнений и отложений. В основном они используются в теплообменниках для нагрева, конденсаторах и охладителях рабочих сред.

интенсификаторами в виде скрученных лент вот уже более 25 лет эффективно используются химической промыщленности при переработке гликоля, нефти, смол, полимеров и других вязких жидкостей.

Компания Exact Exchanger Incorporated (г.Даллас, Техас, США) специализируется на выпуске вентиляторных трубчатых воздухоохладителей и воздушных маслоохладителей. Компания также выпускает интенсификаторы под торговой маркой Nelson Spiro–Fin для установки внутри труб своего семейства воздушных маслоохладителей. Nelson Spiro–Fin представляет собой спирально закрученную ленту из алюминия и имеет постоянную закрутку по всей длине. Наличие в трубах подобных интенсификаторов, по утверждению разработчиков и производителей, способствует перемешиванию текущей вязкой жидкости в трубах, турбулизируя пограничный слой и тем самым повышая коэффициент теплоотдачи в трубах.

Компания Alco Products (США) корпорации Nitram Energy, Inc (США) кроме оребренных труб производит вставки-турбулизаторы в виде скрученных лент (рис.3.142) для трубчатых теплообменников и котлов. Увеличение коэффициентов теплоотдачи составляет, по утверждению разработчиков, 3– раз за счет турбулизации потока. В качестве преимуществ данных турбулизаторов отмечается легкость их установки и демонтажа.

Компания Energy Transfer MDE (США) также в качестве интенсификаторов теплообмена внутри труб предлагает скрученные ленты (рис.3.143).

Рис.3.142. Интенсификаторы теплообмена в виде скрученных лент компании Alco Products (США)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.143. Интенсификаторы теплообмена в виде скрученных лент компании Energy Transfer MDE (США) 3.7.4. Использование в трубных пучках проволочных спиральных вставок Интенсификаторы в трубах в виде спиральных проволочных вставок широко используется в котельных установках. Нашли они применение и в теплообменном оборудовании. Основное преимущество их – легкость монтажа и демонтажа из теплообменных каналов при необходимости их очистки. Достигаемая интенсификация теплообмена обеспечивается периодическим разрушением пограничного слоя, турбулизцией пристенных слоев потока их закруткой. Исследованию теплоотдачи и гидросопротивления в трубах с проволочными сприальными вставками посвящено большое количество работ [98–115], в том числе при ламинарном течении – [98–102] и при турбулентном – [103–110].

Спиральные проволочные вставки (рис.1.144) компании Spirelf System (США) предназначены для интенсификации теплоотдачи в кожухотрубных теплообменных аппаратах, работающих при температурах до 360°С при течении жидкостей или двухфазных потоков со скоростями от 1 до 8 футов/с.

Они производятся для труб с внутренним диаметром –1 дюйма и длиной 10–33 фута.

Основное применение данные интенсификаторы нашли на нефтеперерабатывающих заводах в атмосферных подогревателях и испарителях. Они применимы для сильно загрязненных сред, кроме сред с присутствием крупФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ных (1–2 мм) твердых частиц. В настоящее время они внедрены на нефтехимических производствх компаний Exxon/Esso Group (США, Канада, Франция, Германия, Голландия, Великобритания, Норвегия, Япония, Малайзия, Таиланд), Shell Group (США, Австралия, Сингапур, Германия, Новая Зеландия, Бруней, Малайзия, ЮАР), BP Group (США, Испания, Германия, Австралия, Сингапур, ЮАР, Голландия, Великобритания), Mobil (Франция, Германия, Япония), Veba-Ruhr Oel (Германия), Chevron (США), Caltex (Австралия), Nippon Oil (Япония), Mitsubishi Rayon (Япония), Atochen (Франция), Rhone Poulenc (Франция), Pertamina (Индонезия), Conoco (Великобритания). Всего внедрено более 150000 спиральных проволочных вставок.

Рис.3.144. Спиральные проволочные вставки компании Spirelf System (США) для интенсификации теплоотдачи в кожухотрубных теплообменных аппаратах Принцип работы вставок в следующем – спиральные проволочные вставки устанавливаются в каналы за счет сил их упругости и закрепляются на стержнях с обоих сторон канала. Однако во время работы теплообменника спиральная вставка начинает вирировать в продольном и поперечном направлениях (рис.3.145). Кроме закрутки потока и разрушения пограничного слоя, вставки обеспечивают интенсификацию теплообмена и за счет вибрации потока. При необходимости вставки легко извлекаются из труб.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Вставки компании Spirelf System (США) обеспечивают интенсификацию до 80% внутри труб за счет повышения турбулентности потока (рис.3.146). По этой же причине происходит уменьшение загрязнения внутренних теплообменных поверхностей (интервал очистки увеличен с 6 до 12– 20 мес.).

Рис.3.145. Принцип работы спиральной проволочной вставки компании Spirelf System (США) Рис.3.146. Изменение коэффициентов теплоотдачи от скорости потока теплоносителя и геометрии вставок Компания Airedale Springs Ltd (Великобритания), специализирующаяся на производстве изделий из проволоки, в том числе пружин и рессор, производит турбулизаторы для теплообменного оборудования уже 50 лет и имеет хорошую репутацию в Великобритании. Компания производит широкий

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

спектр турбулизаторов в виде спирально навитых проволочных вставок различной длины, диаметра, конфигурации (с постоянным или переменным шагом) и т.д (рис.3.147). Турбулизаторы предназначены для использования в маслоохладителях, ядерных реакторах, теплообменниках общего назначения.

Турбулизаторы изготавливаются из нержавеющей стали, никелевых, медных, алюминиевых сплавов и др. Диаметр проволоки, из которой выполняется турбулизатор, – 0,2–3 мм.

Рис.3.147. Спиральные проволочные вставки для теплообменного оборудования компании Airedale Springs Ltd (Великобритания) Рис.3.148. Теплообменные трубы с внутренней интенсификацией теплообмена с помощью шнековой вставки (а), непрерывной спирально скрученной плоской проволоки (b), дискретной установкой спирально скрученной плоской проволоки (c)

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Королевский технологический институт им.Монгкута (Таиланд) для солнечных водонагревателей предлагает использовать трубы с внутренней интенсификацией теплообмена с помощью спирально скрученной плоской проволоки, установленной как непрерывно в трубе, так и дистанционно (рис.3.148). Кроме этого, установка по центру скрученной проволоки центрального стержня позволяет создать шнековую вставку.

Шнековые интенсификаторы для теплообменных аппаратов предлагает и компания Brown Fintube (США) корпорации Koch Heat Transfer Company LP (США) (рис.3.149).

Рис.3.149. Шнековые интенсификаторы для теплообменных аппаратов компании Brown Fintube (США) Компания Brown Fintube (США) предлагает производить навивку проволоки на внешнюю сторону труб, используемых при создании кожухотрубчатых теплообменников (рис.3.150). Это позволяет достичь преимуществ, характерных для витых труб – отказ от поддерживающих перегородок, умньшение загрязняемости межтрубного пространства и интенсификация теплообмена в межтрубном пространстве. Использование проволочной навивки позволяет трубам постоянно соприкасаться с соседними трубами, чем гасится вибрация труб. Для лучшего контакта трубный пучок стягивается металлическими лентами. Интенсификация теплообмена достигается закруткой потока в межтрубном пространстве.

Повышение тепловой эффективности теплообменника достигается также возможностью организации в теплообменнике противоточной схемы течения теплоносителей. Отсутствие перегородок уменьшает возможность засорения межтрубного пространства из-за равномерного теченния теплоносителя по попереченому сечению межтрубного пространства.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.150. Кожухотрубчатый теплообменник с трубами с внешней проволочной навивкой

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

3.8. Конструктивные способы повышения эффективности 3.8.1. Влияние гидравлического диаметра труб Специалисты ЗАО «ЦЭЭВТ» (Россия) и ООО «Гидротермаль» (Россия) провели сравнительный анализ пластинчатых теплообменников и современных разработок кожухотрубчатых теплообменников.

Обычно кожухотрубчатые теплообменники для коммунальной энергетики сравнивают с пластинчатыми разборными теплообменникам и зачастую отдают предпочтение по многим параметрам последним. Действительно в пластинчатых теплообменниках достигаются значительные значения коэффициентов теплопередачи – до 20000 Вт/(м2К). Это обусловлено особенностями их конструкций, в частности – малыми гидравлическими диаметрами каналов (5–8 мм), что позволяет в 1 м3 объема теплообменной матрицы сосредоточить 120–200 м2 теплообменной поверхности, а также высокую степень возмущения потоков обеих сред. Однако, гидравлические потери в трактах пластинчатых ТА со столь большими коэффициентами теплопередачи существенно (в разы) выше, чем у аналогичных кожухотрубных аппаратов.

Но, те же значения плотности компоновки характерны для трубчатых ТА с диаметром трубок 5..8 мм, используемых, например, в транспортных охладителях. Причем гидравлический диаметр 5...8 мм вовсе не является пределом ни для кожухотрубных, ни для других теплообменников. Так в авиации используются аппараты с трубками 1,5...2 мм и плотностью компоновки 500...700 м2/м3, а для охлаждения радиоэлектронных и других теплонапряженных узлов применяются трубчатые микроохладители с плотностью компоновки более 5000 м2/м3.

Примером кожухотрубных теплообменников нового поколения являются аппараты ТТАИ (ООО «Теплообмен», Украина) – тонкостенный теплообменный аппарат интенсифицированный (рис.3.151). В отличие от традиционных аналогов ТТАИ обладает следующими преимуществами: толщина стенок трубок, выполненных из нержавеющей стали или титана, составляет всего 0,2 мм; тонкостенные теплообменные трубки имеют малый эквивалентный диаметр (8 мм) и собраны в плотный пучок с нерегулярной разбивкой. Пучок труб располагается в корпусе подвижно, за счет плавающих трубных решеток. Преимуществом конструкции является высокая скорость движения теплоносителя в теплообменнике (4–5 м/с), а также пониженные гидравлические сопротивления. Схемы движения сред могут быть одно- и многоходовыми. Для повышения эффективности работы теплообменника дополнительно применяется специальный профиль накатки трубок.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.3.151. Тонкостенные теплообменные аппараты интенсифицированные ТТАИ ООО «Теплообмен» (Украина) Переход с труб 16 или 19 мм на трубы 8/7 мм делает теплообменники ТТАИ сопоставимым с пластинчатым даже при отсутствии какой-либо интенсификации теплообмена. Интенсификация теплообмена в них увеличивает в 1,3–2,2 раза тепловую мощность аппарата и делает ее в 1,9–3,1 раза больше, чем для пластинчатого аппарата. Сравнение тепловой эффективности пластинчатых и различных типов кожухотрубчатых теплообменников приведено в табл.3.13.

Эффективность водо-водяных подогревателей лообмена плопередачи ность по холодной стороне

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Эффективность водо-водяных подогревателей Отношение коэффициентов 0,660 0,974 1,337 1,51 2,18 теплопередачи трубчатого и пластинчатого аппаратов Отношение тепловых мощ- 0,472 1,40 1,92 2,23 3,15 ностей трубчатого и пластинчатого аппаратов Обозначения: 1 – подогреватель САТЭКС, 16/14 мм, 19 гладких труб; 2 – 8/ мм, 76 гладких труб; 3 – 8/7 мм, 76 круглых труб с кольцевыми диафрагмами; 4 – 8/7 мм, 76 витых труб с поперечными диафрагмами; 5 – 8/7 мм, 76 круглых труб с кольцевыми диафграгмами, спиральная перегородка в межтрубном пространстве;

6 – пластинчатый теплообменный аппарат Alfa Laval модель М6–MFG При изучении конструкции стандартного кожухотрубчатого теплообменника мы можем наблюдать, что при попадании потока рабочей среды в межтрубное пространство, скорость его движения падает почти вдвое по сравнению со скоростями во входном и выходном патрубках. Результатом этого становится не только изменение характера турбулентности потока, но и выпадение осадка, и как следствие образование отложений в застойных зонах.

Поэтому приоритетными задачами при внесении конструктивных изменений для модернизации классического кожухотрубчатого теплообменника являются:

• увеличение скорости потока рабочей среды по межтрубному пространству;

• сохранение его однородности и непрерывности;

• обеспечение поперечного омывания рабочей средой максимально возможного числа теплообменных труб (необходимо минимизировать отклонения «угола атаки», который в идеале должен составлять 90°).

Для решения данных задач ЗАО «ТПО "Уралпромоборудование"»

(Россия) в скоростных винтовых аппаратах (СВ-аппаратах) реализовало винтовое движение потока среды в межтрубном пространстве. Поток движется по винтовой траектории вокруг продольной оси аппарата, благодаря чему происходит двукратное сокращение площади прохода и, соответственно, такое же увеличение его скорости. При этом поток ограничен двумя соседними дисковыми перегородками, что и обеспечивает поперечное обтекание пучка

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

теплообменных труб рабочей средой. Формирование неизменного сечения удерживает в заданных параметрах скорость и турбулентность потока по всему тракту. Вдобавок происходит срывание отложений с теплообменной поверхности и создаются условия для стабильной, эффективной теплоотдачи.

Для стандартных кожухотрубчатых аппаратов зона эффективного поперечного омывания теплообменных труб ограничена взаимным перекрытием сегментных перегородок.

Создание же винтовой полости в межтрубном пространстве резко увеличивает зону эффективного поперечного омывания (рис.3.152). Благодаря такому омыванию скоростные винтовые аппараты оказываются более теплопроизводительны по сравнению с вышеупомянутыми аналогами.

Рис.3.152. Схема зон эффективного поперечного омывания пучка труб в кожухотрубчатом теплообменнике с пластинчатыми и спиральными перегородками (ЗАО «ТПО "Уралпромоборудование"» (Россия))

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Если сравнить продольное и поперечное обтекание жидкостью трубного пучка, то можно заметить, что значение коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании в одинаковых условиях движения для одной и той же жидкости будет выше, чем для продольного омывания. Упомянутый выше «угол атаки» характеризует величину отклонения омывающего потока от перпендикуляра. При сильном отклонении снижение эффективности теплоотдачи может достигать пятидесяти процентов.

В классических кожухотрубчатых аппаратах со стандартными сегментными перегородками существуют застойные, плохо омываемые рабочей средой, зоны, что приводит к активному образованию в них отложений и, как следствие, к дополнительному сокращению теплообменной поверхности (рис.3.153). При низкой скорости и высокой склонности омывающей среды к выпадению в осадок, площадь рабочей поверхности может сокращаться до катастрофически малых размеров. Если аппарат работает с высокотемпературными теплоносителями, такое зарастание межтрубного пространства может привести к перегреву теплообменной трубки вплоть до выхода ее из строя.

Рис.3.153. Схема течения в межтрубном пространстве в кожухотрубчатом теплообменнике с пластинчатыми и спиральными перегородками (ЗАО «ТПО "Уралпромоборудование"» (Россия))

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Оптимизация гидродинамического режима работы в скоростных винтовых теплообменниках имеет еще одну сторону, скрытую от поверхностного наблюдения. Винтовое движение теплоносителя в кожухе СВ-аппарата исключает образование застойных зон, способствующих появлению отложений и снижению теплопередачи. Микровихри, образующиеся в пристенном слое рабочей среды, не позволяют взвешенным частицам осесть на поверхности теплообменных труб, срывают их и уносят с потоком. Условия контакта теплоносителя с теплообменной поверхностью остаются неизменными на протяжении всей длины рабочего тракта. Это характеризует работу СВ-аппаратов как не только высокоэффективную, но и безопасную, по сравнению со стандартными теплообменниками.

В этом заключается действительно серьезное преимущество СВаппаратов, ведь регулярное обслуживание и очистка от засоров, которые требуются стандартным кожухотрубчатым аппаратам, вынуждают инженерную группу либо приостанавливать производство, либо иметь в наличии дублирующую систему, – что означает не только избыточные траты при установке оборудования, но и значительные потери в полезной площади помещений. К тому же активные химические соединения, которые нередко используются для очистки аппаратов, очень токсичны, т.е., неблагоприятно воздействуют на окружающую среду и требуют достаточно высокой квалификации персонала, в противном случае возрастает риск несчастных случаев.

Для стандартных теплообменников протяженность рабочего тракта в кожухе не превышает суммы, состоящей из длины трубного пучка и произведения диаметра аппарата на число сегментных перегородок, увеличенное на 1.

За счет винтового характера движения теплоносителя в кожухе СВаппарата, его путь между двумя соседними перегородками увеличивается в 1,57 раза (рис.3.154).

Соответственно, и эффективность теплообменных процессов возрастает пропорционально, увеличивая теплопроизводительность на указанное число. Это еще одна причина, делающая СВ-аппараты компактными, высокопроизводительными и, как следствие, недорогими по сравнению с аналогами. Небольшие размеры аппаратов обратят на себя внимание и тех, кто озабочен проблемой давления в системе, поскольку чем меньше габариты теплообменника, тем меньше и потери давления.

В условиях конденсации теплоносителя, движущегося по межтрубному пространству, появляется возможность обеспечить искусственную капельную конденсацию (ИКК) и многократно увеличить коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара или газа (рис.3.155). Этот коэффициент в условиях капельной конденсации может быть в десятки раз выше, чем при идеальной пленочной конденсации. Капли конденсата растут, сливаются и отрываются от поверхности, освобождая довольно большие участки, к которым поступают новые порции конденсируемого теплоносителя. Тем самым ИКК

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ