«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.4. Титульный лист «Каталога технической коллекции в научном музее Южного Кенсингтона. Часть 1. Паровые двигатели и моторы, локомотивы, измерительные приборы, насосы и подъемные устройства, энергопреобразователи», 1919 года издания

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Следует указать, что в подобных трубах, могут использоваться и ретардеры, для усиления воздействия на поток и получения еще большего эффекта по увеличению эффективности котла.

Сравнительные исследования эффективности Продолжительность Условие соз- Значение Производительность исследований дания тяги тяги, дюй- котла, фунты испаренной Трубки с внутренним оребрением, как указывает в своей книге В.Б.Сноу, имеют самый высокий КПД, если они будут достаточно короткими.

В то же время автор уделяет особое внимание тому, что использование ребер приводит к росту сопротивления трубок и при их использовании необходимо учитывать располагаемый напор. «Они имеют особенное преимущество, когда пространство котла или напор котла запрещают введение дополнительной поверхности нагрева в любой другом виде…». Описанные трубы обладают повышенной прочностью.

G. S. Willits. “Serve's Ribbed Boiler-tube". Journal of American Society of Naval Engineers, Vol.3. Iss.3, August, 1891. p.295–477.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Это достигалось “грамотным” размещением ребер и устройством дополнительных ребер и каналов, организующих восходящие потоки нагреваемого в радиаторе внутреннего воздуха (рис.5).

Рис.5. Рекламные листки на бытовые отопительные радиаторы конца XIX – начала XX века Поверхности с внешним оребрением нашли свое широкое применение как техническое решение для увеличения интенсивности рассеяния теплоты в окружающую среду от тепловых двигателей. Подобная поверхность показана на рис.6 на модели двигателя Стирлинга 1816 года.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Они составляют неотъемлемую часть обыкновенного паровозного котла и нередко встречаются также в фабричных или заводских котлах. Их можно уподобить целому ряду трубок малого диаметра, заменяющему одну большую жаровую трубу. Если одна труба будет заменена сотней трубок диаметра вдесятеро меньшего, при прежней длине, то совокупная площадь поперечного сечения трубок останется та же самая, как и в большой трубе, но совокупная поверхность нагрева всех трубок будет в десять раз больше, в сравнении с прежней поверхностью большой трубы».

В вышеупомянутой книге У.Кента «Экономия паровых котлов. Трактат по теории и практике экономии топлива при работе паровых котлов» года дано сравнение параметров Ланкаширского и горизонтального многотрубного паровых котлов (заимствовано автором из статьи Ч.Эрита, опубликованной в журнале Engineering, 4 февраля, 1913 г.). При сравнении параметры паровых котлов приняты следующие их параметры – 10,35 фунтов пара в час (300 л.с.), температура пара 212 F, КПД 72% без и 78% с экономайзером.

Мальтитрубный 207 футов Ланкаширский 308 футов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Другим неординарным по тем временам решением было использование холоднокатаных гофрированных труб для увеличения как площади теплообмена, так и самих коэффициентов теплопередачи. Кроме того, уже тогда обратили внимание, что гофрированные (накатанные) трубы имеют более высокую прочность, чем гладкостенные трубы: «Гладкие жаровые трубы представляют самую опасную часть английских котлов; они легко сплющиваются и дают трещины при значительных давлениях пара извне, …; сопротивление волнистых труб слишком вчетверо превосходит сопротивление (здесь – прочность) гладких и потому они не требуют скреплений. Кроме завода Шульц-Кнаудта, волнистые трубы изготовляются и в Англии, фирмой Leeds Forge Со по патенту Фокса» (рис.7).

Рис.7. Рекламный проспект гофрированной жаровой трубы для паровых котлов конца XIX века производства The Leeds Forge Co., Ltd.

Английская компания Leeds Forge Co начала производства йоркширских стальных котлов по патентам Самсон Фокса в 1874 году для паровозов и пароходов. В 1877 году Самсон Фокс предложил волнистые (гофрированные) жаровые трубы (патент Великобритании №1097 от 1877 г.) (рис.8).

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Волнистые жаровые трубы оставались и остаются наиболее совершенным типом жаровых труб. В конце XIX – начале XX веков наиболее распространенными типами волнистых жаровых труб являлись трубы Фокса, Морисона, Пурвса и Дейтона (рис.9).

Рис.9. Типы волнистых труб для жаротрубных котлов конца XIX - начала XX века Рис.10. Схема парогенератора Серполэ с плоскими спиральными трубами Источник – статья из Технической Энциклопедии 1927-34 г.г.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Подобное устройство котла-утилизатора теплоты уходящих газов для подогрева воздуха на горение описано и вышеприведенной книге В.Б.Сноу.

Рис.11. Ланкаширский жаротрубный котел с трубками Галловея

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Литература по котлам 1810–1890-х годов изобилует упоминаниями попыток инженеров решить проблемы массы и экономии топлива. «Жар от горения топлива проникает в воду через стенки котла; чем больше поверхность нагрева, т. е. та площадь стенок котла, которая изнутри покрыта водой, а снаружи обогревается огнем или горячими газами от сжигания топлива, тем большая часть теплоты горючего материала передается воде для обращения ее в пар и тем меньшая часть улетает даром в дымовую трубу; но с увеличением поверхности нагрева возрастает также вес и стоимость котла; поэтому наиболее выгоден в экономическом отношении тот котел, для которого стоимость расходуемого в год топлива, сложенная с процентами на погашение капитала, затраченного на котел со всей совокупностью устройства (печью, дымовой трубой и пр.), будет наименьшая. В котлах фабричных или заводских, от которых требуется большая паропроизводительность, обыкновенно на первый план выступает экономия в топливе, вследствие чего в таких котлах стремятся по возможности увеличивать поверхность нагрева, не обращая особого внимания на стоимость котлов». Исходя из этой выдержки, уже тогда главным критерием оценки эффективности промышленного теплового оборудования была экономия энергии при производстве и передаче теплоты.

Значительное влияние на использование интенсификаторов теплообмена оказало изобретение и последующее развитие автомобиля. Радиаторы систем охлаждения за период конец XIX – начало XX века прошли путь от пучка оребренных труб на первых паровых автомобилях и сотового радиатора с поперечным обтеканием воды пучка труб, предложенного К.Бенцом, до высокомпактных трубчато-ребристых и пластинчато-ребристых матриц.

В 1921 года появилась публикация Р.Ройдса6 (рис.11), в которой была выявлена интенсификация теплоотдачи за счет использования турбулизаторов потока в виде скрученной ленты и поверхностных выступов, и работы в этом направлении стали систематическими.

В 1931 году в Германии были опубликованы результаты работы М.Якоба и У.Фрица7 по пузырьковому кипению в большом объеме в условиях интенсификации теплообмена за счет использования микрошероховатых Royds, R. Heat Transmission by Radiation, Conduction and Convection. 1st edition, Constable and Camp Limited, London. 1921, pp.190-201.

Jakob, M. and Fritz, W. Versuche uber den verdampfungsvorgang. Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurwesens, 1931, vol.2, pp.435-447.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.11. Титульный лист книги Р.Ройдса «Теплоперенос при излучении, теплопроводности и конвекции», 1921 года издания Jakob, M. Heat Transfer, Wiley, New York. 1949.

Corty, C., and Foust, A.S., Surface Variables in Nucleate Boiling, Chem. Eng. Prog.

Symp. Ser., 1953, Vol.51, No.17, pp.1-12.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Одни из первых патентов по интенсифицированным теплообменникам и элементам котлов представлены в хронологическом порядке на рис.14–50.

Количество патентов по теме огромно; представленная информация является незначительной выборкой из изобретений Германии, Великобритании, Швеции, Италии, Франции, США и других стран, запатентованных в основном в США. Здесь предоставляется возможность сравнения представленных материалов по взгляду инженеров и ученых XIX-начала XX веков на интенсификацию теплообмена и представленных в главе 3 данных по современным промышленным интенсификаторам теплообмена.

Авторами настоящей работы проведен анализ патентной литературы по интенсификации теплообмена за период 1861–2009 годы, который показал все возрастающий интерес к данной проблеме в мире. Заявляемые решения полностью коррелируют с изложенными в данной монографии материалами по направлениям разработок. При рассмотрении учитывались 483 патента и заявки на изобретения из различных стран мира. На рис.51 и 52 показана динамика и география изобретательской активности. Анализ взаимного патентования показал, что из 483 выданных патентов 150 приходится на иностранных заявителей.

Таким образом, показан неослабевающий интерес к исследованию и внедрению эффективных способов интенсификации теплоотдачи в различных отраслях промышленности и энергетики.

Alberger Heater Company. Catalog №3. Buffalo, USA. 1921.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Faherty, J.P and Blackford, J.H.M. Boiler Attachment, US Patent №810632. 1906.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

1906.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

1966.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

ТЕПЛООТДАЧИ – КЛАССИФИКАЦИЯ

И ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ

воздушное или жидкостное охлаждение двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей; охлаждение электрических машин и электронных устройств. Интенсификация теплообмена может значительно улучшить тепловой к.п.д. установок, включающих данные процессы, а также экономические показатели этих установок на стадии проектов и эксплуатации.

Технические требования к повышению тепловых характеристик теплообменных аппаратов, приводящие к экономии энергии, материала и снижению стоимости, и как итог уменьшение воздействия на экологию, привело к разработке и использованию различных методов повышения теплоотдачи.

Эти методы получили название интенсификация процессов теплоотдачи.

В настоящее время имеется огромная база данных в технической литературе по интенсификации теплообмена. Она оценивается в более чем технических статей, докладов и отчетов, которые опубликованы в периодических изданиях и многочисленных библиографических отчетах А.Е.Берглса Раздел подготовлен на основе доработанных и расширенных обзорноаналитических работ:

1. Manglik R.M. Heat Transfer Enhancement // Heat transfer handbook. Editors by Bejan A. and Kraus A.D. Chap.14. John Wiley & Sons, Inc. 2003. 1480 p.

2. Bergles A. E. Techniques to enhance heat transfer // Handbook of heat transfer. Editors by W.M. Rohsenow, J.P. Hartnett, Y.I. Cho. Chap.11. 3rd ed. McGraw Hill. 1998.

3. Thome J.R. Boiling // Heat transfer handbook. Editors by Bejan A. and Kraus A.D.

Chap.9.13. John Wiley & Sons, Inc. 2003. 1480 p.

4. Kedzierski M.A., Chato J.C., Rabas T.J. Condensation // Heat transfer handbook. Editors by Bejan A. and Kraus A.D. Chap.10.7. John Wiley & Sons, Inc. 2003. 1480 p.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Наверное первое упоминание о попытках увеличения коэффициента теплоотдачи при конденсации пара сообщалось более 140 лет назад, в году, в классическом труде Дж.П.Джоуля [15], но и по сегодняшний день эта тематика разивается в большом количестве научно-исследовательских работ [16,17].

Методы интенсификации по существу снижают термическое сопротивление пристенных слоев при конвективном теплообмене в теплообменнике, способствуя повышению коэффициента теплоотдачи с или без увеличения площади поверхности. В результате возможно снижение весогабаритных характеристик теплообменников без изменения тепловой мощности или существенное увеличение тепловой мощности теплообменника при сохранении весогабаритных характеристик теплообменника. В первом случае интенсификация может привести к снижению мощности на прокачку теплоносителя.

Во втором, снизить необходимые температурные напоры в теплообменнике.

Последнее особенно важно при тепловой обработке биохимических, фармацевтических и пищевых продуктов и пластмасс, где необходимо избегать теплового разложения конечного продукта. С другой стороны, увеличение тепловой мощности при сохранении и даже уменьшении весогабаритных параметров наиболее актуально для теплообменных систем в аэрокосмических, электронных и медицинских устройствах. Коммерциализация методов интенсификации теплоотдачи, при которой данные технологии были развиты от работ в научно-исследовательских лабораториях до натурного промышленного использования [2,18], привели к большому количеству патентов по тематике интенсификации теплоотдачи [2,5,19,20,21] (изобретательская активность показана на рис.51–53 во введении).

Исследования интенсификации теплообмена осуществляются в различных странах. Необходимо отметить, что проведенные в бывшем СССР исследования внесли значительный вклад в решение этой проблемы, особенно при создании практически реализуемых методов интенсификации теплообмена. Достаточно вспомнить работы В.М.Антуфьева, В.М.Бузника, Г.И.Воронина, Н.В.Зозули, Э.К.Калинина, В.К.Мигая, В.К.Щукина, Г.А.Дрейцера, Е.В.Дубровского и многих других ученых. В данной монографии основное внимание уделено ознакомлению с иностранными разработками в этой области.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

1.1. Принципы интенсификации при однофазной конвекции Однофазные течения можно классифицировать как внутренние и внешние, турбулентные и ламинарные течение. Главные механизмы интенПараграф подготовлен на основе материалов книги: Kuppan T. Heat Exchangers Handbook. Marcel Dekker Inc., CRC Press, 2000. 1119 p.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

где – коэффициент теплоотдачи, o – КПД оребрения, T – разность температур жидкости и стенки.

Комплекс 0 F характеризует способность поверхности передавать тепло. Очевидно, что высокая эффективность поверхности теплообмена в конвективном теплообменнике может быть достигнута за счет обеспечения высоких значений 0 F. Существует три основных принципа увеличения 0 F [6,519,521]:

1. Увеличение 0 F при сохранении, как, например, в ребристых трубах.

2. Увеличение без существенного увеличения площади теплообмена, как, например, на шероховатых поверхностях 3. Увеличение и F, как, например, использование развитых поверхностей, где, например, на поверхности ребер наносят турбулизирующие элементы – отверстия, жалюзи и рифления.

без увеличения поверхности теплообмена Поверхности, которые приводят к увеличению коэффициентов теплоотдачи без значительного увеличения площади теплообмена, известны как интенсифицированные поверхности теплообмена (ИПО). Основной принцип создания ИПО вытекает из приближенного уравнения для коэффициента теплоотдачи [519]:

где – коэффициент теплопроводности жидкости, – толщина теплового пограничного слоя.

Коэффициент теплоотдачи может быть увеличен, понижая толщину теплового пограничного слоя за счет изменения структуры пристенного течения.

1.1.2. Интенсификация при турбулентном течении Как известно наибольшее термическое сопротивление переносу теплоты в турбулентном потоке оказывает вязкий (ламинарный) подслой, прилеФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Для интенсификации теплоотдачи необходимо разрушение или турбулизирующее воздействие на этот подслой. Для этого наиболее перспективны различные формы и типы шероховатости – спиральные проволочные вставки, выступы и выемки различных форм и профилей. Для полностью развитого потока в гладкой трубе безразмерная толщина вязкого подслоя у вычисляется как:

Используя выражение для касательных напряжений для гладкой трубы, зависимость для толщины вязкого (ламинарного) подслоя y примет вид:

Например, для Rе=30000 и D=25,4 мм толщина вязкого (ламинарного) подслоя равна у=0,0762 мм. Для интенсификации теплоотдачи в этом случае необходима шероховатость с высотой 0,0762 мм – для разрушения или возмущения вязкого (ламинарного) подслоя.

1.1.3. Интенсификация при ламинарном течении Ламинарным течениям свойственны низкие коэффициенты теплоотдачи. Скорость потока и температура теплоносителя изменяются по всей высоте канала, так что термическое сопротивление составляет весь пограничный слой, который может занимать все сечение трубы или канала. Следовательно, мелкая шероховатость на поверхности теплообмена не эффективна для интенсификации теплоотдачи при ламинарных течениях. В этом случае в основном используют метод интенсификации закруткой потока или создания турбулентности по всему сечению канала [520].

1.2. Классификация методов интенсификации теплоотдачи Шестнадцать различных методов интенсификации теплоотдачи были классифицированы А.Е.Берглсом и др. [1-3] и разделены на пассивные и активные методы.

Список различных методов или устройств интенсификации теплоотдачи каждой из этих двух категорий приведены в табл.1.1. Основные различия методов это то, что пассивные методы, в отличии от активных, не требуют внешнего подвода энергии для интенсификации. Повышение передачи тепловой энергии реализуется за счет изменения площади поверхности теплоФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Классификация различных методов интенсификации теплоотдачи 1. Обработанные поверхности 1. Механическое перемешивание 2. Шероховатые поверхности 2. Вибрация поверхности 3. Развитые поверхности 3. Пульсация потока 4. Перемешивающие устройства 4. Электростатические поля 5. Устройства закручивающие поток 5. Инжекция 7. Устройства поверхностного натяжения 7. Струйные аппараты 8. Добавки для жидкостей 9. Добавки для газов Два или более пассивных и/или активных методов одновременно Кроме того, любые два или больше из перечисленных методов (пассивных и/или активных) могут использоваться одновременно для увеличения уровня интенсификации теплоотдачи. В этом случае они составляют сложный метод интенсификации теплоотдачи.

Эффективность любых из этих методов строго зависит от типа теплообмена (однофазная свободная или вынужденная конвекция, кипение в большом объеме, кипение или конденсация при вынужденной конвекции, конвективный массообмен), типа теплообменного аппарата и его назначения.

Ниже приведены описания пассивных методов согласно классификации А.Е.Берглса [8].

1. Обработанные, текстурированные поверхности – теплообменные поверхности, которые имеют мелкомасштабные деформации, полученные при их обработке или нанесении покрытий. Деформации поверхности могут быть непрерывными или дискретными. В этом случае шероховатость мала для изменения интенсивности однофазной теплоотдачи. Они используются прежде всего для процессов кипения и конденсации.

2. Шероховатые поверхности – изменения формы поверхности, которые способствуют развитию турбулентности в потоках теплоносителей (преФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

3. Развитые поверхности, наиболее часто называемые ребристые поверхности, обеспечивают эффективное увеличение площади поверхности теплоотдачи. Плоские ребра достаточно давно используются в большом количестве теплообменников. Но в последнее время разработаны формы ребристых поверхностей, которые кроме развития поверхности также воздействуют поток, возмущая его и дополнительно интенсифицируя теплоотдачу.

4. Устройства перемешивания – вставки, которые используются прежде всего при вынужденной конвекции для улучшения процессов переноса перпендикулярно к поверхности теплообмена, "перемещая" теплоноситель от теплообменной поверхности канала в основной поток.

5. Использование устройства для закрутки потока в каналах приводит к закрутке потока и возникновению и развитию вторичной циркуляции в потоке. Они включают вставки в каналы в виде спиральных лент или шнеков, витые трубы, различные формы входа потока в канал (касательного к осевому направлению) и могут использоваться как для однофазных, так и для двухфазных потоков.

6. Змеевики. Закручивание труб вокруг оси приводит к увеличению компактности теплообменного устройства. Закрутка потока в змеевиковом канале приводит к возникновению вторичных течений или вихрей Дина, которые способствуют повышению коэффициентов теплоотдачи при течении однофазных теплоносителей и кипении.

7. Устройства поверхностного натяжения представляют собой капиллярные или желобчатые поверхности, которые направляют и увеличивают потоки жидкости к поверхностям кипения или от поверхностей конденсации.

8. Присадки для жидких теплоносителей включают добавки твердых частиц и газовых пузырьков для уменьшения сил поверхностного натяжения при кипении.

9. Добавки в газовый поток капелек жидкости или твердых частиц в различных концентрациях (взвеси, псевдоожиженные слои) способствуют разрушению погрничного слоя за счет их соударения со стенкой и дополнительному переносу теплоты из основного потока к стенкам.

Ниже приведены описания различных активных методов интенсификации теплоотдачи.

1. Механическое перемешивание жидкости или вращение поверхности теплообмена. Например, вращающиеся трубчатые теплообменники или массообменные аппараты пищевых производств.

2. Вибрация поверхностей теплообмена с низкой или высокой частотой применяется прежде всего при течении однофазных теплоносителей.

3. Вибрация или пульсация потока жидкости с колебаниями в пределах от 1.0 Гц до ультразвука (около 1.0 МГц) используется прежде всего при теФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

4. Электростатические поля, которые могут быть в форме электрических или магнитных полей или комбинации этих двух полей, могут применяться в теплообменных системах. В зависимости от метода использования они могут способствовать большему перемешиванию жидкости и побуждать вынужденную конвекцию или электромагнитное накачивание.

5. Инжекция используется только в однофазных потоках и характеризуется инжектированием той же самой или другой жидкости в основной поток сквозь проницаемую поверхность.

6. Отсос пара сквозь пористую поверхность теплообмена при пузырьковом или пленочном кипении или отсос жидкости сквозь пористую поверхность теплообмен при однофазном течении.

7. Вдув перпендикулярно или по касательной к поверхности теплообмена нагреваемой или охлаждаемой жидкости. Одиночные форсунки или их системы (кластеры форсунок или равномерно распределенные вдоль поверхности) могут использоваться при теплообмене однофазных жидкостей и кипении.

Как указывает А.Е.Берглс и др. [1,21], существуют некоторые сложности в классификации отдельных методов из-за несколько произвольных или нечетких различий между ними. Например, классификация некоторых из новых разработок структурированных поверхностей, используемых при кипении жидкостей [11,12,17,]. Данные поверхности подходят под описание механизмов воздействия на процесс теплоотдачи, описанный для обработанных, шероховатых и развитых поверхностей. Возможно, в будущем будет проведена подклассификация и/или переклассификация методов интенсификации на основе постоянно накапливающегося материала по исследованиям механизмов интенсификации.

Задача по определению уровня интенсификации и эффективности интенсификаторов теплоотдачи является комплексной и достаточно трудной изза многообразия критериев4. Как указал А.Е.Берглс в своем обзоре [8]: “кажется вообще невозможно установить универсальный критерий отбора...”.

Помимо относительной теплогидравлической эффективности интенсификаторов теплоотдачи существует большой набор коэффициентов, которые неПодход авторов по данному вопросу изложен в монографии Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Олимпиев В.В., Щелчков А.В., Каськов С.И. Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования: Интенсификация теплообмена: монография // Под общ.

Ред. Ю.Ф.Гортышова. Казань: Центр инновационных технологий. 2009. 531 с.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

В большинстве случаев практического применения методов интенсификации теплоотдачи разработчики теплообменных аппаратов кроме выполнения технических условий и обеспечения заданных рабочих характеристик теплообменников преследуют следующие цели:

1. Увеличение тепловой мощности существующего теплообменного аппарата без изменения мощности на прокачку теплоносителей (или потерь давления) при фиксированном расходе теплоносителей.

2. Снижение температурного напора между теплоносителями для обеспечения заданной тепловой мощности при фиксированных габаритах теплообменника.

3. Уменьшение весогабаритных параметров теплообменника при сохранении тепловой мощности теплообменника и уровня потерь давления в его трактах.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Отметим, что цели 1, 2 и 4 соответствуют задачам энергосбережения, а цель 3 – ресурсосбережения (снижение металлоемкости и стоимости). Данные критерии и функциональные зависимости критериев оценки эффективности интенсификаторов теплообмена были достаточно часто и подробно описаны в литературе (например [8,12,23,24,27].

Рассмотрим некоторые критерии оценки эффективности интенсификаторов теплоотдачи на примере кожухотрубчатого теплообменного аппарата общего назначения.

Характеристики теплообменников обычно описываются двумя зависимыми переменными: тепловой мощностью Q (Вт) и потерями давления p (Па) или мощностью на прокачку теплоносителя N (Вт), которые могут быть выражены как где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); F – площадь теплообмена, м2;

Tm – среднелогарифмический температурный напор, К; – коэффициент гидравлического сопротивления; L – длина канала, м; j=G/Fс – массовая скорость потока, кг/(м2с); – плотность теплоносителя, кг/м3; Di – внутренний диаметр потока, м; Fc – площадь поперечного сечения канала, м2; G – расход, кг/с.

Здесь основные независимые переменные – разность температуры Ti (Tm=f(Ti)) и массовый расход G. В случае трубчатой конструкции теплообменника, зависимыми переменными являются площадь поверхности теплопередачи F или габариты теплообменника, а влияющими – внутренний диаметр труб Di, их длина L и количество труб М в одном ходе теплоносителя. Критерии оценки эффективности интенсификаторов теплоотдачи позволяют установить для каждого рассматриваемого процесса и конструкции теплообменника одну основную переменную и влияние на нее остальных переменных.

Для теплопередачи при течении однофазных теплоносителей в интенсифицированных и гладких трубах одинакового гидравлического диаметра А.Е.Берглс [8] и Р.Уебб [12] выделили критерии оценки эффективности интенсификации для 12 различных случаев. Все они представлены в табл.1.2.

Ниже даны описания критериев с целью установления и анализа связи интенсификации теплообмена и геометрии теплообменника:

1. Критерий FG. Площадь поперечного сечения потока (число труб в ходе M и внутренний диаметр труб Di) и длина трубы L фиксируются. Это

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

2. Критерий FN. Площадь поперечного сечения потока (число труб в ходе M и внутренний диаметр труб Di) фиксируются, а длина теплообменника L изменяется. Здесь цель состоит в поиске путей уменьшения площади поверхности теплообмена за счет уменьшения длины труб или мощности на прокачку теплоносителя N при установленной тепловой мощности.

3. Критерий VG. Число труб M в ходу и их длина L фиксируются, но диаметр труб можно изменить. Теплообменник часто «размерен», чтобы выполнить точно установленную тепловую мощность Q при фиксированном расходе теплоносителя G. В этом случае предусматривается уменьшение скорости потока в трубах, что позволяет допустить более высокие коэффициенты трения в интенсифицированных трубах. В этом случае необходимо увеличение площади проходного сечения фронта теплообменника Fc при фиксированном массовом расходе G. Это обычно достигается использованием большего количества параллельных контуров циркуляции теплоносителя.

Также необходимо отметить, что в этом случае можно избежать роста тепловой мощности, характерного для FG и FN случаев.

Критерии оценки эффективности интенсификации при однофазной конвекции в интенсифицированных трубах с эквивалентным диаметром (Di) равным диаметру гладкой трубы Произведение M и L

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Основная цель интенсификации теплоотдачи для многих практических приложений в химической и перерабатывающей промышленности состоит в увеличении тепловой мощности данного теплообменника (при фиксированных весогабаритных параметрах), используя методы повышения коэффициентов теплоотдачи без изменения мощности на прокачку и температурного напора. Это соответствует критерию FG-2a табл.1.2, который может быть выражен соотношением коэффициентов теплоотдачи в интенсифицированном и гладком каналах как

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.1.3. Интенсификация теплоотдачи (критерий FG-2a) в трубах с вставками в виде скрученных лент с различными относительными шагами закрутки s/D:

(s – шаг закрутки; D – внутренний диаметр канала; – толщина ленты) [30] Поскольку интенсифицированные каналы имеют более высокие значения коэффициентов трения, чем таковые для эквивалентных гладких каналов, то из представленной взаимосвязи следует, что расход теплоносителя (Rе или j) для данных каналов должен быть ниже, чем для гладких каналов (Re0 или j0). Типичный пример такой ситуации – однофазная конвекция в трубах с вставками в виде скрученных лент. Оценка эффективности этого способа согласно критерию FG-2a, произведенной по уравнению (1.6), представлена на рис.1.3. Как можно заметить из представленного рисунка, использование скрученных лент приводит к значительной интенсификации; удельные теплогидравлические характеристики данного метода будут обсуждены ниже.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

В этом случае, числа Рейнольдса или массовые скорости для интенсифицированного и гладкого каналов связаны в соответствии с заданными значениями p следующим образом:

Рис.1.4. Пример уменьшения поверхности теплообмена (критерий FN-1) в компактном теплообменнике за счет использования пластинчатой матрицы из волнообразных пластин при различном относительном шаге.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рассмотрение других критериев оценки эффективности интенсификации теплообмена в теплообменниках с однофазными теплоносителями, представленные в табл.1.2, также были подробно рассмотрены и представлены в работах А.Е.Берглса и др. [24], Р.М.Нельсона и А.Е.Берглса [29], Р.Уэбба [12].

Кроме того, в последних своих исследованиях В.Зимпаров [31] применил описанную выше методику для оценки эффективности сложного метода интенсификации теплообмена посредством использования вставок в виде скрученных лент в трубы со спирально рифлеными стенками.

Определение критериев оценки эффективности интенсификации теплоотдачи при двухфазных течениях (кипение и конденсация) – комплексная задача. Сложность состоит в том, что локальный коэффициент теплоотдачи зависит от локальной разности температурной и/или уровня температур. Немаловажную роль играет и градиент давлений.

В работе У.Р.Гамбилла и др. [32] установлена связь интенсифицированного критического теплового потока при кипении в условиях вынужденной конвекции жидкости в трубах с вставками в виде скрученной ленты с мощностью на прокачку, то же установлено и работе Ф.Е.Мегерлина и др.

[33] для труб с щеточными вставками. Б.Мацнер и др. [34] разработали индекс эффективности, основанный на увеличении критического теплового потока, которая достигается в трубах с интенсифицирующими вставками, по сравнению с изменением мощности на прокачку теплоносителя. Дж.Х.Ройял и А.Е.Берглс [35] предложили два критерия оценки эффективности интенсификации при конденсации на ребристых трубах и трубах с вставками в виде скрученной ленты: (1) уменьшение габаритов теплообменного устройства вследствие замещения гладких труб на интенсифицированные того же диаметра при том же уровне рабочих давлений; (2) изменение потерь давления от использования развитых поверхностей или вставок в трубах.

Дж.Р.Кубанек и Д.Л.Милетти [36] рассмотрели теплоотдачу и потери давления при анализе работы охлаждающих испарителей с трубами c внутренним оребрением. М.Луу и А.Е.Берглс [37] подробно исследовали охлаждающие конденсаторы с трубами с внутренним оребрением, со спирально ореберенными трубами и спирально рифлеными трубами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Модифицированные критерии оценки эффективности интенсификации при двухфазной конвекции в интенсифицированных трубах с эквивалентным диаметром (Di) равным диаметру гладкой трубы Определяется как разность температур выходящей кипящей жидкости и входящей жидкости в испарителе и разность температур пара и потока хладагента в конденсаторе.

Производство энергии (мощность турбины) для энергогенерирующих установок и энергопотребление (мощность компрессора) для энергопотребляющих установок.

Произведение M и L

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Как упоминалось ранее, структурированные поверхности применяются прежде всего при двухфазной теплоотдаче. Они представляют собой разнообразные поверхности (сплошная или дискретная шероховатость или деформация) и покрытия. Для интенсификации теплоотдачи при однофазной вынужденной конвекции данные поверхности не приемлемы, т.к. размер "шероховатости" поверхностей не оказывает влияния на течение в пристенной области.

Пузырьковое кипение на гладких поверхностях слабо зависит от возможных неровностей на поверхности. Технологичские неровности на таких поверхностях могут увеличить теплоотдачу до 30%, но с течением времени из-за загрязнения поверхности данный эффект может исчезнуть. На шероховатых поверхностях интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении резко возрастает и ее уровень зависит от типа и размеров шероховатости. Сегодня существуют многочисленные конфигурации шероховатых и развитых поверхностей для интенсификации теплоотдачи. Одним из первых промышленных образцов интенсифицированной поверхности для кипения явилась низкоребристая труба с непрерывными спиральными выступами на внешней стороне. Данные трубы используются и по сегоднящний день. Другой прорывной технологией интенсификации теплоотдачи при кипении стало использование пористых металлических покрытий на поверхности труб, позволяющее увеличить коэффициенты теплоотдачи до 15 раз. В последние годы, внимание исследований сосредоточилось на деформированных низкоребристых трубах, на непрерывные спиральные выступы, на которых механически нанесены насечки и прорези и/или, кроме того, выступы согнуты и сжаты для формирования перфорированного канала, подобно пористому покрытию.

Влияние состояния поверхности на пузырьковое и поверхностное кипение в большом объеме было хорошо изучено за последние 40 лет [8,12,39– 41]. Для получения структурированных поверхностей разработаны разнообразные технологии [8,12]. К структурированным поверхностям относятся следующие типы поверхностей:

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

• Формованные поверхности или низко ребристые поверхности [48-52];

• Мультислоистые поверхности, составленные из штампованных или перфорируемых покрытий и тонкопроволочные навивки или проволочные сетки [53-56];

• Покрытия, которые включают несмачивающиеся покрытия и абразивные поверхности или искусственную поверхностную пористость [57-66].

Иллюстративные примеры структурированных механическим способом, формованных поверхностей и поверхностей с покрытиями, которые промышленно используются или прошли лабораторные испытания, показаны на рис.1.5. Некоторые типы загрязнений и окисления поверхностей на поверхностях кипения изменяют их смачиваемость и приводят к увеличению критических тепловых потоков при кипении в большом объеме.

Большинство работ по разработке структурированных поверхностей для интенсификации процесса кипения основываются на основном правиле – создание большого количества центров парообразования или ловушек пузырьков пара на поверхности, что приводит к более раннему началу кипения или кипению при более низких температурных напорах T.

Это особенно важно для процессов кипения жидкостей, хорошо смачивающих поверхности (например, фреоны, органические жидкости, криогенные жидкости, и щелочные жидкие металлы), где полости на нагреваемой поверхности имеют тенденцию охлаждения недогретой жидкости над ней.

Специальной обработкой поверхности (механическая обработка, формование или нанесение покрытий) можно создать открытые полости (полузакрытые выемки), которые «захватывают» пузырьки пара на поверхности и способствуют дальнейшему парообразованию в жидкостях с малыми силами поверхностного натяжения. Механизм фазового превращения на таких структурированных поверхностях отличается от "обычного" кипения. Описания особенностей и различные модели процесса представлены в работах А.М.Кзикка и П.С.О’Нейла [67], У.Накаямы и др. [68,69], C.А.Ковалева и др.

[70], Р.Уебба и С.И.Хайдера [71] и Р.Уебба [12] и многих других. Исследования Р.Куленовича и др. [72] с использованием высокоскоростных методов съемки дают новые данные относительно диаметров пузырьков в момент отрыва, частоты генерации пузырьков и их скорости восходящего потока при кипении пропана в большом объеме на структурированной поверхности с полузакрытыми выемками.

Интенсифицированные поверхности для пузырького кипения обладают рядом несомненных преимуществ. Например, интенсификация теплоотдачи на низкоребистых трубах по сравнению с гладкой трубой достигает 2–4 раз и 10 и более раз на трубах с пористым покрытием или деформированными ребрами малой высоты [523]. Парообразование происходит как на внешней поверхности интенсифицированной поверхности, так и в порах или полузаФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Рис.1.5. Примеры конфигураций структурированных поверхностей кипения:

а – поверхность с глубокими насечками; б – различные промышленные низкоребристые поверхности: 1 – поверхность трубы Turbo–B фирмы Wolverine, 2 – поверхность Thermoexcel–E фирмы Hitachi, 3 – поверхность трубы Gewa– T фирмы Wieland Werke, 4 – поверхность трубы Gewa–TХ фирмы Wieland Werke, поверхность трубы Gewa–TХY фирмы Wieland Werke; в – покрытие из спеченных частиц: 6 – поверхность High Flux фирмы Union Carbide 1. в виде скрытой теплоты парообразования в паровых пузырьках, сформированных в пределах полузакрытых каналов пористых покрытий или деформированных выступов;

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

3. в виде теплосодержания жидкости, проходящей сквозь поры и полузакрытые каналы;

4. в виде теплосодержания жидкости, нагреваемой на внешней поверхности выступов и пористых покрытий.

Рис.1.6. Механизмы отвода тепла при кипении жидкости на пористом покрытии: 1 – пленочное парообразование в порах; 2 – внешнее пузырьковое парообразование; 3 – конвекция жидкости в порах; 4 – внешняя конвекция жидкости; 5 – парообразование в капиллярах Следующие факторы способствут существенному увеличению тепловых характеристик интенсифицировнных поверхностей:

• пузырьковый перегрев. Интенсифицированные поверхности имеют большое количество центров парообразования (кроме низкоребристых труб) и следовательно кипение начинается при очень низких перегревах стенки относительно гладких труб.

• увеличение смоченной поверхности. Низкоребристые трубы имеют поверхность теплообмена в 2–3.5 раза больше, чем поверхность гладких труб того же диаметра; для деформировано–оребренных труб и труб с пористыми покрытиями повышение площади поверхностей теплообмена составляет от до 10 раз.

• тонкопленочное парообразование. Полузакрытые каналы и пристенные поры способствуют формированию тонких пленок жидкости, выходящих с поверхности в открытых порах или через перфорацию.

• капиллярное парообразование. В мелких порах покрытий жидкость за счет капиллярных сил разрывается на мениски и испаряется за счет подвода тепла теплопроводностью.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

• внешняя конвекция. Большое количество активных центров парообразования стимулирует внешние конвекционные механизмы.