Методы интенсификации теплообмена в теплообменниках

Одной из центральных задач в современном машиностроении и проектировании различных технологических процессов является экономия материальных и энергетических ресурсов. Ее решение в области теплотехники связано с созданием высокоэффективной теплообменной аппаратуры. Дело в том, что доля массы теплообменных аппаратов в общей массе некоторых машин составляет 70-80%, а расход энергии при эксплуатации машины в большой степени зависит от эффективности теплогидравлических процессов, происходящих в теплообменных аппаратах.

При решении этой задачи приходится учитывать, что с уменьшением металлоемкости аппарата путем изменения режимных пара­метров сред (скорости или температурного напора) возрастают энергетические затраты при эксплуатации установки, в состав кото­рой он входит. Так, например, повышение скорости теплоносителя в испарителе холодильной машины позволяет увеличить коэффи­циент теплоотдачи рассола и соответственно коэффициент тепло­передачи аппарата, а следовательно, уменьшить металлоемкость аппарата. Однако при этом возрастают потери напора и расход мощности на привод насоса. Увеличение температурного напора между теплоносителями приводит к возрастанию коэффициента теплоотдачи последнего, росту коэф­фициента теплопередачи, уменьшению металлоемкости аппарата. Вместе с тем возрастает расход мощности на привод насоса (компрессора).

Повышение эффективности теплообменного аппарата предпола­гает:

1) уменьшение поверхности или увеличение производитель­ности аппарата при заданных условиях его работы;

2) уменьшение температурного напора между средами при заданных площади по­верхности и производительности.

Рассмотрим общие предпосылки решения поставленных задач. Из уравнения теплопередачи Q=КSDt следует, что увеличе­ние производительности аппарата Q при неизменных площади по­верхности S и температурном напоре Dt_ср либо уменьшение S или Dt_ср при заданном Q могут быть достигнуты путем увеличения коэф­фициента теплопередачи. Кроме того, желаемое соотношение между Q и S можно получить путем увеличения Dt_ср. Этот путь связан, как было показано выше, с ростом энергетических затрат, а следова­тельно, и стоимости эксплуатации. Поэтому значение Dt_ср следует выбирать по минимуму приведенных затрат в конкретных усло­виях.

Рассмотрим методы повышения коэффициента теплопередачи. Tсли можно принять, что , а коэффициенты теплоотдачи двух сред, разделяемых стенкой реку­перативного аппарата, существенно различаются по величине, то для увеличения коэффициента теплопередачи надо увеличивать меньший из a. Там же рассмотрен способ интенсификации тепло­передачи путем увеличения площади поверхности теплообмена со стороны меньшего a (нанесением оребрения).

Здесь кратко рассмотрим методы интенсификации теплоот­дачи, увеличения a, основанные на физических представлениях об этом процессе и анализе описывающих его закономерностей.

При этом, очевидно, может быть поставлена задача увеличения как наименьшего a, так и коэффициентов теплоотдачи с обеих сто­рон стенки, ибо при a₁@a₂ возрастание К можно получить путем увеличения любого из коэффициентов теплоотдачи и тем более обо­их a.

Теплоотдача в однофазных средах может быть ин­тенсифицирована путем уменьшения толщины ламинарного пограничного слоя, перевода его в турбулентный, уменьшения толщины турбулентного слоя и турбулизации его пристенной части. На практике такие эффекты достигаются увеличением скорости движения, конструктивными элементами, обеспечивающими разрушение или срыв пограничного слоя, установкой в каналы специальных турбулизаторов и т.п. Некоторое увеличение a можно получить путем уменьшения диаметра труб (при ламинарном течении в трубах a ~d^-0,67, при турбулентном - a ~d^-0,2).

Интенсификация теплоотдачи к кипящей жидкости наиболее важна в аппаратах, работающих при малых температурных напорах и очень низких температурах кипения. Именно такие усло­вия характерны для испарителей холодильных машин и установок криогенной техники. Увеличение коэффициента теплоотдачи при кипении может быть достигнуто путем увеличения числа действую­щих центров парообразования и создания условий, способствую­щих интенсивному испарению жидкости в растущие паровые пузырь­ки. Реализация этих принципов интенсификации в настоящее время достигается путем применения капиллярных пористых покрытий, мелкого оребрения поверхности теплообмена, организации кипения в тонкой пленке жидкости и др.

При кипении внутри труб наиболее интенсивна теплоотдача при кольцевой структуре двухфазного потока, поэтому создание условий, обеспечивающих такую структуру, приводит к интенсифи­кации теплообменного аппарата. На структуру потока можно вли­ять изменяя размеры канала, начальное паросодержание и массо­вую скорость потока. Возможно также применение турбулизаторов.

Методы интенсификации теплоотдачи со стороны конденси­рующегося пара основаны на уменьшении толщины пленки конденсата, турбулизации либо на разрушении ее возле поверхности теплообмена. Воздействие на пленку может быть осуществлено, на­пример, с помощью движущегося потока пара и сил поверхностного натяжения. В первом случае путем увеличения скорости пара, из­менения формы и размеров каналов аппарата достигают турбулиза­ции режима стекания пленки или срыва ее. Во втором случае - под действием капиллярных сил пленка стягивается к определенной части поверхности и в результате этого уменьшается ее средняя тол­щина на большей части поверхности аппарата (например, трубы с мелким волнистым оребрением). Существуют конструктивные решения, уменьшающие длину непрерывного стекания пленки (т.е. путь конденсата до его схода с поверхности теплообмена): конденсатоотводящие колпачки, прерывистые насадки, перегородки и т. п.

Снижение металлоемкости и увеличение компактности (отноше­ние площади теплообменной поверхности к объему аппаратов) может быть достигнуто и путем разработки оптимальных конструктивных решений.