ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ

АННОТАЦИЯ

К настоящему времени предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена. На интенсивность и эффективность процесса теплообмена влияют форма поверхности теплообмена, эквивалентный диаметр каналов, шероховатость поверхности, компоновка каналов, обеспечивающая оптимальные скорости движения рабочих сред, температурный напор, наличие турбулизующих элементов в каналах, оребрение и другие конструкционные особенности.

ABSTRACT

To date, various methods of intensifying convective heat transfer have been proposed and investigated. The intensity and efficiency of the heat transfer process are influenced by the shape of the heat exchange surface, the equivalent diameter of the channels, surface roughness, the arrangement of the channels, which ensures the optimal speeds of the working media, the temperature head, the presence of turbulizing elements in the channels, ribbing and other design features.

Ключевые слова: трубчатый теплообменник, межклеточное пространство, турбулизация, ламинарный режим, разрезные ребра, продольные ребра, накатка.

Keywords: tubular heat exchanger, intercellular space, turbulization, laminar mode, split ribs, longitudinal ribs, knurling.

Быстрое развитие различных отраслей народного хозяйства характеризуется крупномасштабным оборудованием теплоснабжения и увеличением требований к нему. В то же время это самая актуальная/глобальная проблема этих типов устройств вместе с габаритными размерами и снижением массы. Кроме того, в некоторых случаях необходимо уменьшить разницу температуры и стенки температуры.

Такие же проблемы стоят перед химией, продуктами питания, энергией, нефтью, металлургией и другими промышленными предприятиями, которые используют устройства теплообмена.

Решением указанных проблем является интенсификация процесса теплообмена в этих каналах.

Выбор способа интенсивности определяется рядом условий. Самые главные из них:

1) сокращение габаритных размеров и массы теплообменного устройство;

2) энергетические расходы и тип энергии позволили активизировать процесс теплообмена и тип энергии для его осуществления;

3) гидродинамический состав теплопередачи, усиление потока. Распределение плотности теплового потока или температурного поля в теплоносителе;

4) удобство и надежность готовить в технологической технологии теплообменного устройства, а также во время эксплуатации.

Кроме того, разработанный метод интенсивности не должен снижать прочность, надежность и эксплуатационные характеристики устройства.

Обычно, когда подразумевается потребление энергии, отражается энергия насоса.

Следовательно, график давления передачи термической обработки через устройство, потерю давления не следует изменять, а методы интенсивности должны быть созданы для уменьшения его размеров.

Известно, что все методы интенсивности потока турболента к теплопередачам для интенсификации используют дополнительный искусственный поток турболизации. Однако в то же время коэффициент гидравлического сопротивления увеличится. Следовательно, желательно сравнить усиливающие результаты, экспериментальную информацию, полученную в плоской трубе. Для этого можно использовать соотношение N_u / N_ut.

Знание гидродинамического состава турбулентного потока и его исключительных качеств теплообмена помогает определить необходимость активизации турболентных вибрации в этом районе. По словам многих ученых, никто не отрицал движение жидкости возле стенки PIP.

Обычно увеличение турболической интенсивности соединено с ростом энергетического пространства, то есть гидравлический коэффициент сопротивления увеличивается. Так что l_t не в целом протяжении потока, а целесообразно увеличить стену возле стены. Следует отдельно обратить внимание на это, потому что разработанный метод интенсификации не должен радикально нарушать технологию, чтобы сделать теплообменные устройства, и должны быть склонны к производству в большой серии. Здесь следует учитывать не только изготовление и сложение технологии, но также сравнение с простым устройством.

Кроме того, разработанный метод интенсификации не должен уменьшать прочность, надежность и его эксплуатационные характеристики.

В интенсификации теплообмена в каналах горла весь анализ работ привел к следующим выводам.

1. Наиболее эффективным средством является создание искусственного организованного турбулентного потока.

2. Турбулентность потока, создаваемого конструкцией гладких поперечных преград выпукло-вогнутого типа в трубе, во многом зависит от размера и формы преград.

3. В процессе теплообменной интенсивности форма турболизатора не должна быть с острыми углами (треугольник, прямоугольник и т.д.), потому что гидравлическое сопротивление этих форменных барьеров велико.

Так что форма турбулизатора постепенно увеличивается, а затем уменьшается, а гидравлическое сопротивление плавных перегородок увеличивается.

Поток жидкостей и газов должен искусственно создавать турбулентностью тонкий пограничный слой вокруг стенки, когда он движется по трубе.

Кроме того, рекомендуется использовать дискретные поперечно-выпуклые турбокомпрессоры для искусственного турбулизатора тонкого слоя вокруг этой стенки.

Анализ гладких и прямоугольных выпуклых преград одинаковой высоты и измерения в них давлений показали, что в первом случае турболизация тонкого слоя достигается при наименьшем гидравлическом сопротивлении (рис. 1).

В настоящее время с помощью ученых создается снаружи, барьерное теплоснабжение западного отопления является наиболее эффективной трубой интенсивности (рис. 2). Технология построения этого типа метода «накатка» проста, а цена отличается в несколько процентов от цены плоского трубопровода.

Аппарат теплообмена, изготовленный в «накате», не отличается от технологии изготовления устройства из плоских труб. Однако эффективной в теплообменном устройстве трубы накаткой является общая длина труб, которые будут меньше, чем плоский наконечник.

Рисунок 2. С наружной стороны поперечно-полосатый желобок, а с внутренней – гладкая эффективная теплообменная

Поэтому, таким образом, процесс усиления не разрешен для уменьшения размеров калибров и массы в 1,5–2,0 раза, но снизил свою цену.

В этом методе для Pr = 2–80 гидравлическое сопротивление увеличивается в 2,7–5,0 раз, а коэффициент нагрева достигается 2,0–6 раз. Для воздуха, когда гидравлическое сопротивление превышает 2,8 раза, скорость нагрева увеличивается в 3,5 раза.

Трубы «накатка» повышают эффективность теплообмена и имеют ряд преимуществ:

– эффективность теплообмена на внутренних и внешних сторонах трубы может проводиться одновременно;

– эффективность более высокого теплообмена достигается за счет других методов;

– легко подготовить эти типы труб в промышленных масштабах (рис. 3).

Рисунок 3. Виды наружного оребрения труб:

а – продольные ребра; б – разрезные ребра; в – поперечные ребра; г – спиральные ребра

В процессе нагрева и охлаждения газов (Re = 10⁴–4×10⁵, d / D = 0,88–0,98 для T_w/T_b= 0,13–1,6) среднюю теплоотдачу можно определить по этой формуле:

если t/d = 0,25–0,8,

; (1)

если t/D = 0,8–2,5,

. (2)

При расчете Nu по формулам (1) и (2) все параметры получены при средней массовой температуре газа.

Для расчета теплопередачи в трубопроводах турбулизаторы с параметрами d/D = 0,9–0,97 и t/D = 0,5 можно использовать следующую формулу:

. (3)

Здесь Re_w рассчитывается средняя температура стенки.

Nu_T в формулах (1)–(3) вычисляется по следующим уравнениям:

при нагревании и охлаждении газов:

. (4)

Здесь определяющая температура – это средняя температура стенки по длине трубы.

. (5)

Здесь определяющая температура – это средняя массовая температура по длине трубы.

Если t/D = 0,5 vad/D³ 0,94 (Re>Re*), средняя теплопередача для жидкостей находится по следующей формуле:

. (6)

Здесь Nu_T рассчитывается по следующей формуле:

. (7)

Гидравлическое сопротивление этих труб в диапазоне Re= 10⁴–4×10⁵ можно определить по следующей формуле:

Когда /D = 0,90–0,97 и t/D = 0,5–1,0

, (8)

при d/D = 0,88–0,98 и t/D = 0,5 

. (9)

Когда d d/D = 0,90–0,98 и t/D = 0,25,

. (10)

x_T в формуле (8) находится из следующего уравнения:

. (11)

Здесь n=0,14 для процесса нагрева газов, n=0 для охлаждающих газов и n=0,333 для нагрева жидкостей.

x_T в формулах (10) и (11) рассчитывается по следующему уравнению:

. (12)

В этом методе для жидкостей с Pr = 2–80 возможно увеличение коэффициента теплоотдачи в 2,0–2,6 раза при увеличении гидравлического сопротивления в 2,7–5,0 раз. Для воздуха при увеличении гидравлического сопротивления в 2,8–4,5 раза коэффициент теплоотдачи увеличивается в 2,8–3,5 раза.

Помимо вышеупомянутых турбулентностей, которые ускоряют турбулентность пограничного слоя у стенки, в химической и нефтяной инженерии используются и другие методы интенсификации.

Среди других методов особое место занимает метод спирального движения теплопроводов в трубке:

а) турбокомпрессоры винтовые (витая лента, шнек) устанавливаются на части или по всей длине трубы;

б) тангенциальная передача тепла в трубе;

в) установка лопастей на входе в трубу или в необходимых местах труб;

г) установка спиральных труб на обогреватель.

Интенсификация теплопередачи таким образом обусловлена ​​рядом факторов:

– при таком же среднем потреблении, как у плоских труб, градиент скорости и напряжения с турбулентный м высокие у стенок воздуховода;

– под действием центробежной силы вокруг стенки собирается холодная жидкость высокой плотности, а в центре трубы – горячая жидкость низкой плотности. Многослойный эффект жидкости усиливает теплопередачу в процессе нагрева;

– использование винтовых элементов дает эффект острых поверхностей. При таком способе коэффициент теплоотдачи увеличивается на 30–40%, а гидравлическое сопротивление увеличивается в 1,5–2,5 раза.

В турбулентном и переходном режимах необходимо интенсифицировать зону слоя у стенки, так как теплопроводность пограничного слоя мала. Кроме того, существует диапазон температур 60–70% системы «стенка–жидкость», т.е. максимальной плотности теплового потока.

Еще один эффективный способ интенсификации процесса теплообмена – создание дополнительных острых поверхностей на внешней поверхности трубы. В этом методе в трубу должна быть направлена ​​среда с низким коэффициентом теплопередачи.

Способы механического воздействия на теплопередающую поверхность, а также воздействие электрического, ультразвукового и магнитного полей пока недостаточно изучены. Увеличение коэффициента теплоотдачи в результате интенсификации процесса теплообмена определяется коэффициентом теплоотдачи между греющим паром и нагретыми жидкостями и стенкой при чистых поверхностях теплообмена. Физико-химические свойства, давление, температура и коэффициенты теплоотдачи наиболее часто используемых теплоносителей резко отличаются друг от друга. Например, значение коэффициента теплоотдачи от пара к стене составляет a = 4000–15000 Вт/(м²×К), а для вязких жидкостей – a£ 200 Вт/(м²×К).

Очевидно, что процесс должен осуществляться теплоносителем с малым коэффициентом интенсификации, т.е. вязкой жидкостью. Если коэффициент теплоотдачи примерно одинаков для обеих сред, интенсификацию можно проводить с обеих сторон. Однако необходимо учитывать эксплуатационные и технические возможности устройства.

Обычно интенсификация процесса теплопередачи связана с увеличением энергии, которая используется для преодоления гидравлического сопротивления. Поэтому одним из основных показателей интенсификации процесса теплообмена является энергоэффективность устройства. Желательно, чтобы увеличение теплоотдачи равнялось увеличению гидравлического сопротивления.

Есть следующие способы интенсификации процесса теплообмена:

– построение поверхностей сложной формы, усиливающих обтекание пограничного слоя у стены;

– установка шнеков и устройств турболизации потока в трубу;

– влияние электрического, магнитного и ультразвукового полей на ток теплопередачи;

– организация колебательного или вращательного движения скорости потока в пограничном слое у стенки и направление его по закручивающейся спиральной траектории;

– увеличить поверхность теплообмена за счет создания граненой конструкции;

– механическое воздействие, такое как вращение поверхности теплообмена и колебательное движение;

– применение гранулированных форсунок в стационарных или абстрактных слоях кипения;

– добавление твердых частиц или пузырьков газа в теплообменник.

Целесообразность использования того или иного метода интенсификации в конкретной ситуации определяется его технической осуществимостью и эффективностью. В трубчатых теплообменниках можно увеличить коэффициент теплопередачи, перемещая агент и продукт, движущиеся по трубе и по межстраничному пространству, за счет создания турбулентного потока. Это может снизить расход теплоносителя и повысить эффективность устройства.

Список литературы:

1. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М.О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1992. – 672 с.
2. касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии : учебник для вузов. 8-е изд., перераб. – М. : Химия, 1971. – 783 с.
3. Процессы и аппараты химической технологии / А.А. Захарова, Л.Т. Бахшиева, Б.П. Кондауров [и др.]; под ред. проф. А.А. Захаровой. – М. : Академия, 2006. – С. 30–53.
4. Процессы и аппараты химической технологии / под ред. проф. А.А. Захаровой. – М. : Академия, 2006. – С. 30–68.
5. Технология переработки нефти: в 2 ч. Ч. I. Первичная переработка нефти / О.Ф. Глаголева, В.М. Капустин, Т.Г. Гюльмисарян [и др.]; под ред. О.Ф. Глаголевой и В.М. Капустина. – М. : Химия, Колос С, 2006. – 400 с.
6. Чугаев Р.Р. Гидравлика. – Л. : Энергоиздат, 1982. – 672 с.
7. Khurmamatov A.M., Rakhimov G.B. Calculation of heat transfer and heat transfer in a pipe apparatus in heating gas condensate // Scientific and technical journal
   of namangan institute of engineering and technology. – 2021. – Vol. 6, Issue 1.
8. Khurmamatov A.M., Rakhimov G.B. Расчет гидравлического сопротивления при диффузоре и конфузоре в горизонтальной трубе // Технологии нефти и газа. – 2021. – № 5 (136).