Интенсификация теплообмена при течении HNO3 в трубах с кольцевыми турбулизаторами

АННОТАЦИЯ

В данной работе приведены исследование по интенсивности теплообмена при нагреве HNO₃ в аппарате с кольцевыми турбулизаторами и по гидравлическому сопротивлению для вышеупомянутых труб.

ABSTRACT

The article deals with research for heat transfer rate during heating process of HNO₃ in an apparatus with ring turbulizers and for the hydraulic resistance for the above pipes.

Ключевые слова: HNO₃, кольцевые турбулизаторы, гидравлическое сопротивление, теплообмен.

Keywords: HNO₃; ring turbulizers; hydraulic resistance; heat transfer.

Анализ теплообменных аппаратов показывает, что надежность их эксплуатации в условиях использования в качестве охлаждающего агента речных вод Центральной Азии не очень высока. Это обусловлено содержанием примесей и жесткостью воды, которая достигает 10 мг·экв/л [1].

Естественно, эксплуатация в таких условиях ведет к росту термического сопротивления. Термическое сопротивление стенки можно снизить путем уменьшения толщины стенки и увеличением коэффициента теплопроводности материала. Интенсифицировать теплообмен можно путем перемешивания жидкости и увеличения скорости движения [2]. Известно, что даже небольшой рост толщины накипи всего на 1 мм эквивалентен сопротивлению 40 мм материала стенки [3].

Существуют также способы интенсификации теплообмена путем оребрения труб, установкой лопаточных завихрителей, прерывистых шнековых завихрителей различной формы. [4].

Кирпиков В.Г. с сотрудниками предлагает турбулизировать прис-тенный, вязкий слой путем применения кольцевого канала типа диффузор-конфузор, Гомелаури В.И. – путем создания искусственной шероховатости, Дзюбенко Б.В. – применением витых труб, Калинин Э.К. с сотрудниками – путем использования накатанных труб с дискретными или спиральными канавками [5]. Кроме вышеприведенных методов, также можно использовать турбулизирующие вставки в виде диафрагм, располагающиеся на определенном расстоянии одна от другой. Характерной особенностью таких турбулизаторов является переход к турбулентному режиму при Re=140. Вставки в виде дисков с определенным шагом по воздействию на поток близки к диафрагмам. Спиральные вставки из тонких лент при низких значениях Re позволяют повысить коэффициент теплоотдачи в 2-3 раза.

Исходя из физико-механических и диффузионно-тепловых свойств нагреваемой жидкости, а также ее высокую коррозионную активность выбран метод интенсификации теплообмена путем нанесения чередующихся плавно очерченных кольцевых выступов на внутреннюю поверхность трубы.

Опыты по интенсификации теплообмена проведены на гладкой (d=25х2мм) и накатанных трубах из нержавеющей стали X18Н10Т с d/D=0,89÷0,97 и t/D=0,5, числах Рейнольдса Re=8000÷38000.

Исследования по теплоотдаче при течении HNO₃ внутри гладкой трубы показали, что данные коррелируют с данными других авторов и хорошо описываются известной формулировкой для расчета Nu в турбулентной области и течения жидкостей [2].

Результаты по нагреву HNO₃ с помощью насыщенного водяного пара давлением Р=3 атм. на накатанных трубах обрабатывались в виде функции Nu=f(Re) и ξ=f(Re), а обобщение – по формуле Nu/Nu_ГЛ [5].

Рисунок 1. Зависимость интенсивности теплообмена при нагреве HNO₃ в аппарате с кольцевыми турбулизаторами

На рис. 1 приведены результаты по интенсивности теплообмена при нагреве HNO₃ в гладких трубах, в трубах с кольцевыми турбулизаторами в виде плавно очерченных диафрагм. С повышением скорости нагреваемой жидкости независимо от величины d/D происходит повышение интенсивности теплообмена. Так, в гладкой трубе с увеличением скорости потока с Re=8000 до Re=38000 величина Nu возрастает с 48,7 до 169. Аналогичная закономерность сохраняется и для всех изученных труб с различными шагом расположения кольцевых канавок. Сравнение данных, полученных на гладкой и накатанных трубах показывает существенную интенсификацию теплообмена. Так, при Re=18000 для гладкой трубы значения Nu=93, для трубы d/D=0,97 Nu=151,5, для d/D=0,95 Nu=186, для d/D=0,93 Nu=220 и для d/D=0,89 соответственно Nu=270. Рост интенсификации теплобмена для трубы с d/D=0,97 по сравнению с гладкой составил 1,63, для d/D=0,95– 2 раза и соответственно для d/D=0,89 – 2,9 раза.

Рисунок 2. Изменение гидравлического сопротивления в трубах с кольцевыми турбулизаторами при нагреве HNO₃

Исследования по гидравлическому сопротивлению для вышеупомянутых труб проиллюстрированы на рис.2. Как видно из графика, с ростом скорости потока наблюдается небольшое увеличение гидравлического сопротивления. В диапазоне Re=(8÷38)·10⁴ для трубы d/D=0,97 значение гидравлического сопротивления с 1,65 выросло до 1,85. Такой характер зависимости от Re зафиксирован для всех труб. При повышении скорости потока в 5 раз, гидравлическое сопротивление увеличилось на 11÷12%.

Интенсификация теплообмена при помощи кольцевых канавок с плавно очерченными диафрагмами основана на образовании турбулентных вихрей в пристенной области, вследствии искусственно созданных плавных выступов. При этом, термическое сопротивление стенки существенно уменьшается, а это ведет к росту интенсивности теплообмена.

Список литературы:
1. Ермаков В.И., Шеин В.С. Ремонт и монтаж химического оборудования. – Л.: Химия, 1981. - 367 с.
2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977. – 344 с.
3. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление при ламинарном течении жидкости в трубах. – М.: Энергия, 1987. - 411 с.
4. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. – М.: Машиностроение, 1989. - 366 с.
5. Поникаров И.Ш. и др. Машины и аппараты химических производств. - М.: Машиностроение, 1989. –368 с.
6. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. - М.: Машиностроение, 1981. - 205 с.