Обзор современных методов и технологий оребрения поверхностей, допускающих свое применение в области интенсификации параметров теплообмена в водогрейных котлоагрегатах



Энергосбережение является одним из приоритетных направлений развития современной технической и экономической составляющей ТЭК России. Последние технические достижения в области энергосбережения позволяют более рационально относится к использованию топлив и связных с ними теплоэнергетическими системами. Интенсификация теплообмена — одна из областей, рассматриваемых энергосбережением, включенная в промышленность, теплоэнергетику, транспорт и строительство. Это позволяет повысить эффективность системы обмена теплом в целом и улучшить производительность устройств, таких как конденсаторы, испарители, котлоагрегаты ТЭЦ. Интенсификация теплообмена может быть достигнута через различные методы, такие как охлаждение поверхности, использование обтекателей, аэрации, увеличение скорости течения и изменение физических свойств рабочих сред. Этот процесс позволяет сократить затраты на энергию, уменьшить размер оборудования и повысить его надежность. Благодаря интенсификации теплообмена можно улучшить работу системы охлаждения, повысить эффективность процессов термической обработки и оптимизировать энергетические системы. Оребрение является одним из методов интенсификации теплообмена. Он заключается в размещении ребер или пластинок на поверхности теплообменника, что увеличивает площадь контакта между теплоносителями.

Данный обзор представляет анализ существующих подходов к интенсификации теплообмена в водогрейных котлах посредством оребрения поверхности, как внутренней, так и наружной, также рассматриваются проблемы, возникающие при эксплуатации рассматриваемого метода оребрения, и оказываемые им на поток эффекты, турбулизация потока, повышение коэффициента теплоотдачи.

Ключевые слова: теплоэнергетика, теплотехника, оребрение, теплообмен, котел.

Одним из основных элементов современной теплоэнергетической системы является котел, где в качестве топлива используется газ, уголь, мазут, метано-водородное топливо, в этой же системе необходимо производить интенсификацию теплообмена. Основанием для проведения обзора в этой области послужило постановление федерального закона от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Не стоит оставлять без внимания факт того, что оребрение поверхностей теплообмена в котлоагрегатах является одним из приоритетных направлений в области повышения показателя эффективности системы в целом, ввиду малых затрат, небольших производственных трудозатрат, данный способ позволяет повысить КПД котла и всей теплоэнергетической системы в целом. Оребрение внутренней или наружной поверхности трубы позволяет добиться множества эффектов в зависимости от типа используемого оребрения, его форм-фактора, материала, способа крепления (в случае со вставками), но, как правило, позволяет добиться следующих положительных эффектов: нарушение пограничного слоя, что приводит к усилению теплообмена, турбулизация потока, увеличение числа Нуссельта, столкновение векторов вихревых потоков, что приводит увеличению интенсивности теплообмена.

Котлы — это устройства, которые используются для производства пара или горячей воды. Они часто применяются в теплоэнергетических установках, промышленных предприятиях и отопительных системах для генерации тепла и горячей воды. Котлы могут работать на различных видах топлива, включая газ, мазут, уголь, древесину, древесную щепу, биомассу и другие виды топлива [6, 7]. Они основаны на принципе сгорания топлива для нагрева воды или пара, который затем используется для обеспечения тепла или для привода турбин и генераторов электроэнергии. Котлы используют различные системы теплообмена, включая трубчатые теплообменники, водогрейные панели, ребристые трубы и другие конструкции, которые обеспечивают эффективный перенос тепла от горячих газов или продуктов сгорания к теплоносителю. Котлы имеют различные конструктивные типы, включая паровые, водогрейные, паро-водогрейные и конденсационные. Поскольку следствием интенсификации теплообмена в котле является повышение его КПД, стоит обозреть несколько методов повышения эффективности выработки энергии, так, существует ряд исследований, ставящих перед собой задачу повысить эффективность работы котлоагрегата. Для повышения эффективности работы котлов могут использоваться разные технологии, так для котлов, работающих на биомассе, может использоваться метод магнитного умягчения воды, снижающий показатели образования накипи [1]. В тангенциальных котлах большое значение имеют форм-фактор топки и положение входа топлива и окислителя, что при верных заданиях позволяет добиться эффективного течения дымовых газов и снижения выбросов NO _x [2, 3, 4]. При исследованиях котлов большое внимание уделяется конструктивным особенностям котлоагрегатов, так на объектах малой мощности возможно повышение эффективности работы за счет изменения положения дефлекторов, изменения направления подачи воздуха или изменения геометрии камеры сгорания [5]. Конфигурация и расположение горелочных устройств так же оказывают существенное влияние на процессы горения и теплообмена, так подбор корректного способа сжигания, типа горелочных устройств и их расположения позволяет добиться снижения выбросов опасных продуктов горения, повысить эффективность теплообмена между дымовыми газами и средой, добиться снижения рисков пережога труб, ведь рабочая температура котла на CO может достигать температуры до 1200 ℃, что может привести к внутренним или внешним повреждениям котлоагрегата [6]. Также эффективность работы котлоагрегатов может повышаться за счет использования технологий рециркуляции отходящих газов и рециркуляции конденсированной воды с утилизацией тепла, в случае если рассматривается конденсационный котел, исследования показывают, что применение упомянутых выше технологий позволяют доиться повышения КПД на 7 %, относительно существующих аналогов [7, 8].

Оребрение наружной поверхности трубы позволяет добиться повышения показателя теплоотдачи с этой стороны, использование различных форм-факторов оребрения и их числа может приводить к нарушению пограничного термического слоя, так использование алюминиевых ребер удалось добиться упомянутого ранее эффекта об этом в своей работе «Экспериментальное и численное сравнительное исследование тепловых характеристик радиатора с новой конфигурацией ребер в смешанных конвективных условиях» рассказывает Али Дж. Обейд и Винус М. Хамид [9]. На рисунке 1 представлена схема и внешний вид наружного оребрения.

Рис. 1. Расположение алюминиевых ребер [9]

В теплообменных процессах, справедливых для водогрейных котлов, крайне желательно наличие турбулентного течения жидкости, что способно обеспечить наиболее эффективные процессы теплопередачи, формирование турбулентного режима течения обуславливается перемежением векторов скоростей, развитием неравномерного поля скоростей, большое значение в области дополнительной турбулизации потока уделено в работе «Повышение производительности оребренного межтрубного пространства с использованием поверхностных прерываний в двухтрубных теплообменниках» Маакул Э. А., где подобная картина течения жидкости достигается применением наружного оребрения, модифицированных традиционных продольно-ребристых труб, для повышения показателя турбулизации потока применяются периодические поверхностные прерывания со смещением [10]. Расположение и ориентация ребер наружной поверхности трубы играет существенную роль в процессе теплопереноса, в частности при конвекции, так уменьшение толщины плавников и увеличение их длины увеличивает эффективность процессов теплопереноса. При введении в конструкцию оребрения поверхности, одним из параметров, обуславливающих возможное повышение эффективности теплопереноса, служит форм-фактор ребра, его высота, общая форма ребра, в случае варьирования нескольких параметров геометрии или сложной формы как у винтового оребрения способного интенсифицировать поток, одновременно с этим, решая проблему образования застойных зон в теплоэнергетической системе, однако производство и изготовление такой конструкции ребра сталкивается с производственными трудностями, но не смотря на это подобная конструкция ребра может быть многообещающей заменой повсеместно применяемым круглым ребрам, в частности эксплуатируемым и в водогрейных котлоагрегатах, такая формация ребра приводит к большему коэффициенту теплоотдачи и обладает большей механической прочностью если сравнивать их с обычным круглым аналогом, на рисунке 2 приводится схема винтового оребрения автора работы «Улучшенный отвод тепла в спирально-ребристом радиаторе за счет завихрения в свободной конвекции» Джа В. К. и Бхаумик С. К. [11].

Рис. 2. Внешний вид винтового оребрения наружной поверхности трубы [11]

Важным для процессов теплопереноса в водогрейном котле является даже не столько выбор типа, материала или поверхности оребрения, сколько место расположения оребрения, выбор подходящего пучка оребрения, где подобная методология интенсификации теплообмена покажет наилучшие результаты, так же важным является определение наиболее оптимального ряда пучка труб, где имеет место быть наиболее интенсивные процессы обмена тепловой энергией, поскольку одним из определяющих критериев тепловых процессов является число Нуссельта большой интерес представляет работа “ Гибридный численно-экспериментальный анализ теплообмена принудительной конвекцией в пластинчато-ребристых теплообменниках ” Гонасалес А. М., где определены и разработаны корреляции для расчета среднего числа Нуссельта, среднее число Нуссельта представлено функцией величины материала ребра и числа Рейнольдса, результаты работы показывают что для числа Нуссельта отражающего характер протекающих в котле тепловых процессов не так важен материал ребра, как скорость омывания ребер, свойства среды осаждения трубы и геометрические параметры самого ребра [12]. Помимо вышеупомянутых факторов, предупреждающих выбор того или иного наружного оребрения, стоит обратить внимание на угол наклона трубы, расположенной в корпусе водогрейного котла, так важно учесть что с увеличением числа Нуссельта уменьшается объёмная плотность теплового потока, число Нуссельта и объёмная плотность теплового потока уменьшаются с увеличением угла наклона труб подверженных наружному оребрению это утверждение однозначно справедливо при условии нанесения плавникового оребрения, кроме того, конвективная теплопередача увеличивается с увеличением расстояния между ребрами, так как пограничный слой может развиваться при большем расстоянии.

Несмотря на преимущества наружного оребрения трубы в интенсификации теплообмена, оно может сопровождаться некоторыми проблемами. Некоторые из них включают:

Ухудшение технических характеристик трубы: нанесение ребер на поверхность трубы может привести к изменению ее гидравлических характеристик. Появление ребер может увеличить сопротивление потока, что приводит к повышению давления и уменьшению пропускной способности трубы, стоит качественно и количественно подходит к подбору корректного числа труб и их типа оребрения, большое количество труб внутри водогрейного котла непременно создает дополнительные аэродинамические сопротивления, как следствие сопротивление со стороны труб порождает падение давления, оптимальной выбор типа оребрения и количества ребер способно нивелировать этот недостаток в следствии уменьшения общего количества труб за счет увеличения теплообменной поверхности, так перепад давления газа в простых кольцевых ребрах несколько ниже, чем в зубчатых ребрах. Однако преимущество зубчатых ребер заключается в том, что они имеют более высокий общий коэффициент теплопередачи, чем простые кольцевые ребра, большинство исследований показывают, что использование оребрения повышает тепловой КПД котла в целом, средняя температура выхода дымовых газов 150–200 ℃, что определяет одну из наибольших величин тепловых потерь, так рекуперация тепла котла посредством может представляться идеальной стратегией энергосбережения.

Помимо рассмотренных эффектов, оказываемых оребрением поверхностей, перед исследователями стоят задачи повышения эффективности тепловых процессов в уже имеющихся поверхностях оребрения в условиях их эксплуатации, так в своей публикации «Экспериментальное исследование теплопередачи при кипении/конденсации оребренной трубы с гидрофильной/гидрофобной поверхностью» Вань Чжэньпинь ставит перед собой задачу изучить влияние гидрофобной поверхности на процессы теплообмена, улучшение процесса теплообмена шероховатых труб является одной из основных проблем этой технологии, результаты исследования показывают что применение гидрофобной шероховатой поверхности способно улучшить показатели теплообмена [13].

Усложнение чистки и обслуживания: наружное оребрение делает поверхность трубы менее доступной для чистки и обслуживания. Ребра могут создавать препятствия для обслуживающего персонала и инструментов, что затрудняет удаление отложений и ремонт, в дальнейшем в местах труднодоступных для чистки возможен риск образования сильной коррозии, в своей работе «Методика испытаний трубопроводных сталей на стойкость к ручейковой коррозии» В. И. Болобов рассказывает об этом явлении, способном в короткие сроки нанести существенный вред стальным трубопроводам, только в течении одного года в России более 80 тысяч аварий на участках трубопроводов и резервуаров, связаны с этим явлением [14].

Риск повреждения: ребра на поверхности трубы могут быть более подвержены механическим повреждениям, таким как изгибы, сколы или коррозия, многие металлы подвержены коррозии, особенно в условиях эксплуатации, создаваемыми водогрейными котлами, где присутствует влага и воздух, железо и сталь: они подвержены коррозии, образуя ржавчину, алюминий: он также может корродировать, образуя белые пятна и окисленную поверхность, медь: она может образовывать зеленоватые пятна и покрытия при воздействии влаги и кислорода, никель: некоторые сплавы с никелем могут подвергаться коррозии. Это может привести к ухудшению эффективности теплообмена или даже причинить повреждения труб.

Интенсификация теплообмена оребрением внутренней поверхности трубы

Оребрение внутренней поверхности трубы — это процесс создания ребер на внутренней стенке трубы. Оребрение может быть проведено с использованием различных методов, включая механическое обработку и термическую обработку. Характер течения жидкости в канавках отличается от характера движения жидкости в гладких трубах, это важно учитывать при рассмотрении применения оребрения к внутренней поверхности труб водогрейного котлоагрегата и его теплообменников, в частности экономайзера, где одной из основных фаз является жидкость, а одним из основных теплоносителей вода, так встает вопрос о формировании оптимальной и компактной конструкции теплообменной поверхности, на эту тему были произведены исследования в работе «Двухтрубный теплообменник с переменным углом канавки на внутренней поверхности трубы: Экспериментальное исследование» Саид Тахт Фирузе, где проанализированы теплоэнергетические характеристики системы в зависимости от формы, глубины и расстоянию канавок, так получены следующие результаты:

Углы канавок в 15 и 45 градусов по теплотехническим параметрам сравнились с гладкотрубным аналогом;

Теплопередача усиливается по мере того, как угол канавки становится более вертикальным по отношению к потоку;

При изменении угла наклона в 30 градусов число Нуссельта увеличивается в диапазоне 25–32 % [15].

К способам повышения эффективности протекания тепловых процессов внутри труб круглого сечения можно отнести применение неактивных методов, предполагающих включение в состав конструкции внутренних участков трубных пучков теплообменных поверхностей перфорированные круглые кольца, вихревые образующие винтовые сечения или присоединенные спиральные провода.

Как и с наружным оребрением во внутренней поверхности трубы встают вопросы об улучшении пассивного метода интенсификации теплообмена посредством корректного подбора типа оребрения, количества, угла наклона ребер, расстоянию зазоров их форм-фактора, периода смещения, а также по возможности создание вторичного набегающего потока, что способен приводить к повышению показателей теплопереноса, повышению эффективности работы водогрейного как теплообменного объекта в целом. Оребрение поверхностей нашло широкое применение в области энергетики, оребрение труб используется повсеместно в воздушных конденсаторах, газо-охладителях, холодильниках, маслоохладителях, теплообменники водогрейных котлов не исключение, как и сами экранные трубы, однако применение многих видов оребрения может приводить к значительным затратам трудовых ресурсов и ресурсов в целом.

Одним из наиболее перспективных способов оребрения внутренней поверхности трубы представляется использование внутреннего винтового ребра, позволяющего индуцировать появление набегающих потоках в жидких фазах, что важно в отношении водогрейных котлоагрегатов, в своей публикации «Теплопередача от потока кипения R134a/масла в трубе: внутреннее спиральное ребро и гибридные наночастицы» Самойе Давудабади Фарахани, исследовал процессы течения жидкой фазы и установлено, что использование винтового ребра улучшает процессы теплообмена, то же справедливо для воды, также было установлено что на коэффициент теплопередачи существенное влияние оказывает качество пара (качество среды), винтовое оребрение оказалось способно создавать отрывистые кольцевые и волнистые потоки, в данном исследовании проводился сравнительный анализ показателей коэффициентов теплоотдачи на алюминиевых трубах с оребрением и без него, коэффициент теплопередачи оказался выше для труб с алюминиевыми ребрами, тому послужило создание вторичных потоков, так для исследованного процесса переноса тепла для хладогента, показывают увеличение коэффициента теплопередачи на 10–16,7 % [16]. Корреляционные зависимости позволяют нам утверждать о том, что подобный эффект будет достигнут и для жидкой фазы воды, на рисунке 3 приводится конфигурация оребрения автора работы «Теплопередача от потока кипения R134a/масла в трубе: внутреннее спиральное ребро и гибридные наночастицы» Самойе Давудабади Фарахани.

Рис. 3. Конфигурация винтового оребрения внутренней поверхности трубы [16]

Не меньший интерес представляют исследования по расположению эксцентриситета и его влияния на скрытую систему накопления тепла вместе с V-образным оребрением, где установлено, что высота ребер оказывает существенное влияние на тепловые процессы, так важно отметить, что в подобной модели интерес представляет факт, свидетельствующий об ускоренных процессах теплового переноса в области контакта нижних ребер с внутренней поверхностью трубы, установлено что увеличение длины нижних ребер способствует большей интенсификации теплопереноса, чем верхних, увеличение верхних ребер в перспективе начинает препятствовать процессам естественной конвекции, об этом и многом другом рассказывает в своей публикации «Влияние эксцентриситета и V-образных ребер на теплоотдачу системы накопления тепла с фазовым переходом» Сяохань Го [17], на рисунке 4 того же автора представлено наглядное представление V-образного оребрения с эксцентриситетом, немаловажным считается отметить, что подобные изыскания могут найти свое применение в водогрейных котлах, где вместе с течением жидкости происходит перемешивание потока, в участках труб с низкими значениями числа Re может быть возможно формирование температурного поля предполагающего использование подобной вариации внутреннего оребрения, которое нашло себе широкую область применения в участках где имеют место быть процессы плавления.

Рис. 4. V-образное оребрение с эксцентриситетом [17]

Интерес к технологии применения оребрения представляет использование полимерных теплообменных поверхностей способных достигать тепловых характеристик не менее 67 % от аналогичных металлических, подобная технология оправдывает себя при эксплуатации в области рекуперации тепла, влияние таких показателей как теплопроводность и осцилляция материала полностью способны оправдать свое использование, применение шероховатых поверхностей, их намеренное насаждение может быть способно интенсифицировать процессы теплопереноса.

Проблемы внутреннего оребрения труб могут включать:

Коррозия: металлические оребрения труб могут подвергаться коррозии из-за воздействия влаги, химических веществ или других агрессивных сред, так опасным представляется явление, при котором происходит осаждение внутренних поверхностей теплообменных труб коррозией точки росы;

Падение давления;

Возникновение дополнительных участков трения;

Образование налета: оребрения труб могут быть подвержены образованию налета из-за накопления минеральных отложений или биологических организмов на их поверхности;

Засорение: оребрения труб могут засоряться мусором, грязью или другими частицами, что может привести к ухудшению потока жидкости внутри трубы;

Износ: время от времени, оребрения труб могут изнашиваться или ломаться из-за повреждений, неправильного использования или старения материала;

Ухудшение эффективности теплообмена: если оребрения труб утратили свою форму или стали засорены, их способность к передаче тепла может снизиться. Это может негативно отразиться на эффективности работы системы.

Как и с оребрением наружной поверхности многие исследования в области оребрения внутренних поверхностей направлены на преодоление ламинарной скорости теплопередачи, создание вихревых токов остается оптимальным решением интенсификации теплообмена, со стороны труб технология усиления ребер с помощью двумерных поперечных вихрей широко используется во многих теплотехнических областях, многими действующими предприятиями, эта технология получила распространение ввиду простой геометрии, доступной низкой стоимости и надежной долговременной стабильности, примерами таких способов оребрения могут послужить спирально-гофрированные трубы, сходящаяся-расходящаяся труба, трубка с ямочками, трубка со спиральным углублением, где также как и в вышеупомянутых конструкциях возможны различные конфигурации дугового гофрирования или взаиморасположения ямочек, углов наклона труб относительно друг друга.

Интенсификация теплообмена применением оребрения вставками и насадками, аддитивные технологии

Оребрение посредством вставок — это технология укрепления конструкции путем вставки специальных элементов (обычно металлических) в материал. Это позволяет увеличить прочность и устойчивость конструкции к нагрузкам. Например, в области теплообмена оребрение вставками может использоваться для увеличения площади поверхности теплообмена и улучшения эффективности теплопередачи. Это может быть особенно полезно в различных системах охлаждения, кондиционирования воздуха, теплообменных аппаратах и прочих устройствах, где эффективный теплообмен играет важную роль.

Таким образом, оребрение посредством вставок является важной технологией, которая позволяет улучшить характеристики конструкций и устройств в различных областях применения.

Кольцевые вставки в трубы теплообменника также могут быть использованы для улучшения эффективности теплообмена. В целом технология создания намеренных препятствий внутри трубы является достаточно распространенной практикой, с целью повышения тепловых характеристик, они способствуют повышению турбулентности потока и увеличению площади поверхности контакта между теплоносителем и стенками теплообменника, это позволяет повысить коэффициент теплоотдачи и улучшить процесс теплообмена в целом.

Кольцевые вставки также могут помочь снизить образование отложений и накипи внутри труб теплообменника, что способствует более эффективной работе системы и снижает необходимость в частой очистке и обслуживании оборудования.

Таким образом, использование кольцевых вставок в трубах теплообменника может значительно улучшить его производительность и снизить операционные затраты. В своей публикации «Тепловые характеристики турбулентного течения в трубе с кольцевой вставкой: экспериментальное и численное исследование» Сейедхади Банихашеми исследует возможность использования стационарных вставок в виде колец с целью повышения параметров завихрения потока, автор установил, что использование периодического вращения кольцевых вставок позволяет добиться более благоприятных условий к интенсификации теплообмена нежели гладкие аналоги, использование колец с меньшим угловым отношением во вращательном движении является оптимальным вариантом, экономичным и, благодаря равномерности теплового потока по поверхности трубы, лучшим по тепловым характеристикам, чем идеально неподвижное препятствие [18], на рисунке 5 под авторством ранее упомянутого Сейедхади Банихашеми приводится сопоставление теплового потока при использовании стандартных кольцевых вставок и использование колец с угловым отношением во вращательном движении.

Рис. 5. Сопоставление тепловых полей обычных кольцевых вставок и вставок с угловым отношением во вращательном движении [18]

Не меньшую пользу для энергосбережения в области теплоэнергетики могут принести винтовые проволочные вставки, позволяющие оказывать на поток возбуждающее воздействие, как следствие, повышать коэффициент теплопередачи, однако стоит учитывать, что внедрение любой материи по траектории движения жидкости способствует созданию дополнительных местных сопротивлений и увеличению коэффициентов трения. Как и оребрение вставочные конструкции предопределяют несколько факторов способствующих повышению теплопередачи, упомянем лишь те из них которые однозначно справедливы для однофазной среды водогрейных котлов, нарушение траектории движения потока жидкости, нарастание кол-ва тангенциальных составляющих векторов скорости, сопутствующим и предвещающим нарастание теплопередачи, является повышенный перепад давления, со всеми этими пунктами отлично справляются разнообразные геометрические вставки о которых упоминалось чуть ранее. Из анализа вышеизложенных методик оребрения вставками, то же можно отнести и ко всем другим способам и поверхностям оребрения, следует заключить, что по результатам анализа механизмов, способствующих благоприятному протеканию процессов теплообмена, видно, что для улучшения теплообмена используются методики возмущения потока, возмущение пограничного слоя, перемешивание и генерация вторичных токов, генерация последовательно набегающих вторичных токов, все это возможно осуществлять как по отдельности, так и в комбинации друг с другом, чем больше использовано указанных факторов, тем выше эффективность теплопередачи. Помимо улучшения теплообмена, необходимо также обратить внимание на определение режима течения, которым характеризуется система. В турбулентных потоках устройства, способствующие перемешиванию, не так эффективны, как те, которые нарушают ламинарные нижние слои.

Аддитивное производство металлов, также известное как 3D-печать металлов, представляет собой процесс создания объектов путем наложения слоев металлического порошка и их последующей сварки или спекания с использованием лазеров или электронных лучей.

Этот метод производства позволяет создавать сложные геометрические формы и структуры, которые могут быть оптимизированы для улучшения теплообмена [19, 20, 21]. Кроме того, аддитивное производство металлов обеспечивает высокую точность и возможность индивидуального подхода к проектированию кольцевых вставок под конкретные условия эксплуатации теплообменника.

Таким образом, аддитивное производство металлов может быть использовано для создания оптимизированных кольцевых вставок, способствующих улучшению эффективности теплообменника.

Интерес представляет также технологии аддитивного изготовления ребер труб, позволяющие добиться оптимального количества и формы ребер как для ламинарного так и для турбулентного потоков, однако здесь накладываются некоторые ограничения, связанные с современными технологиями аддитивного производства металлов, на которые накладываются ограничения по размерам внутренних каналов около 1 мм для коротких каналов и более 1 мм для длинных каналов, об этом рассказывает в своей публикации «Улучшение теплопередачи однофазных внутренних потоков с помощью оптимизации формы и аддитивно изготовленных структур потоков» Мун Хенкю [22]. На рисунке 6 представлены оптимизированные формы ребер из работы «Улучшение теплопередачи однофазных внутренних потоков с помощью оптимизации формы и аддитивно изготовленных структур потоков» Мун Хенкю, где под буквой а — ламинарное и b — турбулентные течения сред, белое поперечное сечение представляет область течения жидкости, а серое сечение соответствует материалу трубы.

Рис. 6. Оптимизированные аддитивными технологиями ребра труб [22]

Также важными аспектами формирования оребрения остается вопрос формации ребер, шага и угла наклона, число Рейнольдса (Re) оказывает наибольшее влияние на число Нуссельта (Nu). При модернизации водогрейных котлов большой интерес могут представлять технологии и разработки гибридных оребрений нивелирующих недостатки друг друга или находящиеся в зонах, где одна форма оребрения показывает наиболее приемлемые тепловые характеристики в отличии от другой, так гибридное оребрение труб — это процесс, при котором применяются различные методы оребрения для труб с целью повышения их теплоотдачи и эффективности обмена тепла. Гибридное оребрение может включать в себя как внешнее оребрение, так и внутреннее оребрение трубы, в работе «Экспериментальное и численное исследование теплообмена и турбулентного течения во вращающемся канале с V-образными ребристыми гибридными структурами» Пэн Чжан, устанавливает возможность применения вращающихся гладких и V-образных ребристых поверхностей, в работе установлено, V-образные гибридные ребра с углублениями способны облегчить проблему неравномерности теплопередачи [23]. Внешнее оребрение представляет собой прозводящие канавки или ребра, которые находятся на внешней поверхности трубы. Они увеличивают площадь контакта между трубой и окружающей средой, что способствует лучшему теплоотводу. Внутреннее оребрение, напротив, представляет собой выступы на внутренней поверхности трубы. Оно увеличивает мешающий поток теплоносителя, улучшает перемешивание и повышает эффективность передачи тепла.

Гибридное оребрение комбинирует оба метода и позволяет достичь наилучших результатов в обмене тепла. Оно широко используется в различных областях, таких как химическая промышленность, исключением не стал и сектор теплоэнергетики, где интенсификация процессов, протекающих при переносе тепловой энергии между разными средами, играет важную роль, в частности, сюда же можно отнести и водогрейные котлоагрегаты, где применением гибридных поверхностей оребрения можно добиться существенного повышения показателей энергоэффективности, что найдет свое отражение в политике энергосберегающих стратегий России. Интерес в технологиях оптимизации тепловых процессов, может быть представлен исследованием влияния эксцентриситета оребренных поверхностей на количественные показатели теплопередачи, на данный момент установлено, что эксцентриситет трубы, и, в случае если рассматривается двухтрубная теплообменная система или труба, оребрением которой является вставка с которой по геометрическим признакам можно соотнести понятие эксцентриситет, эксцентриситет этой самой вставки способны оказывать существенное влияние на тепловое сопротивление и распределение теплопередачи, согласно исследованиям проведенным в публикации «Исследование теплопередачи и эксцентрикового влияния на тепловые трубы, используемые кольцевыми теплообменниками с плотными продольными ребрами» Ваньдун Бай, установил посредством численного моделирования для кольцевого теплообменника с тепловой трубой, что термическое сопротивление и распределение теплопередачи изменяются в зависимости от эксцентриситета, чем больше эксцентриситет, тем меньше тепловое сопротивление и менее равномерно распределение теплопередачи, касаясь нашего объекта исследования — водогрейный котел, можно отметить, что рассмотрение влияния эксцентриситета на распределение теплопередачи, при условии использования вставочных конструкций оребрения тепловоспринимающих поверхностей, может оказаться плодотворной почвой для проведения исследовательских изысканий в области энергосберегающих технологий [24].

При рассмотрении возможностей интенсификации теплообмена в водогрейных котлоагрегатах стоит обратить внимание на применение технологий и структур TPMS для проектирования теплообменных элементов, позволяющих создавать вставолчные конструкции оребрения с градиентной толщиной и героидными формами, применением подобной технологии в своей публикации «Повышение эффективности теплопередачи гироидного рекуператора на основе многомерной градиентной структуры» Фэй Чэнь добился высокой эффективности теплообмена, используя конструкции TPMS, увеличил сложность и неоднородность протекающего потока, сложной героидной формой, его большой проточной частью снизил сопротивление входящей жидкости и добился децентрализации потока по сравнению с обычными теплообменниками, регулирование градиента толщины и применение героидных форм вставочных конструкций оребрения c возможностью оптимизации структурных параметров открывают новые возможности для проектирования этих элементов в трубных системах водогрейных котлов, большая часть исследований, применяющих на сегодняшний день такие технологии направлены на создание микроканальных структур или микроребер [25]. Так, резюмируя все вышесказанное можно однозначно утверждать, что интенсификация теплообмена в водогрейных котлах посредством оребрения является перспективным направлением.

В данной статье был проведен обзор и анализ факторов, влияющих на теплообмен при использовании разных типов оребрения. Были рассмотрены следующие показатели теплообмена и факторы, влияющие на процессы теплообмена поверхностей с оребрением: число Рейнольдса, число Нуссельта, коэффициент теплопроводности, коэффициент теплопередачи, материалы труб, материалы оребрения, форм-фактор оребрения, количество конструкций плавников оребрения, угол наклона, как самих поверхностей, интенсифицирующих теплообмен, так и труб, на которые они устанавливаются, рассмотрены технологии оребрения.

— Технологии оребрения позволяют добиваться не только интенсификации тепловых обращений среды, но и помогают решать смежные данному участку проблемы, если это необходимо, например: равномерное распределение пограничных слоев, уменьшение коррозионного эффекта, децентрализация потока, сепарация среды;

— Аддитивные методы конструирования оребрения, позволяют добиваться оптимальных теплофизических параметров для системы, в которую они интегрируются, возможно аддитивные методы построения применимы к уже имеющимся поверхностям с оребрением;

— Применение гибридного оребрения перспективно касательно водогрейных котлов, возможно комбинировать типы оребрения, по наружной поверхности использовать спирально-гофрированные поверхности с углами поворота, направляющими поток дымовых газов в области, где использованы оребрения с децентрализацией с концентрацией потока.

Литература:

1. Chunxing Xu, Meishuang Li, Combustion adjustment experiment of over-temperature in heating surfaces for 600 MW four-wall tangentially fired boiler // Energy Reports. 2022 Vol. 8, Supplement 8, pp. 472–482. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.09.155.
2. Lun Ma, Xinke Chen, Jichang Liu, Qingyan Fang, Cheng Zhang, Yuan Li, Rui Mao, Liming Ren, Pingan Zhang, Gang Chen, Insights into the causes and controlling strategies of gas temperature deviation in a 660 MW tangentially fired tower-type boiler // Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 196, 117297. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117297.
3. Dafu Ma, Shouyu Zhang, Xiang He, Jian Zhang, Xian Ding, Combustion stability and NOX emission characteristics of a 300 MWe tangentially fired boiler under ultra-low loads with deep-air staging // Energy. 2023. Vol. 269, 126795. https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.126795.
4. Rafał Buczyński, Roman Weber, Andrzej Szlęk, Innovative design solutions for small-scale domestic boilers: Combustion improvements using a CFD-based mathematical model, // Journal of the Energy Institute. 2015. Vol. 88, Issue 1, pp. 53–63. https://doi.org/10.1016/j.joei.2014.04.006.
5. Chun-Lang Yeh,Numerical investigation of the heat transfer and fluid flow in a Carbon Monoxide boiler // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012. Vol. 55, Issues 13–14, pp. 3601–3617. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.02.073.
6. Chang-Eon Lee, Byeonghun Yu, Seungro Lee, An analysis of the thermodynamic efficiency for exhaust gas recirculation-condensed water recirculation-waste heat recovery condensing boilers (EGR-CWR-WHR CB) // Energy. 2015. Vol. 86, pp. 267–275. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.04.042.
7. Krum Semkov, Emma Mooney, Michael Connolly, Catherine Adley, Efficiency improvement through waste heat reduction // Applied Thermal Engineering. 2014. Vol. 70, Issue 1, pp. 716–722. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.05.030.
8. Aidan Hickie-Bentzen, Syeda Humaira Tasnim, Shohel Mahmud, Magnetohydrodynamic natural convection of In-Ga-Sn alloy in a horizontal concentric annulus with tree-shaped internal fins // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 147, 106948. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.106948.
9. Ali J. Obaid, Vinous M. Hameed, An experimental and numerical comparison study on a heat sink thermal performance with new fin configuration under mixed convective conditions // South African Journal of Chemical Engineering. 2023. Vol. 44, pp. 81–88. https://doi.org/10.1016/j.sajce.2023.01.009.
10. Anas El Maakoul, Kawtar Feddi, Said Saadeddine, Abdellatif Ben Abdellah, Mustapha El Metoui, Performance enhancement of finned annulus using surface interruptions in double-pipe heat exchangers // Energy Conversion and Management. 2020. Vol. 210, 112710. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112710.
11. Vandana Kumari Jha, Soubhik Kumar Bhaumik, Enhanced heat dissipation in helically finned heat sink through swirl effects in free convection // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 138, pp. 889–902. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.04.099.
12. A. M. González, M. Vaz, P. S. B. Zdanski, A hybrid numerical-experimental analysis of heat transfer by forced convection in plate-finned heat exchangers // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 148, pp. 363–370. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.11.068.
13. Zhenping Wan, Xuesong Hu, Xiaowu Wang, Zicong He, Experimental study on the boiling/condensation heat transfer performance of a finned tube with a hydrophilic/hydrophobic surface // Applied Thermal Engineering. 2023. Vol. 229, 120494. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120494.
14. Болобов В. И., Попов Г. Г. Методика испытаний трубопроводных сталей на стойкость к “ручейковой” коррозии // Записки горного института. 2021. Том 252. С. 854–860. Doi: 10.31897/PMI.2021.6.7.
15. Saeed Takht Firoozeh, Nader Pourmahmoud, Morteza Khalilian, Two-tube heat exchanger with variable groove angle on the inner pipe surface: Experimental study // Applied Thermal Engineering. 2023. Vol. 234, 121274. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121274.
16. Somayeh Davoodabadi Farahani, Mohammad Farahani, Davood Ghanbari, Heat transfer from R134a/oil boiling flow in pipe: Internal helical fin and hybrid nanoparticles // Chemical Engineering Research and Design. 2021. Vol. 175, pp. 75–84. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2021.08.035.
17. Xiaohan Guo, Xu Han, Junjun Lin, Shitong Liu, Zhonghe Han, Effect of eccentricity and V-shaped fins on the heat transfer performance of a phase change heat storage system // Journal of Energy Storage. 2023. Vol. 73, Part A, 108833. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108833.
18. Seyedhadi Banihashemi, Mohammadreza Assari, Seyedmohammad Javadi, Saeed Vahidifar, Turbulent flow thermal characteristics in a pipe with ring insert: An experimental and numerical study // Chemical Engineering and Processing — Process Intensification. 2022. Vol. 172, 108780. https://doi.org/10.1016/j.cep.2022.108780.
19. Beomjin Kwon, Leon Liebenberg, Anthony M. Jacobi, William P. King, Heat transfer enhancement of internal laminar flows using additively manufactured static mixers // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 137, pp. 292–300. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.03.133.
20. Xiang Zhang, Ratnesh Tiwari, Amir H. Shooshtari, Michael M. Ohadi, An additively manufactured metallic manifold-microchannel heat exchanger for high temperature applications // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 143, pp. 899–908. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.08.032.
21. Martinus A. Arie, Amir H. Shooshtari, Michael M. Ohadi, Experimental characterization of an additively manufactured heat exchanger for dry cooling of power plants // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 129, pp. 187–198. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.09.140.
22. Hyunkyu Moon, Kalyan Boyina, Nenad Miljkovic, William P. King, Heat Transfer Enhancement of Single-Phase Internal Flows using Shape Optimization and Additively Manufactured Flow Structures // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 177, 121510.
23. Peng Zhang, Chao Xu, Yu Rao, Ce Liang, Experimental and Numerical Study of Heat Transfer and Turbulent Flow in a Rotating channel with V Rib-Dimple Hybrid Structures // International Journal of Thermal Sciences. 2023. Vol. 187, 108162. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2023.108162.
24. Wandong Bai, Wei Chen, Chang Zeng, Ge Wu, Xiaoming Chai, Heat transfer and eccentric effect investigation on heat pipe used annular heat exchangers with densely longitudinal fins // International Journal of Thermal Sciences. 2022. Vol. 179, 107658. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107658.
25. Fei Chen, Xin Jiang, Chenxi Lu, Yangwei Wang, Pin Wen, Qiang Shen, Heat transfer efficiency enhancement of gyroid heat exchanger based on multidimensional gradient structure design // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 149, 107127. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.107127.