Проблема экономии топливно-энергетических ресурсов является одной из важнейших в экономике страны. С ростом энергетических мощностей и объема производства все более увеличиваются масса и габариты применяемых теплообменных аппаратов [1].
Теплообменные аппараты широко используются в энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в системах кондиционирования воздуха сельском хозяйстве и гражданских зданиях. Основную долю из числа эксплуатируемых теплообменников в промышленности составляют рекуперативные. Технико-экономические показатели рекуперативных теплообменных аппаратов определяет эффективность проводимых процессов.
Актуальность интенсификации теплообмена в элементах техники и технологических оборудованиях обусловлена необходимостью решения следующих задач:
уменьшение размеров теплоотдающей поверхности;
снижение мощности на прокачку теплоносителя по контуру;
повышение надежности поверхности нагрева;
уменьшение массы и габаритных размеров теплообменных аппаратов;
уменьшение отложений на теплообменивающих поверхностях;
сокращение производительности аппаратов.
Интенсификация теплообмена является эффективным путем решения проблемы уменьшения массы и габаритных размеров теплообменных аппаратов и устройств [2]. Поэтому проблема интенсификации процессов конвективного теплообмена является одной из актуальных.
К началу 21-го столетия методы интенсификации теплообмена широко применяются в элементах оборудования энергетики.
Наиболее распространенные методы интенсификации теплообмена — использование эффекта начального участка, искусственная турбулизация потока, осуществляемая в пристенном слое или по всему сечению потока с помощью кольцевых или спиральных канавок, лунок, оребрения поверхности, закрученных лент, шнеков, спиральных труб [3–5]. Для интенсификации теплообмена используется также струйное натекание теплоносителя на поверхность, пористые и щеточные вставки, воздействие ультразвуковых колебаний, электрического поля.
Комбинированные методы интенсификации теплоотдачи основаны на использовании, по крайней мере, двух методов повышения интенсивности теплосъема. Например:
использование искусственной шероховатости поверхности и закрученной ленты;
использование спиральной трубы и пористого покрытия;
использование шероховатой поверхности и генерации акустических колебаний в жидкости.
С целью интенсификации теплообмена и резкого снижения образования отложений на теплообменивающих поверхностях нами предлагается устанавливать в трубках теплообменника локальные турбулизаторы потока воды. Применение указанных типов турбулизаторов не только интенсифицирует процесс теплообмена и снижает скорость отложений, но и приводит к повышению гидравлического сопротивления всего аппарата.
На основе проведенных исследований кафедры «Теплоэнергетика» Каршинского инженерного экономического института были разработаны новые конструкции локальных турбулизаторов [6]. Для исследования процессов гидродинамики и теплообмена в трубках теплообменника разработана экспериментальная установка, приведенная на рисунке 1.
Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования процессов гидродинамики и теплообмена в трубках теплообменника.
1-внутрення трубка теплообменника; 2-внешняя трубка теплообменника; 3-теплоизоляционный материал; 4-ротаметры; 5-вентили; 6-трубчатый электронагреватель; 7-бак для горячей воды; 8-термометры; 9-щтуцеры для соединения манометров;
Принцип работы предлагаемой установки приведен ниже.
Холодная вода поступает из водопровода в бак 7 и нагревается с помощью электронагревателя 6 до определенной температуры. После открытия вентиля 5 горячая вода через ротаметр 4 поступает в межтрубное пространство теплообменника. Холодная вода поступает из водопровода, через вентиль 5 и ротаметр 4 во внутреннюю трубу теплообменника. Для измерения температуры горячей и холодной воды на входе и выходе установлены термометры 8. Холодная вода нагревается до определенной температуры, а горячая вода охлаждается. Для обеспечения равномерности течения установлен гидравлический затвор. Для измерения гидравлического сопротивления используется U-образный манометр, шланги манометра соединены со штуцером 9. Интенсификаторы (локальные турбулизаторы) устанавливаются во внутри внутренней трубе. Наружная стенка теплообменника теплоизолирована на требуемом уровне.
Таким образом, появляется возможность проведения научно-исследовательских работ по изучению процессов теплообмена в разработанной установке. Кроме того, в рассматриваемой установке предусмотрено проведение исследовательских работ по изучению процессов образования отложений на внутренних теплообменивающих поверхностях теплообменников. В разработанной экспериментальной установке проведены первичные эксперименты по определению гидравлического сопротивления труб теплообменника при использовании турбулизаторов. Анализ полученных результатов показывают, что при использовании локальных турбулизаторов в трубках гидравлическое сопротивление повышается на 20–30 %.
Литература:
Кузма-Кичта Ю. А. Методы интенсификации теплообмена. М.: МЭИ, 2001.
Калинин Э. К., Дрейцер Г. А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990.
Мигай В. К. Повышение эффективности современных теплообменников. Л.: Энергия, 1980.
Щукин В. К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М.: Машиностроение, 1970.
Субботин В. И., Ибрагимов М. Х., Ушаков П. А. и др. Гидродинамика и теплообмен в атомных энергетических установках. М.: Атомиздат, 1975.
Бабаходжаев Р. П., Мухиддинов Д. Н., Тохтохунов К. А., Ходжаев Б. А., Ибрагимов У. Х., Юсупов Б. В., Хужанов Р. А. Заявка на получение патента РУз по теме «Турбулизирующее устройство теплообменной трубы». Регистрационный номер заявки № IAP 20100041, дата 05.02.2010 г.