Интенсификация теплообмена в пружинно-винтовых каналах

Интенсификация конвективного теплообмена и связанные с ней задачи экспериментального и теоретического исследований приобретают в настоящее время значение самостоятельной, важной и быстро развивающейся области учения о теплообмене. Актуальность этой проблемы определяется стремлением к повышению интенсивности работы теплообменных устройств в сочетании с желанием сократить затраты энергии и добиться максимальной компактности при минимальной материалоемкости.

В настоящее время доля теплообменного оборудования в структуре производств различных отраслей промышленности РФ, в том числе и энергетике, составляет порядка 70%.

Анализ конструктивного оформления теплообменного оборудования показал, что в промышленной практике в большинстве случаев используются теплообменные аппараты с гладкотрубными тепловыми элементами. Они отличаются низкой эффективностью теплообмена, значительными габаритами, а также высоким уровнем морального и физического износа (до 80%), вследствие длительного срока их эксплуатации (более 30 лет).

Эта проблема наблюдается в целом ряде важных отраслей промышленности, в том числе в пищевой, медицинской, химической и нефтехимической, а также в тепловых сетях и источниках энергоснабжения, среди которых ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС.

Одним из путей решения проблемы интенсификации процесса теплообмена является создание малогабаритной теплообменной аппаратуры большой единичной мощности с интенсифицированными тепловыми элементами, глобальная реконструкция и модернизация существующего парка теплообменного оборудования. Это становится особенно актуальным в условиях неуклонного роста цен на сырье, энергоносители, металл и прочие материалы.

Известно [1,2], что для обеспечения высокой теплоэнергетической эффективности и надежности работы энергетических установок, теплообменного оборудования весьма перспективным является использование закручивающих устройств, выполненных в виде локальных, непрерывных или периодически расположенных завихрителей, винтового оребрения с различной формой выступов, спиральных накаток, проволочной навивки и др.

К конструкциям современного типа закручивающих устройств относятся и теплообменные элементы в виде пружинно-винтовых каналов [3-5], которые могут применяться в теплообменных аппаратах гравитационного и ротационного типов.

Поверхность предложенных теплообменных элементов выполнена из проволоки в виде тугой пружины, витки которой жестко скреплены (рис. 1, рис. 2).

Рис. 1. Фрагмент кольцевого пружинно-винтового канала

Рис. 2. Фрагмент пружинно-винтового канала типа «конфузор-диффузор»

Наиболее близкими к предлагаемому техническому решению являются известные теплообменные элементы в виде труб с винтовой накаткой или с пружинными вставками из проволоки, установленными в проточной части каналов [2]. Недостатками применения интенсификаторов в виде винтовой накатки, как известно, является их повышенное гидравлическое сопротивление, снижение прочности на продольный разрыв, вызванный образованием концентраций напряжений при пластической деформации стенки теплообменного элемента в процессе накатки выступов. Применение пружинно-винтовых каналов является, на мой взгляд, более эффективным, поскольку они отличаются развитой теплообменной поверхностью, потери на гидравлическое сопротивление в таких каналах небольшие в связи с тесным расположением выступов [1], а также в них не возникает нарушения контакта выступа с поверхностью нагреваемой трубы, что наблюдается при использовании пружинных вставок.

Выполнение теплообменного элемента в виде кольцевого пружинно-винтового канала (рис.1) производится путем навивки проволоки заданного диаметра на оправку требуемого диаметра круглой трубы с последующей лазерной сваркой по внешним периметру стыкам пружинной навивки (в случае ее неразъемного варианта), либо пайкой свинцом по внешнему периметру стыков (температура плавления - ) или оловом (температура плавления - ) в целях оплавления спаев для разведения витков пружины и чистки внутренней проточной части каналов от накипи (механическим путем или промывкой раствором).

Выполнение теплообменного элемента в виде пружинно-винтового канала типа «конфузор-диффузор» (рис.2) производится путем навивки проволоки заданного диаметра на разъемную профильную оправку, состоящую из элементов конфузора и диффузора, соединенных на резьбе. После навивки оправка извлекается из внутренней части теплообменного элемента, и предварительно подготовленные конфузорно-диффузорные элементы монтируются на цилиндрическую оправку (диаметром, равным отверстию перехода конфузора в диффузор) и свариваются лазерной сваркой по внешнему периметру стыков пружинной навивки. Технология изготовления возможна и путем навивки проволоки на выплавляемый стержень (метод «по выплавляемым моделям») с последующей лазерной сваркой стыков пружинной навивки.

Изготовление предлагаемых пружинно-витых каналов может быть легко автоматизировано и организовано на выпуск труб с широкой номенклатурой их диаметров и толщины стенок.

Выполнение теплообменного элемента в виде пружинно-винтового канала обуславливает существенную интенсификацию теплообмена за счет закрутки потока, причем уровень интенсивности закрутки формируется и поддерживается винтовыми элементами на всем протяжении канала, а также процесса разрушения пристенного подслоя за счет регулярной шероховатости теплообменной поверхности.

Наличие спиральных выступов на наружной поверхности пружинно-винтовой трубы обеспечивает эффект внешнего оребрения, что увеличивает площадь теплообменной поверхности в 1,5…1,7 раз. Развитая теплообменная поверхность рассматриваемого теплообменника обуславливает интенсификацию теплообмена при умеренном росте потерь энергии на прокачивание теплоносителя и позволяет существенно снизить длину проточной части канала, а значит, и уменьшить капитальные затраты на изготовление теплообменного элемента.

Использование в теплообменной аппаратуре предлагаемых пружинно-винтовых элементов обусловливает двухсторонний эффект интенсификации, как со стороны внутренней, так и наружной поверхности. Кроме того, предлагаемый вид теплообменных элементов позволит создавать аппараты с плотно упакованным пучком труб, там, где не представляется возможным использование оребрения наружной поверхности труб.

Дополнительным и весьма важным обстоятельством, обуславливающим необходимость использования рассматриваемых теплообменных элементов, является снижение скорости солеотложений и накипи на стенках канала, так как периодические обновления пограничного слоя препятствуют осаждению загрязнений внутри рабочих элементов.

Следует отметить, что использование каналов конфузорно-диффузорного типа является одним из перспективных способов интенсификации теплообмена, основанных на организации течения теплоносителя под действием различных неоднородностей давления. При этом развитие поверхности используется не только для простого увеличения теплового потока, но главным образом для создания в потоке благоприятной гидродинамической обстановки, способствующей интенсификации теплообмена. В [6-8] показано, что интенсивные вихреобразования, генерируемые в диффузорных участках, уносятся потоком и полезно используются в конфузорных участках. В конфузорных участках используется также эффект увеличения скоростей пристенных слоев жидкости. Известно [6], что теплосъем в конфузорно-диффузорных каналах с оптимальными геометрическими характеристиками при увеличивается на 70% по сравнению с гладкой трубой при равных потерях на гидравлическое сопротивление. С целью повышения теплоэнергетической эффективности таких каналов предложена конструкция пружинно-винтового канала с конфузорно-диффузорными элементами (рис.2).

Таким образом, использование предложенных теплообменных элементов с проведением исследований тепломассообменных процессов в таких элементах представляется, на мой взгляд, весьма актуальным и перспективным. Разработанный математический аппарат гидродинамики и теплообмена при течении жидкости в пружинно-винтовом канале кольцевого типа [5] позволит установить основные тепло- и гидродинамические закономерности течения в таком канале, а также послужит базой для разработки методов инженерного расчета современной теплообменной аппаратуры, использующей теплообменные элементы указанного типа.

Литература:

1. Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в каналах с завихрителями (Аналитический обзор) // Теплофизика высоких температур. 2003. Т. 41. № 4. С. 587-633.

2. Назмеев Ю.Г. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков реологически сложных жидкостей. - М.: Энергоатомиздат, 1996. 304 с.

3. Золотоносов А.Я., Золотоносов Я.Д., Конахина И.А. Патент на полезную модель РФ 62694 МПК F28D7/00, F28D11/04. Теплообменный элемент: заявка №2006143517/22 от 07.12.2006. Опубл. 27.04.2007. Бюл. №12.

4. Золотоносов А.Я., Золотоносов Я.Д. Патент на полезную модель РФ 64750 МПК F28D7/00, F28D11/04. Теплообменный элемент: заявка №2007107173/22 от 26.02.2007. Опубл. 10.07.2007. Бюл. №19.

5. Пантелеева Л.Р., Золотоносов А.Я., Золотоносов Я.Д. Математическая модель гидродинамики и теплообмена при течении жидкости в пружинно-винтовом канале// Материалы докладов Международной научно-технической конференции «Энергетика-2008: инновации, решения, перспективы». В 5 кн.; Кн. 1 «Теплоэнергетика». – Казань: КГЭУ, 2008. С.88-92.

6. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. - Казань: КГТУ, 1999. 176 с.

7. Мигай В.К., Быстров П.Г. Интенсификация теплообмена в волнистых трубах// Теплоэнергетика. 1976. №11. С.74-76.

8. Пантелеева Л.Р. Теплообмен при ламинарном течении вязкой жидкости в теплообменных устройствах типа «труба в трубе» с вращающейся поверхностью «конфузор-диффузор». Дисс. … канд. техн. наук. - Казань, 2005. 116 с.