Подобряване на характеристиките на топлообменните апарати

ТоплоенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 2, 2013

Икономическите обстоятелства и желанието за икономия на енергия и материали доведоха до влагането на значителни усилия в разработването на по-ефективно топлообменно оборудване. Целта на термохидродинамичния анализ е да се намалят габаритите на топлообменните апарати, да се увеличи топлинната мощност на съществуващия топлообменен апарат, да се намали движещата температурна разлика между обменящите топлинна енергия потоци, или да се намали помпената енергия за преодоляване на хидравличните съпротивления. По-ефективното топлопренасяне може да предотврати прегряване на стената и разрушаване на системата, когато топлинното натоварване е предварително определено.

Интензификация на топлообмена

Усъвършенстването на характеристиките на топлообменното оборудване е свързано преди всичко с интензификация на топлообмена. Това на практика означава повишаване на “нормалните” коефициенти на топлопредаване в стандартните флуидни потоци, включващи струйни или разпръскващи устройства с гладки повърхности.

Особено важна задача на интензификацията на топлообмена е в газовите топлообменни апарати (при стойности на Pr»1), тъй като там се наблюдава най-ниският топлообмен. Като правило, изключвайки топлообмена в излъчващите и поглъщащи газови потоци, топлинният поток в каналите на газовите топлообменници се определя от конвективната съставляваща, която в тези случаи е по-голяма.

Стремежът към минимална топлообменна повърхност се ограничава от изискванията за технологичност, надеждност и удобство при експлоатацията на топлообменните апарати (ТА), което определя някакво компромисно за конструктора решение. Рационалният избор на типа и формата на топлообменната повърхност е основата за създаване на топлообменника. Най-често прилаганите методи за увеличаване на топлинните потоци в средата на 70-80 години на миналия век са чрез увеличаване на скоростта на топлоносителя или чрез оребрение на повърхностите. В много от практическите случаи обаче тези методи се оказват неефективни.

Отношението на топлинния поток спрямо мощността за преодоляване на хидравличните съпротивления Q/P намалява с увеличаване на скоростта в тръбите и следователно увеличаването на топлинния поток за сметка на скоростта в случая е нерационално. От друга страна обаче, конструирането на ТА, оразмерени в режим на ниски скорости, води до увеличаване на техните габарити, а следователно и на стойността им. Тези фактори обуславят някакво оптимално ниво на режимните параметри на ТА. Увеличаването на скоростта води до увеличаване на хидравличните загуби в подводящите елементи (тръбопроводи), а също и до намаляване на ефекта от оребрението. Посочените ограничения изискват нови методи за интензификация на топлообмена.

Повишаването на ефективността на ТА е комплексен проблем, обхващащ въпросите за изискване на оптимални съотношения между топлообмена и хидравличните загуби, икономическата обосновка на оптималния избор на характеристики на топлообменното оборудване, въпросите, свързани с технологичните и производствени изисквания.

Най-важният елемент в указания проблем са топлофизическите изисквания за оптималност на отношението Q/P при обезпечаване на висока стойност на топлинната мощност. В това отношение ефективни методи за интензификация на топлообмена се оказват например "грапавите" повърхности, използващи ефекта на подновяването и турбулизирането на граничния слой. Останалите задачи имат по-конкретен характер и се решават за конкретен тип топлообменно устройство.

В редица промишлени ТА, например в газовата страна на котлите в ТЕЦ, борбата с отлаганията се явява решаващ фактор при избора на интензифициращи повърхности, тъй като тяхното образуване в много случаи се обуславя от аеродинамични фактори като наличие на вихрови зони с малки скорости и др. В тези случаи изследването на аеродинамиката даже в “чисти” условия помага за разработване на средства за борба и прогнозиране на възможните области на отлагане. Използването на канали с много малки диаметри в ТА води до поява на ламинарни течения и в тези случаи интензификацията на топлообмена има редица особености.

Повишаване коефициента на топлопредаване

Да се подобри топлинната характеристика на един апарат означава преди всичко да се повишат коефициентите му на топлопредаване. Опитите за повишаване на "нормалните" коефициенти на топлопредаване датират от повече от 140 години, като началото е поставено с публикациите на Джаул от 1861 г., който съобщава за значително повишаване на коефициента на топлопреминаване при кондензация на пара в тръба, охлаждана от вода, около която спирално е навит проводник и на Уайтхам от 1896, който съобщава за 18% повишение на ефективността на парогенериращи тръби, когато в тях са поставени спирални ленти. В последните 30 години излязоха значителен брой обзорни статии или отделни глави в справочници, посветени на интензификацията на топлообмена.

Това кара редица автори да считат, че в интензификацията на топлообмена е настъпила четвърта генерация топлообменни технологии. Това е причината сега интензификацията на топлообмена да се разглежда като специална област в теоретичната и приложна топлотехника.

Техники за интензификация на топлообмена

Техниките за интензификация на топлообмена могат да се класифицират като пасивни, не изискващи допълнителен енергиен източник и като активни, изискващи външен енергиен източник.

Ефективността на двата типа техники е в строга зависимост от начина на подвеждане на топлина, което може да варира от еднофазна свободна конвекция до кипене при разпръскване на флуид. Описание на техниките за интензификация на топлообмена е показано в табл. 1. За постигане на по-висока интензификация на топлообмена е възможно едновременното използване на две или повече техники, познато като съвместна интензификация.

Пасивните методи за интензификация на топлообмена могат да се разделят на следните групи:

- Специална обработка на повърхностите, състояща се в микроизменение на топлообменната повърхност или специални обвивки (прекъснати или непрекъснати). Тези повърхности се използват предимно при кипене и кондензация, тъй като височината на издатъците е по-малка от тази при "грапавите" повърхности, обезпечаващи въздействие върху преноса на топлина в еднофазните течения.

- Използване на "грапави" повърхности с различна конфигурация - от случайно разпределената пясъчно-зърнеста грапавост до дискретните турбулизатори, в това число и пружинни вложки. Конфигурацията на грапавините се избира така, че да се разруши вискозният подслой в по-голяма степен, а не да се увеличи топлообменната повърхност. Приложенията на тези повърхности са насочени основно към еднофазни потоци.

- Развити повърхности - използват се в редица топлообменни апарати, като съвременните усилия са насочени към създаване на нови видове "развити" повърхности (например интегрално-вътрешно оребрени тръби) или към повишаване на коефициентите на топлопредаване чрез профилиране или перфориране на "развитите" повърхности.

- Устройства, интензифициращи топлообмена чрез турбулизация на граничния слой, които са поставени в потока и не са свързани с нагревните повърхности. Имат за цел да разбъркат потока в напречно направление и да повишат енергийния транспорт към и от нагревната повърхност. Използват се при принудена конвекция.

- Устройства за завъртане на потока, които включват в себе си редица геометрични устройства или вложки в тръби, предизвикващи завихряне на потока при принудено течение - змиевици, различни видове завихрители, поставени в ядрото на потока, по оста на канала, във вид на шнек или спирално-извити ленти, чиято задача е да създадат въртящ се вторичен поток.

- Устройства, интензифициращи топлообмена чрез въздействие върху повърхностното напрежение. Състоят се от фитили или повърхности с различни видове канавки за направляване на потока течност при кипене и кондензация.

- Добавки за течности, включващи твърди частици и газови мехурчета в еднофазни потоци или течни добавки за кипящи системи.

- Добавки за газови потоци, представляващи течни капки или твърди частици, образуващи разредени или плътни фази.

Особености при избора на метод

Изборът на конкретен метод се определя от много и различни условия, сред по-важните са:

- Целите и задачите, които се поставят с интензификацията на топлообмена за даден клас топлообменни устройства;

- Допустимите енергийни загуби за интензификация на топлообмена и вида на разполагаемата за това енергия;

- Хидродинамичната структура на потока, в който се цели интензификация на топлообмена и по-точно разпределението на температурното поле в него. Познаването на тази структура би позволило да се установят областите, в които увеличаването на интензивността на турбулентните пулсации ще окаже най-голям ефект на интензификацията на топлообмена.

- Технологичност при изработването на топлообменните апарати с интензификация на топлообмена, удобство и надеждност при експлоатацията им. При избора на метод е добре да се има предвид, че при замяната на стандартните гладки тръби с тръби, върху които са приложени интензифициращи топлообмена технологии, външният диаметър на тръбата не трябва да надвишава този на гладката, за да е възможно преминаването им през тръбните дъски. Също така е необходимо избраният метод да осигурява серийно производство, независимо от дължината на тръбата.

Освен тези условия, изборът на определен метод зависи и от други фактори - разходи за производство, замърсяване и възможност за почистване, наличност на необходимия материал и др.

Добре е известно, че интензификация на топлообмена винаги се постига в случаите, когато е удовлетворено неравенството

NuR/NuS > fR/fS (1).

Интензификация на топлообмена обаче се постига и в случаите, когато

NuR/NuS < fR/fS (2).

Постигането на уравнение (1) дълги години е основна цел, която е смятана за недостижима, тъй като, опирайки се на аналогията на Рейнолдс за еднаквостта на механизмите на пренос на топлина и количество движение в турбулентен поток, е известно, че топлообменът може да се увеличи единствено и само за сметка на увеличаване на пада на налягане. Това неравенство е получено от руските учени Калинин, Дрейцер и Ярхо през 1972 г. при напречновалцовани тръби с геометрични параметри e/Di=0,009 и p/e=58,35. При това максималните стойности NuR/NuS = 1,37 и fR/fS = 1,24 са достигнати при Re = 6,3.104. Всички по-нататъшни опити за увеличаване на коефициентите на топлопредаване, запазвайки отношението в уравнение (1), се оказват неуспешни. Въпросът тук е дали си заслужава изработването на такъв турбулизатор, който да осигурява нарастване на коефициентите на топлопредаване само с около 40%, макар и при минимални нараствания на хидравличните съпротивления. Липсата на систематизирани критерии за оценка на ефективността на изследваните повърхности дълги години е водила до заблудата да се търси не такава оптимална геометрия на турбулизатора, която да осигурява максимално нарастване на отношението NuR/NuS, а такава, която да осигурява минимални хидравлични загуби. Тази теза продължава да се отстоява и до днес от някои автори. Именно поради тази причина, все още не са открити оптималните геометрични параметри на турбулизаторите от тип "повърхностна" грапавост, при които се достига максимално отношение NuR/NuS. Този въпрос е още по-актуален при комбинираната интензификация.

Въз основа на модел за определяне на коефициентите на топлопредаване на спиралновалцовани тръби, Джеймс Уидърс през 1980 г. счита, че функцията NuR/NuS = f (Re) има два максимума, в зависимост от относителната дълбочина на канавката на валцованата тръба. Първият от тях се достига при параметри e/Di= 0,04, а вторият при e/Di = 0,06. Според автора обаче този втори максимум не е от практически интерес поради значителните хидравлични съпротивления.

Изследвайки обаче съвместната интензификация на топлообмена между спирално-валцована тръба и спирална лента и използвайки разширени критерии за оценка, основаващи се на съвместното използване на Първия и Втория закон на термодинамиката, проф. Венцислав Зимпаров през 2004-та показва, че когато относителната височина на турбулизатора e/Di < 0,04, комбинирането на спирално-валцовани тръби със спирална лента не води до забележително повишаване на ефективността, докато при e/Di > 0,04 ефектът е твърде значим. Ефектът е още по-значим, когато валцованите тръби се комбинират със спирално-извити ленти с малка относителна стъпка H/Di.

Изследванията по проблемите на интензификацията на топлообмена в топлообменните апарати продължават и може да се твърди, че са достигнали преломната си точка. Открити са оптимални геометрични параметри на спирално-валцовани тръби, които удовлетворяват едновременно изискванията на Първия и Втория закони на термодинамиката, а именно максимално нарастване на мощността на топлообменния апарат при минимално количество на генерирана ентропия.

Интерес представлява изследването и на преходната област от ламинарен към турбулентен режим на потока, тъй като според редица автори и изследователи именно там би трябвало да се очаква максималният ефект от интензификацията на топлообмена. Оптималните режимни и геометрични параметри на турбулизаторите могат да се синтезират единствено на базата на разработени критерии за термодинамична ефективност, основаващи се на едновременното използване на Първия и Втория закон на термодинамиката.


Top