24 марта 2018г.
В связи с необходимостью рационального использования энергоресурсов, в настоящее время уделяется все большее внимание совершенствованию рекуперативных теплообменников, входящих в состав теплотехнического оборудования. Одной из важных задач этого направления является поиск путей интенсификации теплоотдачи при конденсации пара на вертикальных трубных пучках рекуператоров.
В известных работах, посвященных интенсификации теплоотдачи при конденсации на вертикальных поверхностях [2, 3, 5] отмечено, что в обычных условиях работы теплообменников- конденсаторов основным термическим сопротивлением в процессе теплоотдачи является пленка стекающего конденсата. Поэтому одним из способов интенсификации теплообмена при пленочной конденсации пара является поиск путей уменьшения толщины пленки конденсата, стекающего по поверхности теплообмена.
Решение данной задачи может быть достигнуто путем промежуточного отвода конденсата с поверхности теплообмена. Как отмечено в [3, 7] это возможно за счет установки на трубках вертикальных конденсаторов конденсатоотводящих колпачков (рис.1). Причем, как отмечено в [3] колпачок должен иметь такой диаметр, чтобы удаляемый конденсат не попадал на нижние участки.
В [7] приводится описание использования для увеличения теплоотдачи конденсатоотводящих колпачков установленных на трубе высотой 3 м, с шагом 10 см. Отмечено, что такое расположение колпачков увеличивает среднее значение коэффициента теплоотдачи в 2-3 раза.
В [4] приводится описание вертикального конденсатора, в котором промежуточные перегородки
выполнены с уклоном от центра к периферии и помимо основного назначения, использованы для
дренирования трубок.
Для обеспечения эффективного применения описанного конструктивного решения, конденсат,
стекающий с колпачков,
не
должен попадать на нижележащие
участки поверхности теплообмена. Выполнение этого требования приводит к увеличению диаметра колпачков и шага между трубками трубного пучка.
В результате существенно увеличиваются размеры и стоимость теплообменника в целом.
В работе [5] для интенсификации теплообмена при конденсации предлагается использовать трубы с кольцевыми канавками и диафрагмами внутри (рис. 2). Отвод конденсата осуществляется по канавкам на одну сторону трубы. По мнению авторов, применение труб с канавками и диафрагмами может позволить интенсифицировать теплообмен в 2-3 раза по сравнению с конденсацией на гладкой трубе. К недостаткам данного технического решения можно отнести сложность изготовления теплопередающих труб указанной
геометрии.
В работах [11, 14] для интенсификации теплообмена при конденсации предлагается использовать профильные витые трубы на внешней поверхности которых
выполнены винтовые канавки. Увеличение
коэффициентов теплоотдачи авторы объясняют тем, что формирование пленки жидкости происходит на
коротком участке поверхности трубы. Затем образовавшийся конденсат стекает по спиральным канавкам. На основании результатов исследований, проведенных на профильных трубах с трехзаходной винтовой накаткой [10] сделан вывод о том, что существенная интенсификация теплоотдачи при конденсации пара на
поверхностях указанной геометрии возможна в области низких чисел Рейнольдса. Вместе с тем отмечается,
что при использовании профильных витых труб на 40-60% возрастает гидравлическое сопротивление движения теплоносителя, движущегося в полости труб, а коэффициент теплопередачи улучшается всего на
15% [1].
В работе [12] для интенсификации теплообмена предложено использование мелковолнистой поверхности конденсации
(рис.3).
В исследованиях, посвященных данному направлению интенсификации теплоотдачи при
конденсации[3, 6, 12, 15], в целях отвода конденсата с поверхности теплообмена рассматривается применение профилированных волнистых (гребнистых) поверхностей. По результатам проведенных опытов
сделан вывод: теплоотдача от профильных труб выше примерно в 5 раз по сравнению с гладкими. Увеличение теплоотдачи объясняется тем, что конденсация происходит на выступах, откуда конденсат под
действием сил поверхностного натяжения стекает во впадину. Однако здесь идет речь о локальных значениях коэффициента теплоотдачи на выступах поверхности теплообмена, в то время как значительная
площадь поверхности
теплообмена покрыта слоем конденсата увеличенной
толщины.
В работе [9] приводится исследование конденсации неподвижного водяного пара на трубе с
продольным проволочным оребрением. По сведениям авторов, это
конструктивное решение позволило
интенсифицировать процесс конденсации
3-6 раз.
Как отмечено в работах [8, 13], возможна интенсификация теплоотдачи при конденсации путем намотки проволоки на поверхность вертикальной трубы. По мнению авторов, использование данного конструктивного решения в вертикальных кожухотрубных аммиачных конденсаторах может позволить
увеличить коэффициент теплоотдачи в 2-3 раза по сравнению с конденсацией на гладких трубах. Однако в
указанных работах отсутствуют сведения, необходимые для определения оптимального шага проволочной намотки и диаметра проволоки, навиваемой
на
поверхность теплообмена.
Выводы:
1.
Использование промежуточного отвода конденсата с поверхности теплообмена может позволить
существенно интенсифицировать теплообмен
при конденсации.
2.
Применяемое с указанной целью конструктивное решение должно обеспечивать простоту
изготовления поверхности конденсации и сохранение компактности теплообменного аппарата в целом.
3.
Выбор способа промежуточного отвода конденсата оказывает влияние на конструктивные особенности конденсатора и
может привести
к увеличению
гидравлического сопротивления по ходу охлаждающего теплоносителя, а также влиять на размеры корпуса конденсатора.
Список литературы
1.
Готовский М.А. Теплопередача и сопротивление каналов с облуненными поверхностями:
монография. / М.А.
Готовский, С.Л.
Деменок, В.В. Медведев и др. – СПб.: Страта, 2016. – 210 с.
2.
Бузник, В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках / В.М. Бузник. – Л.:
Судостроение, 1969. – 264 с.
3.
Исаченко, В.П. Теплообмен
при конденсации / В.П. Исаченко – М.: Энергия, 1977. – 240 с
4.
Казанский А.М. Конденсационные устройства / А.М.Казанский – М-Л.: Государственное
объединенное научно-техническое издательство, 1939. – 316 с.
5.
Калинин, Э.К. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер и др. –
М.: Энергоатомиздат, 1998. – 408 с.
6.
Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования / В.К. Мигай – Л.:
Энергоатомиздат.
1987. – 264 с.
7. Михеев, М.А.
Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. М.: Энергия, 1973. – 320 с.
8.
Риферт В.Г. Интенсификация теплообмена при конденсации
хладагентов на вертикальной
трубе / В.Г. Риферт, Г.Г. Леонтьев, С.И. Чаплинский и др. // Холодильная техника. 1976. – № 5. – С. 29–32.
9.
Риферт В.Г. Анализ теплообмена при конденсации пара на вертикальной поверхности с
проволочными интенсификаторами процесса / В.Г. Риферт, Г.Г. Леонтьев // Теплоэнергетика
1976. – № 4. – С. 78–80.
10.
Рябчиков, А.Ю. К обобщению результатов исследования теплоотдачи при конденсации
водяного пара на вертикальных профильных витых трубах / А.Ю. Рябчиков, А.В. Михайлов //
Труды ЦКТИ. 1989. вып. 252 С. 100-110.
11. Слесаренко В.Н. Дистилляционные опреснительные установки / В.Н. Слесаренко. М.: Энергия, 1980. – 248 с.
12.
Справочник по теплообменникам: В 2 т.
Т. 1/ Пер.
с англ.,
под
ред. Б. С. Петухова, В.
К. Шикова. – М.
: Энергоатомиздат, 1987. – 560 с.
13.
Теплообменные аппараты холодильных установок / Г.Н. Данилова, С.Н. Богданов, О.П. Иванов и др.; Под
общ. ред. Г.Н. Даниловой. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. – 303 с.
14.
Теплопередача в двухфазном потоке / под ред. Д. Баттерворса и Г. Хьюита: Пер. с англ. – М.: Энергия, 1980. – 328 с.
15.
Фраас, А. Расчет и конструирование теплообменников / А. Фраас, М. Оцисик. Перев. с англ. –
М.: Атомиздат, 1971
– 358 с.
