2. Методы интенсификации теплообмена

Уменьшение массы и габаритов теплообменных аппаратов является актуальной проблемой. Наиболее перспективный путь решения этой проблемы – интенсификация теплообмена.

Опыт создания и эксплуатации различных тепломассообменных устройств показал, что разработанные к настоящему времени методы интенсификации теплообмена обеспечивают снижение габаритов и металлоемкости (массы) этих устройств в 1.5-2 раза и более по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей.

Теплообмен интенсифицируют следующими способами: повышают скорость теплоносителя, увеличивают радиационную составляющую; при кипении жидкости добиваются увеличением числа центров парообразования, улучшают условия отвода пара; при конденсации пара стремятся уменьшить термическое сопротивление пленки конденсата, повышают скорость движения пара и т.д.

Необходимо отметить, что при выборе на практике того или иного метода интенсификации теплообмена приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и ее универсальность для различных однофазных и двухфазных теплоносителей, технологичность изготовления поверхности, технологичность сборки теплообменного аппарата, прочностные требования, загрязняемость поверхности, особенности эксплуатации и т. д. Все эти обстоятельства существенно снижают возможности выбора одного из многочисленных исследованных методов интенсификации.

К настоящему времени предложены и исследованы разнообразные методы интенсификации конвективного теплообмена. Применительно к течению однофазных теплоносителей используются турбулизаторы потока на поверхности, шероховатые поверхности и поверхности, развитые за счет оребрения, закрутка потока спиральными ребрами, шнековыми устройствами, завихрителями, установленными на входе в канал, подмешивание к потоку жидкости газовых пузырей, а к потоку газа – твердых частиц или капель жидкости, вращение или вибрация поверхности теплообмена, пульсации потока теплоносителя, воздействие на поток электростатических нолей, отсос потока из пограничного слоя, струйные системы. Эффективность этих способов различна, в лучшем случае удается увеличить теплоотдачу в 2-3 раза, но для разных способов интенсификации при существенно различных затратах энергии.

Интенсификация теплообмена при кипении обеспечивает не только рост теплоотдачи при пузырьковом и пленочном кипении, но и увеличение максимального теплового потока при пузырьковом и минимального при пленочном кипении, а также увеличение соответствующих критических температурных напоров, т. е. сдвиг кривой кипения в область более высоких температурных напоров и тепловых потоков.

Необходимо отметить, что возможности интенсификации теплообмена при кипении гораздо большие, чем в однофазных потоках. Так, коэффициент теплообмена при пленочном кипении удается увеличить до 10 раз, а критический тепловой поток – более чем в 3 раза. Наряду с турбулизаторами, закручивающими устройствами, оребрением для интенсификации теплообмена при кипении используют нанесение на поверхность тонких покрытий из низкотеплопроводного или пористого материала, устанавливают неизотермические ребра, используют шероховатые поверхности.

Для интенсификации теплообмена при конденсации предлагают турбулизаторы или ребра, разрушающие пленку конденсата, несмачиваемые покрытия, жидкие стимуляторы для создания капельной конденсации, закрутку потока или вращение поверхности теплообмена. Высокоэффективным часто оказывается применение комбинированных методов интенсификации: комбинирование турбулизаторов с оребрением поверхности или с закруткой потока, использование закручивающих устройств при течении суспензий, при кипении – применение турбулизаторов с низкотеплопроводными покрытиями.

Методы интенсификации конвективного теплообмена, основанные на изменении конструкции теплоотдающей поверхности, разделены в монографии член-корреспондента РАН Назмеева Ю.Г. на три группы: за счет придания потоку жидкости вращательно-поступательного движения; путем разрушения пристенных слоев жидкости; путем применения локальной закрутки потока. Такое разделение позволяет легко сориентироваться в большом количестве разнообразных конструкций интенсификаторов.

Однако чтобы определить место и эффективность локальной закрутки потока среди других распространенных методов интенсификации проводится сравнительный анализ эффективности этих методов.

Интенсификация теплообмена применительно к ламинарному течению вязкой жидкости мало исследована.

Основными конструкциями этого вида интенсификации являются: лопаточные, ленточные и шнековые закручиватели, устройства для закрутки потока путем тангенциального подвода жидкости в трубу.

Лопаточные интенсификаторы представляют собой осевой направляющий аппарат, в котором потоку сообщается закрутка. Лопатки могут иметь различную конструкцию в зависимости от длины, формы и угла поворота относительно продольной оси трубы. В зависимости от этих параметров меняется и закон закрутки потока.

Рассмотрим лопаточные закручиватели, оси лопаток которых перпендикулярны оси цилиндрического канала и аксиально- тангенциальный лопаточный аппарат, оси лопаток которого образуют с осью канала острый угол. Аксиально-лопаточный закручиватель бывает с профилированными и плоскими лопатками, а также с центральным телом и без него. Разновидности закручивателей шнекового типа обычно используются при необходимости создать закрутку потока с углом больше 45^о. Местную закрутку потока можно осуществлять с помощью винтовой вставки в форме скрученной ленты, размещенной в начальном участке трубы. Из технологических соображений этот вид закручивателя используют для создания закрутки потока с углом меньше 45^о. Разновидности устройств для тангенциального подвода теплоносителя имеют каналы круглой или прямоугольной формы поперечного сечения, а их число обычно не превышает 4. Улиточный закручиватель имеет, как правило, только один подвод. В некоторых технических устройствах используется частичная закрутка потока.

В последнее время разработаны интенсификаторы в виде пластинчато-ребристых насадок и перфорированных шайб, используемых в высокоэффективных масляных охладителях. Интенсификация ламинарного вязкого потока может происходить при помощи поперечной дискретной шероховатости, нанесенной на каналы.

В переходной области перед входом в каналы устанавливают решетки, шайбы и другие устройства, повышающие турбулентность потока.

Искусственно прерывают развивающийся ламинарный или турбулентный пограничный слой во входных участках каналов или ламинарный подслой в переходных и турбулентных областях, применяя короткие трубы и каналы, плоская прерывистая и жалюзийное, проволочное или стерженьковое оребрение, диффузорно-конфузорные трубы и каналы, трубы с шайбовым и поперечно-спиральным внутренним оребрением и другие поверхности с искусственной дискретной шероховатостью.

Оребрение не ведет к интенсификации теплообмена, если протяженность ребер в направлении потока больше, чем протяженность оребряемой стенки. [2].