Эффективный теплообмен. Витые трубы.

Психология и физиология восприятия информации

Пожалуй, нет такой отрасли промышленности, где бы не работали теплообменники. В этих аппаратах - важных звеньях различных технологических процессов - происходит передача тепла от горячей среды к холодной через разделяющую их стенку. Достаточно сказать, что на предприятиях пищевой промышленности теплообменники составляют 15-18 процентов от массы всего оборудования, а на химических и нефтеперерабатывающих заводах- до 30 и 40 процентов соответственно. Велика роль теппообменных аппаратов и устройств в энергетике, криогенной и холодильной технике. При изготовлении современных холодильных установок до 70-80 процентов металла расходуется на теплообменники. Важную роль играют они в обеспечении нормальной работы различных видов транспорта. Так, ыа самолете теплообменники служат основными элементами в системах кондиционирования воздуха, подогрева топлива, охлаждения масла, в противообледенительных и других устройствах. Радиатор автомобиля - это тоже теплообменник. Немыслим и наш быт без теплообменных аппаратов. Они - основа холодильников, кондиционеров, систем отопления.

Конструкция теплообменников весьма разнообразна. Она зависит от условий эксплуатации, требований, предъявляемых к их прочности, компактности, эффективности, надежности, а также технологичности изготовления.

Самый распространенный тип теплообменников- трубчатый. Он отличается простотой конструкции и надежностью в работе и именно поэтому нашел такое широкое применение в народном хозяйстве. В нем один из теплоносителей (жидкий или газообразный) течет внутри труб, а другой- в межтрубном пространстве; передача тепла происходит через стенки труб. Их делают из достаточно теплопроводного материала (например, латуни или стали). Толщину стенки трубы выбирают минимальной, учитывая при этом ее прочность, возможность изготовления и надежность в эксплуатации. Принимают во внимание, конечно, и агрессивность циркулирующих сред, уровень рабочих температур.

Теплообменник наиболее эффективно работает, когда происходит продольное обтекание труб, причем в направлении, противоположном направлению течения, скажем, жидкости внутри них. Однако в ряде случаев, чтобы снизить гидравлическое сопротивление движению среды в межтрубном пространстве или из условий компоновки, применяют поперечное обтекание.

Теплообменник

Ежегодно производится очень много теп-лообменных аппаратов с продольным и поперечным обтеканием круглых труб. На их изготовление расходуется большое количество таких дефицитных материалов, как нержавеющая сталь и латунь. Ясно, какое значение для экономии металла и производственных площадей имеет снижение габаритов теплообменников и их массы.

Казалось бы, решить эту проблему проще всего, повышая скорость движения теплоносителя. Но это невыгодно, так как в этом случае пришлось бы существенно увеличить и затраты энергии на работу насосов, компрессоров.

Конечно, рационален такой метод интенсификации теплообмена, при котором объем и массу аппарата удается уменьшить, а его производительность и мощность, необходимую для прокачки теплоносителей, сохранить неизменными.

Наиболее перспективный путь решения этой задачи - искусственная турбулизация потока, то есть интенсивное перемешивание движущейся жидкости, что позволяет повысить эффективность обмена тепла между средами. С этой целью применяют различные способы закрутки потока теплоносителя, вызывают его пульсацию, делают трубы ребристыми.

Теплообменник

Было сделано открытие, которое послужило научной основой конструирования высокоэффективных теплообменных поверхностей. Суть его вкратце такова. С увеличением турбулентности потока теплоносителя растет не только теплоотдача, но и гидравлическое сопротивление его движению. Но оказывается, можно так подобрать геометрию устройства, с помощью которого добиваются повышения турбулентности потока, что рост теплоотдачи будет опережать неминуемое увеличение гидравлических потерь.

Дальнейшие исследования привели к разработке теплообменников с витыми трубами.

Реализация идеи повышения эффективности теплообмена с помощью вихрей, создаваемых витыми трубами, несмотря на кажущуюся простоту конструкции, потребовала большого объема исследований. Надо было прежде всего выбрать оптимальное соотношение между шагом (S) закрутки трубы и максимальным размером (D) ее сечения (см. цветную вкладку). Для этого изучались структура потока, закономерности процесса теплообмена, гидравлические характеристики и особенности перемешивания теплоносителя. Использовали различную высокочувствительную измерительную технику, автоматизированную систему регистрации, сбора и обработки информации. Были предложены физически обоснованные модели течения среды в пучках витых труб и разработаны методы определения скоростей и температур, теплообмена и гидравлического сопротивления.

Наиболее важным для конструирования теплообменников выводом, сделанным на основании этих работ, явилось установление оптимального шага закрутки витой трубы. Оказалось, что он должен быть в 6-12 раз больше ее диаметра.

При продольном обтекании (1) витой трубы образуется вихрь, подобный смерчу, мощность которого растет с уменьшением шага закрутки трубы. Кроме того, поперечное перемешивание потока и интенсивность теплообмена тем выше, чем сильнее взаимодействие вихрей. А оно максимально, если трубы соприкасаются. Плотная упаковка труб попутно решила и другую задачу - обеспечила вибропрочность аппарата.

В аппарате новой конструкции перемешивание потока в межтрубном пространстве раз в десять интенсивнее, чем в теплообменнике с круглыми трубами.

В случае продольного обтекания труб не имеет значения, как они повернуты друг относительно друга в пучке. В любом случае каждая труба будет соприкасаться со всеми соседними, и при этом проходное сечение, то есть пространство для движения теплоносителя, сохраняется постоянным.

Иначе обстоит дело, если поток движется не вдоль труб, а поперек (2). Тогда существует только один оптимальный вариант расположения труб в пучке (см. фотографию на вкладке внизу), при котором сохраняется максимальная плотность упаковки труб и в каждом поперечном ряду образуются щелезые каналы для прохождения теплоносителя. При такой геометрии пучка труб поток не только движется в поперечном направлении, но и как бы по спиралям вокруг витых труб. Это существенно снижает неравномерность теплоотдачи, которая весьма резко проявляется при поперечном обтекании гладких труб (это иллюстрирует график на цветной вкладке).

В ряде случаев возникает необходимость одновременного нагревания или охлаждения двух различных сред. Для этой цели удобно использовать теплообменный аппарат с перекрестным расположением соседних рядов витых труб под углом 90°. Интенсивное перемешивание здесь - результат поворотов вихрей при переходах потока от одного ряда труб к другому. Поэтому и теплообмен выше, чем в аппарате предыдущей конструкции. Характерно, что гидравлическое сопротивление потоку при перекрестном расположении труб даже несколько ниже. Этот на первый взгляд парадоксальный факт объясняется тем, что в таком аппарате уменьшается доля объема, занятого трубами, и соответственно увеличивается пространство, в котором движется теплоноситель.

При замене круглых труб витыми достигается интенсификация теплообмена и внутри труб (на вкладке показано, что наряду с осевой скоростью появляется тангенциальная составляющая - эпюра скоростей вверху справа), и в межтрубном пространстве. Это позволяет на 25-50 процентов снизить массу и объем аппарата при той же тепловой мощности и тех же затратах энергии на прокачку теплоносителей.

Теплообменники с витыми трубами могут использоваться в химической, металлургической и пищевой промышленности, энергетике, в криогенной и холодильной технике и других отраслях народного хозяйства. Особенно эффективны они в системах очистки сточных вод и газовых выбросов в атмосферу, где такие аппараты служат для охлаждения горячих загрязненных сред перед подачей их на фильтры. Здесь можно получить большой экономический эффект за счет сокращения расхода металла на производство теплообменных аппаратов и уменьшения потребных для их размещения производственных площадей.

Важно отметить, что замена круглых труб на витые не усложняет производство теплообменников, так как изготовлениё витых труб осуществляется за одну операцию - протягиванием круглых труб через фильеру. Такие трубы уже выпускаются.

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно

https://evtan.ru полив и орошение купить автоматический полив огорода купить.

https://printb.ru изготовление наклеек за 60 секунд печать наклеек срочно.