Теплообменная аппаратура

Рис. 6.2.5.10. Теплообменный аппарат воздушного охлаждения с прямоугольными ребрами

Для процессов кондуктивного  распространения теплоты вдоль  высокотеплопроводных металлических  ребер существенно наличие или  отсутствие контактного сопротивления  в местах присоединения оснований  ребер к наружным поверхностям труб. При сварном соединении (для температур более 400 °С) контактные сопротивления практически отсутствуют, но такой способ соединения при большом числе мелких ребер затруднителен в реализации. При других способах крепления ребер (вальцовка, накатка, горячая посадка и т. п.) контактные сопротивления всегда имеют место, а их численные значения увеличиваются при возрастании разности температур теплоносителей (DT_ср).

Оребренным ТА посвящена  обширная литература [1, 3, 52], в том  числе и справочного характера [3], где рассмотрены многие вопросы  расчета температурных полей  внутри ребер разнообразной конфигурации. Приводятся соответствующие графические  материалы, приведены многочисленные корреляционные формулы для определения  гидравлических сопротивлений и  необходимых теплообменных поверхностей, рассмотрены опытные данные о  возможных контактных сопротивлениях и других типах ребер. Приведены  также современные основополагающие стандарты на оребренные аппараты воздушного охлаждения, анализируются области  их использования, рассмотрены вопросы  прочности и вибро- и шумоустойчивости ТА. Исследуются основные характеристики ТА воздушного охлаждения с помощью  математических моделей процесса и  приводятся примеры конкретных расчетов.

В [59] приведены данные, необходимые для инженерного  расчета аппаратов воздушного охлаждения. Таблицы 6.2.5.7 и 6.2.5.8 дают представление о некоторых параметрах аппаратов типа АВ и серийно изготавливаемых оребренных труб.

Изготавливаемые серийно  трубы имеют наружное оребрение  одного из трех исполнений: монометаллическая (алюминиевая) труба с накатанным винтовым ребром; биметаллическая, состоящая  из внутренней гладкой (стальной или  латунной) трубы и наружной (алюминиевой) трубы с накатанным винтовым ребром; стальная труба с приваренным  ленточным ребром.

Основной характеристикой  трубы является коэффициент оребрения, представляющий собой отношение  площадей наружных поверхностей оребренной F_о и неоребренной F_н труб: . Значения K_ор для различных типов аппаратов приведены в табл. 6.2.5.7. Наибольшее распространение получили трубы с коэффициентами оребрения 9 и 14,6 (табл. 6.2.5.8). Трубы с коэффициентами оребрения 20 и 22 изготавливаются по особому заказу.

Таблица 6.2.5.7

Основные  параметры аппаратов  воздушного охлаждения типа АВ

Таблица 6.2.5.8

Основные  параметры оребренных труб с наружным диаметром 28 мм

Пластинчато-ребристые ТА представляют собой комбинацию пластинчатых и ребристых аппаратов и используются чаще всего в криогенной технике для систем газ—газ или газ—жидкость. Это весьма компактные ТА, в которых спаянные твердым припоем ребристые пластины собираются в пакеты так, что пространство между соседними металлическими пластинами заполнено ребрами, которые предварительно штампуются и изгибаются в соответствии с выбранным профилем [1]. Толщина ребер от 0,1 до 0,25 мм, высота — от 2,5 до 20 мм. На одном сантиметре длины размещаются по 5–8 ребер, что обеспечивает их теплоотдающую поверхность до 1300 м² на 1 м³ объема. Это на порядок больше аналогичной удельной поверхности кожухотрубчатых ТА с наименьшими трубками диаметром 19 мм. Форма ребер разнообразна: треугольные, прямоугольные (с отверстиями для прохождения теплоносителей), волнообразные, жалюзийного типа и другие. В литературе [1] содержатся данные об интенсивности теплообмена и гидравлическом сопротивлении 52 возможных форм ребер. Преимущества и недостатки пластинчато-ребристых и пластинчатых ТА аналогичны, но механическая очистка оребренных теплообменных поверхностей практически невозможна.

Интенсификация  процессов теплообмена (увеличение коэффициентов теплоотдачи a₁ и a₂) проводится, как правило, каким-либо воздействием на пристенный (пограничный) слой теплоносителя в непосредственной близости от теплообменной поверхности. И если на наружной поверхности труб вместо интенсификации теплоотдачи можно установить ребра, то внутри трубок относительно небольшого диаметра ребра устанавливать затруднительно. Вместо ребер внутри трубок могут размещаться различного рода вставки (винтовые, диски, диафрагмы, спирали, кольца, наполнители в виде шаров и т. п.), которые дополнительно турбулизируют поток теплоносителя и возмущают пристенный слой. Наряду со вставками можно искусственно увеличивать шероховатость внутренней поверхности путем нанесения насечек. Возможны пульсации расхода теплоносителя, давления, изменение поперечного сечения канала, закручивание потока и тому подобные внешние воздействия на движущийся поток теплоносителя.

Интенсификация теплообмена  с помощью перечисленных способов, особенно эффективная при низких значениях числа Рейнольдса, может  достигать четырех раз для  теплообмена между жидкофазными теплоносителями и двух раз в  аппаратах воздушного охлаждения [36]. Искусственная шероховатость может  увеличивать коэффициент теплоотдачи  в 3 раза.

Созданы новые вихревые динамические ТА, в которых используются высокие скорости движения теплоносителя, развиваемые непосредственно насосом. Работа такого теплообменника основана на нарушении устойчивости вращающихся потоков в кольцевых каналах [36]. Наружный цилиндр неподвижен, а внутренний, имеющий винтовые ребра, вращается со скоростью от 1000 до 3000 об/мин. Внутренняя поверхность здесь является по существу элементом винтового насоса. Таким образом, два вращающихся потока теплоносителей могут перемещаться противотоком и разделены теплопередающей поверхностью внешнего ротора. Для такого ТА в [36] приведены корреляционные соотношения для определения коэффициентов теплоотдачи в зависимости от критерия Рейнольдса, определяемого с продольной скоростью и эквивалентным диаметром канала, и от специфического комплекса , учитывающего влияние центробежных сил при вращении ротора с угловой скоростью w, его радиуса r и зазора между внутренней и внешней поверхностями Dr.

В компактных, имеющих  теплопередающую поверхность F до 1 м², вихревых теплообменных аппаратах достигнуты весьма высокие значения коэффициентов теплоотдачи: для системы вода—вода до 10 000 и для системы масло—масло до 2000 Вт/(м² × К).

Существенно, что любые  вставки и искусственная шероховатость  в значительной степени увеличивают  гидравлическое сопротивление движущимся потокам теплоносителей. Кроме того, различного рода вставки удорожают  ТА и затрудняют очистку его теплообменных  поверхностей, а вихревые динамические аппараты сложны в несерийном изготовлении и в эксплуатации.

Очень высокой удельной теплопередающей способностью обладают специфические теплообменные устройства, так называемые теплопередающие (тепловые) трубки, которые обеспечивают передаваемую тепловую мощность до 15 кВт/cм² при продольной разности температур порядка всего лишь одного градуса. Принцип действия тепловой трубки основан на интенсивном испарении (в режиме кипения) рабочей жидкости на одном конце трубки (или протяженного герметичного устройства любого другого поперечного сечения), перемещении непрерывно образующихся паров по центральному свободному каналу трубки к другому ее концу и последующей конденсации. Образующийся конденсат под действием капиллярных сил возвращается обратно благодаря мелкопористой структуре, размещаемой обычно вдоль всей внутренней поверхности трубки (рис. 6.2.5.11).

Рис. 6.2.5.11. Тепловая трубка:  
I — испарительный, тепловоспринимающий участок;  
II — транспортный участок; III — конденсационный участок

Собственно теплопередача  с помощью тепловой трубки состоит  в переносе теплоты, отбираемой от какого-либо внешнего теплоносителя испарительным  концом трубки и затрачиваемой на парообразование рабочей жидкости, переносе этой теплоты быстро движущимся (со скоростью, близкой к скорости звука) паром на другой конец трубки, где эта теплота выделяется при  фазовом переходе пар—жидкость (конденсации). Рабочая жидкость, обладающая необходимыми свойствами в зависимости от требуемого внешнего температурного уровня, циркулирует  в герметичной трубке по замкнутому контуру. Для диапазона 200–500 К в тепловых трубках используются под повышенным давлением обычные жидкости, среди которых вода обладает наибольшей теплотой фазового перехода, что существенно для тепловой производительности трубки. При низких температурах (до 200 К) в криогенной технике используются низкокипящие вещества, такие как фреоны, азот, гелий и т. п. В интервале 550–750 К используются расплавы щелочных металлов.

Применяемые в трубках  капиллярные материалы должны, прежде всего, хорошо смачиваться жидкой фазой  рабочего вещества. Здесь используются пакеты металлических сеток, спеченные  пористые материалы, продольные канавки  в самой внутренней стене трубы  и т. п.

Передаваемая тепловыми  трубками тепловая мощность обычно настолько  велика, что фактором, лимитирующим общую скорость теплопередачи от горячего внешнего теплоносителя к  более холодному, часто становятся процессы подвода теплоты к внешней  поверхности испарительного и теплоотвода  от наружной поверхности конденсационного участка трубки. Для интенсификации этих наружных процессов теплообмена  часто используется оребрение наружных поверхностей концов тепловых трубок.

Специфика тепловых трубок состоит в том, что они без  трудностей отводят значительные количества теплоты из локализованного участка  пространства, где эта теплота  выделяется.

Использование тепловых трубок имеет достаточно широкий  спектр, однако относительно их применения в химической промышленности надежных сведений пока не имеется.

Физические процессы кипения, конденсации, перемещения  потока пара, капиллярное движение рабочей жидкости и многие другие аспекты, сопровождающие работу тепловых трубок, освещаются в специальной  литературе [1, 53–55].