Интенсификация теплопередачи

В трубчатом теплообменнике

 

Трубчатые теплообменники довольно распространённые в теплоэнергетике, они просты и надёжны в конструкции. Трубчатые теплообменники изучались с целью устранения малой поверхности теплопередачи и низкого коэффициента теплоотдачи путём внесения улучшений в конструкцию [2].

Интенсификация теплоотдачи при внесении сетчатого и спирального турбулизатора (рисунок 2.3) привела к увеличению интенсивности перемешивания горячего теплоносителя в трубном пространстве и, вследствие этого, снижению толщины пограничного теплового слоя.

Спиральный турбулизатор даёт более высокий коэффициент теплоотдачи в отличии варианта с сетчатым турбулизатором, поскольку расположен вплотную к теплопередающей стенке. Это даёт более эффективное перемешивание жидкости в пристеночном слое, в то время как сетчатый турбулизатор равномерно распределён по всему объёму трубного пространства, обеспечивая сильное перемешивание в центре потока.

Рисунок 2.3 – Лабораторный горизонтальный теплообменник типа «труба в трубе»:

1 – внешняя труба, 2 – теплообменная труба, 3 – патрубок для входа холодной воды, 4 – патрубок для выхода холодной воды, 5 – входной патрубок для горячей воды,

6 – спиральный турбулизатор

Особый вклад в рост теплового потока к стенкам туб вносит увеличение площади теплопередачи, поскольку турбулизаторы находятся в непосредственном контакте с теплообменной поверхностью.

Результат анализа зависимости [2] экспериментально найденного критерия Нуссельта Nu от критерия Рейнольдса Re для исследованных турбулизаторов показал, что в пределах точности эксперимента число Нуссельта пропорционально Re^0,8. Таким образом, при использовании спирального и сетчатого турбулизаторов для критерия Re в диапазоне 10000 < Re < 25000 отношение Nu/Nu₀ не зависит от критерия Рейнольдса, а зависит только от наличия турбулизатора. Для исследованных турбулизаторов при 10000 < Re < 25000 выведены следующие эмпирические зависимости (2.20), (2.21) в пределах погрешности 5 %:

спиральный турбулизатор:  =1,84                                         (2.20)

сетчатый турбулизатор:  =1,48                                             (2.21)

Эмпирические зависимости (2.20) и (2.21) рекомендуется использовать при проектировании промышленных теплообменников.

Проводился эксперимент по влиянию кипящего слоя из сферических металлических частиц, размещённого в трубном пространстве, на коэффициент теплоотдачи в вертикальном теплообменнике типа «труба в трубе». В первую очередь на лабораторной установке (рисунок 2.4) оценивались гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя твёрдых частиц в восходящем потоке воды. Главным элементом установки стеклянная вертикальная  трубка (8) для визуализации процессов псевдоожиженного слоя и возможности видеосъёмки. Длина стеклянной трубки 950 мм, внутренний диаметр трубки 13 мм. В штуцерах (6) и (9) на входе и выходе из стеклянной трубки (8) установлены металлические сетки (7) с размером ячейки сетки 1,2 мм для удержания в трубке псевдоожиженного слоя.

Рисунок 2.4–Схема лабораторной установки для гидродинамическихисследований:

1 - ёмкость, 2 - вентиль для регулирования расхода воды, 3 - шланг,

4 - стальные штуцеры, 5 - ротаметр, 6, 9 - фторопластовые штуцеры,

7 - сетки для удержания металлических сферических частиц в стеклянной трубке,

8 - вертикальная стеклянная трубка, 10 - слив воды, 11 - насос

 

Гидродинамические эксперименты состояли в следующем. Вода с температурой 20 ºС подаётся из ёмкости (1) насосом (11) через вентиль (2) и через ротаметр (5) в вертикальную стеклянную трубку (8). Вертикальный поток воды приводит слой сферических частиц в хаотичное движение, выходит из трубки (8) и поступает в слив (10). Чем больше расход воды, тем выше высота ожиженного слоя. В ходе экспериментов отмечалась высота псевдоожиженного слоя при данном значении скорости жидкости, фиксировалась скорость уноса частиц и визуально оценивалась эффективность перемешивания частиц в слое. Значения параметров записывались в лабораторный журнал только после выхода установки на установившийся режим псевдоожижения [2].

 

Таблица 2.1 – Параметры металлических частиц

Металл	Плотность металла, кг/м^3	Диаметр сферической частицы, м	Порозность, м^3/м^3	Насыпная плотность, кг/м^3
Алюминий	2700	0,002	0,4	790
Свинец	11340	0,002	0,4	6845
Свинец	11340	0,003	0,44	6580
Сталь	7800	0,045	0,46	4540

 

Параметры металлических сферических частиц, использованных в экспериментах, приведены в таблице 2.1. Начальная высота слоя неподвижных сферических частиц на нижней сетке во всех экспериментах составляла 0,06 м. В ходе экспериментов расход воды ступенчато менялся в диапазоне от 0,024 до 0,470 м³/ч.

Результаты гидродинамических экспериментов представлены на рисунке 2.5:

Рисунок 2.5 – Зависимость высоты псевдоожиженного слоя сферических

металлических частиц от скорости жидкости:

1 – алюминиевые частицы, d = 0,002 м, 2 – свинцовые частицы, d = 0,002 м,

3 – свинцовые частицы, d = 0,003 м, 4 – стальные частицы, d = 0,0045 м

Рисунок 2.5 показал, что зависимость высоты кипящего слоя от расхода жидкости определяется видом сферических частиц. Зафиксировано, что скорость уноса алюминиевых частиц диаметром 0,002 м составляет 0,2 м/с, свинцовых шариков диаметром 0,002 м – 0,86 м/с, свинцовых зёрен диаметром 0,003 м – 0,98 м/с, а стальных частиц диаметром 0,045 м – 0,88 м/с. Алюминиевые частицы уносятся потоком из трубки при малых скоростях жидкости, поэтому было принято заключение, что данный вид металлических частиц нецелесообразно использовать для дальнейших исследований [2].

Визуально установлено, что в исследованном диапазоне скоростей жидкости в слое свинцовых сферических частиц с диаметром 0,003 м и в слое стальных частиц с диаметром 0,045 м перемешивание было малоинтенсивным и нестабильным, что выражалось в доминировании поршневого режима псевдоожижения.

Также было установлено, что наиболее эффективное перемешивание в псевдоожиженном слое достигается при использовании частиц из свинца диаметром 0,002 м. Наилучшее перемешивание для данных частиц достигается на высоте псевдоожиженного слоя 500-600 мм

Анализ видеоматериалов также показал, что сферические частицы из свинца диаметром 0,002 м в псевдоожиженном слое приобретают хаотичное вращательно-поступательные движение, причём ось вращения каждой частицы параллельна оси трубы.

При перемешивании сферические частицы образуют вокруг себя область завихрений, способствующие частому соударению и отталкиванию частиц друг от друга, что обеспечивает активное перемешивание среды.

На основе результатов гидродинамических экспериментов для изучения усиления теплопередачи выбор пал на свинцовые сферические частицы с диаметром 0,002 мм.

Эксперименты по определению зависимости критерия Nu от критерия Re в вертикальном теплообменнике «труба в трубе» с использованием псевдоожиженного слоя сферических свинцовых частиц диаметром 0,002 м проводились на той же лабораторной установке, что и эксперименты с турбулизаторами, изображённой на рисунке 2.3 [2].

Благодаря проведённым гидродинамическим экспериментам с целью интенсификации теплоотдачи по всей высоте внутренней трубы теплообменника расположили сферические частиц в три слоя и разделили их сетками.

Во внутреннюю трубу установили четыре сетки: на входе в трубу и  выходе из трубы по одной сетке и две сетки по высоте внутренней трубы. Расстояние между соседними сетками составляет 0,582 м.

Для установки сеток внутри трубы были изготовлены специальные втулки с резиновыми кольцами. Схема работы ТО – противоток.

Проведено три серии экспериментов:

1. с трубным пространством без сеток.

2. с установленными в трубном пространстве сетками в количестве 4 шт.

3. с установленными в трубном пространстве сетками в количестве 4 шт., со слоями сферических свинцовых частиц (d = 0,002 м) на нижних трёх сетках. Насыпная высота каждого слоя 0,06 м.

В ходе экспериментов расход холодной воды в межтрубном пространстве не изменялся и составлял 0,535 м³/ч, а расход горячей воды в трубном пространстве менялся в диапазоне от 0,079 до 0,350 м³/ч. Температура горячей воды на входе в трубное пространство составляла 64,1 °С, температура холодной воды на входе в межтрубное пространство равнялась 7,6 °С.

Коэффициенты теплоотдачи и критерий Nu рассчитывались с использованием уравнений (2.20), (2.21) на основе результатов измерений. Результаты экспериментов представлены на рисунке 2.6. Во всех сериях экспериментов критерий Nu возрастал с увеличением критерия Re.

Выполнено сравнение результатов экспериментов без сеток и сферических частиц с результатами расчёта по уравнению (2.20) и общепринятому уравнению, предназначенному для описания теплоотдачи в вертикальной охлаждаемой теплообменной трубе:

                   при Re >10000,       (2.22)

где Re – критерий Рейнольдса; Pr – критерий Прандтля в основном потоке жидкости; Pr_ст – динамический коэффициент вязкости вблизи стенки; Nu₀ – расчётный критерий Нуссельта [2].

 

Рисунок 2.6  – Зависимость критерия Nu от критерия Re:

1 – внутренняя труба без сеток, 2 – внутренняя труба с сетками,

3 – внутренняя труба с сетками и слоями частиц

 

Погрешность результатов экспериментов для теплообменной трубы без сеток и сферических частиц от результатов расчёта по уравнениям (2.21), (2.20) не превышает 8 %. Отклонения измерения коэффициента теплоотдачи с использованием псевдоожиженного слоя сферических частиц составляет не более 10 %.

Увеличение коэффициента теплоотдачи с применением псевдоожиженного слоя происходит за счёт интенсификации перемешивания горячего теплоносителя в трубном пространстве с помощью хаотично движущихся вращающихся металлических сферических частиц, а также за счёт улучшения передачи теплоты от горячего потока к стенке трубы в результате многочисленных соударений частиц со стенкой трубы теплообменника.

При этом определённый вклад в рост теплового потока вносит увеличение площади теплопередачи, в качестве которой выступает поверхность сферических частиц, поглощающих теплоту горячего теплоносителя и передающих её стенке трубы.

Анализ зависимости экспериментально определённого критерия Нуссельта от критерия Рейнольдса в кипящем слое показал, что в пределах точности эксперимента число Нуссельта пропорционально Re^0,75. Из этого следует, что при использовании псевдоожиженного слоя сферических свинцовых частиц для критерия Re в диапазоне 5000 < Re < 15000 отношение  не зависит от критерия Re. Для псевдоожиженного слоя сферических свинцовых частиц d = 0,002 м при 5000 < Re < 15000 получена следующая эмпирическая зависимость в пределах погрешности ±6 %:

                                      1,19,                                   (2.23)

Наилучшие гидродинамические условия для интенсификации тепловых процессов были достигнуты в псевдоожиженном слое из свинцовых сферических частиц диаметром d = 0,002 м. В вертикальной теплообменной трубе в диапазоне 5000 < Re < 15000, используя псевдоожижение свинцовых сферических частиц (d = 0,002 м) критерий Нуссельта увеличивается в среднем в 1,19 раза [2].

 

Интенсификация теплообмена