Что нужно знать о промышленных теплообменниках?

Интенсификация теплообмена в теплообменных устройствах имеет большое народнохозяйственное значение. Практически во всех областях народного хозяйства СССР применяются различ­ного рода теплообменники, на создание которых расходуется зна­чительная доля металла, добываемого в стране. Как известно, теплообменники применяются в паросиловых и газотурбинных установках, установках АЭС, технологических аппаратах хими­ческих производств, системах кондиционирования воздуха, ото­пительных системах, холодильных установках, транспортных си­ловых установках и т. д.

В результате интенсификации процессов теплообмена можно добиться существенного уменьшения массы и габаритов таких аппаратов при заданном тепловом потоке, гидравлических поте­рях, расходе и температурах теплоносителя. Примерами таких устройств являются котельные газотурбинные воздухоподогре­ватели, конденсаторы, всевозможные подогреватели, охладите­ли и т. п.

В ряде случаев задачей является получение заданного темпе­ратурного уровня поверхности теплообмена при фиксированных режимных и конструктивных характеристиках. Эта задача ре­шается также методами интенсификации теплообмена. Приме­рами таких устройств являются элементы атомного реактора и систем охлаждения.

Наиболее низкий теплообмен наблюдается в газовых тепло­обменниках (число Прандтля Рr=1), и интенсификация тепло­обмена в таких аппаратах является особо важной задачей.

• Как правило, за исключением теплообмена в излучающих и погло­щающих газовых потоках, тепловой поток в каналах определяет­ся конвективной составляющей, но и в упомянутом случае роль конвекции велика.

Стремление к минимальной поверхности теплообмена в еди­нице объема теплообменника ограничивается требованиями тех­нологичности, надежности и удобства эксплуатации, что опреде­ляет для конструктора некоторое компромиссное решение. Ра­циональный выбор типа и формы поверхности теплообмена яв­ляется основой создания теплообменника. Обычно применяемые способы увеличения теплосъема с поверхности теплообмена путем повышения скорости теплоносителей, а также создания оребрения в ряде случаев оказываются малоэффективными.

Отношение  теплосъема   к  мощности,  потребной  на  преодо­ление сопротивления. q/N с ростом скорости w падает (в связи с тем, что q~w, а N~w*3), и увеличение теплосъема за счет уве­личения скорости энергетически с этих полиции нерационально. Однако, с другой стороны, конструирование теплообменников, рассчитанных на режим малых скоростей, приводит к увеличе­нию поверхностей теплообменников и их габаритов, а следова­тельно, стоимости. Указанные факторы  обусловливают некото­рый оптимальный уровень режимных параметров теплообменни­ка. Отметим также, что увеличение скоростей приводит к росту потерь в подводящих   элементах    (трубопроводы,   патрубки и т. д.), а также к снижению эффективности оребрения (снижение коэффициента Ф). Указанные ограничения в применении обыч­ных методов повышения теплосъема требуют изыскания новых методов   интенсификации   теплообмена.    Повышение эффектив­ности теплообменников — это   комплексная   проблема,  охваты­вающая вопросы изыскания оптимального  соотношения   между теплообменом и потерями на сопротивление, вопросы экономи­ческого обоснования оптимальности выбора характеристик теплообменного устройства, вопросы удовлетворения технологичес­ким и производственным требованиям.

• Важнейшим элементом указанной проблемы являются теплофизические изыскания оптимального соотношения между теплосъемом и потерями на сопротивление при обеспечении высокого уровня теплообмена. Остальные задачи носят более конкретный характер и должны решаться применительно к типу теплообменного устройства (теплообменника).

Область применения интенсификации теплообмена весьма широка: в теплообменниках турбокотлоагрегатов (парогенерирующие трубы, воздухоподогреватели, экономайзеры, перегреватели, конденсаторы), в элементах теплообменных устройств АЭС, в теплообменниках систем охлаждения радио­электронной, ракетной, оборонной техники, в теплообменниках химической и пищевой промышленности, в теплообменных уст­ройствах систем кондиционирования и т. д.

• Эффективным методом интенсификации теплообмена являет­ся применение прерывистых поверхностей, использующих эф­фект обновления и турбулизации пограничного слоя. Закрутка потока в каналах также повышает теплосъем.

В  ряде промышленных теплообменников приходится иметь дело с загрязненными, запыленными потоками теплоносителей. Часто загрязнение и коррозия поверхности теплообмена ликвиди­рует выигрыш в теплосъеме, полученный за счет усложнения конструкции. Фактор борьбы с загрязнениями становится решаю­щим, например, для газовой стороны котельного теплообменного оборудования. Образование отложений во многих случаях обус­ловливается аэродинамическими факторами (наличие вихревых зон, зон с малыми скоростями и т. д.). Поэтому изучение аэро­динамики даже в «чистых» условиях помогает разработке меро­приятий для борьбы с загрязнениями и позволяет прогнозиро­вать возможные области отложений. В конечном итоге решаю­щим остается исследование в загрязненном потоке.

Применение каналов очень малого диаметра (порядка мил­лиметра) в теплообменниках приведет к появлению ламинарного режима течения. Интенсификация теплообмена в этом случае имеет ряд особенностей.