Интенсификации теплопередачи в трубчатом теплообменнике

В теплоэнергетике широко распространены трубчатые теплообменники, они просты и надёжны в конструкции. Проводилось исследование по устранению недостатков данных установок, низкой поверхности теплопередачи и коэффициента теплоотдачи, внесением изменений в конструкцию изменений.

Интенсификация теплоотдачи при внесении сетчатого и спирального турбулизатора (рис. 3.3) привела к увеличению интенсивности перемешивания горячего теплоносителя в трубном пространстве и, вследствие этого, снижению толщины пограничного теплового слоя. Спиральный турбулизатор даёт более высокие значения коэффициентов теплоотдачи по сравнению с сетчатым турбулизатором, поскольку он расположен непосредственно вблизи теплопередающей стенки, что даёт более эффективное перемешивание жидкости в пристеночном слое, в то время как сетчатый турбулизатор равномерно распределён по всему объёму трубного пространства, обеспечивая более интенсивное перемешивание в центре потока. Некоторый вклад в рост теплового потока вносит также увеличение площади теплопередачи, поскольку турбулизаторы находятся в непосредственном контакте с теплообменной поверхностью.

Рис. 3.2 – 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

Анализ зависимости экспериментально определённого критерия Нуссельта Nu от критерия Рейнольдса Re для исследованных турбулизаторов показал, что в пределах точности эксперимента число Nu примерно 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 Re, а зависит только от наличия турбулизатора. Для исследованных турбулизаторов при 10000 < Re < 25000 получены следующие эмпирические зависимости (3.21), (3.22) в пределах погрешности 5 %:

спиральный турбулизатор: =1,84 (3.21)

сетчатый турбулизатор: =1,48 (3.22)

Эмпирические зависимости (3.21) и (3.22) рекомендуется использовать при проектировании промышленных теплообменников.

На последующем этапе работы экспериментально изучено влияние псевдоожиженного слоя сферических металлических частиц, расположенного в трубном пространстве, на теплоотдачу в вертикальном теплообменнике типа «труба в трубе». В первую очередь на лабораторной установке (рис. 3.4) рассматривались гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя сферических металлических частиц в восходящем потоке воды. Главным элементом установки (рис. 3.4) является вертикальная трубка (8), выполненная из стекла для визуализации 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.

Рис. 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

Методика гидродинамических экспериментов состояла 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 псевдоожиженного слоя. В ходе экспериментов фиксировалась 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.

Параметры металлических сферических частиц, использованных в экспериментах, приведены в таблице. 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.

Таблица 3.1 – Параметры металлических частиц

Результаты гидродинамических экспериментов представлены на рис. 3.5

Рис. 3.5 – 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

Рис. 3.5 показал, что зависимость высоты псевдоожиженного слоя от расхода жидкости определяется видом сферических частиц. Установлено, что скорость уноса частиц из алюминия диаметром 0,002 м составляет 0,20 м/с, частиц из свинца диаметром 0,002 м – 0,86 м/с, частиц из свинца диаметром 0,003 м – 0,98 м/с, а стальных частиц диаметром 0,045 м – 0,88 м/с. Алюминиевые сферические частицы уносятся потоком из трубки при малых скоростях жидкости, поэтому было принято заключение, что данный вид металлических частиц нецелесообразно использовать для дальнейших исследований.

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.

Визуально также установлено, что наиболее эффективное перемешивание в псевдоожиженном слое достигается при использовании сферических частиц из свинца диаметром 0,002 м. Причём для данных частиц наилучшее перемешивание достигается при 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.

Каждая частица при вращении создаёт вокруг себя область вихрей, которые способствуют частому соударению и отталкиванию частиц друг от друга, что обеспечивает интенсивное перемешивание жидкости.

На основе результатов гидродинамических экспериментов для исследования интенсификации теплопередачи были выбраны 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 рис. 3.3.

С учётом результатов гидродинамических экспериментов с целью интенсификации теплоотдачи по высоте внутренней трубы теплообменника расположили три слоя сферических частиц, разделённых сетками.

Всего во внутренней трубе было установлено четыре сетки: на входе в трубу, на выходе из трубы и две сетки по высоте внутренней трубы. Расстояние между соседними сетками одинаковое и составляет 0,583 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 (3.22), (3.23) на основе результатов измерений. Результаты экспериментов представлены на рис. 3.6. Видно, что 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 (3.21) и общепринятому уравнению, предназначенному для описания теплоотдачи в вертикальной охлаждаемой теплообменной трубе:

при Re >10000, (3.23)

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

Рис. 3.6 – Зависимость критерия Nu от критерия Re:

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

3 – внутренняя труба с сетками и слоями частиц

Установлено, что отклонение результатов экспериментов для теплообменной трубы без сеток и сферических частиц от результатов расчёта по уравнениям (3.22), (3.7) не превышает 8 %. Погрешность 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 также увеличение площади теплопередачи, в качестве которой выступает поверхность сферических частиц, поглощающих теплоту горячего теплоносителя и передающих её стенке трубы.

Анализ зависимости экспериментально определённого критерия Nu от критерия Re в псевдоожиженном слое показал, что в пределах точности эксперимента число Nu 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 (3.24)

Уравнение (8) примененимо при разработке теплообменных трубчатых устройств.

Показано, что наилучшие гидродинамические условия для интенсификации теплоотдачи достигаются в псевдоожиженном слое из свинцовых сферических частиц диаметром d = 0,002 м. Установлено, что в вертикальной теплообменной трубе в диапазоне 5000 < Re < 15000 при использовании псевдоожиженного слоя свинцовых сферических частиц (d = 0,002 м) критерий Nu увеличивается в среднем в 1,19 раза [7].