ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА

1. Исходная ситуация
2. Альтернативная система
3. Альтернативное противоречие
4. Базовая система
5. Оперативная зона базовой системы
6. Недостатки базовой систем
7. Задача
8. Ресурсы альтернативной системы
9. Портрет ответа
10. Техническое решение
11. Последствия от изменений
    Литература

Простое и эффективное техническое решение, расписанное ниже в качестве учебного примера, было получено еще в 50-е годы прошлого века. Спустя три десятилетия журнал "Химия и жизнь" опубликовал материалы, к которым мы отсылаем всех, кого заинтересует техническая суть дела:

1. Холмская А. О пользе вихрей. Химия и жизнь, № 1, 1982, с. 63-67
2. Возвращение к вихрям. Ответы проф. Дрейцера Г.А. на вопросы читателей. Химия и жизнь, № 9, 1982, с. 15-18
3. Дрейцер Г.А. И снова вихри. Химия и жизнь, № 10, 1986, с. 44-49

Тем же, кому интересна, прежде всего, методика решения изобретательских задач, сообщаем: пример расписан по 11-ти шаговому алгоритму объединения альтернативных систем "образца 1998 года" и приводится здесь практически без корректировки. Имеется версия на английском языке.

1. Исходная ситуация

Труба теплообменника.

При малой скорости потока в гладкой трубе (число Рейнольдса Re < 2300) режим движения жидкости ламинарный, а при высокой скорости (Re > 10000) - турбулентный (фиг. 1).

Фиг. 1. Профили скоростей ламинарного и турбулентного потоков в трубе.

В диапазоне от Re < 2300 до Re > 10000 режим переходный от ламинарного к турбулентному [1]. Во всех случаях, даже когда поток в трубе турбулентный, в узком пристенном слое течение ламинарное (фиг. 2).

Фиг. 2. Схема потока в пристенном слое

• сформулировать главную функцию объекта.

• описать проблемы:
  • отметить недостатки объекта, которые нужно устранить (либо отсутствующие достоинства, которые нужно добавить);

  • отметить достоинства объекта в паре с его недостатками (сформулировать в виде противоречия);

  • указать ограничения на изменения - вообще ничего нельзя менять; менять можно, но только частично; можно менять все и т.д.

Вблизи стенки трубы происходит в основном только молекулярный перенос тепла, поэтому теплопередача затруднена. Скорость потока возле стенки близка к нулю, поэтому труба изнутри постепенно покрывается накипью. Это дополнительно ухудшает теплопередачу (фиг. 3).

Фиг. 3. График изменения температуры между теплоносителем и хладагентом

ПРОТИВОРЕЧИЕ. Гладкие трубы дешевы и технологичны; гидравлическое сопротивление при работе с ламинарным или слабо турбулизованным потоком сравнительно невелико. Однако в пристенном слое при этом затруднен теплоперенос, кроме того, на стенках трубы образуется накипь. Необходимо увеличить коэффициент теплопередачи через стенку трубы и предотвратить образование накипи.

Допускаются такие изменения формы труб и режима их использования, которые не приведут к значительному росту трудоемкости, увеличению затрат на материалы и повышенному расходу энергии при эксплуатации теплообменников.

2. Альтернативная система

Сильная турбулизация потока разрушает пристенный ламинарный слой. За счет этого увеличивается коэффициент теплопередачи и предотвращается отложение накипи на стенке.

Известны многочисленные способы турбулизации потока. Например, используют витые трубы, вставляют в трубы разнообразные статические смесители, выдавливают на поверхности ребра, покрывают стенки резьбой, делают их шероховатыми и т.д. Все эти варианты можно условно рассмотреть как один - дополнительное устройство для сильной турбулизации потока в трубе.

Применение любого устройства для сильной турбулизации потока требует расплаты. Так при увеличении теплопередачи через стенку трубы в 2 - 3 раза гидравлическое сопротивление системы растет в 10 - 12 раз. Кроме того, стоимость теплообменников с модернизированными трубами резко увеличивается.

3. Альтернативное противоречие

Противоречие по типу ТП. Если труба гладкая, а поток в ней ламинарный или слабо турбулизованный, то гидравлическое сопротивление мало, но при этом сильно ухудшен коэффициент теплопередачи, и на стенках откладывается накипь. Если каким-либо способом поток сильно турбулизован, то коэффициент теплопередачи увеличивается в 2 - 3 раза, накипь на стенках не откладывается, но в 10 - 12 раз вырастает гидравлическое сопротивление системы; кроме того, сильно дорожает оборудование.

Противоречие по типу ФП. Труба должна быть гладкой, а поток в ней ламинарным или слабо турбулизованным, чтобы обеспечить низкую стоимость оборудования, малое гидравлическое сопротивление и малые энергозатраты на прокачку жидкости. Труба должна содержать специальные устройства для сильной турбулизации потока, чтобы обеспечить высокий коэффициент теплопередачи и предотвратить образование накипи на стенке.

Краткая формулировка обостренного противоречия. Поток должен быть ламинарным (либо слабо турбулизованным), и поток должен быть сильно турбулизованным.

Разрешать приведенное выше противоречие следует в пространстве: сильно турбулизованным поток должен быть только в тонком пристенном слое. Именно это улучшит теплоперенос и не допустит образования накипи. В остальном объеме трубы поток может быть любым - хоть ламинарным, хоть турбулентным (каким именно - будет определено из расчета теплообменника).

4. Базовая система

В качестве базовой системы выбираем гладкую трубу с ламинарным (либо слабо турбулизованным) основным потоком.

5. Оперативная зона базовой системы

Тонкий слой жидкости непосредственно у стенки трубы.

6. Недостатки базовой систем

Плохой теплоперенос в тонком пристенном ламинарном слое жидкости, так как он осуществляется преимущественно только за счет диффузии.

Оседание накипи на стенку из-за практически нулевой скорости потока у стенки.

7. Задача

Необходимо обеспечить, чтобы труба осталась гладкой, а основной поток в ней ламинарным, либо слабо турбулизованным. В пристенном слое ламинарный поток жидкости должен исчезнуть.

8. Ресурсы альтернативной системы

Сильная турбулизация всего потока обеспечивает хороший теплоперенос в пристенной зоне, а также отсутствие накипи на стенке.

Пристенный ламинарный слой разрушают мощные вихри. Они образуются при закручивании потока в витых трубах и при срыве потока с выступов, впадин, ребер, всевозможных статических смесителей, размещенных на гладких трубах. Эти же вихри предотвращают образование отложений.

Поток постоянно сильно турбулизован во всем объеме - как в центральной зоне, так и в пристенном слое, т.е. является пространственным ресурсом.

9. Портрет ответа

Гладкая труба (обеспечивает низкую стоимость оборудования).

Ламинарный либо слабо турбулизованный основной поток (обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление и малые энергозатраты на перекачку жидкости).

Сильно турбулизованный поток (обеспечивает хорошую теплопередачу, а также удаление накипи); этот ресурс альтернативной системы следует перенести только в оперативную зону базовой - в тонкий пристенный слой жидкости. Организовать вихри в этом слое следует с помощью пристенных турбулизаторов потока.

10. Техническое решение

Турбулизаторы потока в пристенном слое могут быть накатаны прямо на гладкой трубе в виде кольцевых канавок (на внутренней поверхности трубы получатся плавно очерченные выступы).

Высота кольцевых турбулизаторов должна быть равна толщине пристенного ламинарного слоя (примерно 3 - 5% от внутреннего диаметра трубы).

Целенаправленный информационный поиск по теме "Интенсификация теплообмена" позволил найти описание технического решения, дающего нужный эффект [2]. Для большинства случаев рекомендуются следующие размеры турбулизаторов (фиг. 4):
d / D = (0.91 - 0.935), t / D = 0.5, либо t / D = 1.

Фиг. 4. Продольное сечение трубы с поперечными канавками снаружи и выступами внутри

Использование в промышленности. Трубы с накатанными кольцевыми турбулизаторами широко используются в теплообменных аппаратах в разных отраслях промышленности бывшего СССР более 15 лет (по состоянию на 1998 г. - В.Г и М.Б).

Накатывать кольцевые канавки можно на простом оборудовании, стоимость труб при этом увеличивается всего на 2 - 3%.

Накатка на трубах позволяет турбулизовать только пристенный ламинарный слой, поэтому затраты энергии увеличиваются незначительно. Так при росте коэффициента теплопередачи в 2 раза гидравлическое сопротивление увеличивается только в 2.5 раза (при турбулизации всего потока оно вырастает более чем в 10 раз).

В литературе описано использование кольцевых турбулизаторов для эффективного уменьшения отложений в трубах [3].

Для больших труб преимущества усиливаются, так как при увеличении диаметра трубы затраты на турбулизацию всего потока растут пропорционально площади поперечного сечения, а затраты на пристенную турбулизацию - пропорционально только ее периметру.

Решение защищено многочисленными авторскими свидетельствами на изобретения СССР. По этой теме есть много публикаций в литературе.

В 1981 году зарегистрировано открытие "Закономерности изменения теплопередачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потоков при вынужденной конвекции" (диплом № 242).

Практические рекомендации по выбору способа интенсификации, расчетам теплопередачи и гидравлических потерь, в том числе и при солеотложениях на поверхности труб содержатся в книге [2].

11. Последствия от изменений

Это учебный пример, поэтому рекомендации не выполнены.

Литература

1. HEAT EXCHANGERS, Selection, Design & Construction E.A.D. Saunders, B. Sc., C. Eng., M. I. Mech. E. (Longman Scientifiс & Technical).

2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. 3-е изд., перераб. и доп. - Машиностроение, 1990. - 208 с.

3. Дрейцер Г.А., Гомон В.И., Аронов И.З. Сравнительное исследование величины отложений в трубах с кольцевыми турбулизаторами и в гладких трубах кожухотрубчатых аппаратов / Промышленная теплотехника. 1981. Т. 3. № 6. С. 36 - 42.

03 Nov 2012