Интенсификация теплообмена в теплообменниках

Интенсификация теплообмена

Интенсификация теплообмена — это процесс улучшения теплопередачи между двумя или несколькими потоками теплоносителей. Основная цель интенсификации заключается в увеличении коэффициента теплопередачи и/или уменьшении размеров теплообменника при сохранении его общей эффективности.

Влияющие факторы

Для достижения оптимальных результатов в теплообмене необходимо учитывать несколько ключевых факторов, которые напрямую влияют на его эффективность. Рассмотрим основные из них.

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи — это величина, которая характеризует способность материала или системы передавать тепло от одного объекта (или потока) к другому. Чем выше коэффициент теплопередачи, тем эффективнее проходит процесс теплообмена.

• Факторы, влияющие на теплопередачу:
  • Тип теплообменной среды (жидкость, газ, пар).
  • Скорость потока: при увеличении скорости потока теплоносителя, как правило, повышается коэффициент теплопередачи, особенно если поток становится турбулентным.
  • Температурный градиент: разница температур между теплоносителями напрямую влияет на интенсивность теплопередачи.
  • Состояние потока (ламинарный или турбулентный): в турбулентных потоках микросмешивание улучшает теплообмен.

Пример:

Если поток жидкости становится турбулентным, а не ламинарным, то в этом случае теплообмен происходит быстрее.

Площадь теплообмена

Площадь поверхности теплообмена — один из важнейших факторов, влияющих на эффективность теплообмена. Увеличение площади теплообменной поверхности непосредственно увеличивает количество передаваемого тепла, поскольку тепло передается от одной поверхности к другой.

Как увеличивается площадь:

• • Использование ребристых трубок: ребра увеличивают внешнюю поверхность труб и способствуют дополнительному теплообмену.
  • Использование многократных контактов: многократный контакт жидкости с теплообменной поверхностью (например, в многоступенчатых теплообменниках) способствует большему количеству теплопередачи.
  • Использование пористых материалов: такие материалы имеют значительную площадь поверхности, которая активно участвует в теплообмене.

Температурный градиент

Температурный градиент — это разница температур между двумя теплоносителями, которая прямо пропорциональна интенсивности теплообмена. Чем выше температурный градиент, тем быстрее происходит передача тепла.

• Как влияет температурный градиент:
  • Большая разница температур способствует более интенсивному теплообмену, однако слишком высокая разница может привести к термическим повреждениям материалов или снижению эффективности.
  • При малом температурном градиенте теплообмен замедляется, что требует либо увеличения площади теплообмена, либо увеличения скорости потока.

Скорость потока и режим потока (ламинированный или турбулентный)

Скорость потока оказывает значительное влияние на эффективность теплообмена. Вода или газ с высокой скоростью обладают большей способностью передавать тепло. Важно также учитывать режим потока, так как ламинарный поток (когда жидкость или газ движется слоями) значительно менее эффективен для теплообмена по сравнению с турбулентным потоком (когда потоки перемешиваются).

Режимы потока:

• • Ламинарный поток (Re < 2000): жидкости движутся слоями, теплообмен ограничен.
  • Турбулентный поток (Re > 4000): создаются вихри, что увеличивает микросмешивание и интенсивность теплообмена.
  • Переходный режим (Re между 2000 и 4000): смесь ламинарных и турбулентных потоков, эффективность теплообмена возрастает, но не так сильно, как в чисто турбулентном режиме.

Пример:

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения высокоэффективного теплообмена используется повышение скорости потока до турбулентного режима, что позволяет значительно улучшить передачу тепла по сравнению с ламинарным потоком.

Температурные свойства теплоносителя 

Температурные свойства теплоносителей напрямую влияют на их способность переносить тепло. Теплопроводность, теплоемкость и вязкость определяют, как быстро жидкость или газ смогут поглощать или отдавать тепло.

• Теплопроводность: Чем выше теплопроводность материала, тем эффективнее он передает тепло. Например, вода с добавлением наночастиц может обладать значительно лучшими теплопроводными свойствами, чем обычная вода.
• Теплоемкость: Высокая теплоемкость материала означает, что он может поглощать или отдавать больше тепла при небольшом изменении температуры.
• Вязкость: Вязкие жидкости труднее перемещаются через систему, что снижает эффективность теплообмена. Однако, при повышении температуры вязкость часто уменьшается.

Пример:

Нанофлюиды, содержащие частицы оксида меди или графена, обладают значительно большей теплопроводностью по сравнению с обычной водой, что делает их эффективными для использования в теплообменниках.

Фазовое состояние вещества

Фазовое состояние вещества влияет на скрытую теплоту, которая поглощается или выделяется при изменении состояния. Процессы, связанные с фазовыми переходами, такие как испарение и конденсация, значительно повышают интенсивность теплообмена, поскольку скрытая теплота фазового перехода существенно увеличивает количество передаваемого тепла.

• Испарение: При переходе вещества из жидкого состояния в газообразное поглощается скрытая теплота, что увеличивает интенсивность теплообмена.
• Конденсация: При конденсации пара выделяется скрытая теплота, что делает этот процесс эффективным для передачи тепла.

Пример:

В теплообменниках с паром и водой (например, в системах отопления или холодильных установках) используется процесс конденсации пара, который способствует высокой эффективности теплообмена благодаря выделению скрытой теплоты.

Материалы теплообменников

Материалы, из которых изготовлены теплообменники, играют важную роль в процессе интенсификации теплообмена. Высококачественные материалы с хорошими теплопроводными свойствами (например, медь, алюминий или специальные сплавы) обеспечивают более эффективное распространение тепла.

• Материалы с высокой теплопроводностью способствуют улучшению передачи тепла.
• Защита от коррозии: материалы, устойчивые к коррозии, могут использоваться в условиях агрессивных жидкостей или газов, сохраняя свою эффективность в течение длительного времени.

Пример:

Медные трубки, используемые в теплообменниках, имеют высокую теплопроводность, что делает их эффективными для передачи тепла, особенно в системах кондиционирования воздуха и холодильных установках.

Методы интенсификации теплообмена

Увеличение турбулентности потока

Один из самых эффективных способов интенсификации теплообмена заключается в создании турбулентных потоков жидкости или газа. Турбулентность способствует улучшенному микросмешиванию и повышает эффективность теплообмена, так как жидкость или газ быстрее перемещаются и лучше контактируют с поверхностью теплообменника.

Способы достижения турбулентности:

• Поверхностные элементы: ребра, спиральные элементы, и другие добавочные конструкции внутри труб могут вызвать завихрения в потоке.
• Изменение геометрии труб: использование труб с изменяющимся сечением или с внутренними ребрами, что способствует дополнительной турбулентности и улучшает теплопередачу.
• Повышение скорости потока: увеличение скорости жидкости или газа до значений, при которых поток становится турбулентным (обычно при числе Рейнольдса более 4000).

Пример: В трубных теплообменниках используются спиральные трубки, которые создают дополнительные завихрения в потоке, способствующие повышению коэффициента теплопередачи.

Увеличение поверхности теплообмена

Одним из самых очевидных способов интенсификации теплообмена является увеличение поверхности, через которую происходит передача тепла. Для этого можно использовать различные способы увеличения площади теплообменных поверхностей.

Способы увеличения площади теплообмена:

• Оребреные трубы: использование труб с наружными или внутренними ребрами увеличивает площадь поверхности и способствует улучшению теплопередачи.
• Теплообменники с многократными контактами: использование конструкций, где поток жидкости или газа несколько раз проходит через теплообменник, обеспечивая повторный контакт с теплообменными поверхностями.
• Пористые материалы: применяют пористые материалы, которые увеличивают площадь и улучшают теплопередачу.

Пример: В АВО применяются оребренные трубы с увеличенной поверхностью для улучшения теплообмена.

Применение фазовых изменений (испарение и конденсация)

Методы, основанные на фазовых изменениях, значительно повышают интенсивность теплообмена, так как при изменении состояния вещества (например, при конденсации пара или испарении жидкости) выделяется или поглощается большое количество тепла.

• Испарение: При переходе жидкости в пар происходит поглощение тепла, что способствует улучшению охлаждения.
• Конденсация: При переходе пара в жидкость выделяется скрытое тепло, что делает этот процесс чрезвычайно эффективным для передачи тепла.

Пример: В теплообменниках для охлаждения паров и конденсации используются методы, где тепло передается через пар, конденсирующийся в воду, что значительно повышает теплопередачу.

Использование нанофлюидов

Нанофлюиды — это жидкости, содержащие наночастицы твердых материалов, такие как оксид меди, оксид титана или графен. Эти жидкости обладают улучшенными теплопроводными свойствами по сравнению с обычными жидкостями, что делает их идеальными для использования в теплообменниках.

Преимущества нанофлюидов:

• Повышенная теплопроводность: наночастицы, добавленные в жидкость, значительно увеличивают её теплопроводность.
• Лучшие характеристики теплообмена: использование нанофлюидов может привести к значительному увеличению коэффициента теплопередачи при сравнительно меньших затратах энергии.

Пример: В автомобильных радиаторах или системах охлаждения применяются нанофлюиды для улучшения теплоотдачи и уменьшения размеров теплообменников.

Использование микроструктур

В последние годы активно исследуются методы интенсификации теплообмена с использованием микро- и наноструктур на поверхности теплообменных труб или пластин. Эти структуры могут значительно повысить эффективность теплообмена за счет увеличения площади контакта и создания турбулентности в микроскопическом масштабе.

Преимущества микро- и наноструктур:

• Увеличение площади поверхности: мелкие неровности и структуры на поверхности значительно увеличивают её эффективную площадь.
• Создание микровихрей: такие структуры могут создавать микровихри, что улучшает турбулентность и повышает теплопередачу.

Пример: В теплообменниках для химической промышленности применяются трубки с микроструктурированными поверхностями для увеличения теплопередачи ,например, нанесение лунок или поперечных канавок.

Применение высокотемпературных материалов

Использование материалов, способных выдерживать высокие температуры, позволяет повысить эффективность теплообмена при высоких тепловых нагрузках. Это особенно важно для таких отраслей, как энергетика и металлургия, где температура рабочих процессов может достигать нескольких сотен градусов Цельсия.

Преимущества высокотемпературных материалов:

• Увеличение температуры теплоносителя: использование таких материалов позволяет работать с более высокими температурами, что увеличивает общий тепловой поток.
• Продление срока службы оборудования: высокотемпературные материалы обладают большей износостойкостью и устойчивостью к коррозии, что увеличивает срок службы теплообменников.

Пример: В паровых турбинах и ядерных реакторах применяются теплообменники, изготовленные из жаропрочных материалов, которые обеспечивают стабильную работу при высоких температурах.

Пассивные и активные методы

В настоящий момент существует большое количество методов интенсификации теплообмена, которые различаются степенью интенсификации и увеличением гидравлического сопротивления в аппарате.

Все методы интенсификации теплообмена можно разделить на:

1. Пассивные — не требуют подвод дополнительной энергии
2. Активные — требуют подвод дополнительной энергии

Наиболее широко распространены пассивные методы, которые не требуют подвода дополнительной энергии для их работы в отличие от активных – вибрации, вращения теплообменной поверхности, акустических, электростатических полей и др.

Способы интенсификации в каналах

Говоря об интенсификации в каналах теплообменных аппаратов, имеют ввиду интенсификацию конвективного теплообмена.
Основными способами интенсификации конвективного теплообмена в теплообменных аппаратах являются:

1. Изменение термического сопротивления.
2. Изменение скорости потока.
3. Использование развитых поверхностей теплообмена путем оребрения и ошиповки. Оребрение поверхности применяется со стороны теплоносителя, обладающего меньшим коэффициентом теплоотдачи. Оребрение поверхности теплообмена целесообразно не только по высоким значениям коэффициента теплопередачи, но и по весовым показателям, так как поверхность оребрения, в 5-10 раз превосходящая несущую поверхность трубок, не подвержена давлению, а поэтому оребрение изготавливается из более тонкого материала, чем трубки, тем самым обеспечивается значительный весовой эффект.
4. Воздействием на поток с целью его искусственной турбулизации. При значениях критерия Рейнольдса, соответствующих ламинарному и переходному режимам за счет искусственной турбулизации достигаются значения коэффициента теплоотдачи, характерные для развитого турбулентного потока.

Однако эффективность искусственной турбулизации потока с увеличением значения критерия Рейнольдса снижается, при этом темп роста сопротивления превалирует над темпом роста теплоотдачи.

Примеры интенсификации в ТА

Кожухотрубные аппараты (трубное пространство)

Интенсификация трубного пространства кожухотрубных аппаратов выполняется либо в виде металлических вставок, либо в виде изменения стенки трубы с гладкой на профилированную путем ее деформации.

Такие меры интенсификации приводят к созданию псевдотурболизации потока, изменению его тангенсальной скорости, созданию различных вихрей.

Витая лента

Профилированные трубы

Витые трубы

Кожухотрубные аппараты (межтрубное пространство)

Интенсификация межтрубного пространства осуществляется посредством установки различных перегородок, которые создают перпендикулярное направление при обтекании пучка труб потоком.

Примеры интенсификации в АВО

Интенсификация трубного пространства АВО аналогична КТА (см. выше).
Рассмотрим лишь различные виды оребрения с дополнительной интенсификацией в виде надрезов и перфорации ребер.