Konvektive Wärmeübertragung. Große Enzyklopädie über Öl und Gas. Wärmeaustausch in Energiewärmetauschern thermischer Kraftwerke

A.A.Konoplev, G.G.Aleksanyan, B.L.Rytov, acad. Al. Al. Berlin, nach ihm benanntes Institut für Chemische Physik. akad. N.N. Semenov Russische Akademie der Wissenschaften, Moskau

Eine neue wirksame Methode zur Intensivierung der konvektiven Wärmeübertragung in Rohrwärmetauschern, die sogenannte Tiefenprofilierungsmethode, wurde entwickelt, theoretisch und experimentell untersucht. Es wurden Tests eines experimentellen Laborwärmetauschers durchgeführt, deren Daten mit denen für TTAI verglichen wurden. Alle erzielten Ergebnisse wurden in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht. Es werden die Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens zur Realisierung effizienter und kompakter Rohrwärmetauscher aufgezeigt.

Das Problem der Schaffung moderner, hocheffizienter und kompakter Wärmeaustauschgeräte ist heute sehr aktuell und hat eine wichtige wissenschaftliche und praktische Bedeutung. Dieses Problem steht in engem Zusammenhang mit dem Problem der Intensivierung der Wärmeübertragung, zu dessen Lösung mehrere unterschiedliche Methoden vorgeschlagen und in gewissem Maße untersucht wurden (siehe z. B.). Die vielleicht erfolgreichste, aber auch relativ einfache und technologisch fortschrittlichste Methode war die Profilierung von Wärmetauscherrohren mit ringförmigen Vorsprüngen, die entlang ihrer Oberfläche gerändelt waren. Es gibt andere Methoden, wie zum Beispiel wirbelnde Strömungen in Kanälen, Spiral- oder Längsrippen und Einsätze, raue Oberflächen und das Auferlegen von Vibrationen auf Wärmeaustauschströme usw. erwies sich als nicht so effektiv. Außerdem wird eine intensivere Wärmeübertragung durch die Verwendung von Wärmetauscherrohren mit kleinem Durchmesser ermöglicht. So sind Rohrbündelwärmetauscher der Marke TTAI von Teploobmen LLC, die erst vor relativ kurzer Zeit auf dem Markt für Wärmetauschergeräte erschienen sind, mit dicht gepackten Bündeln glatter oder gerändelter dünnwandiger Stahl- oder Titanrohre (ca. 8 mm Zoll) ausgestattet Durchmesser und Wände mit einer Dicke von 0,2 bis 0,3 mm), die ohne Trennwände im Rohrzwischenraum angeordnet sind, sind allen anderen Rohrwärmetauschern und nicht nur diesen hinsichtlich der thermischen und massendimensionalen Parameter deutlich überlegen. Die im Betrieb auftretenden Nachteile hängen gerade mit den dünnen Wänden der Rohre und ihrem geringen Durchmesser zusammen. Dies sind beispielsweise Durchbiegung und Vibration des Rohrbündels, Schwierigkeiten bei der mechanischen Reinigung usw.

Die Intensivierung der Wärmeübertragung von einem Rohrkanal beim Profilieren durch Rändeln wird durch eine zusätzliche Verwirbelung der Wandflüssigkeitsschichten erreicht, was zu einer Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten zur Wand führt. Wie die Autoren der Rändelung und eine Reihe ihrer Forscher herausgefunden haben, liegt der optimale Wert bei etwa d/D»0,92–0,94. Eine stärkere Verengung des Strömungsquerschnitts des Rohrkanals führt zwar zu einer stärkeren Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten zur Wand, geht jedoch mit einer merklich zunehmenden Turbulenzdiffusion in das Innenvolumen des Kanals einher, was zu erheblichen Energieverlusten führt Das Pumpen von Kühlmittel ist nach mittlerweile etablierter Meinung nicht erforderlich, da der Kern der Kühlmittelströmung im turbulenten Modus bereits recht turbulent ist.

Aufgrund der Erfahrungen mit der Untersuchung des Wärme- und Stofftransports bei chemischen Reaktionen in turbulenten Strömungen (siehe z. B.) ging das ICP RAS jedoch davon aus, dass es durchaus möglich ist, die Turbulenz der gesamten Strömung, einschließlich ihres Kerns, zur Wärmeintensivierung zu nutzen überweisen. Diese zusätzliche Turbulenz kann erreicht werden, indem der Strömungsquerschnitt stärker verändert wird, als es für die Rändelung akzeptabel ist. Die vorgeschlagene Methode wurde als Deep-Profiling-Methode bezeichnet.

Sein Wesen liegt darin, dass bei intensiver Turbulisierung der gesamten Strömung als Ganzes in Wandnähe neben einer Erhöhung des Übergangskoeffizienten auch eine Erhöhung des Temperaturgradienten (d. h. des Temperaturdrucks, der bestimmt, zusammen mit dem Koeffizienten die Menge des Diffusionswärmeflusses zur Wand) aufgrund der „Abflachung“ ihres radialen Profils. Studien, die am Institut für Chemische Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass trotz eines erheblichen Anstiegs der Energieverluste beim Pumpen von Kühlmittel solche Werte für Konstruktions- und Strömungsparameter gefunden werden können, wenn man berücksichtigt, dass D P~v 2 , und Nu~ v m, Wo M<1, которые обеспечат приемлемые значения характеристик процесса теплообмена.

Die Ergebnisse unserer Forschung wurden veröffentlicht, siehe zum Beispiel. Insgesamt deuten sie auf die Anwendbarkeit der Deep-Profiling-Methode für die Praxis hin, weshalb wir den interessierten Leser zumindest mit ihren wichtigsten Ergebnissen bekannt machen möchten. Darüber hinaus scheint diese spezielle Methode unserer Meinung nach die effektivste und vielversprechendste unter den heute bekannten Methoden zu sein.

Es ist klar, dass die richtige Wahl der einen oder anderen Methode zur Intensivierung der Wärmeübertragung bei der Lösung bestimmter technologischer Probleme nur auf der Grundlage einer ordnungsgemäßen Bewertung ihrer Eigenschaften und Parameter erfolgen kann. Diese Bewertung, die oft als Wirksamkeit der Intensivierung verstanden wird, sollte auf einer Korrelation zwischen der Wirkung der Intensivierung und den Kosten ihrer Umsetzung basieren und vergleichender Natur sein. Sie kann durch Vergleich der Daten des bewerteten Wärmetauschers (oder seines Kanals) mit bereits bekannten Daten ermittelt werden, die am häufigsten und bequemsten als Daten für Glattrohrwärmetauscher (Kanäle) verwendet werden.

Es muss jedoch anerkannt werden, dass es heute nicht nur keine allgemein anerkannte Methode zur Beurteilung der Wirksamkeit der Wärmeübertragungsintensivierung gibt, sondern nicht einmal eine allgemein anerkannte Definition dafür. Dieser Problematik wird häufig überhaupt keine Beachtung geschenkt und die Beurteilung der Intensivierung lediglich auf die Darstellung von Abhängigkeiten der Form beschränkt:

, (1c)

Natürlich enthalten Abhängigkeiten (1) alle Informationen, die zur Beurteilung einer bestimmten Verstärkungsmethode notwendig sind, für hinreichend verständliche und aus praktischer Sicht wichtige Beurteilungen reichen diese Abhängigkeiten jedoch allein wahrscheinlich nicht aus.

In einigen Arbeiten schlagen die Autoren vor, die Wirksamkeit der Intensivierung anhand des Kirpichev-Energiekriteriums zu bewerten E = Q/N oder eine Modifikation davon E¢ = E/D T, in der Überzeugung, dass beim Vergleich zweier Wärmetauscher derjenige, bei dem der Wärmeaustausch effizienter intensiviert wird, einen höheren Wert des entsprechenden Kriteriums haben sollte. Der Vergleich selbst sollte mit gleichen Re-Zahlen und der gleichen Anzahl an Rohren in den Wärmetauschern sowie deren Längen durchgeführt werden L und Durchmesser D. Das heißt, es ist notwendig, baugleiche Wärmetauscher unter gleichen Bedingungen zu vergleichen, die sich nur in den Verstärkern in den Rohrkanälen unterscheiden. Globale Parameter von Wärmetauschern, wie z. B. die Wärmetauscherfläche F, Wärmekraft Q, Energie, die zum Pumpen des Kühlmittels aufgewendet wird, N müssen während des Entwurfs eingeholt und anschließend ausgewertet werden.

Diese Frage wird genauer untersucht und es wird auch der Schluss gezogen, dass der Koeffizient E¢ sollte nicht „... als einfaches und physikalisch eindeutiges, grundlegendes Kriterium zur Beurteilung der Wirksamkeit einer Intensivierung eingestuft werden.“ Beim Vergleich von Wärmetauschern ist es unserer Meinung nach wenig aussagekräftig und daher wenig sinnvoll.

Zum Vergleich werden auch Kriterien zur Beurteilung der Wirksamkeit der Wärmeübertragungsintensivierung abgeleitet F Und F Das Hauptkriterium hat die Form:

, (2a)

Allerdings sollte hier eine Ungenauigkeit beachtet werden, nämlich dass if F, Nu/Nu gl, z/z gl sind dann in (2a) bei der Re-Zahl des verstärkten Kanals definiert F hl, muss bei der Reynolds-Zahl des Glattrohrkanals Re hl ermittelt werden, die bei Nu/Nu hl liegt< z/z гл, не совпадает с Re и явным образом из (2а) не следует. Поэтому, использование для оценок выражения (2а) без учета зависимости

ist nicht korrekt und kann zu Fehlern führen, je größer das Re gl, sowie die Differenz zwischen Nu/Nu gl und z/z gl. Erhalten Sie die gleiche Abhängigkeit (2b) oder Abhängigkeit

, (2c)

ist nur als Ergebnis der Lösung des entsprechenden Gleichungssystems möglich.

Wir teilen im Allgemeinen den Ansatz zur Bewertung der Effizienz der Wärmeaustauschintensivierung als Vergleich der Hauptparameter von Wärmetauschern und möchten einige Klarstellungen und Ergänzungen vornehmen. Da das Ziel der Intensivierung der Wärmeübertragung darin besteht, diese zu erhöhen, was letztendlich zu einer Verringerung der Wärmeübertragungsfläche führt, ist es notwendig, sie genau anhand dieses Effekts, d. h. durch Verringerung der Wärmeübertragungsfläche, zu bewerten. Da jedoch mit der Intensivierung der Wärmeübertragung in der Regel die Widerstandskoeffizienten steigen, muss die Beurteilung der Wirksamkeit der Intensivierung erfolgen, wenn die Pumpkosten einander gleich sind oder in einem anderen, aber ganz bestimmten Verhältnis stehen . Und schließlich ist es nicht erforderlich, Vergleiche für einen der Parameter hypothetischer Wärmetauscher anzustellen, um Schätzungen über die Effizienz der Wärmeaustauschintensivierung zu erhalten, da alle anderen Parameter gleich sein müssen. Für diese Zwecke reicht es völlig aus, die spezifischen, d. h. pro Masseneinheit des Kühlmittels, Eigenschaften zu vergleichen.

Mit anderen Worten, ein Vergleich spezifischer Wärmeübertragungsflächen mit gleichen spezifischen Gesamtkosten für das Pumpen von Kühlmitteln für dasselbe Wärmeübertragungsproblem, was die Gleichheit der Eingangs- und Ausgangstemperaturen für dieselben Kühlmittel bedeutet, deren Kosten ebenfalls in der gleiches Verhältnis , ermöglicht den Vergleich von Wärmetauschern auch unterschiedlicher Typen (z. B. Rohrbündel- und Plattenwärmetauscher) und ermöglicht die Bewertung der Methode der Wärmeübertragungsintensivierung.

Wir haben auch eine neue Technik entwickelt, beispielsweise zur Verarbeitung experimenteller Daten, die dann in allen unseren Arbeiten verwendet wurde. Sein Wesen liegt darin, dass, wenn beispielsweise zwei der vier unabhängigen Wärmeübertragungsvariablen festgelegt sind, T tr,in und T mt,in und zwei weitere Variablen, zum Beispiel G drei G mt, aus den experimentellen Daten lassen sich Längsprofile des Wärmeübergangskoeffizienten ermitteln K, Wärmeübergangskoeffizienten a tr und a mt sowie alle anderen Wärmeübergangsparameter und approximieren sie mit einer geeigneten Funktion, beispielsweise einem Polynom zweiten Grades. Durch die Mittelung derselben Profile können Durchschnittswerte ermittelt werden. Die Praxis dieser Technik hat gezeigt, dass die auf diese Weise erhaltenen Werte genauer sind als diejenigen, die direkt aus den Beziehungen des Kriteriumsmodells erhalten werden.

WÄRMETAUSCHER FÜR TESTS

Nachdem wir eine Tiefenprofilierungsmethode zur Intensivierung der Wärmeübertragung in Rohrwärmetauschern vorgeschlagen hatten, beschlossen wir, ihre Fähigkeiten am Beispiel eines Laborwärmetauschers zu demonstrieren und die erhaltenen Ergebnisse mit Daten für den TTAI-Wärmetauscher zu vergleichen. Die Ergebnisse werden ausführlicher beschrieben, hier stellen wir sie jedoch kurz vor.

Zur Erprobung wurde ein Wärmetauscher mit einer Länge von L = 0,616 m hergestellt, der Innendurchmesser des Gehäuses D mt wurde durch spezielle Einsätze verändert und betrug 0,03, 0,032, 0,034 und 0,037 m. Bei Versuchen mit glatten Rohren wurde a Außerdem wurde ein Wärmetauscher mit D mt = 0,04 m verwendet. Sieben Kupferrohre wurden in sechseckigen Rohrböden befestigt, deren Steigung S proportional zu D mt war, so dass S = D mt /3 war, das Rohrbündel wurde in der Mitte platziert Der Abstand zwischen den Rohren und damit der Abstand zwischen der Hülle und dem äußeren Rohr des Bündels war für alle seine äußeren Rohre gleich. Bei der Herstellung von Profilrohren aus Glattkupfer mit einem Außendurchmesser Dn = 0,01 m und einem Innendurchmesser D = 0,008 m kam es zu gewissen Verformungen, wodurch sich deren Abmessungen auf Dn = 0,0094 m und D = 0,0075 m änderten.

Der Wärmetauscher TTAI-2-25/1450 des Herstellers Teploobmen LLC mit der Seriennummer 1970 wurde freundlicherweise vom Generaldirektor von NPO Termek, Alexander Lavrentievich Naumow, für Vergleichstests zur Verfügung gestellt, wofür ihm die Autoren zu großem Dank danken .

Gemäß den Passdaten handelt es sich bei dem beheizten Kanal des Wärmetauschers um einen Rohrkanal, das beheizte und Heizmedium ist Frischwasser mit Anfangstemperaturen von 5 °C und 105 °C, Durchflussraten von 1,56 bzw. 3,44 t/h. und die Austrittstemperatur des erhitzten Mediums beträgt 60 °C, das Heizmedium beträgt 80 °C. Der Druckabfall im Rohrraum überschreitet nicht 0,3, im Zwischenrohrraum – 0,25 kgf/cm2. Das unter dem Gehäuse D mt = 0,0264 platzierte Rohrbündel enthält 6 Rohre mit einer Länge des gewaschenen Teils von 1,39 m, einem Durchmesser von 0,008 m und 0,2 mm dicken Wänden aus Stahl X17N13M2T (berechneter Wert des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten). l = 15 W/m·K).

Konstruktiv ist der Wärmetauscher mit zwei an seinen Enden beabstandeten Eingängen zum Rohrzwischenraum und einem Ausgang in der Mitte ausgestattet, so dass durch jeden Querschnitt des Rohrzwischenraums nur die Hälfte des Gesamtstroms fließt Kanal. Dieses Strömungsmuster ermöglicht aufgrund einer zweifachen Erhöhung der Kühlmitteldurchflussrate des Heizkanals unter Beibehaltung der Energiekosten für das Pumpen des Kühlmittels eine geringfügige Erhöhung des Temperaturdrucks des Wärmeaustauschs und damit der Wärmeleistung des Gerät im Vergleich zur Option mit nur einem Eingang.

Wir führten mehrere Experimente mit dem TTAI-Wärmetauscher durch, bei denen wir davon ausgingen, dass das Hauptziel darin bestand, seine Wärmeübertragungskoeffizienten abzuschätzen, und dabei nur einen der Eingänge zum Ringraum beließen und den anderen als Ausgang nutzten, während wir den Ausgang schlossen mitten drin. Somit wurde ein reiner Gegenstromwärmetauscher mit den gleichen Wärmeübergangskoeffizienten und Energiekosten für das Pumpen von Kühlmitteln wie der ursprüngliche Wärmetauscher erhalten, nämlich: K = 8,08 kW/(m 2 K), G mt = 0,5 × 3,44 t/h und DP mt = 0,5 kgf/cm2. Weitere Einzelheiten finden Sie unter.

ERGEBNISSE UND IHRE DISKUSSION

Es wurden Versuche mit einem Laborwärmetauscher in einer Ausführung mit beheiztem Rohrkanal durchgeführt, ähnlich den Betriebsbedingungen des TTAI-Wärmetauschers. Die Methodik zur Durchführung von Experimenten und zur Verarbeitung der erhaltenen Ergebnisse ist oben kurz beschrieben; weitere Einzelheiten finden Sie unter. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 und Abb. dargestellt. 1.

Tabelle 1. Wärmetauscher mit GP-Rohren. 1)

NEIN.	Optionen	D mt = 0,03		D mt = 0,032		D mt = 0,034		D mt = 0,037
		Experimentdaten	Umstellung auf SR-Bedingungen	Experimentdaten	Umstellung auf SR-Bedingungen	Experimentdaten	Umstellung auf SR-Bedingungen	Experimentdaten	Umstellung auf SR-Bedingungen
1	G
2	T Eingang
3	T Heiraten
4	T aus
5	D T	24.64	27.19	35.38	27.79	36.29	28.62	43.68	29.53
6	K	7.09	6.96	6.15	6.57	5.70	6.08	5.44	5.56
7	A
8	ich A
9	v
10	10 -3 Re

Anmerkungen:

1) – im Zähler der in Form eines Bruchs angegebenen Daten werden die Werte für den Rohrkanal angegeben, im Nenner – für den Zwischenrohrkanal;

Reis. 1. Abhängigkeiten der Wärmeübertragungskoeffizienten vom Äquivalentdurchmesser: (a, b) – Koeffizienten der Wärmeübertragungsintensivierung; (c) – Wärmeübergangskoeffizient; 1 – 7-Rohr-Wärmetauscher; 2 – 6-Rohr-Wärmetauscher; 3 – Annäherungskurve; 4 – Durchschnittswert.

Schauen wir sie uns etwas genauer an. Typischerweise werden Vergleiche zwischen verschiedenen Wärmetauschern unter denselben Bedingungen durchgeführt, die man als „Standardmodus“-Bedingungen (SR) bezeichnen könnte. Nehmen wir in unserem Fall folgende Werte für den CP-Modus: Die Eingangstemperaturen der Kühlmittel sind gleich t tr, in = 15°C und t mt, in = 60°C, der Strömungsgeschwindigkeit im Rohrkanal v tr = 1 m/s und das Verhältnis G mt / G tr belassen wir entsprechend dem Single-Input-TTAI (siehe oben), d. h. G mt / G tr = 0,5´3,44/1,56. Die Umrechnung der erhaltenen experimentellen Daten auf Standardbedingungen erfolgte unter der Annahme, dass die Abhängigkeit der lokalen Wärmeübertragia = ia(L) vernachlässigt werden kann und im Einzelfall deren Durchschnittswerte ia, die sein können durch Mittelung der entsprechenden Längsverteilungen gefunden werden, können verwendet werden (siehe z. B. ).

In Abb. Abbildung 1 zeigt Daten für ia tr (Abb. 1a), ia mt (Abb. 1b) und K (Abb. 1c) in Abhängigkeit vom Äquivalentdurchmesser de mt. Experimentelle Daten (Abb. 1a-1c, Kurven 1), für K (Abb. 1c) handelt es sich um Daten, die bei Umrechnung auf SR-Bedingungen erhalten wurden, siehe Tabelle. 1, werden durch Polynome 2. Grades f(x) = ax 2 + bx + c, (Abb. 1a-1c, Kurven 3) angenähert, deren Koeffizienten aus den entsprechenden Daten ermittelt werden. In diesem Fall betrugen die relativen quadratischen Mittelwertfehler der Approximation für ia tr, ia mt und K 1,6 %, 1,8 % bzw. 0,3 %.

Für ia tr und ia mt sind zusätzlich die Durchschnittswerte angegeben (Abb. 1a-1b, Kurven 4). Die relativen Standardabweichungen von den Durchschnittswerten betrugen 3,4 % bzw. 21,2 %.

Aus den angegebenen Daten folgt somit, dass der Durchschnittswert ia t = 3,84 und die gefundene Abhängigkeit ia mt = ia mt (de mt) die Wärmeübertragungsparameter unserer profilierten Wärmetauscher in akzeptabler Weise beschreiben.

Es wurden auch Experimente zur Bestimmung der hydrodynamischen Widerstandskoeffizienten durchgeführt. Der Gesamtdruckabfall im Wärmetauscherkanal wird üblicherweise als Summe des Druckabfalls aufgrund des Reibungswiderstands während des Flusses des Arbeitsmediums im Kanal und der Differenz aufgrund des Kanaleinlass-/-auslasswiderstands dargestellt. Um die Druckverluste über die Ein-/Austrittswiderstände zu ermitteln und damit die lokalen Widerstandskoeffizienten z tr,lok und z mt,lok zu bestimmen, wurden Versuche zur Bestimmung der Druckverluste in Wärmetauschern mit Glattrohren mit D n = 0,01 m und D durchgeführt = 0,008 m. Allerdings wurde in diesem Fall aus offensichtlichen Gründen der Wärmetauscher mit D mt = 0,03 m durch einen Wärmetauscher mit D mt = 0,04 m ersetzt.

Durch eine Reihe von Experimenten, die bei verschiedenen Durchflussraten (Geschwindigkeiten) der Arbeitsmedien durchgeführt wurden, konnten wir feststellen, dass für unsere Wärmetauscher der Koeffizient des lokalen Eingangs-/Ausgangswiderstands für einen Rohrkanal zu z tr,loc = 131Re –0,25 bestimmt werden kann. und für den Zwischenrohrkanal – z mt, lok = z mt,lok (de mt)Re –0,25 . Die Werte von z mt,lok (de mt) für vier experimentelle Wärmetauscher, dargestellt in Abb. 2a, Kurve 1, werden ebenfalls durch ein Polynom 2. Grades angenähert (Abb. 2a, Kurve 3). In diesem Fall betrug der relative quadratische Mittelfehler der Näherung 2,2 %.

Reis. 2. Abhängigkeiten der hydrodynamischen Widerstandskoeffizienten vom äquivalenten Durchmesser: (a) – Wärmetauscher mit glatten Rohren; (b) – Wärmetauscher mit Profilrohren; 1 – 7-Rohr-Wärmetauscher; 2 – 6-Rohr-Wärmetauscher; 3 – Näherungskurve.

Unter der Annahme, dass die Koeffizienten des lokalen Eingangs-/Ausgangswiderstands für Wärmetauscher mit glatten und profilierten Rohren gleich sind, sind die Reibungswiderstandskoeffizienten in profilierten Kanälen definiert als z tr = (z/z gl) tr × z gl,tr und z mt = ( z/z gl ) mt × z gl,mt, kann aus den Ergebnissen ähnlicher Experimente für Wärmetauscher mit Profilrohren ermittelt werden. Somit wurden (z/z gl) tr = 14,9 und die experimentelle Abhängigkeit für (z/z gl) mt = (z/z gl) mt (de mt) gefunden, wie in Abb. 2b, Kurve 1. Eine Annäherung an Letzteres ist auch in Abb. dargestellt. Wie aus 2b, Kurve 3 hervorgeht, betrug der relative quadratische Mittelwert der Näherung in diesem Fall 0,5 %.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Versuchen mit 7-Rohr-Wärmetauschern wurden auch Versuche mit einem 6-Rohr-Wärmetauscher durchgeführt, der durch Entfernen des Zentralrohrs eines 7-Rohr-Wärmetauschers mit D mt = 0,032 m und damit der Konfiguration erhalten wurde Die Konfiguration des Rohrbündels unseres Wärmetauschers ähnelte der Konfiguration des Rohrbündels des TTAI-Wärmetauschers.

Die Ergebnisse der mit diesem Wärmetauscher durchgeführten Experimente sind in Abb. dargestellt. 1-2, Kurven 2, in Form der darauf aufgetragenen Versuchspunkte. Beachten Sie, dass eine recht gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen sowohl für den Wärmeübergangskoeffizienten als auch für den Widerstandskoeffizienten besteht, siehe Abb. 1-2. Somit betragen die relativen Abweichungen im Absolutwert 0,3 % für ia tr (Abweichungen vom Mittelwert, Abb. 1a, Kurve 4), 5,2 % für ia mt (Abweichungen von der Näherungskurve, Abb. 1b, Kurve 3), 4,6 % für K (Abb. 1c, Kurve 3), 0,5 % für z mt,lok (Abb. 2a, Kurve 3) und 5,1 % für (z/z gl) tr (Abb. 2b, Kurve 3).

Somit ist es möglich, anhand der im Experiment gefundenen Daten eine Methode zur Berechnung von Wärmetauschern mit einem dicht gepackten Bündel von GP-Rohren (mindestens 6 und 7 Rohre) zu konstruieren und diese mit dem TTAI-Wärmetauscher zu vergleichen. In diesen Berechnungen entsprachen die Eingangstemperaturen der Kühlmittel und das Verhältnis ihrer Durchflussraten den Passdaten für TTAI, und die erhaltenen Ergebnisse wurden mit den Ergebnissen der Berechnungen des TTAI-Wärmetauschers für seine Einzeleingangsversion verglichen.

In der Tabelle Abbildung 2 zeigt die Berechnungsergebnisse für GP-Rohre ähnlich TTAI-Rohren (Material, Durchmesser, Wand). In Option 1 (Tabelle 2) führt der Austausch von TTAI-Röhren durch GP-Röhren zu einem Anstieg des spezifischen Energieverbrauchs für das Pumpen von Kühlmitteln w/w TTAI = 1,51 und einer Erhöhung des Effizienzkoeffizienten k/k TTAI = 1,34. (in dem Sinne, in diesem Fall k/k TTAI = K/K TTAI). Bei Option 2 gleicht die Reduzierung der Durchflussrate auf G/G TTAI = 0,812 die spezifischen Pumpkosten aus, während der Effizienzkoeffizient k/k TTAI = 1,16 immer noch relativ hoch bleibt.

Tabelle 2. Vergleich von TTAI und Wärmetauschern mit GP-Röhren.

NEIN.	Optionen	TTAI 1)	Wärmetauscher mit GP-Rohren
			Option 1 2)	Option 2 3)	Option 3	Option 4
1	N	6	6	6	6	7
2	10 3 D mt	26.4	26.4	26.4	25.4	27.2
3	G 4)
4	G tr/ G tr,TTAI	1	1	0.812	0.788	0.911
5	w/w TTAI	1	1.51	1	1	1
6	L 5)
7	L/D	183	136	128	123	121
8	F 5)
9	F/V 5)
10	F/G Tr 5)
11	K 5)
12	ich k	1.51	1.61	1.63	1.52	1.52
13	Q/F	429	577	497	502	506
14	v 4)
15	10 -3 Zu 4)
16	ein 4)
17	ich ein 4)
18	k/k TTAI	1	1.34	1.16	1.17	1.18

Anmerkungen:

1) – Bewertung nach einem Kriterienmodell mit Korrektur;

2) – Austausch von TTAI-Röhren durch GP-Röhren;

3) – das Gleiche gilt für den Fall, dass die Stückkosten für das Pumpen von Kühlmitteln den Kosten für TTAI entsprechen;

4) – der Zähler des Bruchs gibt den Wert für den Rohrkanal an, der Nenner – für den Zwischenrohrkanal;

5) – Der Zähler des Bruchs gibt den Wert der Menge an, der Nenner gibt ihr Verhältnis zur Menge für TTAI an.

In Option 3 (Tabelle 2) wird gezeigt, dass D mt = 0,0254 m sogar leicht reduziert werden kann und in Option 4 - dass ein 7-Rohr-Bündel verwendet werden kann, während k/k TTAI = 1,17-1,18 sogar leicht ansteigt. Die Wärmeübertragungsoberfläche pro Volumeneinheit (F/V)/(F/V) TTAI = 1,08–1,10 nimmt leicht zu und die spezifische Oberfläche (F/G)/(F/G) TTAI = 0,854–0,847 nimmt ab. Darüber hinaus überschreitet die Länge des Wärmetauschers bei allen betrachteten Optionen nicht L/L TTAI = 0,75 (siehe Tabelle 2).

Ebenso führen wir Berechnungen für Wärmetauscher mit einem 7-Rohrbündel aus dicht gepackten GP-Rohren der Größen 10/0,8, 12/1 und 16/1 aus Kupfer, Messing und Stahl durch. Die oben genannten Bedingungen für die Eintrittstemperaturen von Kühlmitteln und das Durchflussverhältnis G tr /G mt = (G tr /G mt) TTAI werden wir durch die Forderung der Gleichheit der spezifischen Energiekosten für das Pumpen von Kühlmitteln w/w TTAI ergänzen = 1.

Die unter diesen Bedingungen gefundenen Parameter der Wärmetauscher sind für jedes der betrachteten Rohre optimal; die Berechnungsergebnisse sind in der Tabelle dargestellt. 3.

Tabelle 3. Parameter von Wärmetauschern mit GP-Rohren. 1)

NEIN.		Rohr 10/0,8			Rohr 12/1			Rohr 16/1
1	Wandmaterial 2)	Kupfer	Messing	Stahl	Kupfer	Messing	Stahl	Kupfer	Messing	Stahl
2	10 3 D mt	32.8		33	39		39.4	51.5		52.2
3	G 3)
4	G tr/ G tr,TTAI	1.20	1.17	1.03	1.64	1.60	1.38	2.71	2.66	2.36
5	L 4)
6	L/D	104	109	152	98.4	105	157	88.5	94.3	142
7	F 4)
8	F/V 4)
9	F/G tr 4)
10	K 4)
11	ich k	1.65	1.60	1.37	1.82	1.73	1.40	2.17	2.01	1.51
12	Q/F	577	537	337	582	532	308	574	527	310
13	v 3)
14	10 -3 zu 3)
15	ein 3)
16	ich ein 3)
17	k/k TTAI	1.31	1.22	0.77	1.32	1.21	0.70	1.31	1.20	0.71

Anmerkungen:

1) – hier akzeptiert G mt/ G tr = ( G mt/ G tr) TTAI, w = w TTAI;

2) – die Werte von l für Kupfer, Messing und Stahl werden mit 390, 110 bzw. 15 angenommen;

3) – der Zähler des Bruchs gibt den Wert für den Rohrkanal an, der Nenner – für den Zwischenrohrkanal;

4) – Der Zähler des Bruchs gibt den Wert der Menge an, der Nenner gibt ihr Verhältnis zur Menge für TTAI an.

Für alle berechneten Größen von Messing- und Kupferrohren ist die Wärmeübertragungseffizienz höher als die des TTAI-Wärmetauschers – k/k TTAI = K/K TTAI = 1,2–1,3 und bleibt aufgrund der Wärmezunahme ungefähr gleich Übertragung im Zwischenröhrenraum a mt, hauptsächlich verbunden mit einer Erhöhung seiner Intensivierung ia mt (Tabelle 3). Dadurch verringert sich die spezifische Wärmeaustauschoberfläche F/G tr und die dimensionslose Länge der Wärmetauscher L/D, aufgrund der großen Durchmesser der Rohre nimmt jedoch die Oberfläche pro Volumeneinheit F/V ab (Tabelle 3). ). Aus den Angaben in der Tabelle kann auch Folgendes entnommen werden. Die Daten aus Tabelle 3 zeigen, dass mit zunehmendem Rohrdurchmesser das Verhältnis der Wärmeübertragungskoeffizienten a mt /a tr zunimmt und sich dem Wert Eins nähert.

ABSCHLUSS

Aus den in dieser Arbeit präsentierten experimentellen und berechneten Daten folgt auf deren Grundlage, dass die Verwendung von tief profilierten Rohren in einem dicht gepackten Bündel ohne Trennwände im Rohrzwischenraum zur Schaffung sehr effektiver Wärmetauscher führen kann . Darüber hinaus hat der Durchmesser des Wärmetauscherrohrs kaum Einfluss auf die thermischen Parameter; eine Vergrößerung verringert lediglich den Inhalt der Wärmetauscheroberfläche pro Volumeneinheit des Wärmetauschers.

Die Suche nach optimalen Parametern für die Tiefenprofilierung von Wärmeaustauschrohren von Röhrenwärmetauschern ist unserer Meinung nach eine wichtige Aufgabe und sollte auch fortgesetzt werden.

NOTATION

D- Innendurchmesser, charakteristische Größe, m;

de- äquivalenter Durchmesser, m;

F- Wärmeaustauschfläche, m2;

G- Kühlmitteldurchfluss, kg/s;

ich A- ich a = a/a gl = Nu/Nu gl, Wärmeübertragungsintensivierungsparameter;

ZU– Wärmeübertragungskoeffizient, kW/(m 2 K);

k– Effizienzfaktor;

L- Wärmeaustauschlänge, m;

N- Leistungsverlust beim Kühlmittelpumpen, W;

Q- Wärmestrom, W;

S- Abstand zwischen den Achsen der Rohre, m;

S- Durchflussfläche, m2;

T- Temperatur, °C;

t d- Profilierungsschritt, m;

V- Wärmetauschervolumen, m3;

v- Geschwindigkeit, m/s;

w - w = (N tr + N mt)/ G tr, gesamte spezifische Pumpkosten, J/kg;

a – Wärmeübertragungskoeffizient, kW/(m 2 K);

D P– Druckabfall, Pa;

r – Dichte, kg/m3;

l – Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, W/(m·K);

z – hydrodynamischer Widerstandskoeffizient;

Nu-Nusselt-Kriterium;

Re-Reynolds-Kriterium.

in – am Eingang zum Kanal;

out – am Ausgang des Kanals;

km – Kriteriumsmodell;

lok – lokaler Wert;

mt – Zwischenrohrkanal;

n – außen (Durchmesser);

cр – Durchschnittswert;

tr – Rohrkanal;

Literatur

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3. Berlin Al.Al., Minsker K.S., Dyumayev K.M. Neue einheitliche energie- und ressourcenschonende Hochleistungstechnologien mit erhöhter Umweltfreundlichkeit auf Basis von Rohrturbulenzreaktoren. M.: OJSC „NIITEKHIM“, 1996.

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Die Intensivierung von Wärmeübertragungsprozessen und die Steigerung der Energieeffizienz von Geräten, in denen diese Prozesse ablaufen, sind das Leitmotiv der Entwicklung von Wärmetauschern.

Die Aufgaben der Intensivierung der Wärmeübertragung bestehen darin, die Größe und das Gewicht von Wärmeaustauschvorrichtungen zu verringern oder den Temperaturdruck im Vergleich zu ihrem Wert zu verringern, was unter bestimmten Bedingungen auf herkömmliche Weise erreicht wird. Wenn eine Erhöhung der Durchflussmenge innerhalb der in der Praxis akzeptablen Grenzen die erforderlichen Abmessungen der Wärmeaustauschvorrichtung nicht gewährleistet, ist es erforderlich, die Wärmeübertragung durch Methoden zu intensivieren, die eine Verringerung der Abmessungen bei moderater Erhöhung der Gesamtverlustleistung gewährleisten Kühlmittel durch die Wärmetauscher pumpen.

Es gibt zwei Richtungen der Intensivierung. Einer davon ist mit einer Erhöhung des Wärmestroms verbunden, ohne dass zusätzliche Energieverluste berücksichtigt werden.

Die zweite Richtung ist mit einer Erhöhung des Wärmeflusses bei gegebener Energiemenge, die zum Pumpen des Kühlmittels aufgewendet wird, verbunden, d. h. mit einer Erhöhung der Wärmeübertragungseffizienz. Besonders wichtig wird es bei stationären Hochleistungswärmetauschern.

Wärmetauscher, die das gewählte Verfahren der Wärmeübertragungsintensivierung nutzen, müssen für die Massenproduktion geeignet, ausreichend zuverlässig und effizient im Betrieb sein.

Wenn eine feste, wärmeübertragende, undurchlässige Oberfläche mit der sie umspülenden Strömung in Wechselwirkung tritt, bildet sich bekanntlich eine Grenzschicht, die den Hauptwiderstand für die Wärmeübertragung darstellt. Je dicker die thermische Grenzschicht ist und je geringer die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels ist, desto geringer ist die Wärmeübertragung. Die Wärmeabfuhr kann auf unterschiedliche Weise erhöht werden, vor allem durch die Wahl eines Kühlmittels, da Nu ~ Pr p.

Nachdem wir das Kühlmittel unter Berücksichtigung seiner thermophysikalischen Eigenschaften bestimmt haben, können wir uns mit der Frage der Intensivierung der Wärmeübertragung durch Auswahl des geeigneten hydrodynamischen Regimes befassen. Das günstigste hydrodynamische Regime hinsichtlich der Wärmeübertragung ist das turbulente oder Übergangsregime in der Grenzschicht, die natürliche Entwicklung von Turbulenzen beginnt jedoch bei einer sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit und damit einem erheblichen hydraulischen Widerstand. Daher erfordert die Intensivierung der konvektiven Wärmeübertragung in vielen Fällen entweder eine künstliche Turbulisierung der Grenzschicht, die eine Übertragung des Wärmeübertragungsprozesses vom laminaren in den turbulenten Bereich ermöglicht, oder eine Verringerung der Dicke oder Zerstörung der Grenzschicht .

Die größte Steigerung der Wärmeübertragung kann mit einer Erhöhung der Kühlmittelgeschwindigkeit erreicht werden, insbesondere unter turbulenten Strömungsbedingungen. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit und damit der Re-Zahl steigt der Wärmeübergangskoeffizient um den Rohrumfang deutlich an. Um hohe Kühlmitteldurchflussraten zu erreichen, ist gleichzeitig ein großer Energieaufwand für das Pumpen erforderlich. Daher werden künstliche Methoden eingesetzt, um die Wärmeübertragung zu intensivieren.

Methoden zur Intensivierung der konvektiven Wärmeübertragung können in passive, aktive und komplexe Methoden unterteilt werden.

Zu den passiven Methoden gehören: die Verwendung von Rippen und anderen entwickelten Wärmeaustauschflächen auf der Kühlmittelseite mit niedrigem Wärmeübergangskoeffizienten, die Verwendung verschiedener Turbulenzstäbe, Wirbelerzeuger oder rauer Wärmeaustauschflächen, die die Dicke der Grenzschicht verringern oder diese zerstören.

Aktive Methoden erfordern den Einsatz zusätzlicher externer Energie.

Komplexe Verfahren entstehen, wenn mindestens zwei getrennte Verfahren zur Intensivierung der konvektiven Wärmeübertragung gleichzeitig angewendet werden, beispielsweise bei der Verwendung von Rohrohren mit strömungsverwirbelnden Einsätzen, vibrierenden Rippenrohren usw.

Eine der effektivsten Möglichkeiten, die Wärmeübertragung zu intensivieren, ist die künstliche Verwirbelung der Strömung. Die Strömungsturbulierung beeinflusst die Wärmeübertragung in einer laminaren Grenzschicht erheblich. Gleichzeitig nimmt mit der Ausbildung einer turbulenten Grenzschicht die Wirbelablösungszone ab und der hydraulische Widerstand nimmt ab. Bei turbulenten Strömungen ist der Einsatz einer direkten Strömungsturbulisierung weniger vorteilhaft. Beispielsweise erhöht ein Turbulator in einem Rohr den Druckabfall um ein Vielfaches stärker als die Wärmeübertragung, und die Länge der Wirkungszonen dieses Turbulators überschreitet nicht 10-12 Durchmesser.

Ein wichtiger Faktor zur Steigerung der Wärmeabfuhr ist die Auswahl der optimalen Geometrie und Art der Wärmeübertragungsfläche. Die Technologie der Verarbeitung von Aluminium und anderen Metallen ermöglicht die Konstruktion beliebig geformter Kanäle. Das beste Beispiel hierfür sind derzeit Plattenwärmetauscher.

Wenn der Wärmeübergangskoeffizient eines Kühlmittels den Wärmeübergangskoeffizienten eines anderen Kühlmittels deutlich übersteigt, sollten Rippen verwendet werden. Derzeit wurden viele Designs von Rippenrohren mit Quer- und Längsrippen entwickelt. Effektiv sind Rippen, die einen geringen hydraulischen Widerstand bieten.

Zunehmend werden Rohrohre verwendet. Der Kern der Intensivierung der Wärmeübertragung durch die Verwendung rauer Oberflächen besteht in der Zerstörung der viskosen Unterschicht durch Rauheitselemente bei turbulenter Bewegung sowie in der Erhöhung der Instabilität der Grenzschicht, was unter sonst gleichen Bedingungen zum Übergang führt Der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung erfolgt auf einer rauen Oberfläche bei einer geringeren Re-Zahl als auf einer glatten Oberfläche.

Zur Intensivierung der Wärmeaustauschprozesse in kompakten Geräten mit längsstromlinienförmigen Rohrbündeln wird vorgeschlagen, Rohre mit durch Rändelung hergestellten Querringnuten zu verwenden (Abb. 2.1).

Reis. 2.1.

d – Außendurchmesser der Rohre, d l – Durchmesser der Ringnut, t – Teilung der Ringnuten

Die Vorteile dieser Methode zur Intensivierung der Wärmeübertragung im Vergleich zu anderen Methoden sind folgende: a) Die nach dem Walzen von Ringnuten an der Außenseite im Rohrinneren gebildeten Membranen intensivieren die Wärmeübertragung im Rohr erheblich, b) die Methode ist technologisch einfach umzusetzen, und es besteht keine Notwendigkeit, die bestehende Technologie zur Montage von Rohrwärmetauschern zu ändern, da sie bei hohen spezifischen Wärmeflüssen und in engen Rohrbündeln anwendbar ist, da sie den Außendurchmesser der Rohre nicht vergrößert. Der Einsatz dieser Methode zur Intensivierung der Wärmeübertragung ist im Bereich der relativen Rohrteilungen s/d = 1,1 - 1,3 am sinnvollsten. Bei Bündeln mit s/d >l.3 ist eine optimale Verstärkung im Ringraum dann gewährleistet, wenn die Höhen der Ringmembranen im Rohrinneren größer als optimal sind und es daher zu erheblichen Druckverlusten im Rohrinneren kommt. Die optimale Intensivierung des Wärmeaustausches innerhalb des Rohres führt zu einer unbedeutenden Intensivierung außerhalb der Rohre.

Bei Rohrbündelwärmetauschern werden zur Intensivierung des Wärmeaustausches spiralförmig verdrillte Längs- und Querstromlinienrohre eingesetzt. Es wurde festgestellt, dass die Gründe für die Intensivierung der Wärmeübertragung komplexe Strömungen im Rohrzwischenraum vom Strömungskern zur Wand und von der Wand zum Kern sind, die zu einem kontinuierlichen Austausch von Kühlmittelmassen im Querschnitt führen des Bündels sowie eine deutliche Verwirbelung der Strömung im Vergleich zu einem Glattrohrbündel, auch bedingt durch ungleichmäßige Geschwindigkeit im Fadenkern.

In Abb. Abbildung 2.2 zeigt ein Diagramm eines Rohrbündelwärmetauschers mit erhöhtem Wirkungsgrad, der für den Einsatz in Betrieben der chemischen Industrie vorgesehen ist, wo eine hohe Intensivierung der Wärmeübertragungsprozesse und die Vermischung von Kühlmitteln bei der Zirkulation durch Rohre und in der Anlage gewährleistet werden muss Zwischenrohrraum. Das Gerät besteht aus spiralförmig gedrehten Profilrohren (1), die mit geraden runden Enden in Rohrböden (2) befestigt sind. Das Rohrprofil ist in Form eines Ovals gefertigt. Die Rohre berühren sich an Stellen maximal ovaler Größe, was eine hohe Vibrationsfestigkeit der Gerätekonstruktion gewährleistet. Wenn Kühlmittel durch Rohre und im Rohrzwischenraum zirkulieren, kommt es zu einer spiralförmigen Verwirbelung der Strömungen. Die Wärmeübertragung des Wärmetauschers dieser Bauart ist um 50 % höher und das Volumen um 30 % kleiner als bei einem Glattrohrwärmetauscher

Bei Rohrbündelgeräten, insbesondere vom Typ „Flüssiggas“, werden zur Gewährleistung gleicher Grenzwerte der Wärmeübergangskoeffizienten in den Rohren und im Rohrzwischenraum Trennwände im Rohrzwischenraum eingebaut Im Inneren der Rohre sind verschiedene Einsätze eingebaut, die die Wandschicht der Strömung verwirbeln und dadurch den Wärmewiderstand verringern. Es kommen Einsätze unterschiedlicher Art zum Einsatz: in Form von Scheiben, Ringen, Membranen, Spiralen, spiralförmig verdrilltem Draht usw.

Die Wirkung von Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 27–697 kHz senkrecht zur Strömung auf den Wärmeaustausch von Rohr und Platte bei erzwungener Konvektion wurde experimentell untersucht. Die Fließgeschwindigkeit von Wasser oder Öl variierte zwischen 0,07 und 1,0 m/s. Der maximale Anstieg der Wärmeübertragung, der 80 % erreichte, wurde auf einer dünnen Platte unter Bedingungen stehender Wellen erreicht, wobei die Wärmeübertragung mit zunehmender Ultraschallintensität zunimmt und mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit bei gleicher Intensität ihr Einfluss abnimmt. Die Analyse der bei einer Frequenz von 697 kHz erzielten Ergebnisse zeigte, dass sich die Wärmeübertragung aufgrund der Turbulenzwirkung von Mikroströmen in der Nähe der Wärmeaustauschoberfläche verbessert. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit wird der turbulisierende Effekt des Ultraschallwellenfeldes im Vergleich zum turbulisierenden Effekt der Strömung selbst unbedeutend. Daher ist der Einsatz von Ultraschall zur Intensivierung der konvektiven Wärmeübertragung nur bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten sinnvoll.

Höhere Bildung

(DRTI FSBEI SPO „AGTU“)

Ausbildungsrichtung

Installation und technischer Betrieb von Kühlaggregaten _________

KURSARBEIT

CR_______15.02.06 _______.00.00.00.PZ

Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten von der Außenwand. Für Labor _unter gegebenen Bedingungen standhalten. ______________________________________________

(Themenname)

Das Werk wurde zum Schutz genehmigt“ 27 » Martha 2017

Die Arbeit wurde von einem Studenten der Gruppe abgeschlossen 431 ____

__________________ __Fomin V.A. ____

Unterschrift (Nachname I.O.)

Wissenschaftlicher Betreuer der Arbeit, .__________ ________

Unterschrift (Nachname I.O.)

Rybnoje 2017

Bundesamt für Fischerei

Haushaltsbildungseinrichtung des Bundeslandes

Höhere Bildung

„Staatliche Technische Universität Astrachan“

Dmitrov Fischereitechnologisches Institut (Zweigstelle)

Staatliche Haushaltsbildungseinrichtung für berufliche Sekundarbildung „Staatliche Technische Universität Astrachan“

(DRTI FSBEI SPO „AGTU“)

ÜBUNG

für Studienleistungen

Studiengruppe Student ___ 431 __DRTI FSBEI SPO „AGTU“

__________________Fomin Wladimir Alexandrowitsch ______________________

(Nachname, Vorname, Vatersname – vollständig)

THEMA DER KURSARBEIT

Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten von der Außenwand. ____________

Für einen Laborstand unter gegebenen Bedingungen _______________

Ausgangsdaten für die Kursarbeit

W,

Temperatur des in die Kondensatorleitung eintretenden Wassers _____ 21,8 o C,

Kältemittel-Kondensationstemperatur __ 100 o C,

Massenfluss von Wasser durch das Kondensatorrohr _____ 0,0001 kg/s,

Außendurchmesser des Versuchsrohres ___ 0,0156 M,

Innendurchmesser des Versuchsrohrs 0,018 M,

Präsentation der Studienleistungen vor dem Betreuer“ 27 » Martha 2017

Datum des Schutzes“ _ » ______________ 2017

Einführung

Kondensation- der Übergang eines Stoffes aus einem gasförmigen Zustand in einen flüssigen oder festen Zustand. Die maximale Temperatur, unterhalb derer Kondensation auftritt, wird als kritisch bezeichnet.

Während der Dampf durch das Rohr strömt, kondensiert er allmählich und es bildet sich ein Kondensatfilm an den Wänden. In diesem Fall nehmen der Dampfdurchsatz G“ und seine Geschwindigkeit aufgrund einer Abnahme der Dampfmasse entlang der Rohrlänge ab und der Kondensatdurchfluss G nimmt zu. Mit zunehmender Dampfgeschwindigkeit nimmt die Wärmeübertragungsintensität zu Dies wird durch eine Abnahme der Dicke des Kondensatfilms erklärt, der unter dem Einfluss des Dampfstroms schneller fließt. Die Anzahl der Moleküle, die in einer Sekunde aus einer Oberflächeneinheit einer Flüssigkeit austreten, hängt von der Temperatur der Flüssigkeit ab. Die Anzahl der vom Dampf in die Flüssigkeit zurückkehrenden Moleküle hängt von der Konzentration der Dampfmoleküle und von der durchschnittlichen Geschwindigkeit ihrer thermischen Bewegung ab, die durch die Temperatur des Dampfes bestimmt wird. Bei der Kondensation in Rohren wird das Dampfvolumen durch die Wände des Dampfes begrenzt Rohr. Rohre können sehr lang sein und eine große Menge Dampf kann in ihnen kondensieren. Es kommt zu einer gerichteten Bewegung des Dampfes, und die Geschwindigkeit des letzteren kann sehr hoch sein (bis zu 100 m/s oder mehr). Wenn Kondensation in Rohren auftritt , es gibt verschiedene Modi voll Und teilweise Dampfkondensation. Im ersten Fall wird der gesamte in das Rohr eintretende Dampf vollständig kondensiert und am Ausgang des Rohrs fließt ein kontinuierlicher Kondensatstrom. Bei der Teilkondensation strömt am Austritt des Rohres ein Dampf-Flüssigkeits-Gemisch.

Für das Vorkommnis volumetrisch Für die Kondensation muss der Dampf übersättigt sein – seine Dichte muss die Dichte von Sattdampf übersteigen. In diesem Fall benötigt der Dampf die Anwesenheit winziger Staubpartikel (Aerosole), die als fertige Kondensationszentren dienen. Um jedes Kilogramm Sattdampf in Flüssigkeit umzuwandeln, muss Wärme abgeführt werden.

Die Anzahl der Moleküle, die in einer Sekunde von einer Oberflächeneinheit einer Flüssigkeit emittiert werden, hängt von der Temperatur der Flüssigkeit ab. Die Anzahl der Moleküle, die vom Dampf in die Flüssigkeit zurückkehren, hängt von der Konzentration der Dampfmoleküle und von der durchschnittlichen Geschwindigkeit ihrer thermischen Bewegung ab, die durch die Temperatur des Dampfes bestimmt wird. Daraus folgt, dass für einen gegebenen Stoff die Konzentration der Dampfmoleküle im Gleichgewicht der Flüssigkeit und ihres Dampfes durch ihre Gleichgewichtstemperatur bestimmt wird. Die Herstellung eines dynamischen Gleichgewichts zwischen den Prozessen der Verdampfung und Kondensation mit steigender Temperatur erfolgt bei höheren Konzentrationen von Dampfmolekülen. Mit zunehmender Temperatur nehmen der Sättigungsdampfdruck und die Dichte zu und die Dichte der Flüssigkeit nimmt aufgrund der Wärmeausdehnung ab. In einem hermetisch verschlossenen Gefäß kann eine Flüssigkeit nicht kochen, da sich bei jedem Temperaturwert ein Gleichgewicht zwischen der Flüssigkeit und ihrem gesättigten Dampf einstellt.

Lehr- und Laborstände– Dies ist eine notwendige materielle und technische Basis, die sowohl von Primar- und Sekundarschulen als auch von Hochschulen nachgefragt wird. Mit einer solchen Basis können Sie verschiedene Prozesse anschaulich demonstrieren und so effektive Bildungsaktivitäten gewährleisten. Laborständer dienen als visuelle Hilfe und helfen auch, das Lernthema besser zu verarbeiten. Und hilft bei der Recherche

viele thermische Anlagen. Auch der Ständer bietet maximale Leistung
Klarheit des untersuchten Schemas und des darin ablaufenden Prozesses. Die Stände helfen bei der Ausbildung hochqualifizierten Personals, das über modernes Wissen und praktische Fähigkeiten verfügt. Die Erbringung praktischer Arbeiten durch die Studierenden ist ein wichtiges Mittel zur tieferen Aufnahme und zum Studium des Lehrmaterials sowie zum Erwerb praktischer Fähigkeiten.

Verdunstung- der Prozess des Übergangs eines Stoffes von einem flüssigen Zustand in einen dampfförmigen oder gasförmigen Zustand, der an der Oberfläche des Stoffes stattfindet. Der Prozess der Verdunstung ist die Umkehrung des Prozesses der Kondensation (Übergang vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand). Beim Verdampfen fliegen (brechen) Partikel (Moleküle, Atome) von der Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs ab, und ihre kinetische Energie muss ausreichen, um die erforderliche Arbeit zu leisten, um die Anziehungskräfte anderer Moleküle der Flüssigkeit zu überwinden.

Verdampfung ist ein endothermer Prozess, bei dem die Wärme des Phasenübergangs absorbiert wird – die Verdampfungswärme, die für die Überwindung der molekularen Kohäsionskräfte in der flüssigen Phase und für die Expansionsarbeit bei der Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf aufgewendet wird. Der Verdampfungsprozess hängt von der Intensität der thermischen Bewegung der Moleküle ab: Je schneller sich die Moleküle bewegen, desto schneller erfolgt die Verdunstung. Ein wichtiger Faktor ist auch die Oberfläche der Flüssigkeit, aus der die Verdunstung erfolgt.

Die Verdunstungsrate hängt ab von:

1. Oberfläche der Flüssigkeit.

2. Temperatur (steigt), obwohl sie bei jeder Temperatur auftritt und keine ständige Wärmezufuhr erfordert. Beim Verdampfen sinkt die Temperatur der Flüssigkeit.

3. Bewegung von Molekülen über der Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Gases,

4. Art der Substanz.

Die Verdunstung kann nicht nur an der Oberfläche, sondern auch in der Masse der Flüssigkeit erfolgen. Flüssigkeiten enthalten immer winzige Gasbläschen. Wenn der Dampfdruck einer Flüssigkeit gleich oder größer als der Außendruck (d. h. der Druck des Gases in den Blasen) ist, verdampft die Flüssigkeit in den Blasen. Mit Dampf gefüllte Blasen dehnen sich aus und steigen an die Oberfläche. Dieser Vorgang wird aufgerufen Sieden.

Intensivierung der Wärmeübertragung

Intensivierung- der Prozess und die Organisation der Produktionsentwicklung, bei der die effizientesten Produktionsmittel eingesetzt werden, sowie die Ausweitung der Produktion. Der Prozess der Transformation des Ressourcenverbrauchs sowie der Einsatz neuer Geräte ermöglicht eine Steigerung der Produktivität.

Die Intensivierung der Wärmeübertragung ist eines der wichtigsten technischen Probleme, da die Erhöhung des Wärmeübertragungskoeffizienten bei gegebener Wärmeleistung und Kühlmitteltemperatur eine Reduzierung der Wärmetauscherfläche und damit eine Reduzierung von Gewicht, Größe und Kosten des Wärmetauschers ermöglicht ; Durch die Erhöhung des K-Werts in vorhandenen Geräten kann deren thermische Leistung erhöht werden

In vielen Technologiezweigen ist die Aufgabe, den Wärmeaustauschprozess zu intensivieren und hocheffiziente Wärmetauscher zu schaffen, von großer Relevanz. Zur Intensivierung von Wärmeübertragungsprozessen werden folgende Techniken eingesetzt:

· Verhinderung von Ablagerungen (Schlamm, Salze, korrosive Oxide) durch systematisches Waschen, Reinigen und spezielle Behandlung der Wärmetauscheroberflächen und Vorabtrennung von Substanzen und Verunreinigungen, die Ablagerungen aus Kühlmitteln verursachen;

· Reinigung der Rohr- und Rohrzwischenräume von Inertgasen, die die Wärmeübertragung während der Dampfkondensation stark reduzieren;

· Verrippung der Wärmetauscherfläche, was sowohl zur Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten als auch zur Gewichtsreduzierung des Wärmetauschers nützlich ist. Die Oberfläche der Rippen, die 5-10 mal größer ist als die Oberfläche der Stützrohre, ist keinem einseitigen Druck ausgesetzt, daher können die Rippen aus dünnerem Material als die Wände der Rohre hergestellt werden, wodurch ein erreicht werden kann erhebliche Reduzierung des Gerätegewichts und des Metallverbrauchs

Eine Folge der Intensivierung von Wärmeübertragungsprozessen ist eine Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten, der bei sauberen Wärmeübertragungsflächen durch die Wärmeübergangskoeffizienten der Heizung und der erwärmten Kühlmittel bestimmt wird. In vielen Fällen unterscheiden sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der verwendeten Kühlmittel erheblich, ihr Druck und ihre Temperatur sowie ihre Wärmeübergangskoeffizienten sind nicht gleich. Somit beträgt der Wert des Wärmeübergangskoeffizienten auf der Wasserseite α = 2000...7000 W/(m 2 K), auf der Gaskühlmittelseite α ≤ 200 W/(m 2 K), für viskose Flüssigkeiten α = 100...600 W/(m 2 K). Es liegt auf der Hand, dass die Intensivierung der Wärmeübertragung von der Seite des Kühlmittels erfolgen sollte, das einen niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten aufweist. Bei gleicher Größenordnung der Wärmeübergangskoeffizienten von Kühlmitteln kann eine Intensivierung der Wärmeübertragung auf beiden Seiten des Wärmeaustauschs erfolgen, jedoch unter Berücksichtigung betrieblicher und technischer Möglichkeiten.

Typischerweise ist die Intensivierung der Wärmeübertragung mit einem Anstieg der Energiekosten zur Überwindung zunehmender hydraulischer Widerstände verbunden. Daher ist die Energieeffizienz einer der Hauptindikatoren für die Machbarkeit einer Intensivierung der Wärmeübertragung in Wärmetauschern. Der Anstieg der Wärmeübertragungsintensität muss im gleichen Verhältnis zum Anstieg des hydraulischen Widerstands stehen.

Die folgenden Hauptmethoden zur Intensivierung der Wärmeübertragung werden verwendet:

Entwurf von rauen Oberflächen und Oberflächen mit komplexen Formen, die die Turbulenz der Strömung in der wandnahen Schicht fördern;

Verwendung von Turbulenzeinsätzen in Kanälen;

Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche durch Rippen;

Einfluss auf den Kühlmittelfluss durch elektrische, magnetische und Ultraschallfelder;

Turbulisierung der Wandschicht durch Organisation von Pulsationen in der Geschwindigkeit der entgegenkommenden Strömung und ihrer Verwirbelung;

mechanische Einwirkung auf die Wärmeaustauschfläche durch Rotation und Vibration;

die Verwendung einer Granulatdüse sowohl im stationären als auch im pseudo-bewegten Zustand;

Hinzufügen von Feststoffpartikeln oder Gasblasen zum Kühlmittel.

Die Möglichkeit und Durchführbarkeit des Einsatzes der einen oder anderen Intensivierungsmethode für bestimmte Bedingungen wird durch die technischen Möglichkeiten und die Wirksamkeit dieser Methode bestimmt.

Eine der am weitesten verbreiteten Methoden zur Intensivierung der Wärmeübertragung (Erhöhung des Wärmeflusses) ist die Verrippung der Außenfläche von Rohren, sofern ein Kühlmittel mit einem niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten in den Rohrzwischenraum geleitet wird.

Diagramme einiger Geräte zur Intensivierung der Wärmeübertragung in Rohren sind in der Tabelle aufgeführt. 7.1.

7.1. Schemata von Geräten zur Intensivierung

Wärmeübertragung

Flossen		Flossen
Verdrehte		Rohr mit spiralförmigen, glatt konturierten Vorsprüngen
Kontinuierlicher Schneckenverwirbler		Verdrehtes Rohr
Ringkanaltyp Diffusor-Verwirrer		Abwechselnd glatt konturierte ringförmige Vorsprünge auf der Innenfläche eines glatten Rohrs

Zum Einsatz kommen Schaufelverwirbler, intermittierende Schneckenverwirbler mit unterschiedlichen Formen des Zentralkörpers usw. Es ist zu beachten, dass gleichzeitig mit einer Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten um 30...40 % auch der hydraulische Widerstand um 1,5 zunimmt -2,5-fach. Dies erklärt sich dadurch, dass die Energiedissipation beim Zerfall großräumiger Wirbelstrukturen (sie entstehen bei Strömungswirbeln) die Entstehung von Turbulenzen deutlich übersteigt – zur Speisung der schwächelnden Wirbel ist eine kontinuierliche Energiezufuhr von außen erforderlich .

Es wurde festgestellt, dass es in turbulenten und Übergangsströmungsregimen ratsam ist, turbulente Pulsationen nicht im Kern der Strömung, sondern in der wandnahen Schicht zu verstärken, wo die turbulente Wärmeleitfähigkeit niedrig und die Wärmeflussdichte maximal ist, weil dies der Fall ist Schicht macht 60...70 % des verfügbaren Temperaturdrucks „Wand-Flüssigkeit“ aus. Je höher die Zahl P R, desto dünner ist die zu beeinflussende Schicht.

Die aufgeführten Empfehlungen können umgesetzt werden, indem auf irgendeine Weise beispielsweise durch Walzen abwechselnd glatt umrissener ringförmiger Vorsprünge auf der Innenfläche eines glatten Rohrs erzeugt wird. Für Tropfflüssigkeiten mit P R= 2...80 Die besten Ergebnisse wurden mit t sun /d ext = 0,25...0,5 und d sun /d ext = 0,94...0,98 erzielt. Somit erhöht sich bei R e = 10 5 die Wärmeübertragung um das 2,0- bis 2,6-fache bei einer Erhöhung des hydraulischen Widerstands um das 2,7- bis 5,0-fache im Vergleich zur Wärmeübertragung eines glatten Rohrs. Für Luft wurden gute Ergebnisse bei t sun /d in = 0,5...1,0 und d sun /d in = 0,9...0,92 erzielt: im Übergangsbereich der Strömung (Re = 2000...5000) an Es wurde eine Steigerung der Wärmeübertragung um das 2,8- bis 3,5-fache festgestellt, wobei der Widerstand um das 2,8- bis 4,5-fache zunahm (im Vergleich zu einem glatten Rohr).

Methoden der mechanischen Beeinflussung der Wärmeaustauschfläche und der Einfluss elektrischer, Ultraschall- und magnetischer Felder auf die Strömung sind noch nicht ausreichend untersucht.

Konvektive Wärmeübertragung

Konvektion ist die Bewegung von Wärme aufgrund der Bewegung spezifischer makroskopischer Flüssigkeits- oder Gasvolumina. Mit der Konvektion geht immer eine Wärmeübertragung durch Leitung einher.

Unter konvektiver Wärmeaustausch den Prozess der Wärmeausbreitung in einer Flüssigkeit (oder einem Gas) von der Oberfläche eines Festkörpers oder zu seiner Oberfläche gleichzeitig durch Konvektion und Wärmeleitfähigkeit verstehen. Dieser Fall der Wärmeübertragung wird auch Wärmeübertragung durch Kontakt oder einfach Wärmeübertragung genannt.

Die Wärmeübertragung durch Konvektion ist umso intensiver, je turbulenter sich die gesamte Flüssigkeitsmasse bewegt und je heftiger die Vermischung ihrer Teilchen erfolgt. Das. Konvektion ist mit mechanischer Wärmeübertragung verbunden und hängt stark von den hydrodynamischen Bedingungen der Flüssigkeitsströmung ab.

Von Natur aus gibt es zwei Arten von Flüssigkeitsbewegungen:

1. Frei flüssige Bewegung (d. h. natürliche Konvektion) - entsteht durch den Unterschied in der Dichte erhitzter und kalter Partikel der Flüssigkeit und wird durch die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, ihr Volumen und die Temperaturunterschiede der erhitzten und kalten Partikel bestimmt.

2. Gezwungen (gezwungen) flüssige Bewegung ( erzwungene Konvektion) tritt unter dem Einfluss eines fremden Krankheitserregers auf, beispielsweise einer Pumpe oder eines Ventilators. Sie wird durch die physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, ihre Geschwindigkeit, Form und Größe des Kanals, in dem die Bewegung stattfindet, bestimmt.

Im allgemeinen Fall kann sich neben der Zwangsbewegung auch gleichzeitig eine freie Bewegung entwickeln. Wärmeübertragungsprozesse sind untrennbar mit den Bedingungen der Flüssigkeitsbewegung verbunden. Bekanntlich gibt es zwei Hauptströmungsregime: laminar und turbulent. Im laminaren Modus hat die Strömung einen ruhigen, stromähnlichen Charakter. Im turbulenten Zustand ist die Bewegung ungeordnet, Wirbel. Bei Wärmeübertragungsprozessen ist die Bewegungsart des Arbeitsmediums von großer Bedeutung, da sie den Mechanismus der Wärmeübertragung bestimmt.

Mechanismus der Wärmeübertragung durch Konvektion

(konvektive Wärmeübertragung)

Betrachten wir den Prozess der Wärmeübertragung durch Konvektion und Wärmeleitung von der Oberfläche eines Festkörpers auf die ihn umspülende Flüssigkeits- (oder Gasströmung) oder umgekehrt von der Strömung auf einen Festkörper, beispielsweise dessen Wand eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch.

Im Kern der Strömung erfolgt die Wärmeübertragung gleichzeitig durch Wärmeleitung und Konvektion. Der Mechanismus der Wärmeübertragung im Strömungskern während der turbulenten Bewegung des Mediums ist durch eine intensive Vermischung aufgrund turbulenter Pulsationen gekennzeichnet, die zu einem Temperaturausgleich im Kern auf einen bestimmten Durchschnittswert t cf (t cf1 oder t cf2) führt. Dementsprechend wird die Wärmeübertragung im Kern in erster Linie von der Art der Kühlmittelbewegung bestimmt, hängt aber auch von seinen thermischen Eigenschaften ab. Mit zunehmender Annäherung an die Wand nimmt die Intensität der Wärmeübertragung ab. Dies wird dadurch erklärt, dass sich in Wandnähe eine thermische Grenzschicht, ähnlich einer hydrodynamischen Grenzschicht, bildet. Das. Je näher man der Wand kommt, desto wichtiger wird die Wärmeleitfähigkeit, und in unmittelbarer Nähe der Wand (in einer sehr dünnen laminaren thermischen Unterschicht) erfolgt die Wärmeübertragung nur noch durch Wärmeleitfähigkeit.

Als thermische Grenzunterschicht wird eine Wandschicht betrachtet, in der der Einfluss turbulenter Pulsationen auf die Wärmeübertragung vernachlässigbar wird.

Es ist zu beachten, dass die Intensität des Rückstoßes hauptsächlich vom Wärmewiderstand der wandnahen Unterschicht bestimmt wird, der sich im Vergleich zum Wärmewiderstand des Kerns als entscheidend erweist.

Bei turbulenter Flüssigkeitsbewegung erfolgt der Wärmeaustausch viel intensiver als bei laminarer Bewegung. Mit zunehmender Strömungsturbulenz verstärkt sich die Durchmischung, was zu einer Abnahme der Grenzschichtdicke und einer Zunahme der übertragenen Wärmemenge führt.

Eines der praktischen Probleme in der Technik ist die Entstehung von Turbulenzen bei der Bewegung von Kühlmitteln.

Das Ziel der Turbulenzentwicklung in Wärmeaustauschgeräten besteht darin, die Dicke der thermischen Grenzunterschicht zu verringern; in diesem Fall wird der Prozess nur durch Konvektion begrenzt.

Die durch die molekulare Wärmeleitfähigkeit übertragene Wärmemenge wird durch das Fouriersche Gesetz bestimmt:

t – Temperatur an der Grenze

Die durch Konvektion übertragene Wärme wird durch das Newtonsche Gesetz oder das Gesetz der Wärmeübertragung bestimmt:

(2)

Die von einer Oberfläche F mit einer Temperatur t st an die Umgebung mit einer Temperatur t cf übertragene Wärmemenge ist direkt proportional zur Wärmeaustauschfläche und der Temperaturdifferenz zwischen t st und t cf der Umgebung.

Durch turbulente Pulsationen kommt es zu einem Temperaturausgleich und kann gleichgesetzt werden.

Wenn wir (1) und (2) gleichsetzen, erhalten wir:

Der Wert ist jedoch schwer zu bestimmen.

Hitzeübertragungskoeffizient, [W/m 2 K] – zeigt an, wie viel Wärme von 1 m 2 Wandoberfläche auf die Flüssigkeit übertragen wird, wenn der Temperaturunterschied zwischen Wand und Flüssigkeit ein Grad beträgt.

Der Wert charakterisiert die Intensität der Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche eines Körpers, beispielsweise einer festen Wand, und der Umgebung (Tröpfchenflüssigkeit oder Gas).

Der Wärmeübertragungsprozess ist ein komplexer Prozess, und der Wärmeübertragungskoeffizient ist eine komplexe Funktion verschiedener Größen, die diesen Prozess charakterisieren.

Der Wärmeübergangskoeffizient hängt von folgenden Faktoren ab:

Flüssigkeitsgeschwindigkeit, ihre Dichte und Viskosität, d. h. Variablen, die das Fließregime der Flüssigkeit bestimmen;

Thermische Eigenschaften der Flüssigkeit (spezifische Wärmekapazität C p, Wärmeleitfähigkeit) sowie der Volumenausdehnungskoeffizient;