Повышение эффективности теплообменных аппаратов на основе модификации теплообменных поверхностей (оребрение) с использованием ПАВ

Ivan Timokhin

student, Moscow Polytechnic University, Russia, Moscow

Аннотация. Целью работы является обзор возможных вариантов улучшения тепловых аппаратов, путём модернизации их поверхностей теплообмена. В качестве дополнительного повышения их эффективности и компенсации, появляющихся при этом недостатков, рассматривается использование поверхностно активных веществ вместе с теплоносителем.

Abstract. The aim of the work is to review possible options for improving thermal devices, by upgrading their heat exchange surfaces. The use of surface-active substances together with the coolant is considered as an additional increase in their efficiency and compensation, the disadvantages that appear at the same time.

Ключевые слова: Теплообменные аппараты, поверхностно активные вещества, оребрение, повышение эффективности.

Keywords: Heat exchangers, surface-active substances, fins, efficiency increase.

Теплообменные аппараты занимают одно из ключевых мест в промышленной теплоэнергетике.

Они составляют исключительно многочисленную группу теплосилового оборудования, занимая значительные производственные площади и превышая зачастую половину стоимости общей комплектации не только в теплоэнергетике, но и ряде других отраслей промышленности. На сегодняшний день проблема рационального использования энергоресурсов для промышленной теплоэнергетики остаётся актуальной.

Решением подобной проблемы может быть создание нового, более экономичного оборудования либо модификация старого, путём повышения надёжности его работы и эффективности, а также снижения его габаритов и металлоёмкости.

Одним из способов повышения эффективности теплообменных аппаратов является улучшение их теплообменных поверхностей, к которым относится и оребрение.

Подобная модификация поверхности теплообмена в кожухотрубных теплообменниках эффективна не только по высоким значениям коэффициента теплопередачи, но и по весовым показателям, ввиду того, что поверхность оребрения превосходит несущую поверхность гладких трубок в несколько раз и не подвержена давлению.

Эти обстоятельства позволяют изготавливать оребрение из более тонкого материала, чем трубки, тем самым обеспечивая значительное облегчение конструкции. Оребрение поверхности целесообразно применять со стороны того теплоносителя, коэффициент теплоотдачи которого является наименьшим. На рисунке 1 представлены некоторые конструктивные схемы оребрения труб.[1]

В пластинчатых теплообменниках с плавниковыми трубами, равно как и в трубчатых теплообменниках используются ленточные рёбра, установленные со сдвигом относительно друг друга, рёбра в виде жалюзи, перфорированные или гофрированные рёбра. Коэффициенты теплоотдачи при этом увеличиваются на несколько сотен процентов по сравнению с гладкими трубами. При этом и перепад давлений возрастает в десятки раз.[2]

Рисунок 1. Конструктивные схемы оребрения труб: а – продольные рёбра, б – радиальные рёбра, в – эллиптического сечения

Ввиду многообразия геометрических форм, применяемой для интенсификации теплообмена, универсальных корреляционных зависимостей не существует, за исключением одной – перепад давления тем больше, чем выше коэффициент теплоотдачи, не в пользу последнего.

Это происходит по причине сильного возрастания потерь и на трение и на преодоление местных сопротивлений.

Использование в подобной ситуации поверхностно активных веществ поможет существенно снизить гидродинамическое сопротивление. Данный эффект проявляется при добавках полимеров и достижении ими значения напряжения сдвига.

Обычно, это состояние при переходе от ламинарного течения к турбулентному. Максимального снижения гидродинамического сопротивления можно достичь при малых массовых концентрациях полимерных добавок, то есть когда различие вязкости раствора и растворителя мало.[3]

Различные примеси, содержащиеся в нагреваемой и испаряемой воде, могут выделяться в твердую фазу на внутренних поверхностях теплообмена в виде накипи, а внутри водяной массы – в виде взвешенного шлама.

Из приведенного в [4] уравнения, температура стенки пропорциональна плотности теплового потока и толщине накипи и обратно пропорциональна коэффициенту её теплопроводности.

Это означает, что даже кратковременное ухудшение коэффициента теплоотдачи от стенки к кипящей воде может привести к колоссальному росту температуры стенки трубы (500–600 °С и выше), что прочность металла может оказаться недостаточной, чтобы выдержать возникшие в нем напряжения. Вариантами последствий можно назвать гарантированные повреждения металла, в частности образование свищей, отдулин, а также и разрыв труб. Для биметаллических же труб справедлива интенсивная электрохимическая коррозия при попадании агрессивных паров и жидкостей в зазор ребра и канавки. Согласно данным [5] Ввод в контур октадециламина C18H39N до 5 раз уменьшает уровень продуктов коррозии в питательной воде, а скорость коррозии стальных образцов практически в 7 (с 234мкм/г до 34мкм/г) представлено на графиках рисунка 2.

Рисунок 2. Коррозионно-защитный эффект в зависимости от концентрации дозирования ОДА; Концентрация продуктов коррозии с начала дозирования

На основании приведённых выше примеров, можно заключить, что конструкционные изменения поверхностей теплообмена ведут как к положительным последствиям, то есть росту теплопроводимости и снижению металлоёмкости, так и к отрицательным, вроде повышения гидравлического сопротивления.

Поверхностно активные вещества позволяют теплоносителю эффективнее отдавать тепло, преодолевать самые сложные поверхности теплообмена, а также очищают его от вредных для поверхностей теплообмена примесей.