Интенсификация теплообмена

Необходимость использования интенсификации теплообменника в оборудовании должна быть обоснована. Используется она, как правило, в следующих случаях:

- при изготовлении специального оборудования с жесткими требованиями к минимуму габаритов;

- если одно из термических сопротивлений при сложном теплообмене больше на порядок или два остальных термических сопротивлений. Это основной критерий, от которого отталкиваются при расчетах и конструировании теплообменного оборудования.

При сложном теплообмене коэффициент теплопередачи всегда меньше меньшего из всех:

.

Поэтому, если термическое сопротивление стенки или отложений на ней на порядок больше, чем термическое сопротивление теплоотдачи, то никакие усилия по увеличению a₁ и a₂ к положительному эффекту не приведут. Например, в котлах коэффициент теплоотдачи (охлаждения) в трубах от их внутренней поверхности к воде, принимающий значение 5-10 кВт/(м²×К) даже не учитывается в расчетах, так как снаружи коэффициент теплоотдачи излучением принимает значение в 20-30 раз ниже и равен 100-200 кВт/(м²×К). Поэтому в прикидочных расчетах обычно коэффициент k принимают равным коэффициенту теплопередачи по наружной поверхности труб. И именно это значение a нужно интенсифицировать.

Рассмотрим другой пример: когда в водо-водяном теплообменнике (рис. 6.1) a_Г и a_ОХ примерно равны 10 кВт/(м²×К), тогда термические сопротивления теплоотдачи имеют следующие значения:

.

Если при этом теплообменная поверхность выполнена из нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т с коэффициентом теплопроводности l=15 Вт/(м×К) и толщиной стенки d_ст=1,5×10^-3 м, то термическое сопротивление теплопроводности будет равно предыдущим R_ст=10^-4. Этот теплообменник спроектирован удачно и интенсификация потока (увеличение a) не приведет к увеличению коэффициента теплопередачи.

Рис. 6.1. Схема сложного теплообмена в трубе

В случае образования в трубах отложений, они так же могут значительно снизить все усилия по увеличению коэффициента k, даже если мы достигаем равенства термических сопротивлений. Это необходимо учитывать при проектировании.

Задачу интенсификации теплообмена разделяют по видам теплообмена [4]:

- при парообразовании наиболее интенсивный режим теплообмена при пузырьковом кипении a=5-10 кВт/(м²×к). Больших значений получить, как правило, не удается. Увеличение в потоке паросодержания и переход режима течения в снарядный снижают коэффициент до 1-2 кВт/(м²×К). При диффузионном режиме кипения a=500-800 Вт/(м²×К).

- при конденсации рассматривают два механизма: пленочную и капельную конденсацию. Пленочная конденсация является традиционной, имеет коэффициент a_пк=1-5кВт/(м²×К). Разброс значений a связан с влиянием на коэффициент теплоотдачи неконденсирующих газов.

Коэффициент капельной конденсации имеет значения до 50 кВт/(м²×К). Однако в энергетике она практически не используется и достижима только при реализации в оборудовании специальных технических решений. При капельной конденсации образующаяся жидкость по своему поверхностному натяжению не должна смачивать материал теплообменной поверхности. Но вода хорошо смачивает теплообменные материалы. Плохо смачиваемые материалы, как правило, имеют низкую теплопроводность (это высокомолекулярные органические соединения, такие, как фторопласт, ПХВ и др.) и в качестве теплообменных использоваться не могут.

Капельная конденсация может быть реализована следующими техническими средствами:

· введением в пар поверхностно-активных веществ (ПАВ). В середине 70-х гг. проводились опыты в ГДР на ВВЭР-440. В начале 80-х – на Кольской АЭС силами ВНИИАМ; широкого распространения технология не получила из-за отсутствия дешевых отечественных материалов;

· покрытием всех теплообменных трубок наружным тонким слоем фторопласта толщиной d_сл = 0,1-0,2 мм. Работы проводились в середине 80-х гг.; по заказу ЦКТИ на кафедре органической химии НПИ было изготовлено несколько труб, получены интересные результаты;

· в электрическом поле напряжением до 50 кВ капли не смачивают поверхность. Однако этот способ не используется, так как очень опасен.