VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Теплообменные аппараты применяются в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой, в энергетике, авиационной и космической технике, холодильной и криогенной технике, в системах отопления и горячего водоснабжения и т.д. С ростом мощностей и объемов производства все более увеличивается масса и габариты применяемых теплообменных аппаратов и устройств, а также затраты на прокачку теплоносителя. Уменьшение массы и габаритов ТА, а также энергетических затрат является актуальной проблемой. Одним из основных и перспективных путей решения этой проблемы является интенсификация теплообмена.

В технологической схеме производства кальцинированной соды при карбонизации аммонизированного рассола предусмотрена колонна с тарелками и трубно-решетчатыми холодильными камерами. Данная камера служит для отвода тепла реакции и интенсификации процесса абсорбции СО₂ аммонизированным рассолом. Чрезмерное повышение температуры приводит к снижению использования натрия, а также выпадению кристаллов высококонцентрированного раствора и отложению солей на наружных поверхностях труб [1]. Следовательно, поддержание температуры процесса карбонизации в абсорбционной колонне в оптимальном диапазоне требует интенсификации теплообмена при движении в каналах охлаждающей воды и турбулизации потока раствора с высокой концентрацией при течении в межтрубном пространстве.

Разработанные к настоящему времени методы интенсификации теплообмена обеспечивают снижение габаритов и металлоемкости этих устройств в 1,5-2 раза и более по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителя [2].

Исследованиями интенсификации теплообмена осуществляются в различных странах в заметно возрастающем темпе. Значительный вклад в решение проблемы этой проблемы внесли В.М.Антуфьев, В.М.Бузник, Г.И.Воронин, Н.В.Зозуля, Э.К.Калинин, В.В.Костюк, Г.А.Дрейцер, Б.В.Дзюбенко, В.К.Мигай, В.К.Щукин и многие другие ученые [2].

Применительно к течению однофазных теплоносителей используются турбулизаторы потока на поверхности, шероховатые поверхности и поверхности, развитые за счет оребрения, закрутка потока спиральными ребрами, шнековыми устройствами, завихрителями, установленными на входе в канал, подмешивание к потоку жидкости газовых пузырей.

Известно, что гидродинамика и теплообмен при течении жидкостей в трубах сложной формы, как правило, определяются геометрическими параметрами подобных каналов [3]. Имеется множество исследований, в которых интенсификация теплообмена путем турбулизации потока теплоносителя внутри труб [2].

Необходимо отметить, что при выборе того или иного метода интенсификации теплообмена приходится учитывать не только эффективность самой поверхности, но и ее универсальность для различных однофазных и двухфазных теплоносителей, технологичность изготовления поверхности и сборки ТА, прочностные требования, загрязняемость поверхности, особенности эксплуатации и т.д. Все эти обстоятельства существенно снижают возможности выбора одного из многочисленных исследованных методов интенсификации [4].

Поэтому, в трубно-решетчатой насадке карбонизационной колонны можно использовать трубы высокоэффективными теплообменными поверхностями, т.е. со спиральными канавками-турбулизаторами снаружи и плавно очерченными выступами внутри.

По ходу экспериментов необходимо охлаждать аммонизированный рассол с 36 до 28^оС. В качестве охлаждающего агента используется вода с температурой 16-24^оС, охлаждаемая жидкость – аммонизированный рассол. Исследования проведены на гладкой трубе, и 4-х трубах со спиральными канавками с относительным шагом h/S=0,017-0,095. Скорость охлаждающей воды изменялась в диапазоне чисел Рейнольдса Re=(0,95-6)10⁴.

 

NuCt-449

 

 

4

 

 

2

 

Рис.1. Зависимость интенсивности теплообмена Nu от числа Re при

охлаждении аммонизированного рассола на трубчато-решетчатом

насадке из спирально-накатанных труб при t/d=0,25.

 - h/d=0,095;  - h/d=0,059;  - h/d=0,029;  - h/d=0,012;  - h/d=0,003.

Известно, что наиболее низкие значения скорости потока отмечается у стенки труб. В центре трубы, т.е. по оси трубы наблюдается самые максимальные скорости течения жидкости. Поэтому, целесообразно интенсифицировать течение на границе стенка-жидкость. Для этих целей наиболее приемлемым методам следует отнести нанесение плавно очерченных впадин снаружи. На рис.1 иллюстрируется график, отражающий влияние вышеназванных параметров на интенсивность теплообмена. Подтверждением тому, значение числа Нуссельта Nu при числе Рейнольдса Re=4200 которое равно для гладкой трубы 148, для h/d=0,003 значение Nu=220, для h/d=0,029 величина Nu=243 и для h/d=0,095 значение Nu=272. Анализ экспериментальных данных показывает, что с увеличением глубины накатки канавок, теплоотдача повышается от 1,5 до 1,85 раза. Подобное повышение переноса тепла объясняется турбулизацией пограничного вязкого подслоя, который в обычных теплообменных трубах является неподвижной и значительной толщины.

Литература

1.Линкевич В.А. Технология кальцинированной соды.-Т.:ГАК «Узхимпром», 2005.-90с.

Кунтыш В.Б., Бессонный А.В., Дрейцер Г.А., Егоров И.Ф. Примеры расчетов нестандартизованных эффективных теплообменников. – СПб.: Недра, 2000. – 300 с.

3. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. – М.: Энергия, 1977. – 464 с.

4. Dzyubenko B.V., Dreitser G.A., Yakimenko R.I. Methodics of Optimum Configuration Choice for Heat Transfer Surfaces of Space Heat Exchangers // Proc. of the First Int.Conf. on Aerospace Heat Exchangers Techology (Palo Alto, USA, 1998), Amsterdam-London: Elseveir, 1998, p.369-389.

Код для цитирования: Скопировать