XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законамитеплопередачи – науки о способах распространения тепла. Тепловые процессы

связаны с переносом теплоты, сопровождаются переносом импульса. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров. К тепловым процессам могут быть отнесены и процессы охлаждения до температур более низких, чем температура окружающей среды (процессы умеренного и глубокого охлаждения). Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамических условий (скоростей, режимов течения), при которых осуществляется перенос тепла между обменивающимися теплом средами. Перенос теплоты является сложным процессом, поэтому при исследовании тепловых процессов их разделяют на более простые явления.

Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучение и конвекция.

При теплопроводности перенос теплоты происходит путем непосредственного соприкосновения между микрочастицами (молекулами, атомами, электронами).

Явление теплового излучения – это процесс распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний.

Конвекция состоит в том, что перенос теплоты осуществляется вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов фазы.

Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.помощью электромагнитных колебаний.

Активное исследование и внедрение в промышленность различных методов интенсификации теплообмена обусловлены достижением больших практических результатов за счет уменьшения массы теплообменной аппаратуры или значительного повышения ее эффективности

Разработаны и исследуются самые различные методы интенсификации теплообмена. Принципиально их классифицируют на две категории:

а) активные методы интенсификации:

– механическое воздействие на поверхность теплообмена (вращение или вибрация поверхности, перемешивание жидкости и т. п.);

– воздействие на поток электрическим магнитным или акустическим полем, пульсациями 10 давления;

– вдув или отсос рабочей среды через пористую поверхность и др.

б) пассивные методы, в основе которых - воздействие на поток формой поверхности теплообмена: применение вставных интенсификаторов (винтовых, локальных и пластинчатых закручивателей потока), различное оребрение поверхности теплообмена и др. [1]

Первый способ заключается в создании закрученного движения потока с

помощью ленточных, шнековых и пластинчатых завихрителей. Такие завихрители воздействуют на весь поток. Второй способ состоит в воздействии на пристенную область течения за счет искусственной шероховатости в виде различного типа накаток на внутренней стенке труб, проволочных спиралей и т.п.

Что касается процессов теплообмена, связанных с испарительным охлаждением, необходимо указать и третью категорию способов его интенсификации, основанную на традиционном стремлении разработчиков к максимальному увеличению поверхности теплообмена

Кристаллизация и растворение.

Известно, что кристаллизация из растворов включает в себя две основные стадии: образование кристаллических зародышей и их дальнейший рост, взаимодействие между собой и с маточным раствором. Соответственно, кинетика кристаллизации характеризуется двумя величинами: скоростью образования зародыша и скоростью роста кристаллов. В зависимости от свойств веществ, условий проведения процесса и требований к конечному продукту обе или одна из этих стадий могут оказаться лимитирующими.

Динамические воздействия на пересыщенный раствор, такие как перемешивание, встряхивание, трение о стенки, звуковые и ультразвуковые колебания влияют на образование зародышей.

Помимо механических воздействий, изучалось также влияние на кристаллизацию электрических и магнитных полей, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, потоков электронов и нейтронов. А.В. Шубников показал влияние электрического поля на зарождение центров кристаллизации в растворе хлорида аммония. В опытах Ясуичи наблюдалось увеличение зародышей в растворах солей прохождении через них электромагнитных волн длинами 30-90 см. таким образом, физические воздействия могут способствовать зарождению новых центров кристаллизации, а некоторые –ускорить и линейный рост. [2]

Механические воздействия (встряхивание, перемешивание, удары, трения

о стенки, звук и ультразвук) в отсутствии кавитации обладают одной общей особенностью – упорядоченными колебаниями частиц среды. Возможно, именно от этого фактора и зависит образование зародышей

Применительно к теплообменным аппаратам различают две группы методов интенсификации: конструктивные и режимные. Это разграничение условно, так как, используя конструктивные методы (оребрение, установку турбулизаторов и т.п), фактически оказывают воздействие на процесс теплообмена. В то время режимные методы обязательно связаны с теми или иными конструктивными особенностями аппаратов (введение источников колебании или электродов). Разграничение же можно провести по наличию дополнительного источника энергии.

Турбулизация потока может быть достигнута как в результате увеличения скорости потока и его колебаний, так и в результате движения теплопередающей поверхности (ее вращение и колебания) При определенных свойствах теплоносителя на него можно воздействовать электрическим и магнитными полями, используя электро- и магнитогидродинамические течения.

Сушка

Решающую роль в технологии сушки играет форма связи влаги с материалом и его дисперсность, они же определяют во многом возможные методы интенсификации процесса. Изменение влагосодержания и температуры тела завсит от взаимосвязанного механизма переноса влаги и тепла внутри влажного материала и массотеплообмена поверхности тела с окружающей средой.

Элементарными актами сушки являются парообразование, перемещение влаги внутри материала к поверхности и в окружающую среду. Сочетания этих механизмов и определяет характер сушки.

Перенос влаги происходит под действием перепада влагосодержания (изотермическая диффузия), перепада температуры ΔТ (термодиффузия), перепада общего давления ΔР (фильтрация пара), перепада напряженности электрического поля ΔЕ (электродиффузия) и магнитного поля ΔВ (магнитодиффузия). Эти перепады создают термодинамические силы, обусловливающие потоки вещества.

Методы интенсификации сушки в зависимости от характера воздействия на механизмы процесса можно условно разделить на четыре группы: интенсифицирующие фазовый переход, внутренний массо-перенос, внешний тепломассообмен и комбинированные.

Основное сопротивление теплообмену при однофазном теплоносителе сосредоточено в пограничном слое. Поэтому для интенсификации теплообмена необходимо так воздействовать на пограничный слой, чтобы он оказался возможно более тонким или полностью разрушенным.

Общий принцип интенсификации конвективного теплообмена был разработан 3. Ф. Чухановым, Который указал, что наиболее выгодным режимом является турбулентный: в трубах и пограничном слое при внешнем обтекании тел.

Турбулизирующие устройства, в которых для турбулизация потока жидкости используют спиральные плоские ленты. Из уровня техники известны турбулизирующие устройства для теплообменных труб, в которых для турбулизация потока жидкости используют спиральные плоские ленты (авторские свидетельства, 

Общими недостатками указанных устройств являются:
- высокое гидравлическое сопротивление току жидкости, и, как следствие, ограничения по улучшению теплообмена и росту общей производительности теплообменников;
- возможность засорения теплообменных труб включениями, содержащимися в жидком теплоносителе, приводящее к ухудшению теплообмена. Кроме того, конфигурации спиральных плоских лент в указанных турбулизирующих устройствах, не позволяют эффективно применять их в теплообменниках, имеющих трубные системы с большим количеством теплообменных труб. [3]

Проведен патентный поиск по направлениям интенсификации теплообменных процессов. Рассмотрим направление интенсификации теплообмена за счет турбулизации потока. Разработано и запатентовано турбулизирующее устройство для теплообменной трубы (Пат. РФ №  2714469). Данное изобретение относится к конструкции турбулизирующих устройств, и может применяться в теплообменных трубах промышленных прямотрубных теплообменников, используемых в энергетической, металлургической, нефтегазодобывающей, нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей, и других отраслях промышленности. Известно, что параметры турбулентности потока теплоносителя существенно влияют на интенсивность теплоотдачи, поэтому разработка эффективных турбулизирующих устройств, обеспечивающих ускорение перехода от ламинарного течения теплоносителя к турбулентному, является актуальной темой. [4]

Турбулизирующие устройства, в которых для турбулизация потока жидкости используют спиральные плоские ленты.
Из уровня техники известны турбулизирующие устройства для теплообменных труб, в которых для турбулизация потока жидкости используют спиральные плоские ленты (авторские свидетельства, SU №832299 (23.05.1981 г); №1103068 (15.07.1984 г.) и №1223019 (07.04.1986 г.); патент RU №2334188 (20.09.2008 г.); патент JP (Япония) №200012 (2000 г.); патент RU, №2432542 (27.10.2011 г.); патент RU на полезную модель №181461 (16.07.2018 г.; опубликованные международные заявки, CN (Китай): №206488688, 12.09.2017 г.; №207850161, 11.09.2018 г. и №205607231, 28.09.2018 г.).
В турбулизирующем устройстве, содержащем стыковочный узел и соединенную с ним с возможностью вращения спиральную ленту 1, причем стыковочный узел включает корпус 2 с заглушкой 3, имеющий внутри подшипник с валом 4, выходящим из корпуса 2, а снаружи - фигурные элементы 5 для фиксации корпуса в трубе 6, а спиральная лента представляет собой винтовой коноид.

Рисунок 1 - Схема турбулизирующего устройства.

Устройство работает следующим образом. Турбулизирующее устройство устанавливают внутри теплообменной трубы 6 соосно с ней, при этом его винтовой коноид жестко зафиксирован с одной стороны на валу подшипника стыковочного узла. Фиксацию устройства в теплообменной трубе 6 обеспечивают фигурные элементы 5, закрепленные на наружной поверхности корпуса 2 стыковочного узла. Герметизацию корпуса 2 в теплообменной трубе 6 обеспечивает заглушка 3. Свободное вращение винтового коноида осуществляется при наличии зазора между наружным диаметром (dнар) и внутренней поверхностью теплообменной трубы 6, посредством подшипника с валом 4 внутри корпуса 2 и при поступлении на витки винтового коноида потока теплоносителя. Вращение винтового коноида осуществляется без дополнительного источника питания и превращение ламинарного потока в турбулентный осуществляется при скорости вращения винтового коноида, равной 300-1800 об/мин.

Заявленное турбулизирующее устройство может быть использовано как для горизонтальных, так и для вертикальных теплообменных труб.

Предлагаемое турбулизирующее устройство для теплообменной трубы при простоте выполнения практически доказало решение поставленных задач и обеспечение технических результатов - по сравнению с прототипом коэффициент теплопередачи повышается не менее чем на 20%, уменьшается рост гидравлического сопротивления 40-50% и обеспечивается гарантированное, на всем протяжении несения нагрузки, поддержание теплообменной трубы в исходно-чистом состоянии. К тому же устройство решает задачу повышения срока эксплуатации теплообменной трубы и теплообменного оборудования в целом и существенно может уменьшить их масса-габаритные характеристик. При работе устройства, винтовой коноид выполняет три функции: функцию привода, обеспечивающего собственное вращение, функцию улучшения теплообмена и функцию предотвращения отложений загрязнений на поверхности теплообменной трубы.

Таким образом, эффективно удаляются отложения солей жесткости, иловые, грязевые, песчаные заносы; органические отложения и исключается биологическое обрастание поверхностей теплообмена, при этом теплообменная труба сохраняет способность «пропускать» примеси (органический и неорганический мусор), содержащиеся в циркулирующей воде.

Проектирование нового эффективного теплообменного оборудования и модернизация существующего оборудования даже на основе апробированных на практике методов интенсификации требуют проведения дополнительных  экспериментальных исследований теплообмена и гидродинамики течения в каналах, а также разработки моделей и методов для их тепло-гидравлического расчета. [5]

ЛИТЕРАТУРА

1. Чернышева Е.А. Проблемы и пути развития глубокой переработки нефти в России // Бурение и нефть. 2011. №5. – С. 8-11.

2. Золотухин В.А. Глубокая переработка тяжелой нефти и нефтяных остатков // Нефть, газ и фондовый рынок. 2012. №4.

3. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа. Ч.2. Крекинг нефтяного сырья и переработка углеводородных газов. – М.: Химия, 1980. 328 с.

4. Турбулизирующее устройство для теплообменной трубы: пат. 2019121854 Рос. Федерация; № 2714469, заявл. 11.07.2019; опубл. 12.09.2019 

5. Портал Neftegaz.ru URL: https://neftegaz.ru/science/petrochemistry/331947-glubokaya-pererabotka-tyazheloynefti-i-neftyanykh-ostatkov/ (дата обращения: 2.03.2020).

REFERENCES

1. Chernysheva E.A. Problemy i puti razvitiya glubokoy pererabotki nefti v Rossii // Bureniye i neft. 2011. №5. – S. 8-11.

2. Zolotukhin V.A. Glubokaya pererabotka tyazheloy nefti i neftyanykh ostat-kov // Neft. gaz i fondovyy rynok. 2012. №4.

3. Smidovich E.V. Tekhnologiya pererabotki nefti i gaza. Ch.2. Kreking neftyanogo syria i pererabotka uglevodorodnykh gazov. – M.: Khimiya. 1980. 328 s.

4. Turbuliziruyushcheye ustroystvo dlya teploobmennoy truby: pat. 2019121854 Ros. Federatsiya; № 2714469. zayavl. 11.07.2019; opubl. 12.09.2019

5. Portal Neftegaz.ru URL: https://neftegaz.ru/science/petrochemistry/331947-glubokaya-pererabotka-tyazheloynefti-i-neftyanykh-ostatkov/ (data obrashcheniya: 2.03.2020).

Код для цитирования: Скопировать