XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

В современном мире для создания и поддержания температурного режима на различных объектах отраслей промышленности необходимо осуществлять подвод и отвод тепловой энергии от рабочей среды. С данной функцией хорошо справляются теплообменное аппараты. Теплообменные аппараты – устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому для осуществления различных тепловых процессов (нагревания, кипения, конденсации и т. д.).

В данной статье рассматриваются варианты конструкции теплообменника – тонкостенного теплообменного аппарата интенсифицированного (ТТАИ), который относится к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа.

ТТАИ представляет собой разборный тонкостенный теплообменный аппарат, относящийся к кожухотрубным теплообменникам.

Трубки изготовлены из нержавеющей стали, толщиной 0,2−0,3 мм и имеют рифленую поверхность, за счет чего достигается интенсификация теплообмена и возникает эффект самоочистки.

Корпус аппарата, также изготавливается из нержавеющей стали. Уплотнение выполняется с помощью резинового кольца, устанавливаемого перед трубным пучком и сжимаемым ответным фланцем.

Аппараты с диаметром до 50 мм, комплектуются ответными фланцами, к которым приварены патрубки из углеродистой стали с резьбовым соединением, аппараты большего диаметра комплектуются ответными фланцами с приваренными патрубками из углеродистой стали под приварку.

Такие теплообменники уже более четверти века активно используются в системах отопления и горячего водоснабжения. Также они рекомендуются к установке в индивидуальных тепловых пунктах (ИТП). Данные устройства способны выдерживать особые условия эксплуатации: температуру до 300 ℃ и давление до 16 кгс/см². Оборудование предназначено для работы в системах «вода-вода» и «вода-пар».

Несмотря на то, что аппараты ТТАИ относятся к кожухотрубным теплообменникам, их свойства резко отличаются от соответствующих свойств водоподогревателей, которые в течение нескольких десятков лет применялись в системах отопления и горячего водоснабжения. В таблице 1 представлены значения показателей ТТАИ и обычного ОСТ.

Таблица 1

Сопоставление свойств обычных и интенсифицированных кожухотрубных теплообменников

Технические показатели кожухотрубных водо-водяных теплообменников		Значения показателей у теплообменников
		обычный ОСТ 34-588-68	Интенсифицированный ТТАИ
Теплообменные трубки	Материал	латунь	нержавеющая сталь
	Характер поверхности	гладкая	волнистая
	Наружный диаметр, мм	16	8
	Толщина стенки, мм	1	0,2 или 0,3
	Количество	12*	52*
	Площадь поверхности, м2	0,55*	1,27*
Длина, мм		2000 или 4000	Любая кратная 50 мм, но не более 4000
Масса, кг		30,2*	5,3*
Общее количество типоразмеров		22	Около 4 тысяч

Показатели со значком * отнесены к одному метру длины теплообменника D=80 мм

Можно выделить три основных типа ТТАИ:

1. Одноходовые аппараты

Теплоноситель проходит по трубкам теплообменника, а нагреваемая вода по межтрубному пространству. Благодаря примерно одинаковым площадям живого сечения такие теплообменники удобно использовать при относительно небольших разницах расхода греющей и нагреваемой воды. Схема такой конструкции представлена на рисунке 1.

Рис. 1 – Схема одноходового противоточного ТТАИ

2. Двухходовые аппараты

Двухходовые удобно использовать, когда расходы теплоносителей, циркулирующих через межтрубное пространство и по трубам, отличаются в два и более раза, либо потеря давления в одном контуре может быть в несколько раз больше предельно допустимого гидравлического сопротивления движения воды через другой контур[2, с. 6]. Схема такого аппарата представлена на рисунке 2.

Рис. 2 – Схема двухходового противоточного ТТАИ

3. Сложноходовые аппараты

Сложноходовые аппараты используются в тех же случаях, что и двухходовые аппараты, то есть, когда расходы теплоносителей, циркулирующих через межтрубное пространство и по трубам, отличаются в два и более раза. Нагреваемая вода, расход которой меньше, направляется по трубной полости, а греющая входит в межтрубную полость с двух сторон теплообменника. В то время как нагреваемая вода проходит по теплообменнику путь, равный его длине, греющая, разделенный на два потока, пройдет только половину этого пути [2, с. 6]. Схема сложноходового аппарата представлена ниже на рисунке 3.

Рис. 3 – Схема одноходового противоточного ТТАИ

ТТАИ сконструированы так, что их трубные решетки при любых условиях эксплуатации остаются разгруженными. Это означает, что греющий теплоноситель может подаваться в любую полость теплообменника. При выборе теплообменника обычно просчитываются варианты с подачей греющей воды и в трубки, и в межтрубную полость, после чего принимается оптимальное техническое решение. Конструктивная особенность показана на рисунке 4.

Рис. 4 – Схема подключения аппаратов ТТАИ и ТТАИр к теплоносителю

Преимущества ТТАИ

1. В аппаратах ТТАИ применяется метод «плавающих» трубных решёток (причём, обеих) для установки трубного пучка в корпусе. Это позволяет не только снять термические напряжения в цепочке «корпус – трубный пучок», что повышает надёжность работы аппарата, но и обеспечивает возможность разборки аппарата путём извлечения трубного пучка из корпуса. Такая возможность повышает ремонтопригодность аппарата и, кроме того, обеспечивает возможность агрегатного ремонта путём замены одного из вышеупомянутых элементов теплообменника[1].

2. При компоновке трубного пучка используется его нерегулярная разбивка. Реализация этой идеи в аппаратах ТТАИ подтвердила её правомерность и обеспечивает снижение гидравлического сопротивления межтрубной полости, что позволяет более рационально использовать располагаемый напор в интересах роста тепловой эффективности.

3. Также снижению бесполезных потерь напора способствует решение о применении входного и выходного патрубков межтрубной полости с диаметрами не только равными, но даже большими диаметра корпуса аппаратов.

4. В аппаратах ТТАИ используются трубки малого эквивалентного диаметра. Это способствует росту удельной тепловой эффективности и повышает коэффициент компактности, что также ведёт к снижению массогабаритных характеристик теплообменника и увеличению интегральной тепловой эффективности аппарата. Вес аппаратов изменяется от 1 кг до 200 кг.

5. В аппаратах ТТАИ применяются термодинамически целесообразно профилированные трубки, которые представлены на рисунке 5.

Рис. 5 – Вид профиля трубки ТТАИ снаружи

Такой профиль (плавно очерченные, строго определяемые по высоте, полукруглые выступы-канавки) обеспечивает рост тепловой эффективности, не отстающий от сопряжённого роста гидравлического сопротивления. Соответствующие исследования впервые в мире были выполнены в СССР и уже затем стали использоваться западными фирмами. Правильное выполнение профиля обеспечивает генерирование короткоживущих мелкомасштабных вихрей, не диффундирующих в ядро потока, а движущихся в пристенном ламинарном микрослое рабочей среды. Это исключает диссипацию энергии на дополнительную турбулизацию ядра потока, и обеспечивает полезное использование энергии этих микровихревых структур на перевод теплоотдачи с теплопроводности на конвективный теплоперенос.

Помимо опережающего роста теплоотдачи, этот профиль обеспечивает ещё и такое важное преимущество аппаратов ТТАИ, как эффект самоочистки [3] поверхности теплопередающих труб.

Список источников

1. Теплообменным аппаратам ТТАИ – 25 лет // РосТепло.ру.URL:https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3393(дата обращения 05.12.2023).

2. Гершкович В. Ф., Демина Н. Ф. Рекомендации по применению теплообменников ТТАИ в тепловых пунктах жилых и общественных зданий. Киев: Центр энергосбережения КиевЗНИИЭП, 2005. 29 с. URL: https://www.rusinzh.ru/certificates/1-Rekomendatsii_TTAI(дата обращения 05.12.2023).

3. ТТАИб. Тонкостенные теплоообменные аппараты интенсифицированные // ООО «ИнвестэнергоГрупп». URL: https://www.oookedr.by/teploobmennyie-apparatyi-ttaib (дата обращения 05.12.2023).

References

1. TTAI heat exchangers are 25 years old //РосТепло.ру.URL:https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3393 (date of application 05.12.2023)

2. Gershkovich V. F., Demina N. F. Recommendations for the use of TTAI heat exchangers in thermal points of residential and public buildings. Kiev: KievZNIEP Energy Saving Center, 2005. 29 p. URL: https://www.rusinzh.ru/certificates/1-Rekomendatsii_TTAI(date of application 05.12.2023)

3. TTAIb. Thin-walled heat exchange devices, intensified // InvestenergoGroup LLC. URL: https://www.oookedr.by/teploobmennyie-apparatyi-ttaib (date of application 05.12.2023)

Информация об авторах

Денис Дмитриевич Храмов – магистрант ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (Нижний Новгород, Россия), den.khramov.2000@mail.ru

Александр Евгеньевич Творогов – магистрант ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (Нижний Новгород, Россия), tvoroghov2000@mail.ru

Дмитрий Николаевич Заводчиков – магистрант ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (Нижний Новгород, Россия), d.zavodchikow@yandex.ru

Information about the authors

Denis Dmitrievich Khramov – graduate student of the Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (Nizhny Novgorod, Russia),den.khramov.2000@mail.ru

Alexander Evgenievich Tvorogov – graduate student of the Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (Nizhny Novgorod, Russia),tvoroghov2000@mail.ru

Dmitry Nikolaevich Zavodchikov– graduate student of the Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (Nizhny Novgorod, Russia),d.zavodchikow@yandex.ru

Код для цитирования: Скопировать