6.2. Интенсификация теплообмена при вынужденной и естественной конвекциях газов

Теплообмен газов характеризуется низкими коэффициентами теплоотдачи, поэтому требует, как правило, интенсификации.

Коэффициент теплоотдачи , Вт/(м²К), в различных условиях имеет следующие значения:

• естественная конвекция газов - 5-12;

• вынужденная конвекция газов;

• обдув редукторов машин, цилиндров

компрессоров, радиаторов автомобиля - 12-50;

• движение продуктов сгорания в конвективных

пакетах энергетических котлов - 50-200;

• конвекция паров в СПП и высокотемпературных

газов в реакторах ВТГР - 200-500;

- естественная конвекция воды - 500-1000.

Интенсификация теплообмена в этих случаях характеризуется использованием оребрений большой высоты.

Однако высота ребра может оптимизироваться и должна быть обоснована!

Конструкции основных интенсификаторов

1. Навивка и приварка по наружной поверхности трубы винтовой проволочной спирали. Например, на трубу из стали 20 d_н = 28 мм с шагом t50 мм приваривается стальная проволока d=5 мм. Такие трубы выпускаются промышленностью и используются в калориферах – подогревателях дутьевого воздуха энергетических котлов.

Применение стальных оребренных труб для поверхностей нагрева является перспективным направлением, так как позволяет в ряде слу­чаев значительно снизить вес и габариты теплообменного оборудования.

Институтом электросварки им. Е. О. Патона АН Украины освоена технология изготовления труб с поперечным спиральным оребрением (рис. 6.5.).

Рис.6.5. Стальная труба со спиральным оребрением

Опытный экономайзер из стальных оребренных труб был установлен на экспериментальной ТЭЦ НПО ЦКТИ, на котле типа ДКВр 35-39 и представлял собой коридорный пучок стальных труб со спиральным ленточным оребрением, расположенных с шагами S1 =70 мм в поперечном и S2=50 мм в продольном направ­лениях. Отношение поверхности ребер к полной по­верхности теплообмена с газовой стороны составило 0,74.

Результаты испытаний показали, что применение наружного оребрения увеличивает теплосъем в сравнении с гладкими трубами примерно, в 2,4 раза. Однако при работе котла на жидком и твердом топливах зазоры между ребрами забиваются продуктами механического недожега (сажа), и эффективность интенсификации снижается до 2 раз в течение уже первых 100 часов эксплуатации.

2. Кольцевые ребра конструктивно аналогичны спиральным, показанным на рис. 6.5. Они используются в холодильной технике при естественной конвекции воздуха, эффективны только при поперечном обтекании. Ребра обычно выполняют из высокотеплопроводных материалов, таких, как медь, алюминий, дуралюминий.

3. Ошипованные трубы. Боковая поверхность этих труб имеет шипы конической формы, расположенные радиально в шахматном порядке. Используются в ширмах и фистонах котлов, которые вставляют между конвективной шахтой и топкой.

4. Продольные ребра. Они изготавливаются путем приваривания контактной сваркой из стали на нержавеющую трубку из стали 08Х18Н10Т  18х1 продольного П – образного профиля, выгнутого из тонкого нержавеющего листа. Такая интенсификация используется, например, в СПП.

5. Использование внутритрубного стального оребрения. Так, например, в конструкции реактора типа РБМК-1500 это позволило увеличить тепловую мощность в сравнении с реактором РБМК-1000 при тех же габаритах и конструкции в 1,5 раза. В перспективе предполагается использование внутритрубного спирального оребрения в прямоточных парогенераторах АЭС. Эффективность оребрения зависит от режимов работы и соотношения высоты ребра к диаметру трубы. Максимальное увеличение коэффициента теплоотдачи в эксперименте, проведенном в НПО ЦКТИ, составило 20% (рис. 6.6.).

Рис.6.6. Экспериментальная труба с внутренним спиральным оребреннем: а — оребренная труба в сборе; б — полосовая спиральная вставка