УДК66.096.5
ОБЗОР ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ С ТЕХНОЛОГИЕЙ ЗАКРУТКИ ПОТОКА SPIN CELL
Е. А. Микеров1, А. М. Наумов2, А. В. Муравьев3
1Студент гр. мПТ-201,egor.mikeroff@yandex.ru
2Канд. техн. наук,anaumov@cchgeu.ru
3Канд. техн. наук,nix2001@yandex.ru
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
В данной статье описываются обзорные характеристики, принцип действия и преимущества энергоэффективных энергосберегающих теплообменных аппаратов нового поколения с технологией закрутки потока SpinСell. Приведены сравнительные характеристики теплообменников отопления. Показана перспективность применения данной технологии для систем отопления.
Ключевые слова: теплообменный аппарат, улучшение технологий, закрутка потока, коэффициент теплопередачи, энергетика.
Одна из важнейших проблем в области энергетики по всему миру– проблема энергоэффективности теплообменных аппаратов. Решение по этому вопросу ищут учёные и изобретатели по всему миру уже более 100 лет. В том числе и отечественные инженеры, конструкторы и учёные внесли огромный вклад в её решение при создании данного теплообменного аппрата.
Базовым элементом технологии Spin Cell является закрутка в многозаходных спирально-профильных трубах. Данный элемент исследовался американским учёным профессором Ямпольским внутри многозаходной (24 захода) трубы. Профессор в своих работах добился увеличения показателей внутренней теплоотдачи в 2-3 раза по сравнению с гладкой поверхностью. Однако, в отличие от его более поздних модификаций, эта технология изготовления поверхности теплообмена была весьма дорогостоящей и, вероятно, поэтому не вышла за пределы лаборатории. Согласно публикациям профессора, теплоотдача в пучке вовсе не исследовалась.
Точно такие же исследования в области теплообмена в закрученных потоках для первого контура энергетических ядерных реакторов проводились в СССР. Ряд различных компаний, как отечественных, так и зарубежных, используют данные наработки по интенсификации тепло-
26
обмена. С помощью специальных вставок, перекрывающих проходное сечение каналов, происходит закрутка потока. В межтрубном пространстве теплообменного аппарата используются перегородки, а внутри теплообменных труб - различные спиральные вставки. Эти технологии повышают гидравлическое сопротивление и несколько повышают энергоэффективность теплообмена. Интенсификация, основанная на поперечной накатке труб или спиральном профилировании с одним, двумя или тремя входами, не обеспечивает необходимого закручивания потока и только реализует турбулизацию пристенного вязкого слоя.
Технология Spin Cell включает элементы, в разы повышающие энергоэффективность теплообменных аппаратов, чтодаёт право говорить о них, как о ТОА нового поколения. Внешне он похож на кожухотрубный теплообменник, а его теплообменнаяматрица – на пластинчатый ТОА. Матрица ТОА технолгии Spin Cell сконструирована многозаходными теплообменными спиральнопрофильными трубами (СПТ), которые, в свою очередь, соединены в сотовую конструкцию без использования трубной доски.
Схема потока в межтрубной ячейке, теплообменный модуль и сотовое соединение труб СПТ можно увидеть на рис. 1, 2, 3.
Рис. 1. Схема потока в межтрубной ячейке[2]
Рис.2.Теплообменныймодуль[2]
27
Рис. 3.Сотовое соединение трубспирально-профильных труб[2]
Основные особенности, реализованные в конструкции теплообменных аппаратов SpinCell:
-закрутка потока происходит внутри трубного пучка, составленного из спирально-профильных труб;
-закрутка потока в межтрубных ячейках. Ячейки образованны полыми спиральными рёбрами смежныхспирально-профильных труб;
-закрутка потока увеличивает теплоотдачу при незначительных потерях давления, а макровихри омывают теплообменную поверхность, тем самым предотвращая рост солеотложений, то есть происходит эффект «самоочистки»;
-отсутствие трубных досок исключают соответствующие местные гидросопротивления и солеотложения, тем самым входящий поток на пути встречает только соты;
-возможность фиксации межтрубного пространства в треугольной компоновке СПТ. Это преимущество позволит снизить соотношение диаметров гидравлического эквивалента межтрубного пространства и труб до значения 1:4, что позволяет осуществлять «чистый противоток» в широком диапазонесоотношения расходов и перепадов температур во встречных каналах для прокачкиразных рабочих сред «жидкость-жидкость», «газ-газ» и «жидкость-газ»;
Прочность конструкции, устойчивость к гидроударам и термическим расширениям, сохранение стабильности геометрии теплообменной матрицы обусловлены такими характеристиками как:
1) естественная прочностьютрубчатых элементов;
2)пружинные свойства СПТ вдоль своей оси;
3) качественные нержавеющие стали;
4) лазерная сварка.
На ряде предприятий проводятся ресурсные испытания оборудования с технологией Spin Cell в сфере теплоснабжения. Сравнительная характеристика
28
теплообменников отопления для температурного графика 130/70-95/70 °C теплопроизводительностью 575 кВт приведена ниже в таблице.
Сравнительнаяхарактеристика теплообменников отопления
Теплообменники |
Кожухотруб- |
Пластинча- |
Spin Сell, |
|
на 575 кВт отоп- |
тый ТА, |
|||
ный, 1-е поко- |
3-е поко- |
|||
ление: 130/70 на |
2-е поколе- |
|||
ление |
ление |
|||
95/70°C |
ние |
|||
|
|
|||
Коэффициент |
|
|
|
|
теплопередачи, |
3200 |
5000 |
8300 |
|
Вт/(м2·K) |
|
|
|
|
Потери давления |
1,8 |
5 |
2,2 |
|
max, м.вод.ст. |
||||
|
|
|
||
Габариты |
300x600x2200 |
300x515x925 |
90x220x1 |
|
L1xL2xL3, мм |
100 |
|||
|
|
|||
Вес, кг |
430 |
160 |
45 |
По показателям,приведённым в таблице,можно сделать вывод, что теплообменные аппараты SpinCell, превосходят своих предшественников. Коэффициент теплопередачи 1,5-2,5 раза выше, чем у кожухотрубного и пластинчатого теплообменников, максимальные потери давления имеютприемлемое значение, они более чем в 2 рза ниже показателей ТОА 2-ого поколения.
И конечно же колоссальная разница в габаритах и весе установок. Теплообменник SpinCell намного меньше в размере и почти в 10 раз легче кожухотрубного теплобменника.
В нефтегазовой сфере одна из нефтедобывающих компаний проводит испытания подогревателей нефти на основе технологии SpinCell для замены нагревателей 1400ТПГ-2.5-M1/20Г-6-T-4-У-И, которые расположены в количестве 64 единиц на участке стабилизации нефти. Этот теплообменник был разрботан для значительного улучшения качества нагрева сырой нефти и охлаждения товарной нефти, увеличения межремонтного цикла, снижения эксплуатационных расходов оборудования и снижения весогабаритных характеристик не менее чем в 20 раз.
Таким образом, ТОА SpinCell превосходят по своим параметрам все существующие на рынке пластинчатые и кожухотрубные теплообменники.
29
Литература
1.Булыгин, Ю. А теплообменные аппараты в нефтегазовой промышленности: курсовое проектирование/ Булыгин Ю.А, С.С. Баранов.–М.:ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015. –101 с.
2.Spin Cell Энерготехника. – Электрон. дан.– Режим доступа:http://spin-
cell.ru.
3.ОАО «ТатНефтеХимИнвест-Холдинг». – Электрон. дан.– Режим до-
ступа:http://energoneftegazhim.ru.
30