Что такое оребрение труб

Оребренные теплообменные трубы

Оребренные трубы широко используются в энергетике и промышленности для теплообменных устройств конвективного типа. Наиболее часто такие устройства выполняются в виде трубных пакетов, которые отличаются высокими прочностными характеристиками, технологичностью, удобством компоновки, монтажа и обслуживания.

На производство оребренных труб идет значительная доля металла, используемого в энергомашиностроении. Снизить его расход можно, применяя поперечное оребрение труб, которое позволяет максимально развить поверхность теплообмена в единице объема и значительно улучшить показатели компактности и удельной металлоемкости.

Геометрические параметры оребренных труб АВО

Широкое внедрение конвективных поверхностей c поперечным оребреннием труб (например различные конструкции АВО) в энергетику и промышленность стало возможным на основе методов оребрения труб c помощью технологий:

В то же время существуют проблемы точных и универсальных методов расчета их теплоаэродинамических характеристик, дальнейшего совершенствования таких поверхностей, интенсификации теплообмена в них. Решение этих проблем в определенной мере сдерживалось отсутствием достоверной физической картины процессов переноса в поперечно-оребренных поверхностях.

Оребренные трубы методом навивки

Металлоемкость оребренных труб

Самая низкая металлоемкость у труб с оребрением при помощи навивки алюминиевой ленты. При данном методе получается наиболее тонкое ребро и отсутствует дополнительный слой металла поверх несущей трубы в отличие от накатки.

Оребренные трубы специального назначения

Для интенсификации и повышения эффективности оребрения иногда используют прорези на ребрах. Ребра с насечками сложнее в изготовлении и требуют дополнительного оборудования. Для аппаратов воздушного охлаждения такие трубы не получили широкого применения.

Источник

Какие лучше купить оребренные трубы для отопления

Достоинство металлических коммуникаций в том, что они имеют высокий коэффициент теплоотдачи. Поэтому они так востребованы при производстве систем отопления.

Чтобы увеличить эффективность отдачи тепла, изделия имеют усовершенствование — оребренную поверхность. Это позволяет использовать продукцию не только в отопительных системах, но и с целью охлаждения газов и жидкостей. Полезно узнать, что такое оребренные трубы для отопления и по какой стоимости их можно купить.

Что такое оребренные трубы

Высокие технические характеристики дают возможность широко использовать продукцию не только в промышленных, но и бытовых целях. Ознакомимся, что собой представляют эти трубы, где они используются и что нужно учесть при их выборе.

Устройство

Любая труба, имеющая оребрение — это монометаллическая или биметаллическая продукция.

Их конструкция предполагает 2 элемента:

Принцип комбинирования позволил улучшить технические характеристики.

Область применения

Ребристые трубы, благодаря своим свойствам, востребованы для многих сфер деятельности.

Области применения следующие:

Системы отопления из таких труб могут устанавливаться как в бытовых, так и производственных помещениях.

Способы производства

Существует несколько технологий изготовления оребренной продукции, что зависит от конечной сферы использования.

Чаще всего в инженерных коммуникациях находят применение первые 2 вида.

Технические характеристики

Выбирая трубную продукцию, в первую очередь покупатели отталкиваются от параметров. От этого будет зависеть место установки.

У оребренных труб следующие характеристики:

Термостойкая продукция имеет аналогичные параметры, что и спирально-оребренные трубы. Но дополнительное покрытие позволило не только повысить коэффициент теплоотдачи на 45 %, но и придало продукции других достоинств.

Особый уход не требуется, потому что они способны выстоять в самых серьезных условиях.

Преимущества использования

Для изделий с ребрами в ходе производства задействуются инновационные технологии, что благоприятно сказывается на их свойствах.

Можно заметить, что оребренная продукция действительно направлена на то, чтобы повысить тепловую эффективность.

Классификация ребристых труб

Трубы с оребрением различаются не только методом производства, но и материалом. Каждый вид имеет сильные и слабые стороны и применяется в определенных случаях. Рассмотрим этот вопрос детальней, что позволит более грамотно подойти к выбору.

По материалу изготовления

Производят трубную продукцию из различных материалов, что наделяет ее теми или иными характеристиками.

Виды сплавов, подходящих для изготовления оребренных труб:

Также бывает чугунная, медная и латунная продукция, изготавливаемая под заказ. Например, оребренная продукция из чугуна отлично подходит для сборки систем отопления, монтируемых на предприятиях. Главное достоинство заключается в увеличенном параметре прочности.

Для производства ребер жесткости используются:

Метод производства и выбор материала зависят от области применения продукта.

По структуре конструкции

На данный момент выделяют 2 вида труб: монометаллические и биметаллические. Первые изготавливаются из одного материала, а биметаллическая продукция подразумевает применение сразу нескольких сплавов.

Монометаллическая

Такая оребренная трубка получается полностью цельной. Для ее изготовления используется однородный материал, чаще всего это медь. Ребра устанавливаются методом накатки. Это надежная и долговечная продукция, однако ее стоимость остается высокой. Поэтому монометаллические изделия применяются не так редко, в особенности — в системах с повышенными требованиями.

Она характеризуется следующими достоинствами:

Продукция этого вида востребована там, где требуется производство наиболее эффективных теплообменников.

Биметаллическая

С помощью таких изделий делаются аппараты воздушного охлаждения, промышленные и бытовые отопительные радиаторы, воздушные калориферы и многое другое. Метод производства: холодная прокатка алюминиевой заготовки на несущей трубе из латуни или стали. Ключевая особенность продукции — ей передаются свойства сразу двух материалов.

Берется латунная, стальная или медная трубка, и на нее производится накатка алюминиевой с оребрением. Используют биметаллические трубы в системах с повышенным давлением и температурой теплоносителя (вплоть до +300° C).

Альтернативный метод — навивка спиралей из цветного металла. Для этого лучше всего подходит алюминий и его сплавы, что объясняется легкостью в обработке, показателем теплопроводности и стойкостью к коррозии.

Биметаллическая продукция имеет повышенные эксплуатационные свойства, что объясняет ее востребованность.

Чугунные ребристые трубы

Изделия из чугуна давно используются как в жилых, так и в промышленных объектах. Сейчас они получили усовершенствование в виде ребер. У такого материала получается немало достоинств, поэтому он успешно зарекомендовал себя в отоплении. Рассмотрим чугунную продукцию подробнее.

Технические характеристики

Чугун — один из наиболее прочных и долговечных материалов. К тому же у него отличная теплопроводность, поэтому он нередко служит основным материалом в ходе производства отопительных систем.

Чугунная продукция имеет следующие характеристики:

Сами ребра могут иметь круглую или прямоугольную форму. Второй вариант характеризуется увеличенной площадью поверхности теплоотдачи, поэтому встречается чаще всего.

Область применения

Такие изделия находят применение в водяных и паровых системах отопления. Нужно понимать, что они обладают внушительной массой и визуально не особо привлекательны.

Из-за этих особенностей они больше актуальны для таких помещений:

По одной такие трубы не устанавливаются, так как решение является не самым эффективным. Чаще всего их объединяют в несколько секций. При установке нескольких регистров тепловая эффективность увеличивается в разы. Однако само оборудование требует значительной монтажной площади.

Устройствами можно обогревать и жилье. Из-за неприглядного внешнего вида их отделывают декоративными кожухами или устанавливают фальш-стену.

В силу высоких эксплуатационных свойств такие трубы находят применение в экономайзерах. По ним протекают различные агрессивные вещества, которые не станут причиной коррозии теплообменника.

Плюсы

Для создания таких трубопроводов берут модифицированный магнием, церием и прочими элементами чугун. Данная технология позволила придать продукции уникальные свойства, которыми не обладают традиционные канализационные аналоги.

Именно благодаря этим особенностям такая продукция сейчас востребована при организации качественных систем отопления.

Минусы

Есть у ребристой продукции из чугуна и определенные недостатки, которые должны быть учтены перед установкой.

Их не так много по сравнению с достоинствами:

Несмотря на эти недостатки, из чугуна продолжают производить отопительные регистры, устанавливаемые на складах и различных производственных помещениях.

Экономайзерная

Так называется трубчатый теплообменник парового котла. Его отличие в том, что вода прежде чем поступить в котел, прогревается до +30–40° C, в результате чего повышается общий КПД. Ключевая деталь экономайзера — чугунная ребристая труба, от которой и передается тепло.

По сравнению с обычными гладкими, экономайзерные ребристые изделия сохраняют больше тепла, что объясняется увеличенной площадью теплообмена. Помимо этого, чугун для отопления подходит лучше стали: он дольше служит, дешевле и ему не страшна ржавчина.

В отоплении экономайзерные трубы используются как составной элемент регистров. Это оборудование устанавливается на складах и производствах. Для него изготавливается особая ребристая деталь. По сути, это готовый радиатор, имеющий большую поверхность оребрения.

Чтобы обеспечить качественную эксплуатацию изделия, выделим рекомендации:

Но экономайзерные модели довольно много весят, что осложняет процесс доставки.

Устанавливать ребристые изделия необходимо таким образом, чтобы они как можно реже подвергались внешним воздействиям.

Особенности монтажа

Как было замечено выше, регистры оребренного типа много весят, поэтому к основанию выдвигаются серьезные требования. Стены и кронштейны должны иметь высокую несущую способность (при установке настенных моделей). Если устройство имеет напольное исполнение, то снизу оно должно иметь опоры, которые бывают штатными или самодельными. Если в помещении пол сделан из дерева, в нем нужно создать прорези, что необходимо для расположения опор радиатора на несущей плите перекрытия.

Прежде чем приступить к монтажным работам, трубы очищают, обезжиривают, грунтуют и окрашивают. Для окраски рекомендуется краскопульт. Грунтовкой служит раствор железного сурика в олифе. Финишный слой наносится термостойкой краской или эмалью необходимого цвета. Чтобы краска не потекла, на регистр не должны попадать прямые солнечные лучи.

Сама процедура подключения не представляет ничего сложного. Специальные инструменты не нужны.

Процесс сводится к нескольким этапам:

В ходе монтажа контролируем, чтобы уплотнительная прокладка не портилась и не меняла своего положения — она обеспечивает должный уровень герметичности системы.

Как видно, процесс установки несложен. Единственное, работы придется выполнять с помощником, что обуславливается тяжелым весом оборудования.

Стоимость оребренных труб разных видов

Цена на изделия формируется из множества факторов: материал изготовления, тип оребрения, диаметр, длина, толщина, место выгрузки и так далее. Таким образом, стоимость выпускаемой продукции может варьироваться от 120 до 1300 рублей за 1 метр.

Видео — как выбрать радиатор отопления

Из этого видеоролика можно узнать о производстве изделий и их особенностях.

Евгений Афанасьев главный редактор

Автор публикации 04.01.2019

Понравилась статья?
Сохраните, чтобы не потерять!

Источник

Оребренные трубы: для чего и как

Трубы с металлическими ребрами были изобретены с целью увеличения площади наружной поверхности. Такая конструкция позволяет повысить теплопередачу в 1,5 раза. Эти изделия применяются в областях, где необходим быстрый теплообмен между жидкостью в трубе и окружающей средой. Эффективность зависит от правильности выбора конструкции и сырья применительно к конкретным условиям.

Конструкция

Независимо от материала, изделия этого вида по устройству одинаковы. Отличаются они только деталями – формой лепестков и коэффициентом оребрения. «Сооружение» собирается из двух составляющих:

Коэффициент оребрения – это величина, получаемая от деления площади выступов и участков между ними на неоребренную поверхность. Чем он больше, тем выше эффективность.

Трубы из чугуна отливаются сразу с ребрами. Для изготовления изделий из других материалов применяют:

Некоторые производители для повышения эффективности теплопередачи делают ребра с прорезями. Трубы, изготовленные методом накатки алюминия, могут применяться при температуре до 350 ⁰C. Конструкции, сделанные по технологии навивки стальной ленты, способны выдержать более суровые условия.

Преимущества использования термостойких труб с оребрением

Для создания термостойкого слоя поверхности покрываются окисью магния. После отжига они получают:

Благодаря приобретенным достоинствам оребренные термостойкие виды имеют следующие преимущества:

Разновидности труб и технические характеристики

Выпускается два типа оребренных изделий: монометаллические и биметаллические. Первые изготавливаются из одного материала, вторые – из разных сплавов. Характеристики нормируются ГОСТом:

Чугунные

Изделия из этого материала давно применяются для отопления больших производственных помещений, в экономайзерах котельных. В быту из-за большого веса они используются реже. В индивидуальных системах отопления нередко устанавливается стартовая чугунная труба, чтобы быстро прогревать помещение. К достоинствам относятся:

Недостатки тоже имеются:

Алюминиевые

Благодаря высокой стойкости к химически активным веществам эти трубы широко применяются в промышленности. Из достоинств следует отметить:

Алюминий высокой чистоты обладает канцерогенными свойствами, поэтому трубы из него нельзя использовать для бытовых нужд. При выборе следует учитывать, что изделия, не прошедшие обработку отжигом, закаливанием или нагартовкой, легко деформируются на холоде.

Нержавеющие

Эти трубы считаются лучшими для монтажа радиаторных отопительных систем любого типа. Они обладают следующими преимуществами:

Недостатков, кроме большой стоимости, не обнаружено.

Медные

Изделия из этого металла широко применяются в промышленности и быту. Их эксплуатационные преимущества обусловлены уникальными свойствами меди:

Из недостатков можно отметить самую высокую стоимость по сравнению с трубами из других материалов и сложность монтажа.

Биметаллические

Сочетание разнородных сплавов позволяет получать изделия с уникальными свойствами. Например, стальная труба, оребренная алюминием, обладает высокой прочностью и отличной теплоотдачей, что позволяет расширить сферу применения. Поскольку их начали выпускать сравнительно недавно, изучение свойств различных комбинаций до сих пор продолжается.

При изготовлении биметаллических изделий для теплообменников используются следующие сочетания материалов (труба + оребрение):

Совмещение разных металлов позволяет получить следующие преимущества:

Расчет коэффициента теплопередачи

Поскольку у металлов термическое сопротивление невелико, стенку трубы можно считать плоской. Тогда ее коэффициент теплопередачи от одной среды к другой находят по формулам:

В указанных формулах коэффициент теплопередачи (α_пр) и площадь выступов определяются:

где F_р – площадь одного ребра, а n – их количество.

Исходя из того, что следует принять

Предположим, что необходимо рассчитать плотность теплового потока (q, Вт/м2), передаваемого через стенку чугунной трубы с горячей водой (t = 70 ⁰C) окружающему воздуху (t = 20 ⁰С). Температуры внутренней и наружной ее плоскости – t1 и t2 соответственно.

Толщина изделия, коэффициент теплопроводности чугуна и степень черноты поверхности равны: δс = 3мм, λ = 63 Вт/м К, c = 0,9. Конвективный коэффициент теплоотдачи от воды к внутренней плоскости α1 = 3500 Вт/м2 К, от наружной стенки трубы к воздуху α2 = 6,5 Вт/м2 К.

Для расчета возьмем t2 = 69 ⁰C. Тогда

Используя полученный результат, определяем температуру t2:

Расхождением между принятым и вычисленным показателем, равным 0,77 ⁰C, пренебрегают, так как на точность расчета это существенно не влияет. Определяем значение t1:

Результат: q = 652 Вт/м², t1 = 69,8 °С, t2 = 69,77 °С.

О сфере применения

Везде, где требуется нагреть или охладить какую-либо среду за счет теплообмена, используются оребренные трубы. В кондиционерах с их помощью охлаждается воздух. На химических и нефтеперерабатывающих предприятиях оребренные трубы применяются для нагрева и остужения агрессивных газов и жидкостей в различных установках. В машиностроении они используются при изготовлении компрессоров, холодильников, электросушилок, маслоохладителей, воздухонагревателей и других теплообменных устройств. За счет высокой эффективности оребренных труб снижается металлоемкость систем отопления производственных и жилых помещений.

Как сделать оребрение своими руками

При самостоятельном изготовлении следует учитывать, что эффективность таких труб ниже по сравнению с заводскими образцами. В домашних условиях оребрение можно сделать на небольшом участке или короткой заготовке. В зависимости от имеющегося оборудования используют:

Заключение

Благодаря небольшому весу и высокой эффективности оребренные трубы (кроме чугунных), объединенные в секции, все чаще применяются для отопления загородных домов. Их цена зависит от материала, толщины стенок, размера ребер. Стоимость изделий с термостойким покрытием больше, но они надежней. Лучшим вариантом по соотношению цена/эффективность будут биметаллические трубы.

Источник

Что такое оребрение труб

Теплообменные аппараты (ТА) занимают одно из главных мест в промышленной теплоэнергетике [1]. Главной задачей ТА является теплообмен между газами и жидкостями. Их эффективность ограничена сопротивлением теплопередачи с воздушной стороны и скоростью теплопередачи в металле. Это связано с тем, что коэффициент теплопередачи со стороны воздуха значительно ниже, чем со стороны жидкости [2]. В этой связи главной задачей теплоэнергетики является повышение эффективности работы и качества ТА, а также снижение себестоимости их производства.

На сегодняшний день активно развиваются современные технологии по соединению и обработке различных материалов, что дает возможность создавать компактные высокоэффективные и надежные конструкции ТА. Наибольшую популярность приобрели спирально-оребренные трубы – ТА с расширенной поверхностью. Данный метод изготовления характеризуется технологичностью изготовления, широким варьированием геометрических форм, компактной структурой, улучшенным теплообменом и экономичностью. Практика использования таких ТА в устройствах разного типа подтвердила их надежность, а также повышение интенсивности теплопередачи на 40–60 % по сравнению с гладкими трубами [3].

В статье [4] автором были описаны проблемы спирального оребрения, которые стали ограничивающим фактором в промышленном применении на сегодняшний день. Целью данной статьи является обзор перспективных идей оребрения, которые могут прийти на замену методу ТВЧ.

Материалы и методы исследования

Применение разработок, которые обеспечивают хоть и небольшое снижение металлоемкости и стоимости ТА, может привести к значительной экономии средств и энергоресурсов ввиду многочисленного использования.

В ходе анализа трудов отечественных и зарубежных научных групп [2–4] автором были сформулированы 4 фактора, влияющие на качество теплообменных аппаратов:

1. Зависимость от внешней конфигурации ребра и его месторасположения. Чаще всего, ребро фиксируется снаружи, но в некоторых случаях используют внутреннее оребрение труб.

2. Внешняя конструкция несущей трубы. В оребренных ТА распространено использование трубы круглого, эллиптического и прямоугольного сечений.

3. Метод соединения конструктивных составляющих оребренной трубы между собой.

4. Условия эксплуатации. Применение оребренных ТА широко и в этой связи существенно влияние диапазона внешней температуры, давления, наличие агрессивной среды, загрязнения воздушной массы и др.

Рассмотрим существующие конфигурации ребер в теплообменных аппаратах.

Метод продольного оребрения

ТА с продольным оребрением используются в энергетике на тепловых электростанциях в качестве паровых и конвекционных нагревателей, охладителей и конденсаторов [5]. Изготовление продольно-оребренных ТА просто, ребра наносятся либо экструзией на основной трубе, либо крепятся в виде U-образных ребер вдоль ее поверхности с помощью контактной сварки.

Рис. 1. Продольно-оребренная труба (Heft Engineers Private Limited)

Существует большое разнообразие конструктивных форм продольного оребрения, каждая из которых обеспечивает характерную интенсификацию теплоотдачи. В работе [6] проведено сравнение различных типов пучков продольного оребрения по отношению к интенсивности теплообмена, гидравлического сопротивления и относительной теплогидравлической эффективности. В [7] представлен численный анализ влияния толщины, высоты и количества ребер в процессе конвекции на распределение скоростей, температур и теплового потока. Отмечено, что максимальный тепловой поток выделяется при толщине ребер не менее 0,01 м, высотой не более 0,2 м, и числом ребер от 6 до 12.

Производители продольно-оребренных труб заявляют о высокой эффективности ТА. Однако преимуществами таких ТА по сравнению с гладкими трубами является только увеличение поверхности теплопередачи. Сложность подачи воздуха вдоль продольно-оребренной трубы связана с конструктивом существующих ТА, так как в основном рассчитаны на поперечное протекание воздуха, примером являются системы аварийного расхолаживания для реактивной установки БН800. Таким образом, при продольном обтекании потока вдоль трубы коэффициент теплоотдачи уменьшается, за счет уменьшения интенсивности теплообмена из-за отсутствия турбулентности. Причиной тому является ламинарный режим движения потока характеризующийся слоистым течением, в котором отсутствует перемешивание. При отсутствии турбулентности в продольных трубах воздух расслаивается, и в теплопередаче с поверхностью ТА участвуют только пограничные слои [8]. В то время как при поперечном обтекании поверхность работает равномерно, но за счет сильной турбулизации резко растет сопротивление «по воздуху».

Ошипованные трубы ТА

Теплообменные элементы с шипами (studded tubes), представленные на рис. 2, чаще применяют в системах теплообмена на нефтехимических заводах, где поверхность подвергается воздействию очень агрессивных сред, поэтому должны быть устойчивыми к агрессивным материалам и легко очищаемыми [9, 10]. Шипы привариваются с помощью контактной сварки диаметрально противоположными парами по окружности. Такой процесс сварки позволяет комбинировать любые материалы для шипов и труб.

Рис. 2. Ошипованные трубы (LP spa)

Скорость протекания воздушного потока в ошипованно-оребренных ТА зависит от межреберного расстояния и высоты ребер. Такой вид оребрения ТА представлен производителями без технических характеристик. Предполагается, шипы должны быть массивными для более устойчивой конструкции, как к механическим нагрузкам, так и к химическому воздействию. По этой причине, площадь теплообмена существенно ниже, чем площади спирально-оребренных ТА. В этой связи их использование представляется нецелесообразным.

Такой теплообменный элемент, на наш взгляд, оправдан лишь в одном случае – когда внешняя среда настолько агрессивна, что лента или проволока не выдержат долгого взаимодействия с кислотами или основаниями.

Просечное (разрезное) спирально-ленточное оребрение (serrated fin)

Следующим шагом научной мысли в увеличении теплоотдачи спирально-ленточных оребренных труб стало осуществление предварительной просечки ленты. При навивке ленты формируются пластины-лепестки с острыми кромками [11] (рис. 3). Газовые потоки, обтекая разрывы ребер, разрушают утолщенные пограничные слои вблизи поверхности теплопередачи, создавая условия для образования вихревого режима течения в межреберных каналах. Кроме того, увеличение числа лепестков приводит к большему разрыву пограничного слоя и перемешиванию потока, чего, например, не наблюдается при продольном оребрении. В результате этого повышается интенсивность теплоотдачи. Такие ТА хорошо зарекомендовали себя во многих тепловых системах, особенно в кондиционерах и экономайзерах котлах.

Рис. 3. Оребрение просечной лентой (TS Industrial Co., Ltd.)

По данным авторов [11, 11] просечное оребрение характеризуется увеличением коэффициента теплоотдачи в среднем на 20 % относительно оребрения сплошной лентой. Экспериментальные исследования НТУУ «КПИ» [12] показали, что коэффициент теплоотдачи просечной ленты на 10–30 % превышает аналогичный показатель сплошного ленточного оребрения, а аэродинамическое сопротивление ТА из разрезной ленты выше на 20–45 %. Однако попытки интенсификации теплоотдачи просечными ребрами по данным Юдина [13] и Анупа и др. [14] не дало высокой эффективности.

Есть предположение, что увеличение эффективности возникает только из-за турбулизации потока. Вероятно, авторы не проводили расчетов и экспериментов о том, как влияет уменьшение поверхности теплообмена.

Таким образом, вероятно, стоит обратить внимание, что если найдется иной способ турбулизации, то конструкция без просечек получит увеличение теплоотдачи выше 30 %, при сравнении ТА равной массы и объема. Однако тезис об интенсификации теплообмена за счет турбулентности сомнения не вызывает. В негативные стороны стоит отнести дополнительные технологические операции, увеличивающие конечную стоимость ТА.

Спирально-проволочное оребрение (wire form)

ТА со спирально-проволочным оребрением имеют малый вес и небольшую плотность, высокую проницаемость и теплопроводность. Используются в основном для воздушных масло- и топливоохладителей, систем нагрева и охлаждения воды и пара при больших давлениях. В связи с улучшением аэродинамических и тепловых характеристик охладителей [15]. Ребра выполняются в виде петель, затем спирально навиваются на несущую трубу. Крепление элементов внутреннего и наружного оребрения осуществляется медной проволокой, припаянной к трубам мягким припоем. Значимым недостатком является быстрое загрязнение промежутков пылью, пухом, насекомыми, что ведет к значительному ухудшению их тепловых характеристик [5].

Рис. 4. Теплообменные элементы с проволочной навивкой [5]

По данным разработчиков компании Concept Engineering International (Индия) и Sun Heat Transfer Technologies (Индия) проволочно-спиральное оребрение имеет ряд уникальных свойств [15]. Во-первых, высокую степень турбулентности, уменьшающую загрязнение теплообменной поверхности. Данное утверждение можно легко опровергнуть тем, что загрязнение мелкими частицами подавляется турбулентностью, а крупные фракции крайне критичны для такого рода ТА. Во-вторых, турбулентность, обеспечивая высокие коэффициенты теплоотдачи, повышает компактность теплообменника, чем снижает потери давления. В-третьих, диапазон рабочей температуры ТА может достигать 290 °. В-четвертых, возможность использования многочисленного разнообразия материалов. В-пятых, проволочное оребрение можно применять как снаружи, так и внутри труб [15].

Представляется, что метод интересен ввиду большой площади поверхности и относительной простоты изготовления. Однако первым недостатком является чувствительность ТА к крупным фракциям загрязнения. К следующему можно отнести сложность технологического изготовления, нанесения припоя и конструктивная слабость к внешним механическим нагрузкам. От качества фиксации теплообменных элементов зависит прочность конструкции.

Указанные недостатки делают метод малоприменимым в большинстве отраслей.

Трубы с внутренними ребрами

Внутреннее оребрение способствует завихрению потока, ведущего к разрушению пограничного слоя, что уменьшает тепловое сопротивление, и повышает скорость теплопередачи. Такой подход позволяет увеличить поверхность теплообмена со стороны теплоносителя с меньшей теплоотдачей [16]. По сравнению с обычными трубами ТА с внутренним оребрением обладают более высоким коэффициентом теплопередачи [17, 18], который, в свою очередь, зависит от геометрической формы ребер и расстояния между ними. Внутреннее оребрение имеет многочисленное разнообразие, представляющее собой продольные или спиральные ребра разной высоты, выступы с насечками, шероховатости или желобки, примером являются продукты производства Noranda Metal Industries, представленные на рис. 5.

Исследования [19, 20] были в основном направлены на проблемы оптимизации поверхности внутреннего оребрения, с целью повышения эффективности, уменьшения размеров и веса ТА такого вида. Хилгинг и Куген [21] исследовали 10 конфигураций внутренних ребер, измерив для каждого типа оребрения коэффициент трения при разных температурных диапазонах, в результате было определено, что внутреннее оребрение увеличивает передачу тепла.

Рис. 5. Внутренне оребренные трубы (Noranda Metal Industries, Newtown, Connecticut)

При этом, ввиду наличия оребрения, учитывая высокое сопротивление, скорость потока значительно снижается, в результате и интенсивность теплообмена. На внутренних стенках со временем копятся отложения, что может полностью забить поток. К тому же процесс производства значительно повышает стоимость готового продукта.

Однако, несмотря на возраст идей, продолжение в промышленности они не получили, неприменимость в промышленности подтверждается наличием патентов от 1956 г. [22].

Одним из наиболее перспективных способов интенсификации теплообмена является использование турбулизаторов. Турбулизаторы представляют собой дополнительные элементы, устанавливаемые в каналах ТА, в виде выступов (канавок) или стержней, перфорированных вставок, сеток, пружин и упругих нитей. Используются для принудительной турбулизации потоков, позволяющей разрушать вязкий пограничный подслой и перемешивать пристенные слои жидкости или газа [23]. Турбулентный режим течения в ТА предпочтительнее ламинарного из-за увеличения теплопередачи путем интенсивного перемешивания частиц. Наличие турбулизаторов улучшает эффективность теплопереноса по всему объему канала, обеспечивая при этом замедление потока и равномерность прогрева теплообменных элементов. Поскольку от конфигурации геометрических форм турбулизаторов зависит гидродинамическая структура движения потока и ее сопротивление в канале. На современном этапе интерес к исследованию воздействия турбулизаторов не ослабевает [24, 25].

Предполагается, что ТА, снабженные турбулизаторами, так же как и с внутренним оребрением, не поддаются механической очистке, поэтому циркулирующая жидкость должна быть относительно чистой. Также к значительному недостатку следует прибавить стоимость турбулизирующих элементов и их установку. При прочих равных турбулизатор в канале создает дополнительное сопротивление по сравнению с гладкой трубой.

В этой связи использование турбулизаторов представляется возможным и целесообразным, но при нахождении оптимального соотношения возникающего сопротивления и прироста интенсивности теплообмена.

Оребрение плоскоовальных труб

В Национальном техническом университете Украины совместно с ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины разработали технологию неполного поперечного оребрения плоскоовальных труб, пример которых представлен на рис. 6 [26].

Авторы [26, 27] полагают, что нет необходимости оребрять лобовые и кормовые участки поверхностей плоскоовальной трубы, так как они являются «не работающими» в теплообмене частями. В связи с этим уменьшается вес конструкции теплообменника, увеличивается площадь эффективно омываемой поверхности ребер. Считается, что благодаря такой конструкции происходит турбулизация потока, вследствие взаимодействия потока с краями ребер, чем достигается повышение интенсивности конвективного теплообмена. Также отличаются низким аэродинамическим сопротивлением [28].

Рис. 6. Плоскоовально оребренные ТА [28]

Однако наше исследование – моделирование оребренного ТА (рис. 6) – доказывает, что эффективной частью в теплообмене являются лобовые части ребер, что делает их необходимыми элементами.

На рис. 7 представлено численное моделирование стальной спирально-оребренной трубы, которая обдувается направленным газовым потоком. Внутри трубы имеется хладагент, в качестве воды с температурой 20 °С. Расчет проводился при наличии турбулентного газового потока. Как видим, на рисунке лобная часть является «рабочей» зоной, от которой и начинается распространение теплового потока.

Рис. 7. Пример численного моделирования спирально оребренной трубы

Предполагается, что при моделировании плоскоовальной трубы результат аэродинамики обтекания воздухом будет аналогичным ввиду одинаковых начальных условий. Поэтому необходимо провести дополнительные работы по численному моделированию овально-оребренной трубы, чтобы снять возникающие вопросы [29].

Проанализированный материал отражен в таблице, в которой подробно расписаны положительные и отрицательные стороны каждого метода.

Сопоставление характеристик, представленных в обзоре

Источник