Рекуперативный теплообменник является одним из основных теплотехнических аппаратов, широко используемых в теплотехнике, например, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. После проведения практических мероприятий по энергосбережению востребованность указанных систем значительно возросла.

Востребованность рекуперативных теплообменников привела к увеличению капитальных затрат, повышению металлоемкости и потребности в строительных площадях. В связи с этим на повестку дня с особой значимостью встает вопрос оптимизации этих теплообменников — снижения металлоемкости, повышения теплоотдачи без увеличения габаритных размеров.

Выделяют следующие основные направления решения этих вопросов: интенсификация теплообмена со стороны воздуха, приданием поверхности теплообмена различных форм и конструкций, турбулизирующих пограничный слой, поиском геометрических размеров оребрения, при которых на создание поверхности теплообмена требуется минимальное количество материала, изменением компоновки пучка теплообменных трубок теплообменников, перераспределением потока теплоносителя в теплообменнике между отдельными ходами, обеспечивающими наиболее эффективное использование температурных потенциалов теплообменивающихся сред. Работа по каждому из перечисленных направлений позволяет в известной мере совершенствовать теплотехнические характеристики теплообменников. В этой публикации автор предлагает еще один путь, повышающий теплоотдачу теплообменников независимо от достигнутых теоретических и экспериментальных успехов по перечисленным направлениям. Суть предлагаемого способа сводится к оптимальному перераспределению внутренней и внешней поверхностей теплообмена при неизменной ее величине и длине теплообменной трубки. Рассмотрим теплообменную трубку c внутренним и внешним (наружным) оребрением. Согласно теории теплообмена удельный тепловой поток равен:

где: a — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2⋅К);
j — коэффициент термической эффективности;
χ — отношение поверхностей к суммарной поверхности Fс;
d — толщина стенки, м;
 l — коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К);
Dt — разность температур теплообменивающихся сред, °K;
Fнар, Fвн и Fс — площади соответствующих поверхностей (вн — внутренней, нар — наружной, тр — трубы).

Здесь имеют место соотношения:

где коэффициент оребрения Ψ = Fнар/Fвн. Коэффициент qo по своей природе определяет количество теплоты, проходящее в оребренной трубке через один квадратный метр суммарной поверхности Fс при разности температур теплообменивающихся сред 1 °К. Если принять, что

то зависимость (1) принимает максимальное значение при

При данном распределении поверхностей теплообмена величина коэффициента qo принимает соответственно максимальное значение:

Для большей наглядности по зависимостям (2) и (3) составлены таблицы, в которых практически для всех возможных сочетаний выражения

определены χопт.нар и qmaxo. В таблицах охватывают диапазон от величины коэффициентов теплоотдачи воздуха при естественной конвекции (5) до максимальных величин, имеющих место при конденсации пара или кипении (10 тыс.), соответственно, на внутренней или наружной сторонах.

Единица в табл. 1 указывает на то, что одна из поверхностей теплообмена бесконечно мала, а другая оценивается порядка 999 после запятой и является результатом округления компьютера.

В табл. 3 дан перевод величины χнар в более привычную величину — коэффициент оребрения Ψ.

Из приведенного следует, что, например, любой воздухоподогреватель определенного конструктивного выполнения однозначно обусловливает аэро‑ и гидродинамические условия движения теплообменивающихся сред, при которых теплообменник будет обеспечивать максимальный удельный теплосъем qmaxo. Это является расчетным режимом данного воздухоподогревателя, все другие режимы — эксплуатационные (для промежуточных температурных условий).

В связи с этим для оценки совершенства теплообменников, применяемых в конкретных условиях, следует оценить отличие реальной удельной тепловой напряженности qo от суммарной поверхности рассматриваемого воздухонагревателя с максимально возможной qmaxo:

Проиллюстрируем это на конкретном примере: тип оребрения — накатное, внутренний диаметр трубки — 0,013 м, наружный диаметр ребра — 0,039 м, внутренний диаметр ребра — 0,018 м, толщина ребра у основания — 0,001 м, толщина ребра на торце — 0,0005 м, шаг ребер — 0,003 м, наружная площадь нагрева одного погонного метра элемента — 0,737 м2, внутренняя площадь нагрева — 0,041 м2, суммарная площадь нагрева — 0,778 м2, доля наружной поверхности в суммарной — 0,948, коэффициент оребрения — 18,055.

Как видно из таблиц, воздухоподогреватель обозначенной конструкции теплотехнически целесообразен для зоны коэффициентов теплоотдачи, обозначенных красным цветом, зеленым обозначено предполагаемое сочетание коэффициентов теплоотдачи, при которых ожидается работа воздухоподогревателя. В результате можно сделать вывод, что предлагаемая конструкция воздухоподогревателя в реальном диапазоне изменения a имеет эффективность на 15–64% ниже теоретически возможной, т.е. данный воздухоподогреватель для целей подогрева воздуха в системах ОВК не совсем рационален.

Вообще с точки зрения эффективного использования теплотехнического оборудования желательно для всех режимов его эксплуатации обеспечивать выполнение следующего условия:

Это возможно только при качественном регулировании параметров теплоносителя, что имеет место в холодный период года в системах теплоснабжения. В другие периоды года приходится переходить на количественный способ регулирования. Современные воздухоподогреватели конструктивно представляют трубку, на которую тем или иным способом прикреплено оребрение. Ассортимент трубок, используемых в воздухоподогревателях, невелик. В связи с этим представляется возможным оценить целесообразность распределения поверхностей теплообмена между внутренней и внешней.

Результаты такой оценки показывают, что для всех оптимальных значений доли наружного оребрения (выделено зеленым) в воздухоподогревателях необходимо предусматривать оребрение внутренней поверхности. Причем требуемая величина оребрения внутренней поверхности увеличивается, если в конструкции воздухоподогревателя используются трубки малого диаметра. Кроме того, данные таблицы указывают на то, что если требуется выполнять воздухоподогреватель без оребрения внутренней поверхности, то во всех случаях трубка должна иметь внутренний диаметр более 17 мм, а доля наружной поверхности в суммарной быть выше 0,9. Однако удельные значения теплосъема будут ниже оптимальных. Оребрение внутренней поверхности ведет к повышению aвн и соответственно к увеличению удельного теплосъема с единицы суммарной поверхности теплообмена и оптимального значения доли наружной поверхности теплообмена в суммарной.

Изложенное выше и приведенные зависимости с таблицами, дают возможность сделать следующие выводы.

1. Каждая конструкция теплообменника (воздухоподогревателя) теплотехнически оптимальна только для одного конкретного значения распределения поверхностей нагрева на наружной и внутренней сторонах, обусловленного гидродинамическими условиями течения теплообменивающихся сред.
2. Поскольку гидродинамические условия теплообмена обусловлены конструктивными элементами теплообменника (диаметр трубки, шаг оребрения, живые сечения для прохода теплообменивающихся сред и т.д.), то каждый теплообменник должен быть сконструирован для вполне определенных (расчетных) условий: тепловая нагрузка, расчетные параметры теплообменивающихся сред и характеризоваться вполне определенным значением максимального удельного теплосъема с единицы суммарной поверхности теплообмена.
3. Приводимые в литературе данные по коэффициентам теплопередачи, в частности, воздухоподогревателей получены, как правило, без учета оптимальных режимов теплообмена и представляют собой зависимости коэффициентов теплопередачи от гидродинамических режимов с учетом коэффициента j, который, как следует из данных табл. 4, может внести большие погрешности.
4. Сложившаяся практика подбора воздухоподогревателей самими производителями по программам, составленным по неизвестно каким экспериментальным данным, без сообщения потребителю элементарных данных (поверхность теплообмена, расчетные параметры теплоносителя и воздуха, коэффициенты теплопередачи, живых сечений для прохода теплообменивающихся сред и т.п.) вызывает у квалифицированных проектировщиков и эксплуатационников сомнения в правильности предложенного оборудования, а также при проектировании и эксплуатации сомнения в необходимости использовать данный теплообменник в отличных условиях. Поэтому рекомендуется в таких условиях убедиться (при приобретении оборудования) в наличии гарантии производителя на правильность произведенного подбора и обеспечение не только в расчетном режиме, но и промежуточном, когда возникает опасность замораживания теплообменника.
5. Теперь необходимо, чтобы производитель помимо указанных выше данных приводил показатели, характеризующие оптимальность конструкции или степень их отклонения от расчетных, или все исходные данные для расчета их показателей. Отсутствие этих данных будет означать, что теплообменник подобран некорректно, его поверхности теплообмена завышены и соответственно завышены материалоемкость и стоимость.
6. Сравнивать степень совершенства теплообменников надо только по удельным показателям удельного теплосъема с суммарной поверхности теплообмена. Следует отдавать предпочтение теплообменнику, характеризующемуся большим значением удельного теплосъема.
7. Установленные в данной статье закономерности распространяются на теплообменники различного типа и конструкций: водовоздушные, водоводяные и паровые.
   

Автор: А.Г. АНИЧХИН, к.т.н., член бюро секции «Теплоснабжение, отопление, вентиляция», РНТО строителей