Экспериментальные исследования кожухотрубного теплообменника с цилиндрическими турбулизаторами потока

Введение. Перспективным направлением современных систем теплоснабжения является активное применение теплообменников. Теплообменники кожухотрубной конструкции достаточно распространены. Поэтому актуальна модернизация таких теплообменников с целью повышения основного параметра — коэффициента теплопередачи. Разработан теплообменник, у которого трубки оснащены пластинами с цилиндрическими турбулизаторами — ребрами цилиндрической формы. Проведены экспериментальные исследования нового теплообменника в условиях, соответствующих реальной системе теплоснабжения.

Материалы и методы. Использовался натурный стенд, который представляет собой независимую систему отопления здания. Основное оборудование стенда — электрокотел мощностью 5 кВт, потребитель — радиаторы, исследуемый теплообменник с турбулизаторами, контрольно-измерительные приборы. Планирование эксперимента основано на температурном графике отпуска теплоты от котельной и температурном графике потребителя. Выполнены математическая обработка результатов, проверка значимости уравнений и коэффициентов.

Результаты. Для теплообменника с турбулизаторами экспериментальным способом получены значения коэффициента теплопередачи при различных температурах наружного воздуха периода отопления. Расхождения с расчетными данными составили не более 10 %, что допустимо. Получены зависимости коэффициента теплопередачи от температурного напора при скоростях теплоносителя в межтрубном пространстве 0,16 и 0,32 м/с. Результаты математической обработки показали, что эти зависимости являются адекватными, статистически значимо описывают результаты проведенных исследований. Установлено, что при скорости 0,16 м/с в среднем за отопительный период коэффициент теплопередачи исследуемого теплообменника с турбулизаторами получился больше на 22 %, чем у серийного; при скорости 0,32 м/с — на 23 % больше.

Выводы. Экспериментальные исследования подтвердили, что благодаря турбулизации теплоносителя коэффициент теплопередачи теплообменника с турбулизаторами в среднем увеличился на 23 %. Габариты такого теплообменника будут значительно меньше, чем серийного (ГОСТ 27590–2005). Конструкция теплообменной трубки с цилиндрическими турбулизаторами рекомендована для использования в кожухотрубных теплообменниках, а также для воздухоподогревателей, калориферов, экономайзеров.

1. О состоянии теплоэнергетики и централизованного теплоснабжения в Российской Федерации в 2020 г. // Новости теплоснабжения. 2022. № 3 (231). С. 12–22.

2. Жаров А.В., Павлов А.А., Фавстов В.С., Горшков Р.В. Исследование процессов в теплообменнике-утилизаторе теплоты отработанных газов дизельной когенерационной установки транспортного средства методами компьютерной гидрогазодинамики // Фундаментальные исследования. 2013. № 10–15. С. 3321–3327. EDN SWOBNV.

3. Букин В.Г., Хо В.Х. Повышение эффективности теплообмена в кожухотрубных испарителях судовых холодильных установок // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2013. № 1. С. 90–94. EDN PWXXIN.

4. Rădulescu S., Negoiţă L.I., Onuţu I. Analysis of the heat transfer in double and triple concentric tube heat exchangers // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 147. P. 012148. DOI: 10.1088/1757-899X/147/1/012148

5. Ajithkumar M.S., Ganesha T., Math M.C. Analysis to study the effects of inclined baffles on fluid flow in a shell and tube heat exchanger // International Journal of Research in Advent Technology. 2014. Vol. 2. Issue 7. Pp. 164–175. DOI: 10.22055/jacm.2020.32925.2103

6. Mellal M., Benzeguir R., Sahel D., Ameur H. Hydro-thermal shell-side performance evaluation of a shell and tube heat exchanger under different baffle arrangement and orientation // International Journal of Thermal Sciences. 2017. Vol. 121. Pp. 138–149. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.07.011

7. Swapnil S.K., Barve Shivprakash B. Effect of different types of baffles on heat transfer & pressure drop of shell and tube heat exchanger : a review // International Journal of Current Engineering and Technology. 2017. Vol. 7. Pp. 358–362.

8. Gurram V.T., Rao K.V.N. Numerical investigation on heat transfer and fluid flow of shell-side for shell and tube heat exchanger with hexagonal vent baffle by using CFD // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2017. Vol. 8. Issue 5. Pp. 995–1009.

9. Patil P.C., Deshmukh M.S. Performance improvement of heat exchanger using slotted baffle // International Journal of Current Engineering and Technology. 2011. Vol. 5. Pp. 161–164. DOI: 10.14741/ijcet/22774106/spl.5.6.2016.31

10. Pandey L., Singh S. Numerical analysis for heat transfer augmentation in a circular tube heat exchanger using a triangular perforated Y-shaped insert // Fluids. 2021. Vol. 6. Issue 7. DOI: 10.3390/fluids6070247

11. Xu S., Zheng J., Jian Y. Spiral tube type fused salt direct-flow heat exchanger // State Intellectual Property Office of the P.R.C. 2021. Vol. 185. Pp. 95–101.

12. Xu W., Liu Z., Huang S., Zhuang Y. Evaluation and development of a predictive model for conjugate phase change heat transfer of energy storage system partially filled with porous media // Energy Storage and Saving. 2022. Vol. 1. Issue 4. Pp. 293–308. DOI: 10.1016/j.enss.2022.08.001

13. Круглов Г.А., Бакунин В.В., Андреева М.В. Теоретические исследования взаимосвязи степени турбулизации потока с коэффициентом теплоотдачи // Вестник КрасГАУ. 2015. № 6 (105). С. 67–73. EDN UDTLYH.

14. Jalil S.A., ElKabbash M., Zhang J., Singh S., Zhan Z., Guo C. Multipronged heat-exchanger based on femtosecond laser-nano/microstructured Aluminum for thermoelectric heat scavengers // Nano Energy. 2020. Vol. 75. P. 104987. DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104987

15. Luo C., Song K.W., Tagawa T. Heat transfer enhancement of a double pipe heat exchanger by co-twisting oval pipes with unequal twist pitches // Case Studies in Thermal Engineering. 2021. Vol. 28. P. 101411. DOI: 10.1016/j.csite.2021.101411

16. Lindqvist K., Skaugen G., Meyer O.H.H. Plate fin-and-tube heat exchanger computational fluid dynamics model // Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 189. P. 116669. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116669

17. Abu-Hamdeh N.H., Alsulami R.A., Rawa M.J.H., Aljinaidi A.A., Alazwari M.A., Eltaher M.A. et al. A detailed hydrothermal investigation of a helical micro double-tube heat exchanger for a wide range of helix pitch length // Case Studies in Thermal Engineering. 2021. Vol. 28. P. 101413. DOI: 10.1016/j.csite. 2021.101413

18. Кунтыш В.Б., Сухоцкий А.Б., Яцевич А.В. Тепловая эффективность вихревой интенсификации теплоотдачи газового потока при продольном и поперечном обтекании круглотрубных поверхностей. Часть 1 // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2015. № 3. С. 68–75. EDN TXJDOV.

19. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Корнев Н.В., Хассель Э., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена при ламинарном и турбулентном течении в узком канале с однорядными овальными лунками // Теплофизика высоких температур. 2015. Т. 53. № 3. С. 390. DOI: 10.7868/S0040364415030060. EDN TQQVTX.

20. Исаев С.А., Грицкевич М.С., Леонтьев А.И., Попов И.А., Судаков А.Г. Аномальная интенсификация турбулентного отрывного течения в наклоненных однорядных овально-траншейных лунках на стенке узкого канала // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 5. С. 797–800. DOI: 10.1134/S0040364419040082. EDN DSKPAK.

21. Никулин Н.Ю., Шеремет Е.О., Алифанова А.И., Яковлев В.А. Определение геометрии поверхности теплообмена измененной формы в кожухотрубном теплообменнике // Вестник гражданских инженеров. 2022. № 6 (95). С. 117–124. DOI: 10.23968/1999-5571-2022-19-6-117-124. EDN ZVKFRN.

22. Кущев Л.А., Никулин Н.Ю., Овсянников Ю.Г., Алифанова А.И. Современные способы интенсификации работы кожухотрубных теплообменных аппаратов систем теплоснабжения // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018. Т. 8. № 2 (25). С. 130–140. EDN USULIA.