Повышение надежности энергетического теплообменного оборудования, учитывая условия его работы и негативное воздействие ряда эксплуатационных факторов, является и в настоящее время актуальной задачей.
Высокая надежность теплообменных аппаратов (ТОА) на основе тепловых труб (ТТ) и некоторые особенности их конструкции создают предпосылки для их успешного и более широкого использования в судовых и стационарных энергоустановках. Повышенная надежность теплообменников на основе тепловых труб (ТТТ) обусловлена наличием разграничительной поверхности теплообменивающихся сред, состоящей из двух стенок.
На рисунке 1 приведена одна из конструктивных схем ТТТ. Перенос теплоты к охлаждающей среде 1 от охлаждаемой среды 4 осуществляется автономно через пучок ТТ 3, закрепленных в трубной решетке 2.
Такое теплообменное устройство состоит из значительного количества теплообменных контуров с естественной циркуляцией промежуточного теплоносителя, роль которых в данном случае выполняют ТТ или термосифоны. Известно, что при некоторых условиях использование теплообменников с промежуточным теплоносителем позволяет повысить эффективность теплопереноса. В этом случае ТТТ обеспечит еще большую эффективность и надежность за счет отсутствия затрат энергии на циркуляцию промежуточного теплоносителя, движущихся частей, трущихся поверхностей и значительных тепловых деформаций конструктивных элементов.
1– поток охлаждающего теплоносителя (с расходом GХ, температурами входа – tХ1 и выхода – tХ2), 2 – трубная доска, 3 – тепловые трубы, 4 – поток охлаждаемого теплоносителя (с расходом GГ, температурами входа – tГ1 и выхода – tГ2)
Рисунок 1. Конструктивная схема теплообменника на основе
тепловых труб
ТТТ обладают также рядом существенных преимуществ по сравнению с теплообменными аппаратами традиционных конструкций:
- Абсолютная автономность и изолированность каждой ТТ значительно повышает надежность ТТТ, так как нарушение герметичности одной ТТ практически не отражается на параметрах устройства в целом.
- Обеспечение практически противоточной схемы движения теплообменивающихся сред за счет высокой изотермичности ТТ.
- Интенсификация теплообмена за счет замены внутритрубного течения поперечным обтеканием пучка ТТ.
- Простота устройства, отсутствие значительных тепловых деформаций, вследствие высокой изотермичности отдельных типов ТТ и конструктивных особенностей крепления теплопередающих элементов в ТТТ, обеспечивают длительный ресурс и незначительные эксплуатационные и ремонтные затраты.
- Возможность использования при отсутствии принудительной циркуляции теплоносителей и организации охлаждения через корпус судна.
- Возможность трансформации передаваемой теплоты за счет увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя, имеющего более низкий коэффициент теплоотдачи, что позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление полости теплоносителя, имеющего более высокий коэффициент теплоотдачи.
- Возможность регулирования процесса теплопередачи путем изменения угла наклона теплообменного устройства.
- Возможность разнесения теплообменивающихся сред на расстояние, полностью исключающее их взаимопроникновение.
Рассматривая каждую ТТ как аналог секции двухслойной секционированной стенки, можно показать, что надежность ТТТ почти на два порядка выше надежности традиционного кожухотрубного теплообменника с одинарной трубной решеткой [1]. Нарушение герметичности даже нескольких ТТ не приведет к отказу в работе ТТТ. Существенно снизятся затраты на ремонт и убытки от неэффективного использования теплообменного оборудования. Появляется возможность отказаться даже от схемы параллельно нагруженного резерва, которая обладает наименьшей избыточностью. Последнее приведет к уменьшению массы и габаритов охладителей за счет их укрупнения. Для охладителей типа ОКН коэффициенты объемной и массовой компактности резко снижаются при уменьшении поверхности теплообмена менее 30 м2. Следует отметить, что судовые электростанции, небольшие суда и морские буровые платформы комплектуются двигателями небольшой мощности, поверхность теплообмена маслоохладителей которых невелика. Охладители двигателей плавучих буровых установок работают в сложных условиях, которые характеризуются кратковременными пиковыми нагрузками в момент «продавливания» и «отрыва» инструмента на фоне загрузки, близкой к нагрузке холостого хода. Происходит резкое изменение температуры масла и пресной воды на выходе из двигателя, что приводит к различным температурным расширениям трубок и корпуса охладителей. При этом возрастает вероятность нарушения герметичности соединения теплообменных трубок с трубной решеткой. Последнее обстоятельство помешало внедрению на плавучих буровых установках более эффективных плоскотрубчатых охладителей. Применение же охладителей на базе плоскоовальных ТТ позволило бы обеспечить требуемый уровень безотказности.
Перспективно применение ТТТ для утилизации теплоты выпускных газов дизель-генераторов, так как частая смена режимов их работы, пуски, остановки, связаны с изменением температуры выпускных газов, которая в ряде случаев может опускаться ниже точки росы паров серной кислоты. При использовании утилизатора традиционной конструкции приходится завышать температуру выпускных газов.
Кроме того, следует отметить, что консольное крепление ТТ значительно более надежно в условиях частой и резкой смены уровня температур.
ТТТ может быть использован в качестве предвключенного воздухоподогревателя с целью более глубокой утилизации теплоты уходящих газов стационарных котлов, что позволит повысить на 1,0…1,5 % КПД котла и надежность работы их низкотемпературной поверхности нагрева при незначительном усложнении конструкции [2].
Для предварительной оценки целесообразности использования ТТТ в энергетических установках необходимо получение достаточно простых зависимостей или графиков и выработка рекомендаций.
Для сравнения массо-габаритных характеристик кожухотрубного теплообменника и ТТТ можно использовать соотношение коэффициентов теплопередачи, так как при одинаковых тепловых мощностях и внешних температурных условиях это отношение обратно пропорционально отношению поверхностей теплообмена. При одинаковых диаметрах трубных решеток справедливо равенство:
Величину коэффициента теплопередачи ТТТ следует определять с учетов наличия двух поверхностей теплообмена. Кроме того, необходимо учесть следующее. Оребрение часто незначительно влияет на массу ТОА, так как оно не подвержено воздействию одностороннего давления и по этой причине выполняется из более тонкого и легкого материала. Расположение ребер в межтрубном пространстве не увеличивает габариты ТОА. Поэтому за поверхность, определяющую габариты и косвенно массу трубного пучка ТТТ следует считать суммарную теплопередающую поверхность без учета оребрения. Тогда теплотехническое совершенство ТТТ будет определяться величиной коэффициента теплопередачи:
Коэффициент с выражает интенсификацию теплообмена за счет поперечного обтекания теплотрубного пучка.
Следует также учесть, что поперечное обтекание с гидродинамической точки зрения выгодно при соблюдении условия 
<53. Так как в судовых ТОА внутри труб, как правило, циркулирует охлаждающая вода (масло- и водоохладители, охладители наддувочного воздуха, утилизационные водоподогреватели) коэффициент с вычисляется по известным зависимостям.
На рисунке 2 представлена зависимость в диапазоне изменения коэффициентов b, j, a, b, характерном для судовых ТОА.
Рисунок 2. Зависимость относительного габаритного показателя от соотношения внешних коэффициентов теплоотдачи
При отсутствии оребрения внешних поверхностей теплообменников относительный показатель габаритов трубного пучка существенно возрастает с ростом отношения внешних коэффициентов теплоотдачи b, а влияние внутренних коэффициентов теплоотдачи уменьшается. Таким образом, габариты ТТТ будут в меньшей степени превышать габариты традиционных кожухотрубных ТОА, если один их теплоносителей имеет низкие значения коэффициентов теплоотдачи. При небольших значениях отношения b (охладители воды, маслорадиаторы, регенераторы газотурбинных установок, воздухоподогреватели парогенераторов) относительный габаритный показатель существенно увеличивается при оребрении теплопередающих поверхностей и интенсификации теплопереноса внутри ТТ. Оребрение эффективно только в тех случаях, когда внутренний коэффициенты теплоотдачи (aи , aк) значительно превышают внешние (aг , aх). такое соотношение коэффициентов теплоотдачи характерно для ТТТ типа газ-газ (регенераторы газотурбинных установок, утилизационные воздухоподогреватели, паровые калориферы).
Отсутствие массивных камер подвода и отвода теплоносителя межтрубного пространства и по крайней мере одной их трубных досок позволяет уменьшить массу ТТТ. Это особенно характерно для относительно небольших теплообменников с площадью поверхности теплообмена менее 30 м2.
В ТОА кожухотрубной конструкции применяют двойные трубные доски для повышения надежности (аппараты типа ОКП). Для сравнения массо-габаритных показателей нами были проведены соответствующие расчеты на примере судового маслоохладителя ОКН 2,5-170-2П и его теплотрубного аналога. Теплотрубный маслоохладитель имея 30 % превышение по габаритам, обеспечивает выигрыш в массе на 13.7 %.
Предлагаемый габаритный показатель позволяет оценить соотношение габаритов рассматриваемых теплообменников.
Применение ТТТ в энергетических установках перспективно, когда один их внешних коэффициентов теплоотдачи в несколько раз больше другого и когда внутренние коэффициенты соизмеримы или существенно больше большего их внешних коэффициентов теплоотдачи.
При небольших площадях теплообменной поверхности ТТТ могут по массе не уступать кожухотрубным ТОА.
Список литературы:
- В.Е. Левченко. О повышении надежности разграничительной стенки рекуперативного теплообменника при использовании в его конструкции тепловых труб. – Сб. Тепловые трубы: теплообмен, гидродинамика, технология. Часть 2. – Обнинск: ФЭИ, 1980. – С. 155-162.
- А.С. 1719864 (СССР) Теплообменник./ Г.В. Гоголев и др. – Опубл. в Б.И. – 1992. – № 10.[schema type=»book» name=»СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОТРУБНЫХ И КОЖУХОТРУБНЫХ СУДОВЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ» author=»Гоголев Геннадий Вениаминович, Тимофеев Вячеслав Алексеевич » publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-03″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]