Трубчатые теплобменники

Интересная статейка, интересные результаты:

https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=290

На четвёртой страничке интересная табличка с данными натурных сравнительных испытаний серийных образцов.

Главные выводы:

1. Уменьшение диаметра гладких труб с 16 до 8 мм в теплобменнике с увеличением их количества с 19 до 76 радикально (в 2,5 раза) увеличивает интенсивность теплообмена и выводит трубчатые в чемпионы, опережая пластинчатые только благодаря этой процедуре при увеличении веса по сравнению с исходным крупнотрубчатым всего на 2,5-3%.
Это более хлопотно но полностью себя окупает.

2. гофрированные трубы гораздо лучше обмениваются теплом чем гладкие, но сопротивление потоку также закономерно возрастает.
Настолько лучше что при чуть меньшем весе по сравнению с пластинчатым мощность гофрированного мелкотрубчатого превышает мощность исходного трубнотрубчатого гладкого в 3,3 раза, а сравнимого с ним по весу пластинчатого - чуть менее чем в 2 раза.

3. спиральная перегородка в межтрубном пространстве - фактически спиральный турбулинизатор - ещё больше увеличивает эффективность при наличии мелких гофрированных труб, она превышает более тяжёлый пластинчатый в 3,15 раза и исходный крупнотрубчатый гладкий без спиральки в 5,43 раза.

Всё это легко воспроизвести усидчивым гаражным рукоблудам.

Верным путём идете, товарищи!

Коэффициент теплопередачи и мощность забираются на высоты, недоступные участвующему в сравнении Альфа Лавалю.

Хотите иметь отличные параметры у самопального теплообменника - ставьте мелкие трубы и организуйте спиральный завихритель в межтрубном пространстве.
Если умеете - накатывайте кольцевые сужения на трубке. Ищите и узнавайте про струйные системы, это полезно для интенсификации кипения.

В Китае, как в Греции, есть всё. Там можно купить серийную медную гофру, в том числе четвертную.
Но можно обойтись гладкой с отличным результатом.

 

Это и остальное - лозунги

То, что из трубчатых теплообменных аппаратов при желании можно выжать много, знают давно.
Надо только обеспечить достаточную турбулентность и сделать при этом минимально возможным сечение протока. Это играет друг против друга - скорость против сечения ведёт к нелинейному росту гидравлического сопротивления.
Что в ПТО, что в трубчатых.
Для некоторых сред, с большой вязкостью эти способы неприемлемы, что для густых жидкостей, что для газов, кроме насыщенных паров, в которых происходит смена фазового состояния
Методы турбулизации различные, в зависимости от свойств среды, также разнятся способы уменьшения эффективного сечения - овальные трубы, плоские, желательно параллельные в пакете, для наращивания площади и снижения сопротивления.
По сути получается модифицированный кожухотрубный скоростной теплообменник, в котором для интенсификации теплообмена используются тонкие трубы, диаметр которых соизмерим с межпластинчатым расстоянием в ПТО. Расстояние между трубами, для оптимального теплообмена, должно быть равно примерно половине внутреннего диаметра используемых труб. Длина теплообменника ограничивается длиной помещения и расчётным гидравлическим сопротивлением, которое в межтрубной части, с определённого момента, растёт быстрее, чем во внутритрубной.
Теплообменники могут получаться лёгкими, тонкими, но длинными.
Поэтому в корпус заводского законченного изделия, будь то котёл, тепловой насос или другое устройство, их уже не встроишь, что резко снижает сферу их применения.
Для подобных высокоэффективных теплообменников жидкость-жидкость межтрубное расстояние как правило не превышает половину внутреннего диаметра используемых труб, даже несколько меньше (0,3-0,5), а для теплообменников жидкость-пар межтрубное расстояние допускается от половины диаметра и несколько выше, при этом в межтрубном пространстве - пар.
Само собой, чем больше скорость протока, тем выше получают коэффициент теплопередачи, с соответствующим ростом гидравлического сопротивления.
Удельные коэффициенты теплопередачи вполне себе конкурентные с ПТО, в некоторых случаях даже превышают, в некоторых меньше. Это зависит от геометрии теплообменников и используемых сред.
В ПТО можно наращивать площадь увеличением количества пластин, либо увеличением ширины пакета либо длины пластин. Расстояние между пластинами ограничивается необходимой стойкостью к засорам. Каждый способ лучше подходит для конкретной ситуации. Требуется ли снижение гидравлического сопротивления при увеличении площади или требуется увеличение дельты по нагреваемой среде с допустимым увеличением гидравлического сопротивления или увеличение мощности теплового потока снижением межпластинчатого расстояния при условии использования чистых сред. Так называемые микроканальные теплообменники.

Пластинчатые теплообменники технологичнее в изготовлении, но требуют достаточно серьёзного оборудования для производства. При этом одним типоразмером пластин не обойтись.
Это прессы и штампы для различных конфигураций и типоразмеров пластин, оборудование для изготовления патрубков, оборудование для изготовления крайних пластин, приварке к ним патрубков или фланцев. Для производства ППТО дополнительно необходимы вакуумные камеры для автоматизированной пайки пакетов медью или никелем.
Всё актуально для крупного производства, для изготовления мелких партий не подходит.

Там, где хотелось обойтись меньшим количеством технологического оборудования, производить небольшие партии теплообменников при достаточно большом ассортименте типоразмеров, пошли путём доведения до совершенства кожухотруба.
Взять например севастопольскую фирму "Теплообмен", про которую упоминают на том же сайте "РосТепло" https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=1501
Статья 2000 года, ещё в 1990 г, практически на обломках Союза, они начали выпускать подобные типы аппаратов под названием ТТАИ.
Можно посмотреть картинки
http://www.ttai.ru/teploobmennye_apparaty_ttai/fotografii/
В условиях Украины они нашли свою нишу, в теплоузлах линейный размер иногда не имеет решающего значения, чего не скажешь про комплектные устройства типа тепловых насосов и пр.

Для самостоятельного изготовления эти конструкции всё равно не очень подходят, требуется некоторый минимум промышленного оборудования - штампы для крышек, лазерная резка отверстий в трубных решётках из нержавейки, аргоновая сварка, спиральные решётки, сепараторы-турбулизаторы и пр.
Минимум оборудования унифицирован для различных типоразмеров, в отличии от производства ПТО, но без наличия этого минимума будет колхоз и всех преимуществ таких теплообменников из лозунгов, которые прозвучали в посте @Тиамо не достичь.
Хотя они вполне достижимы при желании и определённой культуре производства.
Для домашней самоделки, всё равно лучшей альтернативы, чем пучок медных или алюминиевых труб, если есть чем соединять, в кожухе из ПНД или ППР, не существует.
Увеличением размера можно компенсировать коэффициент теплопередачи
Или брать ППТО со всеми его недостатками.

 

Да-да-да, иного пути кроме как в магазин не существует.
Лозунг в табличке содержится.
Автор статьи на примерах показывает как нужно делать трубчатый теплообменник для того чтобы его характеристики превзошли характеристики трубчатого в том числе по материалоёмкости. Как делать чтобы материала требовалось меньше.
В ней написано что использование вместо одной толстой трубы множества тонких труб уже делает трубчатый теплообменник чемпионом. Турбулинизатором может быть любое препятствие току, например проволока или например сетка. За любым турбулинизатором возникает турбулентность.

У мотивированных рукоделов времени и терпения хватит, им бы экономию навести.

Использование труб малого диаметра и простейших турбулинизаторов уменьшит счёт за трубы.

Кстати гофра в свете статьи становится очень актуальной.

 

Только это происходит, как правило, при конденсации не внутри труб, а при конденсации на внешней поверхности вертикальной трубы.
Это довольно известный факт, описанный многими исследователями.
Суть заключается в том, чтобы плёнку конденсата, стекающего по вертикальной трубе со всех сторон, заставить стекать только по одной стороне трубы, при этом излишки конденсата даже могут срываться в виде капель.
Плёнка конденсата на поверхности трубы образует вредное дополнительное термическое сопротивление между стенкой трубы и конденсирующимся паром.
При конденсации внутри трубы прирост теплоотдачи от наклона не так ярко выражен, так как образовавшемуся конденсату некуда деваться и он движется вместе с потоком пара, занимая часть теплообменной поверхности трубы, при этом увеличивая термическое сопротивление.
Именно по этой причине горизонтальные трубы предпочтительнее для конденсации на внешней поверхности, в них конденсат не стекает по поверхности, а срывается в виде капель.

Только не надо это автоматом переносить на трубчатые теплообменники-испарители.
Там всё сложнее, наклон теплотдачу от поверхности трубы к жидкости не увеличит, наоборот, надо пытаться равномерно смачивать жидким хладагентом поверхность.
Интенсивность испарения на горизонтальных или вертикальных трубах следует рассматривать в зависимости от способа подачи хладагента, верхней или нижней подачи, "сухого" испарителя или затопленного.
Во многих случаях, в зависимости от конструкции трубчатых теплообменников, эффективнее кипение происходит внутри труб, а конденсация снаружи

 

В статье указаны способы интенсификации испарения. Наклонное положение не названо, но предложено интересоваться струйными системами, о чём Тиамо не преминул доложить читателям.
Также описано значение кольцевых диафрагм, т. е. фактически гофры. Заострено внимание на том что гофрирование более выгодно не синусоидальное, а пилообразное, т. е. предпочтительны фактически сильфоны.
Медные и латунные серийные сильфоны хорошо известны. Из нержи тоже делают.

 

@Dekabrino,
Разгромил надежду одним махом

Но самый интересный момент, про накатанные кольца на трубах, пропустил.
Про меньшие диаметры - тоже.

Как я понимаю, в статье декларируется увеличение теплообмена в 1.8 раза при применении кольцевой накатки на трубу. Это вполне можно воспроизвести дома, хоть тупым трубным резаком. Если будет хотя бы 50% приход ...то при сегодняшних ценах на медь можно и покрутить. К тому же такая работа как вязание - успокаивает нервы

Также заявлен некоторый приход с уменьшением диаметра трубы ...

Каким бы хорошим не был ПТО, но возможность разморозки своди на нет все преимущества. Кожухотруб с реле протока надежней, перемерзнуть в ноль неуспевает.
Хочется услышать ваши коментарии к этим двум способам повышения теплоотдачи кожухотрубного испарителя .

 

Вот не плохая книга, советую к прочтению всем кто интересуется Т\О.

 

И вот еще очень не плохая книга Николая Васильевича Барановского. По некоторым данным, основоположник литературы о пластинчатых Т/О в СССР.

 

Думаю, что во всём должна быть мера.
Да, кольцевые диафрагмы (накатка) интенсифицируют теплообмен, наклонная накатка (диафрагмы) на вертикальных трубах заставляет стекать сконденсировавшийся хладагент с трубы в одну сторону, освобождая другую сторону от плёнки, что также вносит свою долю в интенсификацию.

Но диафрагма-диафрагме рознь.
Задумайтесь, для чего нужна накатка-диафрагма на трубе при продольном течении?
Чтобы организовать турбулентность в пристеночном пространстве и сорвать неподвижный пограничный слой, который является главным препятствием для повышения коэффициента теплопередачи, ибо теплопередача в неподвижном слое идёт только посредством теплопроводности.
Лишние завихрения в пристеночном пространстве не нужны, пограничный слой довольно тонкий, они только ведут к неоправданному увеличению общего гидравлического сопротивления.
Часто применяемые простые турбулизаторы потока во всём сечении протока, естественно тоже повышают теплообмен, но ещё сильнее увеличивают сопротивление.

Если внимательно изучить изыскания МАИ по поводу интенсификации теплообмена с помощью кольцевых диафрагм, то найдёте и размеры накатки, которые показали наилучшие результаты.

Выступ (канавка) на трубе должны составлять 0,01-0,06 диаметра трубы, при этом шаг накатки меняется от 0,25 до 2,5 диаметра. Радиус накатки 0,1-0,5 диаметра трубы.
Для 10 мм трубы соответственно - высота (глубина) накатки 0,1-0,5 мм при шаге 2,5-25 мм.
Стандартные гофрированные трубы по размером своей накатки вряд-ли удовлетворят этим требованиям.
Можно конечно взять их идею, трубу свою, но и результат будет не такой, как в статье
Стандартную гофру ещё как то оправдано применять в теплообменниках при поперечном течении, но не для турбулизации, а для увеличения наружной площади теплообмена при теплообменных средах с различающимися термодинамическими параметрами, внутренняя площадь трубы при этом будет использоваться неэффективно из-за застойных зон в углублениях.
А при продольном течении снаружи трубы в теплообменнике (например противотоке) такая геометрия гофры будет создавать застойные зоны и внутри и снаружи гофры.
Хуже будет стандартная гофра или лучше, относительно гладкой трубы, - никто не мешает провести собственные исследования и опубликовать результаты.

Да не...
Просто добавил пропущенные уточнения

Похоже, что изложенное в статье соответствует истине.
Во всяком случае, коррелирует со здравым смыслом и основами тепломассообмена.
А вот приведённые цифры - в 1,8 раза лучше или в 2,5-3,5 раза, не знаю.
Может так, может нет.
Можно верить, можно проверить.
Если конечно это очень надо.

Согласен, для успокоения приходится ставить промежуточный ПТО "вода-гликоль", а это двойные расходы и двойная потеря по температурному напору.

Кожухотрубы тоже боятся разморозки, особенно если сделаны по современной схеме скоростного интенсифицированного теплообмена.
Уж лучше тогда труба в трубе в ПНД
Дешево и сердито, правда подлиннее придётся сделать.
Зато морозь, хочу - не хочу...

 

С трубой более-менее понятно. 25 труба и медь 1/2 дает неплохие результаты. И накатать 30метров трубы (1м2) вполне реально и руками - обычным резаком по меди, с затупленным ножом.
Можно и приплюснуть с шагом десяток диаметров перпендикулярно - чтобы отвести трубу от стенки кожуха.

Но утверждение за использование более мелких труб, как понимать ? Будет приход ?

Идея заключается в использовании нескольких медных труб малого диаметра и пластиковой арматуры - вперемешку, или повив нескольких 1/4 меди вокруг 10-12 арматуры. Повив + мелкая труба + ребра на арматуре ...

 

Я предлагаю обсуждать статью в теме, в которой она приведена.
Цифры в таблице показывают что при простом уменьшении диаметра труб и увеличении их количества трубчатый теплообменник уже превосходит по параметрам пластинчатый.
Разы в моём счёте взяты именно из данных в этой таблице.

Гонт, Вам роднее капиллярная пайка, а многим другим гораздо ближе как раз сварка.
сравнивайте стоимость работ одинаковых. сколько стоит вызвать мастера по пайке медных труб?
6 метровую трубу можно везти на багажнике легкового автомобиля.
Проходить можно легко и непринуждённо, было бы желание пройти.

Если обсуждать тёплую стену не в порядке ремонта построенного дома, а как проект для строительства то всё будет легко и непринуждённо.

 

В статье говорится, что уменьшив диаметр труб в 2 раза, вместо 19 штук взяли количество в 4 раза
больше - 76 штук. В результате получили площадь теплообмена в 2 раза больше, а суммарное внутреннее сечение осталось такое же, что позволило сохранить гидравлическое сопротивление на том же уровне.
Мощность увеличилась не в 2 раза, а в 2,4 раза, что и следовало ожидать, так как коэффициент теплопередачи от жидкости к стенке и наоборот в тонких трубах (7 мм внутр) несколько лучше, чем
в толстых (14 мм внутр).
Всё вполне логично.
Далее утверждают, что на этом этапе коэффициент теплопередачи почти сравнялся с ПТО, составив 3360 против 3425 у ПТО.
Может быть, может...

Но, это при потерях давления 10 кПа, что для ПТО маловато, чтобы показать лучшие свои результаты.
Надо бы 30-40 кПа, тогда коэффициент теплопередачи у ПТО вполне мог быть в 2 раза лучше.

Дальнейшее шаманство с трубами путём нанесения на них диафрагм принесло увеличение коэффициента теплопередачи до 4580, но при этом гидропотери составили 36 кПа.
Витые трубы с накаткой дали коэффициент теплопередачи 5326 при почти таких же гидравлических потерях.
Ну и последний вариант - трубы с кольцевыми накатками и спиральной перегородкой в межтрубном пространстве принесли коэффициент теплопередачи 7470 при тех же потерях.

Всё это пишут, получено не экспериментальным путём, а расчётным, где скорость воды в трубах и межтрубном пространстве 1 м/с, температурный напор 10 К, средних температур греющей
среды 75 С, нагреваемой 65 С

Осадочек остался от расчётного метода и от того, что ПТО сравнивали в невыгодных для него условиях.
При потерях 35 кПа он покажет те же самые 7500.
А так всё хорошо...

 

Трубы можно располагать не только вдоль потока.
Все, кто сами навивали свои теплообменники, шли, как правило, по пути наименьшего сопротивления, который всегда ведёт к низкой эффективности.

стремиться в спиральной навивке нужно к этому:
https://www.k1speed.com/blog/cyclone-team-steam-streamliner-k1-speed.html

Это теплообменник совсем для других условий и сред, но смысл понятен.

 

Давайте вернемся на землю.
ПТО, невзирая на цену, оказался довольно проблемной вещью. Обвеса требует на цену "труба в трубе".
Как бы там ни было, но меня ужастно донимает идея засунуть теплообменник внутрь дренажной или всасывающей трубы. И место занимать не будет, и кожух в деле.
Для этого нужна эффективная схема из нескольких труб тудой-сюдой, т. е. воткнул "зонд" в трубу с одного конца и все дела. Противоток или попутно - сути не играет, эффективность практически равная .

 

Отдельный трубный агрегат легко вскрыть и прочистить например, даже заменить.
Трубы малого диаметра в большом количестве это азы теплообменной теории и практики.
Именно так и нужно делать.

Например в кондейных блоках уже содержатся регистры, объединённые магистралью. Ничего не стоит им добавить длины. Нам не нужно 76 труб потому что мощность теплообмена 10-20 кВт, а не 170-500.