Эффективность витых овальных труб в теплообменниках: исследования, расчёты и сравнение с гладкими трубами

Научно-технический обзор технологии Twisted Oval Tube для промышленных теплообменников и систем охлаждения

Витые овальные теплообменные трубы (Twisted Oval Tubes) представляют собой один из способов интенсификации теплообмена в промышленном теплообменном оборудовании.

Особая геометрия трубы способствует формированию вторичных течений, улучшению перемешивания теплоносителя и изменению структуры потока в трубном и межтрубном пространстве.

Однако эффективность технологии определяется не только увеличением коэффициента теплоотдачи. Для объективного сравнения необходимо учитывать тепловую нагрузку, гидравлическое сопротивление, расход теплоносителя, загрязнение поверхности и эксплуатационные затраты.

В данной статье рассматриваются опубликованные экспериментальные исследования, результаты промышленной эксплуатации и пример сравнительного теплового расчёта.

Основные вопросы исследования:

• Насколько эффективно применение витых овальных труб по сравнению с гладкими круглыми трубами?

• Как изменяются коэффициенты теплоотдачи и гидравлическое сопротивление?

• Можно ли уменьшить площадь поверхности теплообменника?

• При каких условиях технология экономически целесообразна?

• Какие экспериментальные данные подтверждают её эффективность?

1. Принцип работы витых овальных теплообменных труб

Витая овальная труба представляет собой трубу с овальным поперечным сечением, которое последовательно поворачивается относительно продольной оси.

В отличие от обычной круглой трубы, такая геометрия изменяет направление движения жидкости вблизи стенки и способствует возникновению вторичных течений.

В результате могут изменяться толщина теплового пограничного слоя, интенсивность перемешивания теплоносителя и коэффициент конвективной теплоотдачи.

Основные параметры геометрии

• Большая ось овального сечения — A, мм.

• Малая ось овального сечения — B, мм.

• Толщина стенки — s, мм.

• Шаг скручивания — P, мм.

• Длина трубы — L, мм.

• Отношение осей овального сечения — A/B.

Геометрия трубы оказывает существенное влияние как на теплопередачу, так и на гидравлические потери.

Поэтому выбор шага скручивания и отношения осей требует теплогидравлического обоснования.

2. Экспериментальное подтверждение эффективности

2.1. Исследование испарительного конденсатора, 2017 год

В исследовании Experimental Investigation of Evaporative Condensed Refrigerating System by Variation of Heat Transfer Tube Types, опубликованном в Procedia Engineering, были экспериментально исследованы теплообменные трубы трёх типов:

• Гладкие круглые трубы.

• Эллиптические трубы.

• Витые трубы.

Результаты сравнения показали следующие изменения коэффициента теплоотдачи относительно круглых труб.

Полученные экспериментальные результаты показывают, что изменение геометрии поверхности может повысить интенсивность теплообмена.

В рамках той же публикации приведены результаты демонстрационного проекта по замене традиционной системы холодоснабжения системой с испарительным охлаждением.

Для модернизированной системы были получены следующие показатели:

• Снижение энергопотребления системы — 16,3%.

• Снижение потребления воды системой — 39,7%.

Сравнение эффективности теплоотдачи различных типов труб

Эксперимент, 2017 г. Прирост коэффициента теплоотдачи относительно гладких круглых труб

Источник: Yin Y. et al., Procedia Engineering, 2017. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.09.950. Значения относятся к исследованным режимам испарительного конденсатора.

Источник: Yin Y. et al., Procedia Engineering, 205 (2017), 175–182.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.09.950

2.2. Экспериментальное исследование кожухотрубного теплообменника, 2013 год

В работе Heat transfer and pressure drop performance of twisted oval tube heat exchanger исследовались тепловые и гидравлические характеристики витых овальных труб в трубном и межтрубном пространстве.

Экспериментальные данные показали, что:

1. Коэффициент теплоотдачи со стороны труб у витой овальной трубы выше, чем у гладкой круглой трубы.

2. Гидравлическое сопротивление со стороны труб также возрастает.

3. При сравнении межтрубной стороны с теплообменником аналогичных размеров, оснащённым стержневыми перегородками, отмечены более высокий коэффициент теплоотдачи и меньшее гидравлическое сопротивление.

4. Комплексная эффективность зависит от соотношения расходов теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах.

Это исследование подтверждает необходимость одновременно рассматривать тепловые и гидравлические показатели.

Повышение теплоотдачи не означает автоматического снижения затрат электроэнергии на перекачивание теплоносителя.

Источник: Tan X.-H. et al., Applied Thermal Engineering, 50 (2013), 374–383.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.06.037

3. Реальный промышленный опыт: модернизация нефтехимической установки в 2010 году

В журнале Applied Thermal Engineering было опубликовано исследование эффективности теплообменников действующей установки гидроочистки нафты.

Первоначально технологическая система включала шесть последовательно соединённых теплообменников с гладкими трубами.

Во время модернизации три аппарата были заменены теплообменниками с витыми трубами.

После реконструкции были проанализированы реальные эксплуатационные данные.

Результаты промышленной эксплуатации

Исследователи также установили снижение термического сопротивления загрязнений и улучшение характеристик теплопередачи после замены аппаратов.

Этот пример представляет особый интерес, поскольку его выводы основаны на эксплуатационных данных реального промышленного объекта, а не исключительно на численном моделировании.

Вместе с тем результаты нельзя автоматически переносить на другие производства. Экономическая эффективность зависит от технологического режима, стоимости энергии, конструкции оборудования и фактической тепловой нагрузки.

Источник: Al-Hadhrami L. M., Ahmad A., Al-Qahtani A. Performance analysis of heat exchangers of an existing naphtha hydrotreating plant: A case study. Applied Thermal Engineering, 30 (2010), 1029–1033.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.01.017

ПРОМЫШЛЕННЫЙ ОПЫТ · НЕФТЕХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА · 2010

Результаты модернизации действующей установки гидроочистки нафты

Открыть научную публикацию

4. Тепловой расчёт: сравнение гладких и витых овальных труб

Для оценки возможного уменьшения площади теплообменной поверхности рассмотрим условный пример промышленного водо-водяного теплообменника.

Исходные данные расчёта

4.1. Определение тепловой мощности

Тепловая мощность определяется по формуле:

Q = ṁ · cp · (Tвх − Tвых)

Для воды при приближённых постоянных теплофизических свойствах:

Q = 1,163 · V · ΔT

Q = 1,163 × 100 × (45 − 35)

Q ≈ 1163 кВт

4.2. Расчёт логарифмической средней разности температур

Для противоточной схемы:

ΔT₁ = 45 − 30 = 15 K

ΔT₂ = 35 − 25 = 10 K

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)

ΔTlm ≈ 12,33 K

4.3. Определение необходимой площади теплообмена

Основное уравнение теплопередачи:

Q = U · A · F · ΔTlm

где:

• Q — тепловая мощность, Вт.

• U — общий коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К).

• A — площадь поверхности теплообмена, м².

• F — поправочный коэффициент температурного напора.

• ΔTlm — логарифмическая средняя разность температур, K.

В демонстрационном расчёте принимается F = 1.

Предположим, что общий коэффициент теплопередачи обычного теплообменника составляет 700 Вт/(м²·К), а теплообменника с витыми трубами — 805 Вт/(м²·К).

Это соответствует условному увеличению общего коэффициента теплопередачи на 15%.

Результат расчёта: при условном повышении общего коэффициента теплопередачи на 15% необходимая площадь теплообмена уменьшается приблизительно на 13%.

Представленные значения коэффициентов 700 и 805 Вт/(м²·К) приняты исключительно для демонстрации метода расчёта и не являются экспериментальными данными или гарантированными характеристиками конкретного теплообменника.

Методика и достоверность расчётных данных

Для обеспечения прозрачности технического анализа в данной статье используются три категории информации:

Экспериментальные результаты — данные, опубликованные в научных журналах и полученные в ходе испытаний теплообменного оборудования.

Данные промышленной эксплуатации — результаты работы реальных технологических установок после модернизации.

Расчётные примеры — условные инженерные модели, предназначенные для демонстрации методики сравнения теплообменников.

Расчётные примеры не являются паспортными характеристиками оборудования SUTEX Machinery, результатами заводских испытаний или гарантией определённого повышения эффективности.

Для конкретного проекта требуется отдельный тепловой и гидравлический расчёт с использованием утверждённых исходных данных заказчика.

5. Гидравлическое сопротивление и энергопотребление насосов

Для объективного выбора теплообменника необходимо сравнивать не только площадь теплообмена, но и требуемую мощность циркуляционных насосов.

При расчёте используют зависимость:

P = Δp · V / (3600 · η)

где:

• P — мощность насоса, кВт.

• Δp — потери давления, кПа.

• V — расход жидкости, м³/ч.

• η — общий КПД насосного агрегата.

Рассмотрим условный пример при расходе 100 м³/ч и КПД насосного агрегата 70%.

В этом примере применение витых труб увеличивает потребление мощности насосом приблизительно на 0,79 кВт.

При эксплуатации в течение 8000 часов в год дополнительное потребление составит около 6350 кВт·ч.

Данный результат является расчётным примером, а не экспериментальной характеристикой технологии Twisted Tube.

В реальном теплообменнике необходимо учитывать гидравлические потери как трубного, так и межтрубного пространства, а также параметры всей гидравлической системы.

6. Влияние геометрии трубы на теплообмен

Важнейшими параметрами являются отношение осей овального сечения A/B и шаг скручивания P.

Численное исследование, опубликованное в International Journal of Heat and Mass Transfer в 2013 году, показало существенное влияние этих параметров на число Нуссельта и коэффициент гидравлического сопротивления межтрубного пространства.

При изменении геометрии одновременно изменяются интенсивность теплообмена и гидравлические потери.

Поэтому выбор геометрии должен основываться на оптимизации общей теплогидравлической эффективности.

Источник: 3D numerical simulation on the shell side heat transfer and pressure drop performances of twisted oval tube heat exchanger.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.06.011

7. Возможные преимущества и ограничения технологии

Потенциальные преимущества

• Интенсификация конвективного теплообмена.

• Возможность уменьшения площади поверхности теплообменника.

• Улучшение гидродинамических характеристик межтрубного пространства в определённых конструкциях.

• Возможность модернизации существующих теплообменных систем.

• Потенциальное снижение эксплуатационных затрат при оптимальном проектировании.

Технические ограничения

• Повышение гидравлического сопротивления внутри трубы.

• Зависимость характеристик от геометрии и свойств теплоносителя.

• Особые требования к изготовлению и контролю геометрии труб.

• Необходимость расчёта механической прочности и вибрационной устойчивости трубного пучка.

• Необходимость проверки загрязнения и возможности очистки поверхностей.

• Ограничения при замене гладких труб в существующих теплообменниках.

Следовательно, витые овальные трубы не являются универсальной заменой обычных круглых труб. Их применение должно быть подтверждено расчётом конкретного теплообменного аппарата.

8. Применение в промышленных системах

Технология витых овальных труб представляет интерес для следующих направлений:

Промышленные водо-водяные теплообменники

Системы охлаждения технологической воды и оборудования, где важны компактность аппарата, тепловая мощность и допустимые потери давления.

Нефтепереработка и нефтехимия

Теплообменные аппараты технологических установок, в том числе проекты реконструкции и повышения эффективности тепловой рекуперации.

Энергетика

Вспомогательные охлаждающие контуры, системы теплоутилизации и другие теплообменные установки.

Холодильная техника

Конденсаторы и теплообменные аппараты промышленных систем холодоснабжения.

Применимость технологии к конкретной установке определяется отдельным инженерным расчётом.

9. Инженерный подход к оценке эффективности

Для технически обоснованного выбора конструкции рекомендуется выполнять сравнительный анализ по единой методике.

В расчёт должны включаться:

1. Тепловая нагрузка и температурный график.

2. Расходы и теплофизические свойства теплоносителей.

3. Геометрия и материалы теплообменных труб.

4. Коэффициенты теплоотдачи со стороны труб и межтрубного пространства.

5. Общий коэффициент теплопередачи.

6. Расчётная площадь теплообмена.

7. Гидравлические потери.

8. Запас на загрязнение поверхности.

9. Потребление энергии циркуляционными насосами.

10. Капитальные и эксплуатационные затраты.

Итоговая эффективность определяется выполнением требуемой тепловой нагрузки при допустимых гидравлических потерях и минимальных совокупных затратах в заданных условиях эксплуатации.

10. Технология изготовления витых овальных теплообменных труб

Стабильность геометрии трубы имеет принципиальное значение для воспроизводимости её теплогидравлических характеристик.

Процесс изготовления включает формирование требуемого овального сечения и последующее создание заданной винтовой геометрии.

При разработке оборудования необходимо обеспечить контроль:

• Размеров большой и малой осей сечения.

• Толщины стенки и возможного утонения в процессе деформации.

• Шага и равномерности скручивания.

• Прямолинейности готовой трубы.

• Состояния поверхности.

• Повторяемости геометрии при серийном производстве.

SUTEX Machinery рассматривает проекты изготовления оборудования для производства витых овальных теплообменных труб по техническому заданию заказчика.

Возможность производства конкретного типоразмера, выбор оснастки и технологические режимы определяются по результатам инженерной оценки.

Оборудование для производства витых овальных труб — получить техническое предложение.

11. Заключение

Опубликованные экспериментальные исследования и результаты промышленной эксплуатации подтверждают перспективность применения витых овальных труб в теплообменной технике.

Наиболее значимые технические преимущества связаны с возможностью повышения интенсивности теплообмена, оптимизации конструкции трубного пучка и уменьшения требуемой площади поверхности теплообмена.

Однако фактическая эффективность зависит от условий эксплуатации и может сопровождаться увеличением потерь давления.

Поэтому правильный инженерный подход заключается в сравнительном тепловом и гидравлическом расчёте, а не в использовании универсального процента повышения эффективности.

12. Научные источники

[1] Yin Y. et al. Experimental Investigation of Evaporative Condensed Refrigerating System by Variation of Heat Transfer Tube Types. Procedia Engineering, 205 (2017), 175–182.

https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.09.950

[2] Tan X.-H. et al. Heat transfer and pressure drop performance of twisted oval tube heat exchanger. Applied Thermal Engineering, 50 (2013), 374–383.

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.06.037

[3] Al-Hadhrami L. M., Ahmad A., Al-Qahtani A. Performance analysis of heat exchangers of an existing naphtha hydrotreating plant: A case study. Applied Thermal Engineering, 30 (2010), 1029–1033.

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.01.017

[4] 3D numerical simulation on the shell side heat transfer and pressure drop performances of twisted oval tube heat exchanger. International Journal of Heat and Mass Transfer, 65 (2013), 244–253.

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.06.011

SUTEX Machinery

Оборудование для производства витых овальных теплообменных труб по техническому заданию.

Для получения технического предложения направьте чертёж трубы, сведения о материале, размеры сечения, шаг скручивания и требуемую производительность.

Часто задаваемые технические вопросы

1. Насколько витые овальные трубы эффективнее гладких круглых труб?

Эффективность зависит от конструкции и условий эксплуатации. В экспериментальном исследовании испарительного конденсатора 2017 года повышение коэффициента теплоотдачи составило 14,6–28,9% относительно круглых труб.

2. Увеличивают ли витые трубы гидравлическое сопротивление?

В трубном пространстве гидравлическое сопротивление может возрастать. При этом конструкция межтрубного пространства может обеспечивать снижение потерь давления относительно некоторых традиционных решений.

3. Можно ли уменьшить размеры теплообменника?

Да, если повышение общего коэффициента теплопередачи подтверждено расчётом при заданной тепловой нагрузке и температурном режиме. Уменьшение размеров также зависит от конструкции аппарата.

4. Снижают ли витые трубы расход электроэнергии?

Не обязательно. Необходимо отдельно оценивать гидравлические потери, мощность насосов и энергопотребление всей системы.

5. Подходят ли витые трубы для водо-водяных теплообменников?

Такая возможность существует. Однако выбор конструкции необходимо подтверждать расчётом и учитывать качество воды, загрязнение поверхности и допустимые потери давления.

6. Влияет ли шаг скручивания на эффективность теплообмена?

Да. Шаг скручивания и отношение осей овального сечения влияют на структуру потока, теплоотдачу и гидравлические характеристики.

7. Можно ли заменить гладкие трубы в действующем теплообменнике на витые?

Возможность модернизации зависит от геометрии трубного пучка, конструкции трубных решёток, требований к прочности, гидравлике и обслуживанию.

8. Какими документами подтверждается эффективность технологии?

Основными источниками являются экспериментальные исследования, публикации в рецензируемых научных журналах, результаты промышленных испытаний и расчёты для конкретных условий эксплуатации.

9. Какие параметры нужны для сравнительного расчёта?

Температуры, расходы, давления и свойства теплоносителей, материалы и геометрия труб, допустимые потери давления, тепловая нагрузка и требования к загрязнению.

10. Какое оборудование необходимо для производства витых овальных труб?

Оборудование должно обеспечивать формование требуемого овального сечения, скручивание с заданным шагом и контроль геометрии готовой трубы. Комплектация определяется техническим заданием.