Охлаждение/нагрев материальных потоков в теплообменных аппаратах с использованием воздуха

Теплообменные аппараты, в которых в качестве теплоносителя используется газ (воздух) находят широкое применение в промышленности. Назначение таких теплообменников – обеспечение оптимальных технологических параметров и показателей при эксплуатации технических устройств и систем. Учитывая доступность использования в качестве теплоносителя воздуха, применение аппаратов воздушного охлаждения (подогрева) решает не только техническую задачу, но и имеет коммерческую обоснованность.

Область применения аппаратов воздушного охлаждения (подогрева) огромна. Это и системы охлаждения и кондиционирования, отопление и вентиляция помещений, радиаторы охлаждения мобильных машин, сушка продукции, в том числе древесины, оборотное водоснабжение, поддержание оптимальных тепловых режимов в электротехнических и электронных блоках и т.д.

Экономическая эффективность применения теплообменных аппаратов воздушного охлаждения определяется интенсивностью теплообменных процессов, протекающих с обеих сторон теплопередающей поверхности.

В основном используемые теплообменные аппараты имеет низкие коэффициенты теплоотдачи с воздушной лимитируюшей стороны, значения которых (например, при скоростях воздуха 10 – 15 м/сек и температуре 200С) не превышают 50 – 65 Вт/м2град, что приводит к увеличению поверхностей теплообмена и, следовательно, к повышению металлоемкости.

Известно, что наиболее эффективны охлаждающие и нагревательные устройства, имеющие развитые теплообменные поверхности, образуемые за счет оребрения. Применяемые в настоящее время теплообменные устройства с оребренной рабочей поверхностью изготавливаются главным образом или путем механического соединения ребер с основной поверхностью при помощи сварки или пайки, или путем накатки ребер на цилиндрической поверхности с помощью специального оборудования. В первом случае теплообменные поверхности имеют невысокую прочность, трудоемки в изготовлении, имеют значительное термическое сопротивление и подвержены электрохимической коррозии в местах контакта ребер и основной поверхности. Во втором случае эффективность оребрения возможна только применительно к трубам и ограничивается технологическими режимами накатки.

Согласно результатам исследований на повышение коэффициента теплоотдачи со стороны воздушного потока существенным образом влияют дополнительная турбулизация потока за счет разрушения пограничного слоя.

Конструктивно этот эффект может быть достигнут за счет образования разрывов ребер по ходу, придания ребрам изогнутой формы, а также искривления входной кромки ребра для создания микровихрей Тейлора-Гертлера.

Эти эффекты реализованы в высокоэффективных теплопередающих поверхностях, полученных НП ООО «ТАСПО». Технология подрезания и отгиба с поверхности плоских заготовок тонких слоев металла (ребер), имеющих заданные параметры (высоту, толщину и шаг, угол наклона к поверхности заготовки и к оси ее внутреннего канала) и сохраняющих прочную связь с основной поверхностью, позволяет создать теплообменники с унифицированными теплообменными элементами, имеющими развитую поверхность заданных параметров.

Условием эффективности применения теплообменных аппаратов воздушного охлаждения является соотношение теплообменивающихся масс теплоносителей. Такая закономерность хорошо объясняется фактором Колборна St∙Pr=f(Re), характеризующим теплообменную поверхность в зависимости от режимных факторов (число Рейнольдса). Следовательно, для получения идентичного теплового эффекта при постоянном расходе воды (V1) поверхность, имеющая максимальное значение фактора Колборна, требует меньшего расхода воздуха (V2) и отношение теплообменивающихся масс V2/V1, будет меньшим. Оптимальное отношение V2/V1 обеспечивает работу теплообменного аппарата в экономичном режиме с максимальной теплопередачей при минимальных энергозатратах. Приведенным условиям эффективности, а именно, теплосъем минимальным количеством воздуха, в полной мере отвечают теплообменные аппараты из плоского оребренного профиля, выполненного из алюминиевого профиля. Варианты исполнения изделий приведены на рисунке 1.

Рис.1. Изделия и оребренного алюминиевого профиля

Тепловая эффективность оребренного профиля представлена на рисунке 2.

Рис.2. Зависимость коэффициента теплопередачи от массового расхода воздуха:
1 – медные трубы с алюминиевыми пластинами, 2 – биметаллическая труба со спирально-накатанными алюминиевым оребрением, 3 – плоские оребренные трубы

Высокие теплопередающие характеристике позволяют спроектировать и изготовить теплообменный аппарат, при прочих равных условиях, с минимальными габаритными размерами и энергозатратами на прокачку воздуха.

Некоторые направления эффективного применения теплообменных аппаратов воздушного охлаждения:

- сушка древесины. Предназначены для подогрева воздуха – сушильного агента. Позволяют снизить затраты на электроэнергию для прокачки воды и воздуха, расход тепла, а также уменьшить габаритные размеры калорифера.

- вентиляция, отопление, кондиционирования, охлаждение, подогрев. Используются в качестве аппаратов (конденсаторов, испарителей, охладителей, рекуператоров). Позволяют снизить затраты на электроэнергию для прокачки воды и воздуха, расход тепла, а также уменьшить габаритные размеры.

- системы оборотного водоснабжения. Аппараты воздушного охлаждения. Малые габаритно-массовые показатели.

Широкая возможность размещения оборудования, включая мобильную технику.

- теплообменные системы с промежуточным теплоносителем (водно-гликолевые смеси).

- подогрев и охлаждение материальных потоков различных производств.

- обеспечение оптимального температурного режима эксплуатации электротехнического оборудования.

Ключевые слова. Воздушное отопление, воздушный подогрев, калорифер, теплообменник воздушного охлаждения (ТВО), водо-воздушный теплообменник (ВВТ), сухая градирня, рекуператор, сушка древесины, сушка пищевых продуктов, оборотное водоснабжение, аппарат воздушного охлаждения (АВО), температурный режим, водно-гликолиевая смесь, пропилен-гликоль