В современном мире, сталкиваясь с вызовами, связанными с изменением климата, обеспечение устойчивого развития общества требует более активных мер по защите окружающей среды. Для достижения этой цели необходимо снизить потребление ископаемого топлива и повысить энергоэффективность энергетических систем и комплексов. Одним из эффективных способов решения этой задачи является увеличение использования тепла, выделяющегося в промышленных процессах. Применение методологии интеграции процессов с использованием пластинчатых теплообменников повышенной эффективности позволит более полно реализовать этот потенциал [1].

Выхлопные газы, пары и газы, образующиеся в различных промышленных печах и являющиеся отходами производства, обладают значительным тепловым потенциалом [2]. Утилизация тепла из этих газовых потоков позволит сократить расход топлива, используемого для сжигания, и уменьшить выбросы вредных веществ, включая углекислый газ.

Анализ методов интенсификации в пластинчатых теплообменниках

В теплоэнергетическом комплексе России особое внимание уделяется пластинчатому теплообменному оборудованию, поскольку оно удовлетворяет всем современным тенденциям в области ресурсосбережения. Исследования в области увеличения их эффективности, снижения металлоёмкости активно ведутся российскими и зарубежными учёными [3].

Ввиду высокой эффективности теплоотдачи, компактности конструкции и применения коррозионно-стойких материалов, современные пластинчатые теплообменники с гофрированными пластинами являются оптимальным решением для интеграции в различные промышленные процессы [4]. Эффективность таких теплообменников подтверждена их успешным применением в различных отраслях промышленности (нефтяной, химической), на электростанциях и в системах отопления жилых зданий, а также в технологических процессах.

Стандартные пластинчатые теплообменники, повсеместно применяемые в настоящее время, имеют разнообразные конфигурации, включая рамно-пластинчатые, сварные, полусварные и паяные конструкции. Для проектирования подобного оборудования и моделирования процессов теплопередачи в нём были разработаны математические модели, основанные на экспериментальных данных [5], полуэмпирических корреляциях [6] и теоретических исследованиях [7].

Для эффективной рекуперации тепла с использованием отработанных газовых и жидких потоков конструкция пластинчатых теплообменников должна быть модифицирована с учётом специфики таких процессов, что обеспечит надёжную работу теплообменного оборудования.

Внедрение вихревых вставок в панельные радиаторы позволило повысить средний коэффициент теплопередачи на 12%. Оптимальным оказалось размещение генераторов в центре панели [8]. Теплообменники типа «сэндвич» с металлическими сотовыми сердечниками, характеризующиеся переменной геометрией ячеек для оптимизации потока и обладающие хорошими механическими свойствами, были рассмотрены в работе [9].

Для повышения эффективности пластинчатых теплообменников в ряде исследований были предложены различные способы интенсификации теплопередачи в каналах, новые конструктивные решения и инновационные подходы к производству. В работе [10] пластинчато-ребристые сэндвич-панели были модифицированы за счёт добавления пирамидальной решётки, что привело к увеличению числа Нуссельта в 1,9 раза.

В работах [11–13] были проведены расчётные исследования теплообменных свойств пластинчатых теплообменников для различных применений: работы с жидкостями, конденсации и испарения.

Авторы [14] предложили метод модификации поверхности панелей с воздушной прослойкой для интенсификации процессов теплопередачи, а также исследовали характеристики теплопередачи и потока наножидкости в таких системах [15].

В этих исследованиях рассматривались различные конструктивные решения пластин. Пример пластин с развитой поверхностью теплообмена представлен на рис. 1. Пластины собираются в пакет.

Такое разнообразие конструкций влияет на теплопередачу и гидравлические характеристики пластин. Некоторые исследователи изучали влияние диаметра сварочного пятна, расстояния между ними [13] и расстояния между панелями [16] на общую эффективность теплообмена.

Разработка оригинальной конструкции

В данной статье предлагается усовершенствованная конструкция пластинчатого теплообменника, изготовленного с применением новых уникальных экспериментальных пластин для работы с жидкостями и газами [17]. Конструкция оригинальных пластин представлена на рис. 2.

Исследуемый теплообменник состоит из гофрированного канала между соседними пластинами для потока газа/жидкости. Сравнение уровней интенсификации теплообмена в таких каналах важно для дальнейшего развития этого перспективного типа теплообменников. Параметры теплообменника с модифицированными пластинами представлены в табл. 1.

  

Экспериментальные исследования

Для исследования гидравлического сопротивления и коэффициентов теплопередачи во внешних каналах была собрана экспериментальная установка, согласно ГОСТ Р 53583–2009 [18] (рис. 3).

Эксперименты проводились с использованием воды в качестве горячего теплоносителя и воздуха в качестве холодного. Во время экспериментов температура воды варьировалась от 50 до 85°C. Воздух имел комнатную температуру около 20°C. Скорость воздуха в каналах варьировалась в диапазоне от 1,3 до 5,3 м/с.

На основе экспериментальных данных было проведено исследование теплопередачи и падения давления в гофрированных каналах пластинчатого теплообменника. Для оценки падения давления в каналах использовался коэффициент трения Дарси.

Падение давления было изучено на двух участках канала между пластинами на участке с гофрированной поверхностью и на всей длине канала. На участке с ребристой поверхностью происходит основной процесс теплообмена, и информация о падении давления здесь может быть полезна для дальнейшего развития конструкции пластинчатого теплообменника. Падение давления на всей длине канала необходимо для проектирования теплообменника на основе исследованных пластин. Результаты экспериментов по определению падения давления на всей длине внешнего канала представлены в виде зависимостей коэффициента трения Дарси (рис. 4) и коэффициента теплопередачи (рис. 5) от числа Рейнольдса.

Анализ результатов позволил получить эмпирическую корреляцию в стандартной форме, включающую умножение числа Рейнольдса на определенный коэффициент. Полученная корреляция выглядит следующим образом:

ζ = 1,044Re-0,21, (1)

где Re — число Рейнольдса.

В результате исследования предлагается формула определения числа Нуссельта для теплообменника с оригинальными пластинами:

Nu = 0,053Re0,77Pr0,43. (2)

В данной работе были проведены экспериментальные исследования теплопередачи и гидравлических характеристик пластинчатого теплообменника с гофрированной формой каналов. Эксперименты показали, что применение пластин с углублениями различного диаметра приводит к увеличению теплопередачи до 7%. Это сопровождается увеличением коэффициента трения до 9%. Были определены эмпирические уравнения для коэффициента трения и коэффициента теплопередачи в гофрированном канале. Полученные результаты могут способствовать повышению эффективности работы пластинчатого теплообменного оборудования, а также увеличению его жизненного цикла.