Ультразвук в энергетике 2

7 О пользе вихрей и колебаний (Теплообмен в поле мощного ультразвука)

Колесо и теплообменник – технические устройства, хорошо известные даже весьма далеким от техники людям. В самом деле, в каждой квартире, под подоконником установлены радиаторы отопления. Это теплообменные аппараты, в которых теплоноситель – горячая вода – отдает через металлическую стенку тепло воздуху наших квартир.

В промышленности редкое производство может обойтись без теплообменников.

Великое множество разнообразных теплообменных аппаратов можно свести к трем основным конструкциям: трубчатым, пластинчатым и трубчато-пластинчатым. Во всех этих устройствах любыми доступными средствами стремятся увеличить теплообмен, т.е. площадь контактирования сред: теплоноситель – конструкция – рабочая среда (воздух, вода…).

Всем давно известно, что турбулизация потока теплоносителя повышает теплообмен, поэтому поток стараются закрутить, создать внутри него турбулентные завихрения. Трубы изгибают змейкой, встраивают в них шнеки и спирали, выдавливают снаружи и внутри ребра, покрывают трубы резьбой, делают их поверхности шероховатыми. Все перечисленные (и прочие) ухищрения преследуют цель завихрить поток, текущего по трубе, теплоносителя, турбулизировать его и тем самым увеличить теплообмен. Иногда это получается лучше, иногда хуже, но всегда – ценой значительного роста гидравлического сопротивления: в 10–12 раз – всего при двух-трехкратном увеличении теплоотдачи. И это считается вполне естественным и нормальным достижимым уровнем на данный момент.

Однако существуют способы интенсификации теплоотдачи в турбулентных потоках, не вызывающие стремительного роста гидравлического сопротивления. Теоретически это доказал профессор Московского авиационного института д.т.н. Э.К.Калинин. Анализ структуры турбулентного потока и особенностей теплообмена в нем показал, что важно не просто турбулизировать поток, а найти ту область канала, в которой увеличение турбулентных пульсаций оказывает наибольшее влияние на интенсификацию теплоотдачи.

Поток в гладкой трубе можно разбить на две зоны (рис. 2). В узком пристенном слое течение преимущественно ламинарное. Здесь, у самой стенки, от которой нужно отвести тепло, силы вязкости затрудняют теплообмен. По мере продвижения от стенки к ядру потока ламинарное течение переходит в турбулентное, пульсации развиваются сильнее, скорость потока выравнивается и в центре канала достигает максимума. Однако, у оси трубы, где действуют законы турбулентного движения, тепловой поток близок к нулю. Получается, что в пристенном слое, где нужно передать наибольшее количество тепла, происходит только его молекулярный перенос, а в ядре потока, где велика турбулентная теплопроводность, переносить нечего.

Рис. 2

Значит, чтобы ускорить теплоотдачу, нет смысла вторгаться в ядро потока: здесь и так турбулентная проводимость достаточна. Ученые пришли к выводу, что затраты кинетической энергии на прокачивание теплоносителей по трубам и каналам теплообменников окажутся значительно меньше, если турбулизировать поток в узком пристенном слое или в непосредственной близости от него. А для эффективной турбулизации потока необходимо создать здесь вихревые зоны.

Если к стенке канала присоединить ультразвуковой излучатель, действующий на нее с силой F (рис. 3, а), и возбудить в стенке акустические колебания с определенной частотой и амплитудой А_к в режиме изгибных колебаний – мы создадим турбулентные вихри в пристенном слое и, согласно теории «растянутой пленки», увеличим зону теплопередачи на величину 2А_к , что, естественно, значительно интенсифицирует процессы теплообмена (рис. 3, б). Дополнительно к этому мы практически избавимся от солей и карбонатных отложений, и отложений всевозможных загрязнений на стенке теплообменника, что является значительной проблемой в технологии теплообмена.

Рис. 3

Далее рассмотрим одно открытие, зарегистрированное в 1981 г.: «Закономерность изменения теплоотдачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции» (авторы Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер, С.А.Ярхо, Г.И.Воронин и Е.В.Дубровский). Вот в чем его суть.

Чтобы повысить интенсивность конвективного теплообмена между теплоносителем и стенками, нужно отойти от традиционной конструкции с гладкими трубами и искусственно турбулизировать поток, в основном вблизи стенки, где скорость его мала. Оказалось, можно для искусственной турбулизации потока подобрать устройства такой геометрической формы, при которой рост теплоотдачи опережает неминуемое увеличение гидравлических потерь.

Для трубчатых теплообменных аппаратов решение оказывается довольно простым. На наружной поверхности трубы накатывают кольцевые канавки, при этом на внутренней поверхности получаются кольцевые диафрагмы плавной конфигурации (рис. 4). Если они невысокие (5–10 % радиуса трубы, такова толщина пристенного слоя) и расположены на определенном расстоянии друг от друга (7–20 высот диафрагмы), то у стенок образуются вихри, которые медленно диффундируют в ядро потока – при этом состояние между ростом теплоотдачи и гидравлического сопротивления наиболее благоприятно.

У таких труб значительные преимущества перед гладкими. Они позволяют в 1,7–1,8 раза (а в области перехода от ламинарного режима к турбулентному даже втрое) увеличить теплоотдачу при таком же росте гидравлического сопротивления. Поскольку накатка практически не изменяет наружного диаметра труб, их можно «упаковать» в компактные пучки. Сохраняя существующую технологию сборки трубчатых теплообменных аппаратов.

Рис. 4

Такие трубы позволяют в 1,5–2 раза уменьшить поверхность теплообмена в аппаратах, в которых теплоносителями служат однофазные среды – газы или жидкости. Существенно уменьшается металлоемкость теплообменников, они дешевле на 30–50 %. Уменьшаются и эксплуатационные расходы, поскольку благодаря турбулентному движению они меньше загрязняются, их можно реже очищать.

Совмещение данной конструкции теплообменника с наложением ультразвуковых колебаний позволяет значительно интенсифицировать теплообмен.

Еще один способ интенсификации заключается в возможности заставить теплоноситель пульсировать с частотой 20–40 кГц. При этом мощность ультразвукового оборудования может быть не более 100 Вт.

Теплообмен при кипении – один из самых распространенных процессов в теплоэнергетике, атомной энергетике, химической и др. технологиях. Чтобы кипение началось, необходимо два условия: перегрев жидкости и возникновение центров парообразования. Сильнее всего теплоноситель перегревается непосредственно у поверхности, к которой подводится тепло, здесь же находятся и центры парообразования – неровности стенок, пузырьки воздуха, пылинки. Воздействие мощного акустического поля на эту поверхность способно значительно изменить ход перегрева и парообразования.

У центров парообразования образуются и растут первые пузырьки пара – такой режим кипения называется пузырьковым. В этом режиме интенсивность теплообмена значительно выше, чем при течении однофазных жидкостей, благодаря дополнительному переносу массы и тела паровыми пузырьками из пристенного слоя в объем кипящей жидкости. Поэтому, сама по себе интенсификация теплообмена при пузырьковом кипении не столь актуальна. Но актуальным является вопрос расширения зоны пузырькового кипения до перехода в зону переходного кипения. Кавитационное и акустическое поле, возникающее в результате воздействия мощного ультразвука, способно значительно расширить зону пузырькового кипения.

По мере увеличения теплового потока и роста температуры стенки число образующихся паровых пузырей нарастает, и они, не успев отделиться от поверхности, начинают сливаться, образуют у стенки сплошной паровой слой, периодически прорывающийся в жидкость. Это уже пленочный режим кипения. Поскольку тепло от стенки к жидкости передается через паровую пленку, интенсивность теплообмена снижается. При заданном тепловом потоке переход от пузырькового режима к пленочному сопровождается скачкообразным уменьшением теплоотдачи и значительным повышением температуры стенки, что нередко приводит к ее разрушению; обратный переход – увеличением теплоотдачи и снижением температуры. Это происходит при некоторых критических значениях температурного напора (разность температуры стенки и температуры насыщения жидкости) ΔТ_кр1 и ΔТ_кр2 (рис. 2), которым соответствует максимальная плотность теплового потока при пузырьковом кипении q_кр1 и минимальная при пленочном кипении q_кр2.

Задача интенсификации теплообмена при кипении сводится к увеличению коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении (когда интенсивность теплообмена мала), а также к расширению области пузырькового кипения. А для этого необходимо увеличить значения q_кр1 иq_кр2, а такжесоответствующие им критические температурные напоры. Другими словами, кривую кипения необходимо сдвинуть в область более высоких температур и тепловых потоков. При пузырьковом кипении жидкости ультразвуковые колебания, распространяющиеся по трубах, помогают перемещать образующиеся паровые пузырьки от стенки в ядро потока, препятствуя образованию паровой пленки на твердой поверхности и, тем самым, существенно увеличивать критические тепловые потоки. Но особенно эффективным ультразвук является при пленочном кипении.

Если жидкость попадает в горячую трубу при температурном напоре выше Т_кр2, то на стенке образуется паровой слой, а жидкость (насыщенная или недогретая) движется струями в центр (рис. 3), при этом жидкость отделена от стенки паром. Такой режим течения называется стержневым. По мере продвижения в трубе струя распадается на не связанные друг с другом порции-снаряды. Отсюда и название режима – снарядный. При дроблении снарядов на капли начинается новый режим – дисперсный.

Так вот, в стержневом режиме ультразвук увеличивает теплоотдачу более чем в пять раз при существенно меньшем росте гидравлического сопротивления. Это происходит благодаря дополнительному завихрению жидкого ядра потока и паровой пленки. А в снарядном и дисперсном режимах ультразвук одновременно турбулизирует паровую фазу, ускоряет испарение снарядов и капель и способствует капельному орошению стенок. В результате перегретый пар в пристенных слоях перемешивается с более холодным и температурная неравновесность потока уменьшается. Теплоотдача при этом вырастает до 10 раз.

Во многих теплообменных аппаратах образующиеся на стенках труб паровые пузыри конденсируются, попадая в жидкость в ядро потока. Такое кипение называется поверхностным. Применение ультразвука облегчает и ускоряет отрыв пузырей и их унос в ядро потока, поэтому теплоотдача внутри труб значительно увеличивается, при этом объем выпарных теплообменников можно уменьшить на 30–50 %. В результате серьезный выигрыш в металлоемкости. Эти технологии эффективны и в холодильной технике – в газификаторах – испарительных криогенных жидкостей. В результате применения ультразвука время охлаждения магистралей уменьшается в разы, трубы значительно быстрее заполняются хладагентами, сокращается расход криогенной жидкости, затрачиваемый на охлаждение.

Несколько слов о конденсации – одном из самых распространенных природных и технических процессов.

В трубчатых теплообменниках конденсация происходит обычно в межтрубном пространстве, а охлаждающая вода течет внутри трубы. Если конденсирующая жидкость смачивает поверхность, конденсация пленочная. Чем тоньше стекающая вниз пленка конденсата, чем раньше она сорвется с поверхности трубы, тем ниже будет термическое сопротивление, выше интенсивность теплообмена между паром и стенкой. Нетрудно сделать вывод, что для интенсификации процесса необходимо ускорить эффективный срыв конденсатной пленки. Ультразвуковые колебания приводят к резкому увеличению теплообмена. В итоге теплоотдача повышается в разы.

Еще одна точка приложения мощного ультразвука в теплообменных процессах – это ультразвуковая очистка теплообменников от накипи. Тысячи метров обросших накипью трубок из циркония, титана, меди, алюминия и нержавеющей стали выбрасывают на свалку из-за отсутствия технологии, позволяющей эффективно очистить отработавший определенное время теплообменник. Применение мощного ультразвука позволяет не только предотвратить накипеобразование, но и быстро и качественно очистить внутреннюю и наружную поверхность теплообменного аппарата.

И технология и оборудование, разработанные Научно-Производственной Лабораторией «Ультра Звуковые Технологии», позволяют уже сегодня экономить сотни тонн ценного металла и значительные финансовые средства на восстановлении и повторном применении теплообменных аппаратов.

16.08.2008

Зав. Лаборатории Валерий Буряков

Техн. директор Александр Кореневич