Russian Federation
The intensification of the heat exchange process plays a key role in modern industry. Efficient heat exchange reduces the consumption of fuel and electricity needed to maintain the specified technological modes. The faster the heat transfer is carried out, the less time and energy is spent on heating or cooling raw materials, products and equipment. More intensive heat exchange reduces the duration of individual stages of the technological cycle, allowing faster production and more production per unit time, in addition, uniform and rapid heat exchange minimizes the risks of product defects caused by uneven temperature distribution. In conditions of offshore hydrocarbon production, the processes of categorical modernization of existing equipment or the introduction of new ones are problematic due to the limited platform area, high density of installations, the complexity of transporting newly constructed elements, as well as their installation. It is possible to intensify the heat exchange process in equipment using elastic vibrations of sound waves, mechanical vibrations of an object, effects on the flow of electrically charged particles, an increase in the temperature difference of thermal carriers or a change in the geometric characteristics of the structural elements of heat exchange equipment. To determine the method of increasing heat transfer, it is necessary to take into account the purpose of the device, its design features, parameters of thermal media and other factors. When analyzing the methods of intensifying heat exchange pro-cesses in technological equipment, it was revealed that one of the simplest and most effective ways to increase heat transfer is annular profiling of the surfaces of the working elements of the equipment. The simulation of the heat exchange process using a smooth tube profile and a tube with annular profiling was performed in the environment of the Kompas Flow Vision software package. The technological parameters are set based on the analysis of the technological scheme of oil treatment in the fields of the Northern Caspian Sea. It is revealed that profiling of the working element leads to an increase in the coefficient of heat transfer to the wall. Optimal geometric characteristics of the tube have been determined.
methods of heat exchange intensification, heat exchanger, tube profiling
Введение
К современным теплообменникам предъявляется большое количество технических и технологических требований. Одним из основных является обеспечение передачи требуемого количества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур при наибольшей интенсивности теплообмена и наименьшими металлоемкостью и габаритами.
Результаты исследования
Основные методы интенсификации теплообмена сводятся к увеличению поверхности теплообмена, гидродинамическому, механическому, электрическому или магнитному воздействию на поток. На сегодняшний день наиболее технологичным и эффективным методом интенсификации процесса теплообмена являются профилированные поверхности. Суть метода заключается в нанесении рельефов различной формы, например выемок или выступов, а также это могут быть элементы проволочных или прочих вставок (рис. 1, 2).
Рис. 1. Профилированные трубы со спиральной или кольцевой накаткой
Fig. 1. Profiled pipes with spiral or annular knurling
Рис. 2. Шнековые интенсификаторы и внешняя проволочная навивка на трубах теплообменных аппаратов
Fig. 2. Screw intensifiers and external wire winding on pipes of heat exchangers
В настоящее время одним из самых простых и эффективных способов интенсификации теплоотдачи при турбулентной конвекции является использование профилированных поверхностей [1–3]. Наличие этих элементов способствует разрушению или возмущению вязкого подслоя турбулентного пограничного слоя потока, что приводит к повышению теплоотдачи. Существует большое количество возможных геометрических конфигураций элементов профилирования поверхности [4, 5].
Сравнительный анализ теплообменных характеристик гладкой и профилированной трубок теплообменника производился с помощью визуализации потоков сред в программном комплексе Kompas Flow Vision. Расчетная сетка проточной части теплообменника строилась на основе твердотельной геометрической модели, имитирующей объем, внутри которого происходит исследуемое течение. Значение начальной расчетной сетки задавалось по 20 ячеек на каждую плоскость, с шагом по времени до 15 секунд (рис. 3).
Рис. 3. Расчетная сетка трубки с кольцевым профилированием
Fig. 3. The design grid of the tube with annular profiling
Технологические параметры заданы на основе анализа технологической схемы подготовки нефти на месторождениях Северного Каспия [6–8]. Температура холодного агента на входе в трубный пучок теплообменного аппарата составляет 40 °С, массовый расход – 0,3 кг/м2∙с. Горячий агент имеет температуру на входе в межтрубное пространство 80 °С.
В качестве контролируемых параметров выступали средняя температура в сечении расчетной сетки (по центру трубок), средняя температура на поверхности теплообмена, скорость распределения потока агента. Результаты распределения скорости потока агента в гладких трубках представлены на рис. 4, в трубках с кольцевым профилированием – на рис. 5.
|
а |
|
|
б |
|
|
в |
|
Рис. 4. Распределения скоростей потока жидкости в момент времени в гладкой трубке:
а – в начальный момент времени; б – через 120 с; в – через 300 с
Fig. 4. Distribution of fluid flow rates at a time in a smooth tube:
a – at the initial time; б – after 120 s; в – after 300 s
|
а |
|
|
б |
|
|
в |
|
Рис. 5. Распределения скоростей потока жидкости в момент времени в трубке кольцевым профилированием:
а – в начальный момент времени; б – через 120 с: в – через 300 с
Fig. 5. Distribution of fluid flow rates at a time in the tube by annular profiling:
a – at the initial moment of time; б – after 120 s: в – after 300 s
Как видно из рис. 4 и 5, профилирование поверхности увеличивает скорость потока жидкости в трубке теплообменника. Это происходит за счет дополнительной турбулизации пристенных слоев жидкости, что увеличивает коэффициент переноса тепла на стенку и, следовательно, скорость потока.
На рис. 6 и 7 представлены поля распределения средних значений температур в потоке трубного пространства гладкой трубки и с кольцевым профилированием.
|
а |
|
|
б |
|
Рис. 6. Поля распределения средних значений температур в гладкой трубке; а – через 120 с; б – через 300 с
Fig. 6. Distribution fields of average temperatures in a smooth tube; a – after 120 c; б – after 300 c
|
а |
|
|
б |
|
Рис. 7. Поля распределения средних значений температур в трубке кольцевым профилированием: а – через 120 с; б – через 300 с
Fig. 7. Fields of distribution of average temperatures in the tube by annular profiling: a – after 120 c; б – after 300 c
Профилирование приводит к уменьшению толщины пограничного слоя за счет пульсаций скорости в ламинарном пограничном слое на поверхности трубки, что влияет на изменение коэффициента теплоотдачи в сравнении с гладкой трубкой. На поверхности теплообмена температура увеличивается значительно быстрее в трубке с кольцевым профилем. Из рис. 6, 7 видно, что теплообмен в трубке с кольцевым профилем и на ее поверхности происходит интенсивнее.
При моделировании процессов в среде Kompas Flow проводилось варьирование геометрических параметров кольцевых выступов. Основные геометрические параметры представлены на рис. 8.
Рис. 8. Продольный разрез теплообменной трубы с кольцевыми выступами:
D – внутренний диаметр трубы; h – высота выступов; d – диаметр отверстия диафрагм (по вершинам выступов);
t – расстояния между диафрагмами (выступами); s – ширина диафрагм (выступов); R – радиус закругления диафрагм (выступов)
Fig. 8. Longitudinal section of a heat exchange pipe with annular projections:
D is the inner diameter of the pipe; h is the height of the projections; d is the diameter
of the orifice of the diaphragms (along the tops of the projections); t is the distance between the diaphragms (projections); s is the width of the diaphragms (projections);
R is the radius of rounding of the diaphragms (protrusions)
Значительное влияние на теплоотдачу и гидросопротивление труб с кольцевыми выступами оказывают высота и форма выступа, а также шаг кольцевых выступов. Выявлено, что увеличение коэффициента теплоотдачи в 1,2–2,2 раза, а прирост гидросопротивления в 1,05–10,5 раза, по сравнению с гладкой трубой происходит в трубе с применением профилирования. Также для достижения значительных эффектов от искусственной турбулизации потока в области переходных чисел Рейнольдса следует использовать кольцевые выступы сравнительно большой высоты. Предложенные оптимальные значения безразмерных параметров выступов рекомендуются в диапазонах: d / D = 0,96–0,92, t / D = 0,36–0,9.
Результаты исследований теплогидравлических характеристик теплообменного аппарата (рис. 9) показывают, что при использовании в качестве интенсификаторов теплообмена кольцевого профиля на внешней поверхности теплообменных труб происходит увеличения потерь давления по сравнению с гладкими трубами до 17 %.
Рис. 9. Зависимость потерь давления от числа Рейнольдса
Fig. 9. Dependence of pressure losses on the Reynolds number
Заключение
Увеличение потерь давления при теплообмене может иметь как положительные, так и отрицательные последствия в зависимости от конкретной ситуации. С одной стороны, увеличение потерь давления приводит к возрастанию теплообмена, с другой – рост давления и изменение скорости теплоносителя в системах теплообмена ведет к преждевременному износу всего оборудования (запорной арматуры, насосов, труб и т. д.).
Кольцевое профилирование увеличивает теплообмен в межтрубном пространстве примерно в 2 раза за счет турбулизации потока в пограничном слое. Для профилирования на наружную поверхность трубы накаткой наносятся периодически расположенные кольцевые канавки. При этом на внутренней стороне трубы образуются кольцевые диафрагмы с плавной конфигурацией. Кольцевые диафрагмы и канавки турбулизируют поток в пристенном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена снаружи и внутри труб. При этом не увеличивается их наружный диаметр, что позволяет использовать данные трубы в тесных пучках и не менять существующей технологии сборки теплообменных аппаратов.
1. Brodov Ju. M., Aronson K. Je., Rjabchikov A. Ju., Blinkov S. N., Kupcov V. K., Murmanskij I. B. Povyshenie jeffektivnosti teploobmennyh apparatov paroturbinnyh ustanovok za schet primenenija profil'nyh vityh trubok [Increasing the efficiency of heat exchangers in steam turbine installations through the use of profile tubes]. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Problemy jenergetiki, 2016, no. 7-8, pp. 72-78.
2. Belozercevi V. N. dr. Intensifikacija teploobmena: uchebnoe posobie [Heat exchange intensification: a study guide]. Samara, Izd-vo Samar. un-ta, 2018. 205 p.
3. Shapovalov A. V., Kidun N. M., Nikulina T. N. Sposoby intensifikacii teploobmena v teploperedajushhih ustrojstvah [Methods of heat transfer intensification in heat transfer devices]. Vestnik Gomel'skogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. P. O. Suhogo, 2021, no. 4 (87), pp. 67-76.
4. Jarkaev M. Z. Teplogidravlicheskaja jeffektivnost' profilirovannyh kanalov razlichnoj formy pri laminarnom, perehodnom i turbulentnom rezhimah techenija teplonositelej: dis. ... kand. tehn. nauk [Thermohydraulic efficiency of profiled channels of various shapes in laminar, transient and turbulent flow modes of coolants: dissertation of the Candidate of Technical Sciences]. Kazan', 2015. 149 p.
5. Gortyshov Ju. F., Popov I. A., Olimpiev V. V. i dr. Teplogidravlicheskaja jeffektivnost' perspektivnyh sposobov intensifikacii teplootdachi v kanalah teploobmennogo oborudovanija. Intensifikacija teploobmena: monografija [Thermohydraulic efficiency of promising methods of heat transfer intensification in channels of heat exchange equipment. Intensification of heat exchange: monograph] / pod obshhej redakciej Ju. F. Gortyshova. Kazan', Centr innovacionnyh tehnologij, 2009. 530 p.
6. Oficial'nyj sajt kompanii «LUKOJL» [The official website of the LUKOIL company]. Available at: https://lukoil.ru/ (accessed: 01.09.2025).
7. Guzhel' Ju. A. Promyslovaja podgotovka nefti i gaza: uchebnoe posobie [Field preparation of oil and gas: a training manual]. Blagoveshhensk, AmGU, 2021. 115 p. Available at: https://e.lanbook.com/book/345095 (accessed: 01.09.2025).
8. Lutoshkin G. S. Sbor i podgotovka nefti, gaza i vody: uchebnik dlja vuzov [Collection and preparation of oil, gas and water textbook for universities]. 3-e izd., ster. Moscow, Al'jans, 2005. 319 p.
