Интенсивность теплообмена при нагреве раствора NH2COONH4 в теплообменнике

ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ НАГРЕВЕ РАСТВОРА NH₂COONH₄ В ТЕПЛООБМЕННИКЕ

Усманов Ботир Сотиволдиевич

заведующий кафедрой «Технология пищевых продуктов», Ферганский политехнический институт,

Узбекистан, г. Фергана

Аманбаева Гулзода Ботиржановна

стажер-исследователь, Ферганский политехнический институт,

Узбекистан, г. Фергана

THE INTENSITY OF HEAT TRANSFER WHEN HEATING THE SOLUTION NH₂COONH₄ IN HEAT EXCHANGER

Botir Usmаnov

Head of department of «Food technology», Ferghana Polytechnic Institute,

Uzbekistan, Ferghana

Gulzoda Amanbayeva

trainee-researcher, Ferghana Polytechnic Institute,

Uzbekistan, Ferghana

АННОТАЦИЯ

В данной работе приведены исследование по интенсивности теплообмена при нагреве NH₂COONH₄ в теплообменнике с высокоэффективными трубами и по гидравлическому сопротивлению для вышеупомянутых труб.

ABSTRACT

This paper presents a study on the intensity of heat transfer when NH₂COONH₄ is heated in a heat exchanger with high efficiency tubes and in terms of flow resistance for the above tubes.

Ключевые слова: карбамид, теплообменные аппараты, поток, теплоноситель, гидравлическое сопротивление.

Keywords: urea, heat exchangers, flow, heat carrier, hydraulic resistance.

В различных отраслях народного хозяйства высокими темпами происходит переоснащение оборудований и внедрение современных технологических линий. Большую часть технологических оборудований составляют теплообменные аппараты. В связи с этим, снижение массы и габаритных размеров теплообменных аппаратов является актуальной проблемой [1]. Подобные проблемы характерны химической, пищевой, нефтяной, металлургической и многим другим отраслям промышленности, где используются разнообразные теплообменные аппараты. Оптимальное решение этих проблем являются интенсификация теплообмена при течении жидкостей в каналах.

Теплообменные аппараты используются везде, где приходится нагревать или охлаждать ту или иную среду. В основном эти процессы организуются в поверхностных теплообменниках. В химической и нефтеперерабатывающих предприятиях теплообменники составляют основу оборудований и их доля по массе достигает до 35÷40% от всех применяемой аппаратуры [2].

Стремление интенсифицировать перенос тепла и создать эффективные теплообменные аппараты позволили изобрести ученым новые виды кожухотрубчатых теплообменных аппарата, доля которых по всей массе подобного оборудования достигает до 80%. Только применение способов интенсификации, сопровождающиеся умеренным повышением гидравлического сопротивления позволяет уменьшить габаритные размеры и массу теплообменных аппаратов, снизить металлоемкость и себестоимость, использовать в теплоносители, содержащие различные примеси и т.д.

В работе Щукина В.К. подробно изучен теплообмен и гидравлические потери в трубах с завихрителем. Установлено, что такой способ позволяет увеличить перенос тепла, но при этом существенно возрастает гидравлическое сопротивление [3].

Применение спирально – скрученных проволочных турбулизаторов дает положительные результаты только в тех случаях, когда нет ограничений на увеличение мощности на прокачку теплоносителя.

В змеевиковых теплообменниках также наблюдается интенсификация теплообмена, так как в криволинейных каналах под воздействием центробежных сил развиваются винтообразные вихревые потоки, распространяющиеся на всё сечение каналах.

В работе Усманова Б.С. приведены результаты по интенсивности теплообмена при нагреве HNO₃ в гладких трубах, в трубах с кольцевыми турбулизаторами в виде плавно очерченных диафрагм. С повышением скорости нагреваемой жидкости независимо от величины d/D происходит повышение интенсивности теплообмена. Так, в гладкой трубе с увеличением скорости потока с Re=8000 до Re=38000 величина Nu возрастает с 48,7 до 169. Аналогичная закономерность сохраняется и для всех изученных труб с различными шагом расположения кольцевых канавок [4].  

Вышеприведенные методы интенсификации позволяют турбулизировать весь потоке теплоносителя. Как правило, подобные методы интенсификации приводят к большим потерям давления. Теоретический анализ структуры турбулентного потока позволил, как оптимальный способ, выбрать метод интенсификации путем искусственной турбулизации потока.

Анализ, проведенный Мигай В.К. термического сопротивления отдельных слоев трехслойной схемы развитого турбулентного потока, показал, что при Re=10⁴ термическое сопротивления распределяется следующим образом: вязкий подслой –32,3%; промежуточная зона – 52%; турбулентное ядро –16,7%. Следовательно, требуется турбулизировать пристанную зону течения жидкости [5].

Калинин Э. К. с сотрудниками выявили, что можно увеличить теплоотдачи в пристенном слое, практически не изменяя его в ядре потока. Это можно достичь путем создания малых отрывных зон, расположенные на определенном расстоянии по длине канала. Подобные отрывные зоны можно создать, разместив на стенке поперек потока плавные выступы [6].

Поэтому, исследование по интенсивности теплообмена проведены на гладких и накатанных трубах. Исследованы накатанные трубы с отношением диаметра канавки d к наружному диаметру трубы d/D= 0,92÷ 0,96 и относительным шагом t/D = 0,5. Число Рейнольдса изменялось в пределах Re = (1÷ 4) · 10⁴.

В данной формуле определяющей температурой является среднемассовая температура жидкости.

Как видно в рис.1. опытные данные (привал 1) хорошо согласуются с известными данными.

Степень интенсификации теплообмена при нагреве раствора NH₂ COONH₄ вычислялась через отношение Nu/Nu_г , который имеет вид

Рисунок 1. Влияние числа Re на интенсивность теплообмена при нагреве NH₂COONH₄ при шаге дискретно расположенных диафрагм t/D=0,5.

                                                                (2)

Из рис. 1 видно, что с ростом скорости теплоносителя интенсивность, теплообмена возрастает как на гладкой, так и на накатанной трубе. Так, при Re = 10⁴ для гладкой трубы значение Nu = 30,5 , а для трубы с d/D = 0,92 величина интенсивности теплообмен Nu = 76,7, для трубы с d/D = 0,94 , Nu =67 и соответственно для трубы с d/D = 0,96 – Nu = 56,5. Следовательно, интенсификация теплообмена существенна и достигает от 1,8 до 2,5 раза. Такие высокие значения интенсивности теплообмена Nu закономерны и они хорошо согласуются с данными авторов работы [7].

Высокая степень интенсификации в первую очередь обусловлена турбулизации пристенного вязкого подслоя. Причиной тому высота дискретно выполненных диафрагм, с плавно очерченным профилем. Подобные диафрагмы являются удобообтекаемыми, и поэтому наблюдается относительно умеренный рост гидравлического сопротивления при интенсификации теплообмена до 2,5 раза.

Применение накатанных труб при изготовлении выпарного аппаратов позволил уменьшить до 3 раз поверхность теплообмена (расход металла) при неизменной тепловой нагрузке.

Список литературы:

1. Андреев В. А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей. -Л.: Энергия, 1971. -151 с.
2. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. - 366 с.
3. Щукин В. К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в поле массовых сил. - М.: Машиностроение, 1970. - 331 с.
4. Усманов Б.С., Медатов Р.Х., Мамажонова И.Р. Интенсификация теплообмена при течении HNO₃ в трубах с кольцевыми турбулизаторами // Universum: технические науки. 2019. №. 10-2. -С. 35-37.
5. Мигай В.К. Теплообмен в трубах с кольцевой дискретной шероховатостью // ИФШ, 1972. - т.22. - №2. – с. 248-253.
6. Калинин Э. К. и др. Интенсификация теплообмена в каналах. -М.: Машиностроение, 1981. - 205 с.
7. Скобло А.И. и др. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. - М.: Недра, 2000. – 677 с.