Продолжаем беречь тепло

Окончание. Начало в №22

Теплообменники

Теплообменные аппараты различных конструкций широко применяются в системах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий.

Стремление создать наиболее технологичные в изготовлении и экономичные теплообменные аппараты привело в последние годы к быстрому совершенствованию их конструкций. Наибольшей тепловой эффективностью характеризуются пластинчатые теплообменники, которые позволяют обеспечить высокие коэффициенты теплопередачи без значительного роста гидравлического сопротивления.

Производителей привлекает в этих аппаратах наименьший расход материалов на единицу тепловой производительности, унификация узлов и деталей, а также технологичность механизированного изготовления разнообразных поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур и давлений.

При этом потребители отдают предпочтение пластинчатым теплообменникам за надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью к поверхности теплообмена для механической очистки ее от загрязнений, а также за их компактность, делающую возможной значительное сокращение площадей, занимаемых теплообменной аппаратурой.

Главной особенностью устройства пластинчатых теплообменников является конструкция и форма поверхности теплообмена и каналов для рабочей среды. Поверхность теплообмена образуется отдельными пластинами, а каналы для рабочей среды имеют щелевидную форму. Рабочая среда движется у поверхности теплообмена тонким слоем, что способствует интенсификации процесса теплоотдачи. Формы пластин и профили их поверхностей весьма разнообразны, конструкции же этих изделий порой настолько сложны и мало напоминают пластины, что по отношению к некоторым конструктивным формам термин "пластина" должен рассматриваться как условный.

Пластины располагают параллельно друг другу, причем между рабочими поверхностями двух смежных пластин создается небольшой зазор, образующий канал для рабочей среды, подвергаемой нагреванию или охлаждению.

Благодаря малой толщине пластин и параллельной их расстановке с малыми интервалами рабочая поверхность теплообменника может быть размещена в пространстве наиболее компактно - с плотностью, недостижимой в других типах жидкостных теплообменников.

При равной тепловой нагрузке пластинчатые теплообменные аппараты обладают значительно меньшими и габаритами, и металлоемкостью, чем аппараты типа "труба в трубе", кожухотрубные и другие с достаточно высокой эффективностью теплообмена.

Конструкция пластин определяет технические показатели теплообменного аппарата. От формы, размеров и конструктивных особенностей пластин зависят интенсивность теплоотдачи, надежность аппарата, технологичность и трудоемкость его изготовления, а также эксплуатационные данные.

При сравнительном анализе достоинств и недостатков различных конструкций каналов теплообменников бывает ва-жно правильно оценивать энергоемкости процесса конвективного теплообмена. Более совершенным по количеству энергии, затрачиваемой на процесс теплообмена, представляется такой канал, использование которого позволяет для заданных расхода и температуры рабочей среды при одинаковом гидравлическом сопротивлении сконструировать теплообменник с наибольшим коэффициентом теплопередачи и наименьшей площадью поверхности теплообмена.

Наиболее распространенными в современных теплообменных аппаратах являются пластины ленточно-поточного и сетчато-поточного типов. Такие пластины имеют повышенную жесткость по сравнению с плоскими пластинами. Благодаря наличию гофр на поверхности теплообмена создаются извилистые щелевидные межпластинные каналы, в которых достигается значительная турбулизация движущихся рабочих сред при сравнительно малых скоростях потока.

Из ленточно-поточных пластин весьма эффективными являются пластины с горизонтальными гофрами треугольного, синусоидального или иного профиля. Конструкции таких пластин отличаются разнообразием в формах и размерах деталей, но для всех них характерно наличие периодически повторяющихся гофр, ориентированных параллельно меньшей стороне пластины. Форма потока жидкости между пластинами подобна форме волнистой гофрированной ленты, причем геометрические характеристики потока могут быть различными, но во всех случаях поверхность омывается поперек гофр.

В рабочем положении пластина обычно подвергается различному давлению рабочих сред с обеих сторон, что может вызвать ее прогиб в сторону меньшего давления. Для предотвращения таких деформаций на каждой пластине имеются вертикальные ряды дистанционных опорных выступов, которые создают многочисленные точки опоры между пластинами.

Применение пластин ленточно-поточного типа имеет свои особенности.

При их соединении выступающие элементы профиля одной пластины входят во впадины между элементами профиля другой. Это заставляет предъявлять строгие требования к взаимному положению пластин по вертикали.

При относительном смещении пластин в вертикальном направлении величина зазора между ними изменяется, что сопровождается резким увеличением гидравлических сопротивлений.

В каналах, составленных из пластин сетчато-поточного типа, поток жидкости изменяет направление своего движения в двух плоскостях. Это позволяет при равных средних скоростях движения (по сравнению с гладкостенными и ленточно-поточными каналами) существенно интенсифицировать теплоотдачу и уменьшить удельную рабочую поверхность аппарата.

В сетчато-поточных пластинах турбулизирующие элементы профиля используются одновременно и для создания равномерной сетки взаимных опор между пластинами, что позволяет значительно повысить жесткость пакета и обеспечить его работоспособность при более высоких давлениях.

Пульсация потока теплоносителя увеличивает интенсивность теплообмена, постоянно разрушая пограничный слой. Она возникает в каналах, имеющих области сужения и расширения потока.

В отделе экономии топливно-энергетических ресурсов "БелНИИС" разработаны пластинчатые теплообменники - полуразборный ТАРС-0,2 и полностью разборный TAP-0,4, в которых используется канал типа "диффузор - конфузор".

Течение жидкости по диффузору (градиент давления положительный) сопровождается ростом турбулентности потока, в результате чего интенсивность теплообмена между жидкостью и теплопередающей стенкой возрастает.

Течение в конфузоре (градиент давления отрицательный) связано с уменьшением интенсивности теплообмена из-за прекращения генерации турбулентности и вырождения остаточной турбулентности. В случае течения газа в канале, представляющем собой последовательное чередование диффузоров и конфузоров, энергия турбулентности, накопленная потоком в диффузоре, может быть полезно использована в конфузоре. Таким образом, путем создания внутри потока неоднородностей давления можно интенсифицировать теплообмен в канале, по которому он протекает.

Интенсивность теплообмена и гидравлическое сопротивление канала зависят от относительной протяженности его конфузорных и диффузорных частей, соотношения между входными и выходными сечениями диффузоров и формы кромки. Изменение соотношения между протяженностью диффузорных и конфузорных частей канала влечет за собой изменение относительной длительности действия положительных и отрицательных градиентов давления, а также соотношения между их абсолютными значениями. При уменьшении отношения "диффузор-конфузор" от 5 : 1 до 1 : 3 положительные градиенты давления не изменяются, а отрицательные уменьшаются по абсолютной величине при одновременном увеличении длительности их действия.

Конструкции пластин теплообмеников ТАРС-0,2 и ТАР-0,4 таковы, что форма поверхности пластин обеспечивает пульсирующее движение жидкости в каналах, образованных из этих пластин, при этом площади контакта поверхностей в канале минимальны. Образованные каналы характеризуются различным гидравлическим сопротивлением и соответственно различными коэффициентами теплопередачи. Использование этих двух пластин в одном теплообменнике позволяет уравнивать коэффициенты теплоотдачи обоих теплоносителей в том случае, когда они имеют различные теплофизические свойства или их расходы не равны друг другу.

Пульсирование жидкости в канале, образованном такими поверхностями, достигается за счет соответствующей ориентации гофр по отношению к осям теплообменных пластин.

Разработанные конструкции теплообменных пластин позволяют получить в теплообменнике каналы типа "диффузор-конфузор", обеспечивающие увеличение коэффициента теплопередачи по сравнению с известными типами пластин.

Конструкции обеих пластин характеризуются следующими особенностями: пластины технологичны для холодной штамповки и удобны для эксплуатации с точки зрения загрязнения и очистки, кроме того, они обеспечивают жесткость конструкции каналов теплообменника и выравнивание средней скорости рабочей среды по ширине канала.

В качестве турбулизирующих элементов используются сами гофры, которые равномерно распределены по поверхности пластины. Расположение гофр таково, что отсутствуют прямые проходы, представляющие собою линии наименьшего сопротивления для движения струй жидкости как в средней зоне, так и по краям, в зоне расположения прокладок. Пластинчатые теплообменники ТАРС-0,2 и TAP-0,4 предназначены для использования в системах отопления и горячего водоснабжения.

Полуразборный теплообменник набирается из секций, которые образованы путем попарной сварки теплообменных пластин. Секции в теплообменнике собираются через уплотнительные прокладки, которые приклеиваются к поверхности пластин. Сварные секции в полуразборном теплообменнике предназначены для работы в условиях высоких температур (150°С) и высоких давлений (1,6 МПа). Максимальная площадь теплообменной поверхности теплообменника ТАРС-0,2 составляет 70 м2.

Представитель нового поколения пластинчатых теплообменников полностью разборный теплообменник ТАР-0,4 собирается из теплообменных пластин через уплотнительные прокладки. В теплообменнике впервые в отечественной практике применена уплотнительная прокладка такого профиля, который позволяет без протечек выдерживать высокие давления в полостях без сваривания пластин в секции. Испытания показали, что новый теплообменник может выдерживать давления в полостях не менее 2,8 МПа. Конструкция уплотнительной прокладки такова, что позволяет исключить фиксацию с помощью клея.

Максимальная площадь теплообменной поверхности теплообменника ТАР-0,4 составляет 140 м2.

Теплообменники ТАРС-0,2 и TAP-0,4 изготавливаются минским предприятием ЗАО "Завод "Белпромстройиндустрия".

Для использования вторичных энергоресурсов "БелНИИС" разработал конструкцию теплообменников-утилизаторов.

Теплообменник ТТУ-1 предназначен для работы в системе охлаждения компрессоров в качестве дополнительного элемента для нагрева сетевой воды теплотой сжатого газа.

Теплообменник состоит из двух секций, соединенных последовательно по газовому тракту, а также подводящих и отводящих патрубков для теплообменивающихся сред.

Каждая из двух секций состоит из корпуса и пучка спиральнонакатанных биметаллических труб, расположенных в шахматном порядке.

Характеристики теплообменника ТТУ-1 следующие.

Для охлаждаемой среды (азот, воздух) расход - до 15 тыс. м3/ч, температура - до150°С. Для нагреваемой среды (вода) расход - до 30 м3/ч, температура - до 90 °С, масса - 1100 кг и тепловая мощность - 0,3 Гкал/ч. Теплообменники ТТУ-1 также изготавливаются минским предприятием ЗАО "Завод "Белпромстройиндустрия".

Для использования теплоты сточных вод "БелНИИС" разработал два вида теплообменников-утилизаторов.

В основу конструкции этих теплообменников положена сварная секция теплообменника ТАРС-0,2.

Гелиоприемник

Солнечное теплоснабжение, то есть использование солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления, получило широкое распространение во всем мире.

Продолжительность солнечного сияния и суммарная солнечная радиация на территории Республики Беларусь имеют такие же численные значения, как в странах Западной Европы с умеренным климатом, а среднемесячная солнечная радиация даже выше, чем в северной Германии, Швеции, Англии, которые считаются лидирующими в Европе по выпуску и применению гелиоэнергетического оборудования.

В установках солнечного теплоснабжения широко используются плоские солнечные коллекторы, площадь которых должна составлять 1,0-1,5 м2 на человека. Угол наклона солнечного коллектора к горизонту должен быть равен географической широте места (для Минска - 54°). Устанавливается коллектор с южной ориентацией.

"БелНИИС" разработал конструкцию плоского солнечного коллектора Геус-1.

Основным элементом конструкции коллектора является плоская панель, набираемая из неразборных секций теплообменника ТАРС-0,2. Секции изготавливаются из нержавеющей стали и имеют каналы для циркуляции теплоносителя.

Каждая секция снабжена двумя соединительными патрубками, расположение которых позволяет соединять их между собой. Коллектор устанавливается в теплоизолированном корпусе со стеклянной крышкой.

На обращенную к солнцу металлическую поверхность секций наносится черное лакокрасочное абсорбирующее покрытие с наполнителем из металлических опилок, ориентированных в процессе нанесения покрытия перпендикулярно к поверхности секции с помощью магнитного поля.

Такое покрытие обеспечивает высокий коэффициент поглощения при малом коэффициенте собственного излучения. Рабочая поверхность коллектора -1,3 м2; температура нагрева воды - от 50 до 80°С; производительность - до 100 л в день.

Солнечный коллектор Геус-1 может быть использован для систем горячего водоснабжения квартир, расположенных в надстраиваемых мансардных этажах. Такой коллектор может быть включен в состав покатой крыши в качестве конструктивного элемента.

Нагретая в солнечном коллекторе вода циркулирует в первичном контуре, включающем бак-аккумулятор с водой и теплообменник, также изготовленный из секций теплообменника ТАРС-0,2. В теплообменнике происходит нагрев воды, находящейся в баке-аккумуляторе, которая используется для горячего водоснабжения.

Для компенсации недостающего потенциала системы горячего водоснабжения в ночное и зимнее время догрев воды в баке-аккумуляторе осуществляется во вторичном контуре от тепловой сети. При этом теплообменник вторичного контура также изготавливается из секций теплообменника ТАРС-0,2.

Применение одного теплообменного элемента, изготавливаемого с использованием высоких технологий, для трех видов теплообменников, включая и гелиоприемник, упростит организацию выпуска энергосберегающих систем.

Теплозащита зданий

Проектирование и строительство зданий, потребляющих минимальное количество тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение, является насущной необходимостью для Беларуси, не обеспеченной в достаточной степени собственными топливными ресурсами. Осуществление этой идеи будет способствовать коренным изменениям в подходах к строительству жилья. Здание с минимальным потреблением тепловой энергии - это здание, в котором теплопотери через оболочку сведены к экономически обоснованному минимуму.

Как известно, теплопотери здания уменьшаются соответственно увеличению сопротивления теплопередаче всех элементов его ограждения. Однако при использовании распространенных в настоящее время утеплителей капитальные затраты на строительство суперизолированных зданий значительны. Таким образом, для энергоэффективного строительства требуется новая теплоизоляция, такая, которая обеспечит повышение теплозащитных характеристик здания без увеличения его стоимости и массы. В "БелНИИС" разработана теплоизоляция, применение которой не приведет к увеличению стоимости строительства зданий с минимальным теплопотреблением. Это - отражательная теплоизоляция на основе полимерных пленок с металлизированным покрытием. Такая теплоизоляция может иметь различные конструктивные решения, но общим для всех вариантов исполнения является использование идеи замкнутой воздушной прослойки, заключенной в оболочку из алюминизированной полимерной пленки.

Наиболее распространенным в настоящее время способом получения тонких металлических пленок на поверхности полимера является метод магнетронного напыления в вакууме. Преимущество этого метода, помимо экологической чистоты, заключается главным образом в возможности легко регулировать толщину покрытия и обеспечивать хорошую воспроизводимость свойств пленок.

Вакуумные методы нанесения имеют общий принцип: металл, наносимый на подложку (полимерная пленка или стеклянная поверхность), физическим способом разлагается на атомы или ионы, которые осаждаются на ней и постепенно образуют требуемую пленку. Для увеличения механической прочности покрытия производится предварительная ионная очистка поверхности подложки.

Теплозащитный эффект отражательной теплоизоляции основан на использовании теплоизоляционных свойств воздуха, находящегося в замкнутых воздушных прослойках, образованных поверхностями с низкой излучательной способностью, наличие которых позволяет уменьшить радиационный теплообмен. По результатам экспериментов предложен ряд конструктивных решений такой теплоизоляции, в основу которых положена идея теплопакета как компактного структурного элемента. Геометрические размеры теплопакета позволяют свести теплопередачу за счет конвекции к минимуму.

Термическое сопротивление теплопакета зависит от количества заключенных в нем воздушных прослоек (камер).

Проведенные испытания, направленные на определение сопротивления теплопередаче фрагмента наружной стеновой панели с отражательной теплоизоляцией, которая представляла собою девять воздушных прослоек толщиной по 15 мкм, образованных мембранами из алюминизированной полипропиленовой пленки, установленной в деревянном каркасе, показали, что усредненное значение сопротивления теплопередаче через отражательную теплоизоляцию составило 5,58(м°С)/Вт.

В структуре теплопотерь через ограждающие конструкции окна занимают первое место: поток теплоты, проходящий через окно, отвечающее требованиям нового стандарта Республики Беларусь, в 4-4,4 раза интенсивнее потока, идущего через стеновые конструкции. Трехслойное остекление, введенное новым стандартом взамен двухслойного, позволило в 1,5 раза уменьшить теплопотери через окна, но дальнейшее усиление теплозащитных качеств окна с использованием обычного оконного стекла невозможно.

Тонкие металлизированные пленки, нанесенные на поверхность стекла, представляют собой эффективный способ модификации оптических свойств оконного стекла, позволяющий без изменения его химического состава изменять реакцию стекла на падающее электромагнитное излучение как в видимой, так и в инфракрасной частях спектра. За счет соответствующего выбора материала пленок, их толщины, свойств или их комбинирования можно воздействовать на отражение, пропускание и поглощение излучения в требуемых спектральных областях.

Пленки должны отражать тепловое излучение, (электромагнитные волны, относящиеся к инфракрасной части спектра), при этом стекла с нанесенными на них пленками должны быть максимально светопрозрачными.

Проведенные "БелНИИС" оптические и теплотехнические исследования пленочных покрытий, наносимых на оконные стекла, позволяют сделать вывод о том, что пленка из индий-олова, нанесенная на стекло методом магнетронного распыления, лишь на 7% снижает пропускание в видимой части спектра, в то время как обладает высокой отражательной способностью (до 90%) в инфракрасной области (от 3500 до 400 см -1).

Пленка из титана снижает пропускание в видимой области на 19% и отражает 58% инфракрасного излучения в инфракрасном диапазоне.Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ


Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 24 за 2001 год в рубрике энергетика

©1995-2022 Строительство и недвижимость