Теплообменники. Инжиниринговая компания ЛОТОС
Снижение энергозатрат производств и значительное уменьшение выбросов
тепла в атмосферу на фоне качественного улучшения жизни людей на Земле…
Валерий Болитэр
Заместитель Генерального директора по научно-технической работе

Капельная конденсация пара в аппаратах Lotus

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке α — пар коренным образом зависит от вида конденсации пара на теплообменных трубах.

Создаваемые в стандартных теплообменниках: конденсаторах, ребойлерах, подогревателях, кипятильниках т. е. аппаратах, работающих со средами меняющими свое агрегатное состояние, гидродинамические режимы движения пара в межтрубном пространстве обеспечивают стабильные условия для пленочной конденсации, отличающейся тем, что коэффициент теплоотдачи при этом не превышает 104 ккал/м2·час·ºС. Поэтому возможное решение по увеличению теплоотдачи со стороны пара может быть связано только с изменением характера конденсации.

С. С. Кутателадзе в своих работах неоднократно подчеркивал, что капельная конденсация, когда пар конденсируется на теплообменной поверхности в виде отдельных капель, позволяет поднять коэффициент теплоотдачи на порядок, то есть до 105 ккал/м2·час·ºС. Так, в частности, он прямо указывает, «так как слой конденсата между каплями весьма тонок, то его термическое сопротивление не может быть велико, и коэффициенты теплоотдачи при капельной конденсации должны иметь тот же порядок, что и величины αгр, где αгр — коэффициент теплоотдачи от пара к поверхности конденсата». В 50-х годах прошлого века условия возникновения капельной конденсации связывались лишь с естественными условиями: наличием несмачиваемых теплообменных поверхностей. Но уже в те годы имелись убедительные опытные доказательства  того, что гидродинамический режим и, особенно, высокая скорость движения пара позволяют разрушать конденсатную пленку и разбрызгивать конденсат, уменьшая термическое сопротивление теплоотдачи при этом в десятки раз.

Интенсивное теплообменное оборудование Lotus (схема)

Естественную капельную конденсацию, связанную, прежде всего, со смачиваемостью теплообменной поверхности, реализовать на практике чрезвычайно трудно, так как трубы из углеродистых и нержавеющих сталей, латуни, меди, титана обладают достаточно высокой смачиваемостью, особенно при работе с паром. Однако, опыты Саликова А. П., подававшего пар в виде тонких струй, движущихся с большой скоростью, убедительно продемонстрировали снижение термического сопротивления теплоотдачи при конденсации водяного пара в десятки раз. Тем самым подтверждалась возможность создания условий для протекания искусственной капельной конденсации (ИКК) пара, так как столь значительное изменение коэффициента теплоотдачи может быть обеспечено только при кардинальном изменении характера процесса. ИКК отличается от аналогичного естественного процесса тем, что в меньшей степени связана со свойствами материала и качеством поверхности теплообменных труб, а достигается особым гидродинамическим режимом движения пара и заключается в исключении термического сопротивления конденсатной пленки из процесса теплообмена либо за счет её разрушения, либо за счет её утонения до такой степени, что коэффициент теплоотдачи приобретает тот же порядок, как у пара непосредственно на поверхности конденсации.

Механизм искусственной капельной конденсации (ИКК), организованный в интенсивных теплообменных аппаратах Lotus достаточно прост: струя пара, движущаяся с большой скоростью, ударяет по конденсатной пленке, разрушает её и разбрызгивает. Совершенно естественно, что максимальный эффект достигается в зоне лобового удара струи, однако его действие продолжается и на тыльной стороне трубы, где конденсат собирается в виде жгута, значительно превышающего толщину конденсатной пленки. При этом силы поверхностного натяжения, формирующие конденсатную пленку, перестают оказывать своё действие, течение конденсата в жгуте становится турбулентным, и его термическое сопротивление резко уменьшается. В свою очередь, брызги конденсата, двигаясь с большой скоростью, попадая на соседние трубы, также становятся очагами разрушения конденсатной пленки, утоняя её и стягивая конденсат в новые капли. Более того, при скоростном винтовом движении пара по межтрубному пространству теплообменников Lotus весь образующийся конденсат, срываясь с теплообменных труб, за счет центробежной силы оттесняется к внутренней поверхности корпуса аппарата и движется вдоль нее в строго заданном направлении между винтовыми перегородками, до того уровня, пока не произойдет полная конденсация пара. После этого, поток конденсата продолжает свое винтовое движение со скоростью 2,0—2,5м/с, но, при этом, уже заполняя все сечение между перегородками и, тем самым, отдавая свое тепло  движущейся по трубному пространству нагреваемой среде, обеспечивая при этом экономию пара в размере 10—15%.

Искусственная капельная конденсация в интенсивных теплообменных  аппаратах Lotus

Практическая реализация процесса ИКК в интенсивном теплообменном оборудовании Lotus базируется на формировании специфического гидродинамического режима движения пара, исключающего образование конденсатной пленки на поверхности теплообменных труб. Роль струйных насадок, обеспечивающих попадание струи пара лобовым ударом на очередную трубу, играют зазоры между соседними трубами, обладающие тем неоспоримым достоинством, что всегда располагаются параллельно и напротив очередной трубы, обладают той же протяженностью и не требуют сооружения каких-либо дополнительных устройств или усложнения конструкции аппаратов.

Оригинальность практической реализации ИКК заключается в том, что она является процессом изменения агрегатного состояния теплоносителя и сопровождается постепенным сокращением паровой фазы. Поэтому сохранение однородности потока, его регулярного скоростного режима, как главного условия обеспечения капельного характера конденсации, требует особого подхода к организации парового тракта, всего межтрубного пространства.

В интенсивном теплообменном оборудовании Lotus, работающем со средами, меняющими свое агрегатное состояние, мы применяем особую конструкцию винта с переменным шагом: более широкого там, где среда парообразная и постепенно уменьшающимся, в соответствии с количеством образующегося конденсата. Таким образом, мы гарантированно достигаем необходимой скорости движения среды на протяжении всего тракта теплообменного аппарата (см. сравнительные схемы Теплообменников Lotus и стандартных теплообменников в горизонтальном и вертикальном исполнении).

Кожухотрубчатые теплообменники Lotus и стандартные теплообменники

В ходе многолетней работы по созданию и совершенствованию паровых теплообменных аппаратов для различных предприятий промышленности, включая нефтехимию, металлургию, энергетику инженерами нашего предприятия были разработаны интенсивные теплообменные  аппараты Lotus, успешно реализующие в своей конструкции механизм процесса ИКК и обеспечивающие значительную интенсивность теплообмена за счет резкого увеличения теплоотдачи со стороны конденсирующегося пара. Общий коэффициент теплопередачи в паро-водяных аппаратах, с применением тонкостенных (1 мм) нержавеющих труб превышает 5000 Вт/м²*час. При этом, эксплуатация интенсивных теплообменников Lotus, проектируемых нашим предприятием, имеет целый ряд их практических достоинств:

  • Скоростное винтовое движение пароконденсатной смеси, призванное на деле реализовать процесс ИКК, исключило влияние неконденсирующихся газов на интенсивность теплообмена, так как они перестали скапливаться в межтрубном пространстве и принудительно удаляются из аппаратов Lotus вместе с конденсатом, реализуя модель идеального вытеснения;
  • Винтовая организация движения насыщенного пара по межтрубному пространству обеспечила абсолютную устойчивость конструкции, исключающую вибрации и гидравлические удары в винтовой полости аппаратов Lotus;
  • Строго заданное движение пароконденсатной смеси, обеспечивающие полную конденсацию пара и глубокое охлаждение конденсата, а также принудительный вывод конденсата из теплообменников, позволило на практике отказаться от сложных и громоздких систем конденсатоотвода и уровнемеров;
  • Ряд технических решений по организации входной группы парообразных сред в теплообменном оборудовании Lotus, обеспечивающем высокую скорость входа греющего пара в теплообменник и при этом эффективно защищающем теплообменные трубы от возможных выходов из строя, что позволяет работать теплообменникам Lotus с любым давлением пара без применения дорогостоящих и «капризных» РОУ.

Высокие коэффициенты теплопередачи, достигаемые в теплообменных аппаратах Lotus, позволяют нашим Заказчикам экономить средства на первоначальной покупке за счет снижения металлоемкости теплообменного оборудования или повышать теплопроизводительность при сохранении габаритных размеров теплообменников Lotus, но в любом случае  получать ежедневный доход за счет экономии расхода пара в размере 10—15 % благодаря использованию оставшегося тепла (после полной конденсации) конденсата внутри корпуса теплообменника Lotus.

Теплообменники — источник затрат или прибыли?

Основное предназначение теплообменного оборудования — передать тепло от одной среды к другой. При его покупке необходимо четко учитывать их основное предназначение.

Зачем вообще покупать теплообменное оборудование, о котором заранее известно, что оно требует регулярных затрат, связанных как с чисткой теплообменной поверхности, так и с регулярным трудоемким процессом обследования внутренних поверхностей?

При этом эффективность теплообменника остается на втором плане, равно как и стабильность теплотехнического процесса.

Теплообменники, имеющие склонность к зарастанию теплообменной поверхности, — да, да, именно теплообменники склонны к зарастанию, а не среда такая, которая постоянно забивает теплообменное оборудование (за исключением аварийных случаев), — создают источник затрат, которые по своим суммам иногда превосходят стоимость самих теплообменных аппаратов.

Читать целиком