Теплообменники в системах ОВиК и холодоснабжения

Теплообменники в системах ОВиК и холодоснабжения

В данной статье мы расскажем о том, какие бывают, как и из каких материалов они производятся, как рассчитываются, где и почему применяются, какие имеют технические особенности, а также о том, какие существуют методы защиты от агрессивных сред.

Теплообменник с оребренными трубами обеспечивают теплообмен между поперечным потоком воздуха с относительно низкими теплообменными свойствами и жидкостью с более высокими теплообменными свойствами. Внутри движется жидкость с высокими значениями удельной теплоемкости и плотности, которая эффективно переносит теплоту, а снаружи труба контактирует со средой, не обладающей такой теплоемкостью и плотностью, например воздухом или газом. Такие  обычно называют «вода-воздух» или «жидкость-воздух».

На «воздушной стороне» поверхность улучшается путем добавления ребер или других элементов, таких как, например, металлические проволочные спирали, предназначенных для увеличения площади поверхности (площадь теплообмена) и улучшения ее тепловых характеристик. Ребра могут иметь разную высоту (от высокого до низкого), и могут быть либо соединены давлением с внешней поверхностью , либо сформированы на поверхности трубы.

Задача оребрения, представляющего собой пакет металлических пластин, закрепленных на поверхности, состоит в том, чтобы при проектировании теплообменника свести к минимуму его размер и/или вес, а также уменьшить необходимую мощность устройства для прокачки газообразной среды.

Теплообменники с оребрением типа «жидкость-воздух» широко применятся в системах отопления, вентиляции, кондиционирования, холодоснабжения, отвода теплоты в различных технологических процессах, в том числе в центрах обработки данных (ЦОД), электроэнергетике и многих других сферах, в которых основной процесс сопровождается выделением тепловой энергии.

В зависимости от предполагаемого режима работы и свойств окружающей среды, в которой будут использоваться такие теплообменники , трубы и их оребрение имеют конструктивные исполнения и включать комбинацию различных материалов.  Много типов и комбинаций, которые имеют определенное предназначение для конкретных условий эксплуатации. В этой статье мы рассмотрим распространенные типы.

Расчет теплообменников с оребрением

При расчете оребренных теплообменников с увеличенной поверхностью теплопередачи требуется решить две основные задачи:

1. Рассчитать количество теплоты для требуемой площади поверхности теплопередачи.
2. Определить оптимальное расстояние между трубами и пластинами оребрения для создания требуемой площади поверхности. Увеличение площади поверхности теплообмена всегда означает повышение эффективности.

В теплообменниках  с оребренными трубами эффективность оребрения зависит от типа и материала ребер, а также от характеристик жидкости. Выражения для эффективности оребрения могут быть получены аналитически для оребрения простой геометрии, однако для ребер сложной геометрии эффективность оребрения должна быть получена из фактических измерений и каталогов производителей.

Для правильного расчета теплообменника с оребрением необходимо учитывать множество переменных, включая:

• тип, расположение и количество трубок;
• металлы, применяемые для изготовления труб и ребер;
• тип оребрения;
• шаг оребрения;
• внутренний и наружный диаметры, толщина стенок трубы;
• количество (расход) воздуха, проходящего через теплообменники;
• среда, в которой будет использоваться теплообменники;
• предусмотренные проектом условия эксплуатации.

Коэффициенты теплоотдачи на поверхностях внутри и снаружи рассчитываются с использованием экспериментально установленных соотношений. Эффективность теплопередачи ребер рассчитывается с использованием корреляций. Различные наборы корреляций доступны для расчета эффективности теплопередачи различных типов ребер. Для внешней поверхности оребренных труб используется значение эффективной площади поверхности, которая определяется как площадь ребра, умноженная на эффективность теплопередачи ребра и добавленная к площади внешней поверхности трубы.

В случае применения принудительной конвекции коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха зависит от типа ребер, расстояния между ребрами, толщины ребер, диаметра и т.д. Его обычно оценивают экспериментально для конкретного расположения ребер и труб.

Влияние количества трубок на внешний поток жидкости или газа проверяется на соответствие скорости жидкости требуемым значениям. При значительном отклонении от установленных значений скорости внешней среды повторно оцениваются коэффициенты теплопередачи и необходимая площадь поверхности теплообмена. Таким образом, за несколько таких итераций можно определить оптимальное расположение оребренных труб для получения желаемой площади поверхности теплообмена.

Из-за сложного характера воздушного потока между ребрами и над трубами оптимизация конструкции теплообменники с оребренными трубами требует экспериментальных корреляций параметров теплопередачи и гидравлического сопротивления со стороны воздуха. Такая оптимизация конструкции характеризуется компромиссом между теплопередачей и гидравлическим сопротивлением, что очевидно как для теплообменников с гладкими ребрами, так и с ребрами жалюзийного типа - "TURBO FIN".

Хотя некоторые экспериментальные данные доступны для теплообменников, используемых в качестве конденсаторов хладагента в системах кондиционирования воздуха, эти данные охватывают очень ограниченный диапазон конструктивных параметров, что не позволяет разрабатывать конструкции за пределами этого ограниченного диапазона корреляций данных. Оптимизационный анализ показал, что варианты конструктивного исполнения находятся в границах имеющихся экспериментальных и коррелированных данных.

Современное состояние научно-технических знаний позволяет проектировать теплообменники в соответствии с назначением и областью применения. Нельзя, тем не менее, довольствоваться только существующими экспериментальными данными и математическими корреляциями. Поэтому дальнейшие исследования в этом секторе целесообразны и постоянно проводятся, в том числе и с привлечением исследовательских центров и технических университетов различными разработчиками и самими производителями.

Применение оребренных теплообменников

Практически все производители разрабатывают свои изделия для работы, как в обычных, так и в экстремальных условиях окружающей среды. Ими создаются как серийные, так и теплообменные аппараты по индивидуальному заказу, для обеспечения максимальной производительности и высокой надежности для использования в условиях морозов в Антарктике, песчаных бурь в пустынях Азии и Африки, высокой влажности амазонских лесов, агрессивных угольных шахт, соленых ветров морского побережья, и резких механических вибраций.

Применение теплообменников с оребренными трубами предпочтительнее, если предполагается для отвода или подвода теплоты использовать среду с низким коэффициентом теплоотдачи на внешней стороне труб. В таких случаях дополнительная площадь поверхности теплообмена, создаваемая ребрами, позволяет обеспечить требуемую эффективность теплопередачи. В большинстве случаев применение таких теплообменников предполагает использование воздуха снаружи и жидкости внутри.

Теплообменники с оребренными трубами являются обычными и жизненно важными компонентами многих энергетических систем. Одним из основных приложений, влияющих на большую часть пикового потребления электроэнергии во многих странах, являются наружные конденсаторные блоки систем кондиционирования воздуха в жилых и общественных зданиях.

Теплообменники с оребренными трубами обычно используют воздух для охлаждения или нагрева жидкостей, таких как: вода, нефть или газ, или они могут использоваться также для рекуперации отработанной теплоты. Они могут использоваться во многих отраслях промышленности, включая нефтегазовую, энергетическую, транспортную, машиностроительную, оборонную, а также применяться для систем промышленного и технологического охлаждения и кондиционирования воздуха, в том числе и для IT технологий.

Теплообменники с оребренными трубами могут применяться в качестве:

• охладителей ДВС;
• маслоохладителей;
• охладителей водорода;
• осушителей воздуха;
• охладителей воздуха;
• калориферов отопления;
• конденсаторов пара;
• компонентов драйкулеров и градирен;
• охладителей воздуха в приточных установках;
• нагревателей воздуха в приточных установках;
• рекуператоров отработанной теплоты;
• конденсаторов хладагента в чиллерах;
• охладителей электрогенераторов;
• охладителей выхлопных газов и т.п.

В целом, оребренные теплообменники часто используются в условиях, когда воздух является предпочтительной средой для охлаждения или нагрева, особенно там, где применение воды в качестве теплоносителя ограничено ее количеством или плохим качеством.

Конструктивное исполнение теплообменников

Конструкция трубчатых оребренных теплообменников требует указания более дюжины параметров, включая следующие:

• расстояние между трубами в поперечном направлении и продольном направлениях;
• внутренний и наружный диаметр труб;
• количество рядов;
• расстояние между ребрами;
• толщину ребер и профиль поверхности ребер (плоский или объемный).

Пучки оребренных труб со сплошными ребрами

В частности, в холодильной технике и системах кондиционирования воздуха, а иногда и в случаях общего применения, используются пучки с непрерывными ребрами (жалюзийно-трубный пучок). В этом случае ребра имеют размеры целого блока. Трубки вставляются в ребра в специальные отверстия, при этом теплопроводящее соединение между ребрами и трубкой достигается в процессе развальцовки, который еще называют дорнированием, или, иногда посредством пайки или сварки. В этом случае ребра часто изготавливаются из материала, отличного от труб, например, алюминиевые ребра со стальными или медными трубками или медные ребра со стальными трубками. Для достижения дальнейшего улучшения теплопередачи ребра также имеют различные объемные профили, но ортогональные направлению потока газа.

Пучки труб с некруглым сечением и непрерывными гладкими ребрами

Помимо круглых труб, для уменьшения сопротивления со стороны газа также используются эллиптические, овальные или плоские. Однако, эти обладают значительно меньшей прочностью против внутреннего и внешнего избыточного давления, поскольку плоские или эллиптические, состоят из двух полуокружностей с прямыми линиями, соединяющими их в поперечном сечении. Кроме того, себестоимость изготовления теплообменников с такими трубами намного выше, чем себестоимость с трубами цилиндрического сечения. При изготовлении теплообменников с нецилиндрическими трубами требуется использование специальных инструментов (дорнов), а также фасонных изделий: калачей и коллекторов. В отличие от цилиндрических, применяемых для изготовления теплообменников, в трубах некруглого сечения невозможно для интенсификации теплообмена со стороны жидкости осуществить рифление внутренней поверхности. Поэтому такие теплообменники могут использоваться только с жидкостями в однофазном состоянии. Кроме этого, для проектирования теплообменников с пучками плоских труб и  других конструкций с непрерывными ребрами доступны только ограниченные данные измерений, полученные немногочисленными исследователями, в то время как подходящих расчетных уравнений просто не существует.

Расположение пучков труб

На рисунке ниже показаны варианты расположения пучков. Результаты многочисленных исследований показали, что расположение в шахматном порядке пучков  относительно непрерывного оребрения следует рассматривать как один из пассивных методов повышения эффективности теплопередачи трубчатых оребренных теплообменников. Гидравлическое сопротивление при различных вариантах расположения пучков труб остается практически неизменным. Однако, при линейном расположении пучков труб сопротивление по воздуху все-таки оказывается несколько ниже.

Схема 4-х рядного теплообменника показана на рисунке ниже. Со стороны жидкости поток разделен на параллельные ветви, именуемые контурами. Это еще одна из наиболее важных характеристик, определяющих его производительность.

Поверхность, видимая снаружи в направлении воздушного потока, называется лицевой. Скорость потока воздуха через эту поверхность называется лицевой скоростью. Скорость потока определяется объемным расходом воздуха, деленным на площадь лицевой поверхности. Лицевая скорость обычно составляет от 2 м/с до 3,5 м/с. Это вызвано необходимостью ограничить аэродинамическое сопротивление потока воздуха из-за трения.

Витки в направлении потока называются рядами. Теплообменник может иметь от двух до восьми рядов труб, по которым движется жидкость. Воздух проходит через оребрение, а жидкий теплоноситель циркулирует внутри трубок. В классическом варианте оребренного трубчатого теплообменника ребра обычно изготавливаются из алюминия, а трубы из меди.

В теплообменниках серийного производства часто используются трубы с ребрами двух основных типов: гофрированными и волнистыми (см. рисунок ниже).

Медно-алюминиевые теплообменники производят следующим образом. Медные трубы, согнутые в виде шпильки для волос, протаскивают через отверстия в пакете алюминиевых ребер (ламелей), а затем дорнируют для придания более плотного контакта наружной поверхности с алюминиевым оребрением. После этого осуществляют автоматическую пайку калачей с обратных сторон U-образных труб.

Для теплообменников, предназначенных для конденсации и кипения аммиака, используются трубы из мягкой стали с ребрами также из мягкой стали. В этом случае ребра либо свариваются, либо оцинковываются после сборки, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт между ребрами и трубой.

В теплообменниках с оребренными трубами расстояние между ребрами достигает от 3 до 7 ребер на см. Следовательно, площадь оребренной поверхности в 10–30 раз превышает площадь поверхности змеевика без оребрения, поэтому оребренные  очень компактны и имеют значительно меньший вес.

Трубы теплообменников

В качестве примера применения труб различного диаметра представлен рисунок ниже. Шкала производительности содержит данные для испарителя с габаритами: 30см*30см*8см с одним и тем же вентилятором при стандартных условиях в соответствии с ANSI/ASHRAE Standard 37-2009.

В последние годы многие производители теплообменников для систем кондиционирования воздуха стали широко применять медные трубы малых диаметров, например 7 мм и 5мм.

Преимуществами такого решения являются:

• Снижение массогабаритных характеристик;
• Снижение количества заправленного в холодильный контур хладагента;
• Снижение потребляемой энергии;
• Соблюдение директивы RoHS.

Преимуществом высокопроизводительных теплообменников с трубами диаметром 5 мм является их компактность, позволяющая размещать их в небольших объемах, обеспечивая при этом высокую производительность при нагреве и охлаждении, в том числе, и в тяжелых условиях эксплуатации, например в прецизионных кондиционерах или системах промышленного охлаждения.

Если сравнивать теплообменники диаметром 5мм с традиционными диаметром 3/8'', то помимо указанных выше преимуществ можно добавить следующее.

• Теплообменники с 5 мм трубами намного легче по сравнению с другими, диаметром 3/8'', что делает их решением для бытового кондиционирования, а также для автомобильной промышленности и общественного транспорта.
• Испарители на 5 мм тоньше по сравнению с испарителями с диаметром 3/8'', что обеспечивает значительно меньшие размеры корпуса и , как следствие меньшее образование льда.
• У схемы с  5 мм более низкая материалоемкость по сравнению со схемой 3/8''.
• Так же 5 мм более надежны при использовании газов и жидкостей высокого давления, таких как CO2 или природного газа.

Теплообменники с 7-миллиметровыми трубами с равносторонним расположением пучков, имеют оптимальное соотношение между диаметром трубки и расстоянием между ними. Этот универсальный теплообменник можно адаптировать как для компактных систем теплопередачи, так и для воздушных конденсаторов холодильных машин (чиллеров) с высокой холодопроизводительностью.

Трубы, используемые при производстве теплообменников.

Тип	Применимые диаметры, мм/дюйм	Область применения
Гладкая	15.88мм / 5/8" 12.70мм / 1/2" 9.52мм / 3/8" 7мм 5мм	Все типы теплообменников
Рифленая	12.70мм / 1/2" 9.52мм / 3/8" 7мм 5мм	Конденсаторы и испарители с повышенной эффективностью
Турбо спираль внутри	15.88мм / 5/8" 12.70мм / 1/2" 9.52мм / 3/8" 7мм	Улучшенные производительности для жидкостных теплообменников, имеющих ограничения по размеру

Материалы труб

Стандартный материал	Марка и стандарт	Диаметр, мм / дюйм	Толщина стенки трубки, мм
Медь	ASTM B-280	15.88мм / 5/8" 12.70мм / 1/2" 9.52мм / 3/8"	0.40мм, 0.46мм 0.35мм, 0.40мм 0.28мм, 0.35мм
Медь		7мм	0.25мм 0.28мм 0.50мм 0.71мм
Медь		5мм	0.25мм 0.35мм 0.40мм
Нержавеющая сталь	316L	12.70мм / 1/2" 9.52мм / 3/8" 7мм	0.89мм 0.71мм 0.51мм
Алюминий	DIN EN 754-2 DIN EN 573-3	9.52мм / 3/8" 7мм	0.75мм 0.50мм

Типы и профили оребрения

Профиль оребрения оказывает существенное влияние на характеристики теплообменника с оребренными трубами. Крайне важно для обеспечения максимальной теплопроводности обеспечить плотное прилегание каждого ребра (ламели) к поверхности. Чем больше площадь поверхности ребра и чем меньше шаг оребрения, тем выше теплопроводность.

Компромиссом может быть увеличение сопротивления со стороны воздуха, что, в свою очередь, может отрицательно повлиять на производительность всей системы. Баланс между двумя противоположными функциями жизненно важен для эффективной и оптимальной тепловой производительности и функционирования оборудования.

Тип оребрения	Характеристики	Область применения
Обычный алюминий	Жалюзийный профиль оребрения увеличивают эффективность теплопередачи благодаря созданию турбулентности воздуха, которая уменьшает пограничный слой на поверхности ребер, но при этом в теплообменнике увеличивается сопротивление на стороне воздуха.	• Испарители. • Калориферы и охладители. • Конденсаторы, используемые в условиях низкой и нормальной загрязненности воздуха. • Этот тип оребрения используется в условиях обычной загрязненности воздуха.
Гофрированное (низкий и высокий профиль)	Гофрированное оребрение улучшают коэффициент теплопередачи в меньшей степени, чем жалюзийное оребрение. Такое оребрение также имеет меньшее аэродинамическое сопротивление воздушному потоку.	• Используется там, где ожидается обледенение и в условиях сильной запыленности воздуха, например, в конденсаторах для внедорожного транспорта
Синусоидальная волна	Оребрение синусоидального профиля улучшают коэффициент теплопередачи в большей степени, чем ребра гофрированного профиля. Синусоидальное оребрение имеет примерно такое же сопротивление воздушному потоку, что и ребра гофрированного профиля.	• Универсальный выбор для всех типов теплообменников, обеспечивает наилучшие соотношение теплообменных характеристик к гидравлическому сопротивлению по воздуху. • Данный профиль используется в производстве серийных теплообменников по умолчанию, если не указано иное.
Плоское	Плоское оребрение уменьшают скопление льда на теплообменнике. Этот тип оребрения имеет наименьшее сопротивление воздушному потоку.	• Морозильные камеры. • Холодильные/морозильные системы. • Системы с естественной конвекцией.

Материалы оребрения

Материал оребрения	Характеристики	Область применения
Обычный алюминий	Обычный алюминий из сплава серии 8xxx является наиболее распространенным и экономичным материалом для изготовления оребрения теплообменников. Он демонстрирует хорошую стойкость к коррозии в нормальных условиях окружающей среды.	• Теплообменники бытовых систем кондиционирования (внутренние и наружные блоки). • Транспортные кондиционеры. • Большие теплообменники для приточных установок. • Холодильные и морозильные системы и аппараты.
Алюминий морского качества	Алюминий морского качества серии сплавов 5ххх обладает улучшенной устойчивостью к соленым и влажным условиям эксплуатации. Он экономически эффективен и продемонстрировал первоклассные результаты испытаний при солевых тестах.	• Теплообменники для судового оборудования, для прибрежных жилых и общественных зданий, для горнодобывающего оборудования, для химических производств. • Применение в любых условиях наличия солевых, влажных и/или агрессивных сред.
Медь	Медь имеет более высокую теплопроводность и массу, и более высокую стоимость, чем алюминий. Меньше подвержена коррозии.	• Охладители для специального технологического оборудования. • Сильно загрязненная агрессивная окружающая среда.

Специальные защитные покрытия теплообменников

Сегодня долговечный теплообменник так же важен, как и качество воздуха, с которым он взаимодействует. Практически все производители предлагают различные варианты специализированных покрытий для обеспечения долгого срока службы своих изделий. Эти покрытия предназначены для защиты от коррозии, а также от биологического загрязнения вследствие размножения бактерий во влажной среде, обрабатывающих воздух в системах кондиционирования и холодоснабжения промышленных, офисных, административных и жилых зданий.

Современные системы отопления и холодоснабжения требуют высоконадежные материалы, способные сохранять свои тепловые характеристики даже при воздействии самых экстремальных условий. Промышленные зоны, особенно расположенные на морском побережье, приводят к выбросу переносимых по воздуху различных загрязняющих веществ, вызывающих коррозию материалов. Специализированные покрытия защищают конструкцию от влаги и переносимых по воздуху загрязнителей, таких как: морская соль, различные выделения от технологических процессов, происходящих в промышленных зонах, а также другие вредные вещества, витающие в воздухе больших урбанистических образований.

Некоторые производители используют инновационное покрытие с усиленным гидрофобным (водоотталкивающим) слоем толщиной всего 5 микрон. Такое нано покрытие гарантирует увеличенный срок службы изделия, сохраняя при этом, отличные характеристики теплопередачи. Покрытие показало себя как самоочищающееся, благодаря его свойствам минимального налипания грязи на поверхности теплообмена, что снижает потребление энергии и затраты на техническое обслуживание. Кроме этого, такое покрытие также защищает от многих органических растворителей и химикатов.

Тип покрытия	Характеристики	Область применения
Гидрофильное	Специальное предварительно нанесенное полимерное гидрофильное покрытие толщиной 2 микрона снижает сопротивление со стороны потока воздуха благодаря уменьшению толщины слоев конденсирующейся воды, известного как явление переноса воды.	• Россольные и фреоновые воздухоохладители. • Конденсаторы, драйкулеры и чиллеры. • Предотвращает унос конденсата при высоких скоростях потока воздуха.
Гидрофобное	Гидрофобное покрытие на основе эпоксидной смолы эффективно препятствует накоплению пыли и бактерий. Превосходные результаты испытаний в солевом тумане (более 1000 часов).	• Конденсаторы, драйкулеры и чиллеры, устанавливаемые на морском побережье. • Конденсаторы, драйкулеры и чиллеры, для зон с повышенным загрязнением окружающей среды. • Теплообменники для химических производств. • Теплообменник для лабораторий и больниц.
Полимерное	Полимерное нано покрытие имеет толщину всего 5 микрон и обладает высокой способностью к теплопередаче. Устойчиво к коррозии, соленой воде и пыли. Наивысшие результаты испытаний в солевом тумане превосходны (более 3000 часов).	• Конденсаторы, драйкулеры устанавливаемые на морском побережье и вблизи объектов с присутствием агрессивных сред. • Защита от органических растворителей и химикатов. • Самоочищающееся. • Снижено накопление грязи. • Ниже затраты на техническое обслуживание.

Тип покрытия
Полимерное	Полимерное нано покрытие предотвращает прилипание капель воды к поверхности ребра, сохраняет ребро сухим и предотвращает скопление загрязнителей.
Гидрофильное	Гидрофильное покрытие уменьшает поверхностное натяжение воды, сглаживая капли воды и увеличивая расход воздуха.
Без покрытия	На ребрах без защитного покрытия скапливаются большие круглые капли воды, которые повышают сопротивление на стороне воздуха и создают брызги воды на выходе из теплообменника.

Полностью алюминиевые теплообменники

Растущая в последнее время забота об экономии энергии и защите окружающей среды побуждает производителей принимать меры по сокращению отходов и их последующей переработки. Поэтому некоторые производители стали использовать перерабатываемые круглые алюминиевые трубы, полностью пригодные для повторного использования и предназначенные как для воды, так и для газа. Полностью алюминиевые теплообменники, пригодные для вторичной переработки, снижает вес конструкции в целом и обеспечивают более высокую коррозионную стойкость, что приводит к повышению энергоэффективности и снижению эксплуатационных расходов систем.

Микроканальные алюминиевые теплообменники

В следующих статьях мы подробно расскажем о микроканальных алюминиевых теплообменниках, которые обладают важными и значительными преимуществами перед их классическими медно-алюминиевыми конкурентами. Микроканальные давно и широко применяются в авиационной и автомобильной промышленности, и на деле доказали свою высокую надежность и эффективность.