Известно, что ключевым в рекуперативном теплообмене является фактор термосопротивления ламинарного вязкого пристенного слоя, которыйможет составлять до 70% общего сопротивления теплообмену.

Интенсификаторы теплообмена разрабатываются для снижения толщины и термосопротивления пристенного слоя и делятся на двумерные и трёхмерные. Они отличаются друг от друга тем, что вектор средней скорости потока в первом случае меняется в плоскости, перпендикулярной теплообменной поверхности, а во втором – по трёхмерной закрученной линии тока.

К двумерным относятся искуственные шероховатости в форме периодических выступов/впадин на теплообменной поверхности, например, «лунки», гофры, канавки, накатанные поперёк потока.

К трёхмерным интенсификаторам (закрутка потока) относятся змеевики, спиральные, проволочные, ленточные  вставки

Закрутка потока и искусственная регулярная шероховатость качественно отличаются друг от друга. Если шероховатость предназначена  только для турбулизации пристенного слоя в отрывном потоке (отрыв потока за препятствием), то закрутка дополнительно создаёт поле массовых (центробежных) сил и соответствующие тангенциальные сдвиговые апряжения, ослабляющие  пристенный ламинарный слой.

Оптимальным трехмерным интенсификатором теплообмена являются витые и спирально-профильные трубы (СПТ), которые используются в наших теплообменниках SpinCell

Особенности теплогидродинамических процессов в СПТ 

Основой теплообменной матрицы теплообменников SpinCell являются многозаходные (число ходов z≥ 6) СПТ. Наши собственные испытания для z≥ 6, а также опубликованные результаты других исследователей для z≤ 3 показали их существенно большую теплоотдачу при приемлемых потерях давления по сравнению с гладкими теплообменными трубами.

На ролике приведена трёхмерная визуализация закрученного потока в спирально-профильной трубе. Закрученный поток, взаимодействуя со стенкой, активно перемешивает слои, турбулизирует и уменьшает толщину вязкого пристенного слоя. Частицы  не задерживаются на стенке трубы, происходит эффект самоочистки.

Визуализация потока в спирально-профильной трубе

 

Тангенциальные сдвиговые напряжения в пристенном ламинарном слое уменьшают толщину слоя и препятствуют солеотложениям и загрязнениям теплообменнной поверхности, что способствует  более длительному периоду постоянной заданной теплопроизводительности ТА и не приводит к перерасходу тепловой энергии для поддержания конечной температуры и расхода.

СПТ эффективнее, чем трубы с поперечной накаткой (ТПН) и овально-спиральные трубы (ОСТ). Кроме того, диапазон высокой теплоотдачи в зависимости от линейной скорости у СПТ шире, чем у ТПН и ОСТ, что является очень важным, т.к. на практике ТА часто работают в режиме с переменным расходом, а не только с постоянным расходом, соответствующим оптимальной геометрии интенсификатора.

Расширенный диапазон высокой теплоотдачи позволяет также более экономно спроектировать продуктовую линейку ТА.

Межтрубные ячейки СПТ сконструированы так, что образуются каналы, в которых тоже реализуется закрутка потока.

Второй особенностью ТА SpinCell является сотовое без трубной доски соединение теплообменных СПТ в трубный пучок. Шаг в сотовом соединении может быть выбран значительно меньше, чем  в трубной доске. Это позволяет максимально «зажать» сечение межтрубного пространства вплоть до касания смежных трубок между собой с целью выравнивания коэффициентов теплоотдачи при различающихся расходахс двух сторон. В виду отсутствия трубных досок соответствующие местные гидросопротивления  устраняются.

В-третьих, в ТА SpinCell полностью исключены байпасные вредные течения и обеспечен действительно «чистый» противоток.

И в четвёртых, длина ТА SpinCell может быть небольшой, т.к. все ходы многоходового ТА размещаются в одном корпусе. Для сферы теплоснабжения в ЖКХ мы ограниваем длину одного хода величиной 1500 мм.

Краткий обзор инноваций технологии Спин-Селл:

• закрутка потока внутри теплообменных СПТ при z≥ 6
• закрутка потока в межтрубных ячейках, образованных полыми спиральными рёбрами смежных СПТ
• сотовое соединение СПТ в трубный пучок без использования традиционных трубных досок
• возможность подбора размера межтрубных ячеек за счёт размера шестигранных законцовок труб. Возможность полностью «зажать» межтрубное пространство для выравнивания коэффициентов теплоотдачи с 2-х сторон
• единый корпус для многоходовых теплообменников с обеспечением «чистого» противотока, исключение застойных зон и байпасных течений.

 Преимущества ТА SpinCell:

• высокая энергоэффективность за счёт увеличения коэффициента теплопередачи в 2-3 разаи за счёт обеспечения постоянной тепло-производительности благодаря «самоочистке»  теплообменных каналов. Потери давлениянаходятся на удовлетворительном пропорциональном уровне
• «пружинные» свойства СПТ  увеличивают устойчивость к тепло-гидроударам
•  вес (металлоёмкость) снижен в среднем в 3-10 раз по сравнению с пластинчатыми и кожухотрубными ТА
• снижены стоимость ТА и эксплуатационные расходы.