High-efficiency heat-exchange surface for film processes
We have proposed to introduce a new profiled surface with spherical dimples, which is characterized by a high-efficiency heat transfer from a flowing down liquid film to surrounding air. Such a surface can be used for heat exchangers of contact type. The characteristics of such surfaces are based on...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2017
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/633 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871104152142086144 |
|---|---|
| author | Dubrovskyi V.V. |
| author_facet | Dubrovskyi V.V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Dubrovskyi V.V.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Dubrovskyi V.V. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:43Z |
| description | We have proposed to introduce a new profiled surface with spherical dimples, which is characterized by a high-efficiency heat transfer from a flowing down liquid film to surrounding air. Such a surface can be used for heat exchangers of contact type. The characteristics of such surfaces are based on our experimental studies of the heat exchange between water and air phases on surfaces with dimples of different sizes. We have found the optimal geometric characteristics of surface where the most intense heat transfer from a liquid film to air is achieved. We have derived generalized dependences that enable one to calculate the effective coefficient of heat transfer taking into account the total effect of heat exchange of a water film to air due to convection and liquid evaporation.We present an example of the use of heat-exchange surface as a sprinkler for film cooling towers, a list of the drawbacks accompanying typical energy cooling towers, and a series of advantages of a profiled sprinkler as compared with a smooth one as to their cooling efficiency. |
| doi_str_mv | 10.15407/pge2017.03.068 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:26Z |
| format | Article |
| fulltext |
68
Плівкові технологічні апарати різного при-
значення достатньо широко використовують-
ся в промисловості та енергетиці.
Інтенсивність тепло- і масообміну в таких
апаратах залежить від ефективності процесів,
що відбуваються у тонких рідинних шарах,
тобто плівках, що стікають по їх поверхнях.
Кожний крок, який збільшує інтенсифікацію
взаємодії контактуючих фаз, призводить до
покращення роботи апаратів і, у кінцевому
результаті, до зростання їх продуктивності.
Так, на енергетичних плівкових градирнях
теплових і атомних електростанцій зниження
температури води перед конденсатором на
1°С за рахунок підвищеного теплообміну
рідини з повітрям призводить до значного
економічного ефекту – зростанню потужності
турбіни на 0,4 %. Тому впровадження висо-
коефективних теплообмінних поверхонь – це
актуальна задача. В Інституті загальної енер-
гетики НАН України з метою пошуку таких
поверхонь було проведено комплекс експери-
ментальних досліджень процесів теплообмі-
ну між плівкою води, що стікає по нахилених
поверхнях. Було досліджено вплив профілю-
вання поверхні на процес, а також різні фак-
тори, що впливають на теплообмін [1, 2]. В
результаті дослідів було визначено оптималь-
ний кут нахилу поверхні до горизонту
(φ = 30 град), що забезпечує найкращу тепло-
віддачу від води до повітря без утворення
бризок при плівковій течії рідини.
Експерименти проводились з низкою повер-
хонь зі сферичними лунками різного розміру,
результати порівнювались з течією по гладкій
поверхні. Досліди показали, що наявність
сферичних лунок на поверхні суттєво інтен-
сифікує тепловіддачу від стікаючої плівки до
повітря у порівнянні з гладкою поверхнею.
Перехід від гладкої поверхні до поверхні з
лунками призводить до неочікувано високого
рівня інтенсифікації теплообміну.
У результаті проведених досліджень в
нерухомому повітряному середовищі, а також
в умовах поздовжнього та перехресного
напрямку повітряного потоку над плівкою
води було встановлено, що залежність коефі-
цієнта тепловіддачі від розмірів сферичних
лунок (їх діаметра та глибини) має немоно-
тонний характер. На рис. 1 наведено дані
УДК 536.24 В.В. ДУБРОВСЬКИЙ, канд. техн. наук, ст. наук. співр.,
Інститут загальної енергетики НАН України,
вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150, Україна
ВИСОКОЕФЕКТИВНА ТЕПЛООБМІННА ПОВЕРХНЯ
ДЛЯ ПЛІВКОВИХ ПРОЦЕСІВ
На базі виконаних експериментальних досліджень знайдено високоефективну тепло-
обмінну поверхню зі сферичними лунками, яку можна використовувати у плівкових тех-
нологічних апаратах різного призначення. Наведено переваги профільованих повер-
хонь над гладкими.
К л ю ч о в і с л о в а: профільована поверхня, тепловіддача, плівкові процеси.
© В.В. ДУБРОВСЬКИЙ, 2017
ISSN 2522-4344 (Online), ISSN 1562-8965 (Prіnt). The problems of general energy. 2017, 3(50):68-73
doi: https://doi.org/10.15407/pge2017.03.068
69ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2017, issue 3(50)
Високоефективна теплообмінна поверхня для плівкових процесів
щодо коефіцієнта тепловіддачі від води до
повітря для досліджених п’яти профільова-
них лотків та гладкого лотка. Стовпчики на
діаграмі відповідають різній швидкості повіт-
ряного потоку Va, м/с, що обдуває стікаючу
плівку: стовпчики з косою штриховкою – 4,3;
з вертикальною – 3,3; з горизонтальною – 0
(нерухоме повітряне середовище).
Експерименти показали, що найбільш інтен-
сивна тепловіддача має місце на лотку Л16
(діаметр лунок D = 16 мм, їх глибина h = 5 мм)
на усіх дослідних режимах, далі іде лотік Л20
(D = 20 мм, h = 6 мм), а потім Л13 (D = 13 мм,
h = 4 мм). Замикають низку лотків Л30
(D = 30 мм, h = 9 мм), Л24 (D = 24 мм,
h = 7,5 мм) і гладкий. Ймовірно, саме розміри
лунок по-різному впливають на гідродинамі-
ку потоку, турбулізацію течії і інтенсифікацію
теплообміну.
Ймовірно, таку поведінку можна пояснити
складною гідродинамікою течії води по
поверхні з лунками. В літературі, яка при-
свячена дослідженням теплофізики інтенси-
фікаторів теплообміну (наприклад, в огляді
[3]), поверхні зі сферичними виїмками класи-
фікують як поверхні з «дискретною регуляр-
ною шорсткістю». Принцип дії таких виїмок
базується на організації відривного обтікання
поверхні та формуванні рециркуляційної
зони, яка генерує крупні вихорі, що інтенси-
фікують процес переносу тепла. Ефект інтен-
сифікації теплообміну на поверхнях зі сфе-
ричними лунками пояснюється викидом
вихорів із виїмок, які турбулізують потік. Як
вказується в [3], глибина елемента шорсткості
впливає на турбулізацію і зміну шарів рідини
в зоні потоку. Відмічається сильна залежність
інтенсивності тепловіддачі у сферичних виїм-
ках від їх глибини. Тому, можливо, геометрич-
ні характеристики лунок лотка Л24 погір-
шують перемішування шарів води при її течії
по виїмках у порівнянні з іншими розмірами
лунок.
У результаті було знайдено високоефектив-
ну теплообмінну профільовану поверхню, яка
може бути запропонована для тепломасо-
обмінних плівкових процесів (D = 16 мм,
h = 5 мм, лунки розташовані у шаховому
порядку на відстані між їх центрами
S = 24 мм). За коефіцієнтом тепловіддачі вона
майже утричі перевищує показники для глад-
кої поверхні. Також визначено, що поперечне
обдування плівки води повітрям, коли постій-
но відбувається приплив свіжого повітря
вздовж течії рідини на всій довжині поверхні
(перехресна взаємодія фаз), набагато краще,
Рис. 1. Коефіцієнт тепловіддачі від води до повітря для лотків з різними розмірами сферичних лунок;
витрата води на поверхні G = 0,143 кг/с
ніж обдування в режимі протитечії фаз, коли
повітря по мірі руху над плівкою помітно
нагрівається. Тому пріоритет треба надавати
перехресному руху взаємодіючих фаз вода –
повітря. Знайдена поверхня має високу охо-
лоджувальну спроможність і може бути
запропонована для контактних теплообмінни-
ків різного призначення.
Для цієї профільованої поверхні було здій-
снено узагальнення масиву експерименталь-
них даних для різних режимів стікання води,
а також різних швидкостей повітряного пото-
ку в режимі перехресного руху фаз. Дані було
оброблено методом найменших квадратів за
допомогою середовища програмування
TurboBasic. В результаті отримано емпіричну
залежність для безрозмірного коефіцієнта
тепловіддачі – числа Нуссельта (Nu = αL/λа,
α – коефіцієнт тепловіддачі від води до повіт-
ря, L – довжина поверхні течії води, λа – кое-
фіцієнт теплопровідності повітря) [4]:
(1)
у діапазоні 510 ≤ Reпл ≤ 3180; 26070 ≤ Reвід ≤
≤ 1462000; 3,2 ≤ L/l ≤ 28,3.
Тут числа Рейнольдса для плівки і віднос-
ного руху фаз дорівнюють:
Reпл = 4G /(l νw ρw); Reвід = Va L / νa, (2)
де l – ширина поверхні течії води, νw, νa – кое-
фіцієнти кінематичної в’язкості води та повіт-
ря; ρw – густина води.
При розрахунку числа Рейнольдса Reвід
для відносного руху фаз вода – повітря слід
враховувати їх відносну швидкість, але,
оскільки швидкість руху плівки по про-
фільованій поверхні набагато менша, ніж
можлива швидкість повітря, що обдуває плів-
ку, можна використовувати замість відносної
швидкості лише швидкість повітря Va. В
нерухомому повітрі, коли Va = 0, в формулу
для визначення Reвід замість Va треба вводити
швидкість течії води по поверхні Vl.
З отриманої формули (1) може бути обчис-
лено ефективний коефіцієнт тепловіддачі α,
який для умов експериментів відображає
сумарний ефект теплообміну плівки води з
повітрям за рахунок конвекції та випарову-
вання рідини.
Обробка даних для гладкого лотка також
дозволила знайти емпіричну формулу для
числа Нуссельта Nuгл [5]:
Nuгл = 3,18 Reпл
0,177Reвід
0,434φ0,042 (3)
70 ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2017, issue 3(50)
В.В. ДУБРОВСЬКИЙ
Рис. 2. Охолоджувальна спроможність різних поверхонь
у діапазоні 1510 ≤ Reпл ≤ 3980, 38400 ≤ Reвід ≤
≤ 162100, 15 град ≤ φ ≤ 30 град.
Одним із напрямків впровадження висо-
коефективних теплообмінних поверхонь зі
сферичними лунками може бути їх викори-
стання як зрошувачів плівкових градирень.
Слід зазначити, що зрошувачі, по яких стікає
плівка, повинні бути розташовані в градирні
не вертикально (як у типових плівкових гра-
дирнях), а під кутом 30 град до горизонту.
Для отримання найбільш ефективної тепло-
віддачі від води на зрошувачах градирні
рекомендовано підтримувати об’ємну густи-
ну зрошування g/l в діапазоні від 0,44 до
2,83 м3/(м·год), де g – об’ємна витрата води.
На рис. 2 проілюстровано охолоджувальну
спроможність гладкої і профільованої поверх-
ні при різній довжині лотків і різних напрям-
ках та інтенсивностях обдування. Як видно з
рисунка, однаковий ступінь охолодження
води можна забезпечити за рахунок різних
факторів (умови дослідів: G = 0,106 кг/с,
початкова температура води t1 = 40 °С, темпе-
ратура оточуючого повітря ta = 23 °С, кут
нахилу поверхні φ = 30 град). Наприклад, охо-
лодження приблизно на 6 °С можна досягти
двома способами:
1) за рахунок збільшення довжини потоку
до L = 4,65 м при швидкості повітря у
поперечному напрямку Va = 2,5 м/с;
2) шляхом зменшення довжини потоку до
L = 3,1 м (тобто зменшення габаритів апара-
та), але при цьому треба забезпечити більшу
інтенсивність обдування (Va = 4,3 м/с). Вибір
того чи іншого варіанта здійснюється в залеж-
ності від поставленої задачі.
З рисунка також видно, що на довжині течії
L = 1,55 м, щоб отримати, наприклад, однако-
ву ступінь охолодження (∆t ~ 3 °С) для різних
напрямків повітряного потоку, треба підви-
щити швидкість повітря в режимі протитечії
до 6,3 м/с.
Покажемо перспективність впровадження
теплообмінної поверхні в енергетиці та про-
мисловості на прикладі плівкових градирень.
Необхідність модернізації сучасних баштових
градирень не викликає сумнівів. Основна кон-
структивна схема таких градирень з крапель-
ними або плівковими зрошувачами і природ-
ною тягою не змінювалися вже майже 100
років. Змінювалися лише розбризкуючи при-
строї, а також матеріал і форма зрошувачів.
Листи зрошувачів, по яких стікає рідина,
завжди розташовуються в градирні верти-
кально [6].
Таке розташування листів зрошувача в гра-
дирні викликано бажанням отримати плівку
стікаючої води з обох боків листа з метою
збільшення поверхні контакту води з повіт-
рям. Однак такий спосіб течії призводить до
дуже невеликого часу контакту фаз, що
несприятливо позначається на ступені охо-
лодження.
Подібні типові градирні, як відзначають
практично всі дослідники, мають низку суттє-
вих недоліків. Аеродинаміка градирні склад-
на і непередбачувана, вона істотно залежить
від внутрібаштових конструкцій: зрошувачів,
водовловлювачів і водорозподільних систем.
У градирні намагаються збільшити площу
поверхні охолодження, тобто збільшити кіль-
кість листів зрошувача, однак це призводить
до захаращення перерізу башти і одночасно
до великої щільності зрошення.
У результаті істотно зростає аеродинаміч-
ний опір потоку охолоджуючого повітря. У
просторі башти виникають як вихрові зони,
так і застійні, що також помітно погіршує її
аеродинаміку. На периферії і в центрі градир-
ні швидкість потоку повітря може відрізняти-
ся в 4–6 разів. Нерівномірність розподілу
повітря погіршує роботу градирні. Все це
призводить до того, що різниця температур
між центром градирні та її периферією може
досягати 7 °С. При експлуатації з погіршен-
ням роботи зрошувачів (викривлення листів,
засмічення тощо) аеродинаміка градирні
також погіршується.
Відзначаються труднощі, пов’язані з нерів-
номірним розподілом рідини по площі гра-
дирні при розбризкуванні, а також з утворен-
ням струмків на поверхні листів замість одно-
рідної плівки, що погіршує тепловіддачу. До
недоліків таких градирень можна також від-
71ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2017, issue 3(50)
Високоефективна теплообмінна поверхня для плівкових процесів
нести неможливість ремонту внутрішньо
баштових пристроїв під час роботи градирні.
А тепер обґрунтуємо доцільність викори-
стання градирень з нахиленими лотками з
профільованою поверхнею. Ефективна тепло-
віддача таких лотків дозволяє істотно знизити
загальну площу поверхні зрошувачів, по якій
стікає рідина, тобто помітно знизити матеріа-
лоємність. У градирні практично виключаєть-
ся утворення крапель (течія рідини тільки в
формі плівок), тому немає необхідності у
водовловлювачах. Відсутність водовловлюва-
чів позитивно відображається не лише в
помітному зменшенні матеріалоємності гра-
дирні, а і в покращенні її аеродинаміки.
Помітно краще можна організувати взає-
модію повітря з плівкою рідини. Градирня
складається з певної кількості автономних
секцій, які розташовуються по периметру все-
редині башти або по площі іншої спроектова-
ної споруди. За необхідності ремонту або
заміни лотків існує легкий доступ до секції в
башті або витяг секції з башти без зупинки
роботи інших секцій градирні, що дуже важ-
ливо при експлуатації. Без зміни ефективно-
сті охолодження можна відключати секції,
регулюючи продуктивність градирні, що
істотно покращує маневреність її роботи.
Слід також відзначити екологічні переваги
профільованої градирні: практична відсут-
ність виносу крапель (що одночасно і змен-
шує втрати рідини) і зниження шуму при
роботі. При модернізації існуючих баштових
градирень замість зрошувачів, водовловлюва-
чів і водорозподільних систем в башту вво-
диться певна кількість секцій. При будівницт-
ві нових градирень секції компонуються
довільно за вибраною конфігурацією градир-
ні. При цьому, як показують розрахунки,
можна в кілька разів зменшити площу, займа-
ну градирнею в порівнянні з типовою градир-
нею такою ж продуктивності.
В таблиці як приклад наведено дані щодо
переваг профільованої поверхні над гладкою.
Тут використовуються розрахунки за отрима-
ними узагальнюючими залежностями (1)–(3).
Вихідні дані: профільована поверхня Л16
шириною l = 0,8 м та довжиною течії води по
ній L = 4 м, витрата води G = 0,3 кг/с, її тем-
пература на вході до поверхні 40 °С, темпера-
тура оточуючого повітря 24 °С, взаємодія кон-
тактуючих фаз вода – повітря в режимі пере-
хресного руху. Ступінь охолодження ∆t визна-
чається за методикою [4].
Як видно з таблиці, в умовах нерухомого
повітря коефіцієнт тепловіддачі і, відповідно,
ступінь охолодження води на профільованій
поверхні значно кращі у порівнянні з глад-
кою. Обдування плівки, природно, помітно
збільшує інтенсивність тепловіддачі.
ВИСНОВКИ
Пропонується профільована високоефек-
тивна теплообмінна поверхня, яка може бути
використана у плівкових апаратах контактно-
го типу. Знайдено оптимальну геометрію цієї
поверхні, за якою досягається найбільш
інтенсивна тепловіддача від стікаючої плівки
рідини до повітря.
1. Дубровский В.В., Подвысоцкий А.М.,
Шрайбер А.А. Экспериментальное исследова-
ние теплообмена пленки жидкости, стекающей
по профилированной поверхности, с воздухом.
72 ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2017, issue 3(50)
В.В. ДУБРОВСЬКИЙ
Таблиця – Приклад переваг профільованого лотка
у порівнянні з гладким за ефективністю охолодження води
Проблеми загальної енергетики. 2009. № 19.
С. 39–45.
2. Дубровский В.В., Подвысоцкий А.М.
Возможности повышения эффективности
работы пленочных градирен при использова-
нии оросителей с профилированной поверх-
ностью. Проблеми загальної енергетики. 2011.
Вип. 1 (24). С. 40–45.
3. Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Теплофизика
и теплотехника перспективных интенсифика-
торов теплообмена (обзор). Энергетика. РАН
(Известия АН). 2011. № 1.
4. Дубровський В.В., Підвисоцький О.М.,
Гришук М.С., Неділько А.П. Тепловіддача на
профільованих поверхнях промислових плів-
кових градирень. Проблеми загальної енерге-
тики. 2014. Вип. 3 (38). С. 50–56.
5. Шрайбер А.А., Дубровский В.В.,
Подвысоцкий А.М. Обобщение опытных дан-
ных по теплообмену пленки жидкости, стекаю-
щей по гладким и профилированным поверх-
ностям, с воздухом. Промышленная теплотех-
ника. 2010. Т. 32, № 4. С. 21–27.
6. Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. Градирни
промышленных и энергетических предприя-
тий. Москва. Энергоатомиздат. 1998. 372 с.
Надійшла до редколегії 12.09.2017.
73ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2017, issue 3(50)
Високоефективна теплообмінна поверхня для плівкових процесів
|
| id | systemreorg-article-633 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:19:33Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/ee/09884e442e993643d38c20746bb744ee.pdf |
| spelling | systemreorg-article-6332026-07-18T12:57:43Z High-efficiency heat-exchange surface for film processes Високоефективна теплообмінна поверхня для плівкових процесів Dubrovskyi V.V. profiled surface, heat transfer, film processes. профільована поверхня, тепловіддача, плівкові процеси. We have proposed to introduce a new profiled surface with spherical dimples, which is characterized by a high-efficiency heat transfer from a flowing down liquid film to surrounding air. Such a surface can be used for heat exchangers of contact type. The characteristics of such surfaces are based on our experimental studies of the heat exchange between water and air phases on surfaces with dimples of different sizes. We have found the optimal geometric characteristics of surface where the most intense heat transfer from a liquid film to air is achieved. We have derived generalized dependences that enable one to calculate the effective coefficient of heat transfer taking into account the total effect of heat exchange of a water film to air due to convection and liquid evaporation.We present an example of the use of heat-exchange surface as a sprinkler for film cooling towers, a list of the drawbacks accompanying typical energy cooling towers, and a series of advantages of a profiled sprinkler as compared with a smooth one as to their cooling efficiency. Пропонується для впровадження нова профільована поверхня зі сферичними лунками, яка характеризується високоефективною тепловіддачею від стікаючої по ній плівки рідини до оточуючого повітря. Така поверхня може бути використана для теплообмінних апаратів контактного типу. Дані базуються на проведених експериментальних дослідженнях теплообміну фаз вода – повітря на поверхнях з лунками різного розміру. Знайдено оптимальні геометричні характеристики поверхні, на якої досягається найбільш інтенсивна тепловіддача від плівки рідини до повітря. Приведено узагальнюючі залежності, які дозволяють розрахувати ефективний коефіцієнт тепловіддачі, який відображає сумарний ефект теплообміну плівки води з повітрям за рахунок конвекції та випаровування рідини.Наведено приклад використання теплообмінної поверхні у ролі зрошувача плівкових градирень, приведено перелік недоліків, що супроводжують типові енергетичні баштові плівкові градирні та приведено низку переваг профільованого зрошувача у порівнянні з гладким за ефективністю охолодження води. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2017-10-17 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/633 10.15407/pge2017.03.068 System Research in Energy; No. 3 (50) (2017): The Problems of General Energy; 68-73 Системні дослідження в енергетиці; № 3 (50) (2017): Проблеми загальної енергетики; 68-73 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/633/551 Copyright (c) 2017 Dubrovskyi V.V. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | profiled surface heat transfer film processes. Dubrovskyi V.V. High-efficiency heat-exchange surface for film processes |
| title | High-efficiency heat-exchange surface for film processes |
| title_alt | Високоефективна теплообмінна поверхня для плівкових процесів |
| title_full | High-efficiency heat-exchange surface for film processes |
| title_fullStr | High-efficiency heat-exchange surface for film processes |
| title_full_unstemmed | High-efficiency heat-exchange surface for film processes |
| title_short | High-efficiency heat-exchange surface for film processes |
| title_sort | high-efficiency heat-exchange surface for film processes |
| topic | profiled surface heat transfer film processes. |
| topic_facet | profiled surface heat transfer film processes. профільована поверхня тепловіддача плівкові процеси. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/633 |
| work_keys_str_mv | AT dubrovskyivv highefficiencyheatexchangesurfaceforfilmprocesses AT dubrovskyivv visokoefektivnateploobmínnapoverhnâdlâplívkovihprocesív |