Неравномерность потока в теплообменнике: причина недобора мощности

Расчёт показал одно, испытание другое

Тепловой расчёт давал 2,4 МВт. Испытание на объекте показало 2,1. Поверхность правильная, среды правильные, запас на загрязнение был щедрым. Кто-то предполагает, что корреляция оказалась оптимистичной, а кто-то молча заказывает аппарат побольше для следующего проекта.

Прежде чем винить корреляцию, посмотрите, как поток попадает в трубы. Методики теплового расчёта предполагают одинаковый расход во всех трубах, а реальные распределительные камеры этого не обеспечивают. Неравномерное распределение потока в теплообменнике означает, что одни трубы или каналы получают больше расхода, чем другие, и это частая причина, по которой правильно рассчитанный аппарат недодаёт мощность.

Почему неравномерность снижает мощность?

Возьмём две соседние трубы. Одна получает 130% среднего расхода, другая 70%. Быстрая труба передаёт больше тепла, чем средняя, но не на 30% больше, потому что среда меньше времени находится у стенки. Медленная труба передаёт меньше, и значительная часть её длины почти не работает. Вместе эта пара даёт меньше, чем дали бы две средние трубы.

Потери не ограничиваются мощностью. В обзоре 2019 года, подготовленном Tube Tech International и Техническим университетом Дрездена, отмечается, что трубы с наименьшими скоростями особенно склонны к загрязнению, а некоторые могут забиться и вызвать внеплановый останов. Загрязнённые трубы получают ещё меньше расхода.

Откуда она берётся на трубной стороне?

Распределительная камера представляет собой небольшой объём, который питается через патрубок, и среда входит в неё струёй. В том же обзоре сообщается, что расход выше в трубах, расположенных рядом с подводящим патрубком или на его оси, а боковой подвод к камере, распространённая схема, даёт больший разброс между трубами.

Насколько это серьёзно, зависит от противоборства двух давлений: динамического давления входной струи, которое распределяет поток неравномерно, и потерь давления в трубах, которые этому сопротивляются. Пучок с большим сопротивлением выравнивает поток, потому что каждой трубе нужна почти вся располагаемая разность давлений, чтобы вообще что-то пропустить.

Проверка за одну минуту

Сравните динамическое давление в патрубке с потерями давления в трубах. Например, вода входит в камеру через патрубок со скоростью 3 м/с.

Если потери давления в трубах равны 6 кПа, эти величины одного порядка. У струи достаточно импульса, чтобы перестроить поток, и следует ожидать заметной неравномерности. Если потери в трубах составляют 40 кПа, струя даёт около десятой части, и камера влияет гораздо слабее.

Рассматривайте это как отсеивающее правило. Оно показывает, есть ли повод для беспокойства, но само распределение не предскажет. Чаще всего проблемы возникают в конструкциях с малыми потерями давления, в газовых камерах, в больших пучках с маленькими патрубками и в коротких камерах с резким изменением сечения.

Откуда она берётся в межтрубном пространстве?

Конструктор хочет, чтобы вся среда пересекала трубный пучок. Часть её протекает через зазоры между трубами и отверстиями перегородок. Часть проходит между кромкой перегородки и кожухом. Часть идёт в обход пучка, почти не касаясь поверхности. Методики расчёта учитывают эти потоки поправочными коэффициентами, а эти коэффициенты усреднённые.

Есть и застойные зоны: углы за каждой перегородкой, где среда медленно циркулирует и почти не передаёт тепло.

Что показывает CFD-расчёт, чего не даёт тепловой расчёт?

Программа теплового расчёта даёт одно число на весь аппарат. Моделирование даёт расход в каждой трубе и в каждом отсеке между перегородками. На трубной стороне модель камеры с присоединёнными трубами показывает распределение расхода по трубам: какие ряды недополучают, насколько и как это меняется при изменении конструкции. В межтрубном пространстве видно, какая доля среды пересекает пучок, какая идёт в обход и где находятся зоны рециркуляции.

Никто не строит сетку на десять тысяч труб с разрешением пограничных слоёв. Обычно моделируют камеру полностью, заменяя каждую трубу её гидравлическим сопротивлением, или подробно рассчитывают участок из нескольких шагов перегородок. Оба подхода являются упрощениями, и в отчёте должно быть сказано, что они исключают. Загрязнение, заглушенные трубы и фактические зазоры перегородок остаются допущениями, если вы не предоставите данные.

Что обычно помогает

• Перфорированная распределительная пластина в камере, которая добавляет небольшое сопротивление именно там, где оно нужно.
• Отбойная пластина или перегородка, разбивающая струю.
• Камера большего размера или длины либо конический вход, чтобы струе было где расшириться.
• Другое положение патрубка или два патрубка меньшего диаметра.
• Уплотняющие полосы в межтрубном пространстве, перекрывающие обход вокруг пучка.

Моделирование позволяет сравнить эти меры до того, как что-либо изготовлено. Распределительная пластина, выравнивающая поток на расчётном расходе, может почти не помогать на половинной нагрузке, и об этом лучше узнать на экране.

Когда расчёт оправдан?

Если минутная проверка показывает, что динамическое давление на входе составляет малую долю потерь давления в пучке, а аппарат стандартной конструкции, то, скорее всего, нет. Если эти величины сопоставимы, если аппарат крупный или дорогой, если он уже недодал мощность или геометрия необычна, то выяснить, куда идёт поток, стоит намного дешевле второго аппарата.