Оребренные трубы в промышленных калориферах

Промышленные калориферы применяются для воздушного обогрева помещений производственного предназначения и характеризуются высокими показателями по расходу нагреваемого воздуха и тепловой мощности.

Энергоносители в промышленных калориферах

По своей сути калориферы являются рекуперативными теплообменниками, принцип работы которых заключается в передаче тепловой энергии от среды с более высокой температурой (энергоносителя) к менее горячей среде (воздушным потокам) через стенку, их разделяющую. В промышленных воздухонагревателях энергоносителями служат:

• горячая вода;
• сухой насыщенный пар;
• сетевое электричество.

Использование электрических воздухонагревателей для обогрева производственных помещений эффективно лишь для площадей, не превышающих 100-120 кв. метров, из-за высоких тарифов на электроэнергию. Основными источниками тепла для нагрева воздушных потоков являются водяные и паровые энергоносители, имеющие следующие рабочие характеристики:

• температура – до 190 град. Ц;
• давление – до 1,2 МПа.

На рис. ниже показан калорифер серии КСк, работающий на водяном энергоносителе.

Водяные и паровые воздухонагреватели монтируются в коробах воздуховодов производственной вентиляции, в которых нагнетание воздуха в помещение осуществляется при помощи канальных вентиляторов. В процессе установки нагревателей монтируется обвязка, обеспечивающая подачу горячего водяного или парового теплоносителя в калорифер и отвод остывшего отработанного теплоносителя к энергоисточнику.

Нагревательные элементы промышленных калориферов

Нагревательными элементами водяных и паровых нагревателей воздуха являются металлические трубки, объединяемые в двух, трех и четырехрядные теплообменные модули. Горячий водяной или паровой теплоноситель циркулирует внутри трубок, нагревая их стенки. Потоки холодного воздуха, омывающие наружную поверхность нагретых трубок, забирают это тепло и уже теплой воздушной массой поступают в производственное помещение.

По форме внешней теплопередающей поверхности трубчатые нагревательные элементы подразделяются на два вида:

• гладкотрубные нагреватели, представленные стальными трубками с гладкой поверхностью диаметром от 20 до 32 мм;
• ребристые нагреватели, представляющие собой трубки с оребрением на наружной поверхности.

В зависимости от профиля ребер и технологии формообразования ребристой поверхности нагревательные элементы подразделяются на три типа:

• пластинчатые устройства, ребра которых образованы плоскими пластинами-ламелями, насаженными на трубки;
• спирально-накатные устройства, ребра которых изготовлены методом прокатки (накатки);
• спирально-навивные изделия, получаемые при навивке металлической ленты на несущую трубу.

Основные преимущества и недостатки оребренных нагревательных трубок

Оребрение наружных стенок нагревательных трубок промышленных калориферов выполняется с целью организации развитых теплопередающих поверхностей для увеличения площади теплообмена приточного воздуха с энергоносителем. С возрастанием площади теплообмена возрастает интенсивность теплоотдачи и, соответственно, энергоэффективность калорифера. На рост интенсивности теплопередачи также влияет повышенная турбулизация воздушного потока при его прохождении между ребрами. Оребренная структура теплообменных элементов создает им значительные преимущества перед гладкотрубными нагревателями. К основным достоинствам ребристых труб относят следующие факторы:

1. Снижение потребного количества теплообменных трубок для обеспечения одинаковых теплотехнических показателей приводит к снижению весовых и габаритных показателей воздухонагревателей.
2. При использовании несущих трубок диаметром от 16 до 25 мм нанесение на них ребристой структуры увеличивает интенсивность теплопередачи примерно в 12 раз. Это дает возможность снизить расход энергоносителя и сэкономить на оборудовании для его циркуляции в теплотрассе за счет снижения его мощности.
3. Оребренные трубки обладают высокой механической прочностью и жесткостью, повышенной коррозионной стойкостью, что обеспечивает длительный срок безаварийной эксплуатации.
4. Из-за сравнительно низких теплотехнических показателей гладкотрубные калориферы используются для нагрева производственных помещений на небольшие температуры и при малых расходах прогреваемого воздуха.

Из недостатков оребренных трубок выделяют два момента:

1. Воздух, пропускаемый через ряды ребристых теплоэлементов, не должен быть запыленным, не содержать липких и волокнистых веществ, чтобы избежать засорения пространства между  ребрами/пластинами. Засоренные поверхности ребер/пластин имеют ухудшенные теплотехнические свойства, а уменьшение размера живого сечения между соседними ребрами негативно отражается на расходе пропускаемого воздуха.
2. Затрудненная очистка засоренных оребрений калориферных трубок.

Это важно! При соблюдении требований к воздуху, указываемых в техпаспорте любого промышленного воздухонагревателя, этих проблем не возникает.

Конструкция оребренных труб в промышленных калориферах

Любую оребренную трубу промышленного воздухонагревателя можно представить как конструкцию, состоящую из следующих элементов (см. рис. ниже):

• внутренней трубки;
• внешних профильных ребер.

Внутренняя трубка является несущим элементом и функционирует в качестве канала для прохождения водяного или парового теплоносителя, поступающего от внешнего энергоисточника. В промышленных нагревателях воздуха серий КСк и КПСк используются стальные электросварные трубы ГОСТ 10704-91 и цельнотянутые бесшовные трубы ГОСТ 8734-75, отвечающие следующим требованиям для трубок теплопередающих элементов:

• быть устойчивыми к воздействию перепадов давления и температуры;
• обладать высокой механической прочностью, необходимой при формообразовании ребристой структуры;
• обладать повышенной стойкостью к химической агрессии со стороны солей, растворенных в горячем теплоносителе, и к кислородной коррозии в летний сезон, когда теплоноситель удален из контура циркуляции.

Ребра нагревающих трубок изготавливают в соответствии со следующими требованиями:

• материал ребра должен обеспечивать отличную теплопередачу от несущей трубы к поверхности реберного профиля;
• сечение профиля должно обеспечивать интенсивную теплопередачу по всей высоте ребра;
• ребра должны обладать высокой механической прочностью и жесткостью.

Способы формообразования ребер на нагревательных трубках

Многолетняя практика применения оребренных теплоэлементов в промышленных воздухонагревателях предопределила развитие различных технологий создания ребристой структуры на первоначально гладкой стандартной трубе. В настоящее время для водяных и паровых калориферов используют трубки, ребра которых представлены:

• насаженными на трубки металлическими ламелями (пластинами);
• навитыми на трубках металлическими лентами;
• спирально накрученной поверх трубок тонкой проволокой.
  1. Пластинчатые оребрения создаются из прямоугольных или круглых пластин-ламелей. Толщина пластин составляет 5 мм, размеры колеблются от 117х136 мм до 117х175 мм. Прямоугольные пластины насаживаются на всю группу труб, обычно межреберный шаг принимают равным 5 мм. Пластины могут устанавливаться зигзагообразно либо по коридорному принципу.
  2. Спирально-навитые оребрения создаются способом навивки ленты стальной (толщина 0,4-0,5 мм при ширине 10 мм) на несущую трубку диаметром 16 мм. Шаг навивки – 4-м мм. При навивке обеспечивается хороший механический и теплотехнический контакт материалов ленты и трубы.
  3. Спирально-накатные оребрения формообразуются следующим способом:
• на несущую стальную трубу размерами 16х1,2 или 16х1,5 мм надевается алюминиевая труба диаметром 29 мм;
• на специальном прокатном оборудовании накатываются ребра с шагом 2,8 мм, в результате чего внешняя поверхность алюминиевой трубы приобретает спиралевидную форму.

Спирально-накатная технология обеспечивает практически монолитное соединение стальной несущей и алюминиевой оребренной трубок.
На рис. ниже приведен чертеж сборки спирально-накатного соединения для трубы диаметром 16 мм.

Выводы и рекомендации

Промышленные гладкотрубные воздухонагреватели существенно уступают калориферам с оребренными теплоэлементами. При этом нагреватели воздуха, использующие различные типы оребрения, значительно различаются между собой по интенсивности передачи тепла от энергоносителя к воздушным потокам. Эффективность оребрения трубчатых элементов калориферов зависит от плотности контакта между материалами профиля ребер и несущего трубчатого канала.

Наилучший результат показывают спирально-накатные соединения стали с алюминием. Коэффициент теплоотдачи этих соединений на 15% выше по сравнению с другими методиками. Модели с пластинчатыми воздухонагревателями считаются морально устаревшими, у них высокая материалоемкость и худшие теплотехнические характеристики, чем у спирально-накатных изделий. Поэтому отмечается растущая популярность калориферов серий КСк, КПСк и ВНВ, превосходящих пластинчатые аналоги по критерию цена/эффективность.