mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2023.12.1966-1976mgssuvest-136Research ArticleИнженерные системы в строительствеEngineering systems in constructionЭкспериментальные исследования кожухотрубного теплообменника с цилиндрическими турбулизаторами потокаExperimental studies of shell and tube heat exchanger with cylindrical flow turbulatorshttps://orcid.org/0000-0003-3433-3957НикулинН. Ю.NikulinN. Yu.

Николай Юрьевич Никулин — кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазо-снабжения и вентиляции

308012, г. Белгород, ул. Костюкова д. 46

ResearcherID: AAF-9961-2022

Nikolaj Yu. Nikulin — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Heat and Gas Supply and Ventilation

46 Kostyukova st., Belgorod, 308012

ResearcherID: AAF-9961-2022

Nick_973gt@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1989-0632ЕлистратоваЮ. В.ElistratovaYu. V.

Юлия Васильевна Елистратова — кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции

308012, г. Белгород, ул. Костюкова д. 46

РИНЦ ID: 853532, Scopus: 57201772844

Yuliya V. Elistratova — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Heat and Gas Supply and Ventilation

46 Kostyukova st., Belgorod, 308012

ID RSCI: 853532, Scopus: 57201772844

tgv.info@mail.ruБелгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова)РоссияBelgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU named after V.G. Shukhov)Russian Federation202322122023181219661976Copyright © Никулин Н.Ю., Елистратова Ю.В., 20232023Никулин Н.Ю., Елистратова Ю.В.Nikulin N.Y., Elistratova Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/136Введение

Введение. Перспективным направлением современных систем теплоснабжения является активное применение теплообменников. Теплообменники кожухотрубной конструкции достаточно распространены. Поэтому актуальна модернизация таких теплообменников с целью повышения основного параметра — коэффициента теплопередачи. Разработан теплообменник, у которого трубки оснащены пластинами с цилиндрическими турбулизаторами — ребрами цилиндрической формы. Проведены экспериментальные исследования нового теплообменника в условиях, соответствующих реальной системе теплоснабжения.

Материалы и методы

Материалы и методы. Использовался натурный стенд, который представляет собой независимую систему отопления здания. Основное оборудование стенда — электрокотел мощностью 5 кВт, потребитель — радиаторы, исследуемый теплообменник с турбулизаторами, контрольно-измерительные приборы. Планирование эксперимента основано на температурном графике отпуска теплоты от котельной и температурном графике потребителя. Выполнены математическая обработка результатов, проверка значимости уравнений и коэффициентов.

Результаты

Результаты. Для теплообменника с турбулизаторами экспериментальным способом получены значения коэффициента теплопередачи при различных температурах наружного воздуха периода отопления. Расхождения с расчетными данными составили не более 10 %, что допустимо. Получены зависимости коэффициента теплопередачи от температурного напора при скоростях теплоносителя в межтрубном пространстве 0,16 и 0,32 м/с. Результаты математической обработки показали, что эти зависимости являются адекватными, статистически значимо описывают результаты проведенных исследований. Установлено, что при скорости 0,16 м/с в среднем за отопительный период коэффициент теплопередачи исследуемого теплообменника с турбулизаторами получился больше на 22 %, чем у серийного; при скорости 0,32 м/с — на 23 % больше.

Выводы

Выводы. Экспериментальные исследования подтвердили, что благодаря турбулизации теплоносителя коэффициент теплопередачи теплообменника с турбулизаторами в среднем увеличился на 23 %. Габариты такого теплообменника будут значительно меньше, чем серийного (ГОСТ 27590–2005). Конструкция теплообменной трубки с цилиндрическими турбулизаторами рекомендована для использования в кожухотрубных теплообменниках, а также для воздухоподогревателей, калориферов, экономайзеров.

Introduction

Introduction. Heat exchangers are important equipment in modern heat supply. This equipment is very common. Modernization of shell-and-tube heat exchangers is an important direction. The purpose of modernization is to increase the heat transfer coefficient. A heat exchanger which tubes are equipped with plates was developed. Cylindrical turbulators (ribs) are located on the plates. The experiment is important for the development of a new heat exchanger. The experimental conditions correspond to the real heat supply system.

Materials and methods

Materials and methods. The full-scale stand was used for the experiment. The stand represents an independent heating system of the building. The planning of the experiment is based on the temperature schedule of the boiler house and the temperature schedule for the consumer. Mathematical processing of the results was carried out.

Results

Results. For a heat exchanger (with turbulators), the values of the heat transfer coefficient were obtained at different outdoor temperatures during the heating period. The dependences of the heat transfer coefficient on the temperature difference are obtained. This was done at coolant velocities in the annular space of 0.16 and 0.32 m/s. Discrepancies are adequate, statistically significantly describe the results of the experiment. The heat transfer coefficient of the heat exchanger (with turbulators) turned out to be greater than that of the serial one. This parameter is 22 % more at a speed of 0.16 m/s, 23 % more at a speed of 0.32 m/s on average for the heating period.

Conclusions

Conclusions. The heat transfer coefficient increased for the heat exchanger with turbulators by an average of 23 %. The turbulence of the coolant affects this increase. The dimensions will be much smaller for such a heat exchanger than for an apparatus with smooth tubes. Tube with cylindrical turbulators is recommended for use in different equipment. This can be used in shell-and-tube heat exchangers, air heaters, heaters, economizers.

теплообменниккожухотрубныйтурбулизациятеплоносителькоэффициент теплопередачитеплоснабжениетурбулизаторэкспериментheat exchangershell-and-tubeturbulizationcoolantheat transfer coefficientheat supplyturbulatorexperimentРабота выполнена в рамках реализации федеральной программы поддержки университетов «Приоритет 2030» с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова. Исследования проводились в рамках гранта Президента Российской Федерации для ведущей научной школы № НШ-25.2022.4 с использованием оборудования Центра высоких технологий БГТУ В.Г. Шухова.The work was realized in the framework of the Program “Priority 2030” on the base of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. The work was realized using equipment of High Technology Center at BSTU named after V.G. Shukhov. The research was carried out within the framework of the Grant of the President of the Russian Federation for the leading scientific school No. NSh-25.2022.4 using the equipment of the Center for High Technologies of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov.ReferencesО состоянии теплоэнергетики и централизованного теплоснабжения в Российской Федерации в 2020 г. // Новости теплоснабжения. 2022. № 3 (231). С. 12–22.On the state of heat power engineering and centralized heat supply in the Russian Federation in 2020. Heat Supply News. 2022; 3(231):12-22. (rus.).Жаров А.В., Павлов А.А., Фавстов В.С., Горшков Р.В. Исследование процессов в теплообменнике-утилизаторе теплоты отработанных газов дизельной когенерационной установки транспортного средства методами компьютерной гидрогазодинамики // Фундаментальные исследования. 2013. № 10–15. С. 3321–3327. EDN SWOBNV.Zharov A.V., Pavlov A.A., Favstov V.S., Gorshkov R.V. Research of heat exchanger utilizers fulfilled gases of diesel cogeneration unit vehicle method of computer fluid dynamics. Fundamental Research. 2013; 10-15:3321-3327. EDN SWOBNV. (rus.).Букин В.Г., Хо В.Х. Повышение эффективности теплообмена в кожухотрубных испарителях судовых холодильных установок // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2013. № 1. С. 90–94. EDN PWXXIN.Bukin V.G., Ho V.H. Improving heat transfer efficiency of shell and tube evaporators of marine refrigerating installations. Vestnik AGTU. Marine engineering and Technology. 2013; 1:90-94. EDN PWXXIN. (rus.).Rădulescu S., Negoiţă L.I., Onuţu I. Analysis of the heat transfer in double and triple concentric tube heat exchangers // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 147. P. 012148. DOI: 10.1088/1757-899X/147/1/012148Rădulescu S., Negoiţă L.I., Onuţu I. Analysis of the heat transfer in double and triple concentric tube heat exchangers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016; 147:012148. DOI: 10.1088/1757-899X/147/1/012148Ajithkumar M.S., Ganesha T., Math M.C. Analysis to study the effects of inclined baffles on fluid flow in a shell and tube heat exchanger // International Journal of Research in Advent Technology. 2014. Vol. 2. Issue 7. Pp. 164–175. DOI: 10.22055/jacm.2020.32925.2103Ajithkumar M.S., Ganesha T., Math M.C. Analysis to Study the Effects of Inclined Baffles on Fluid Flow in a Shell and Tube Heat Exchanger. International Journal of Research in Advent Technology. 2014; 2(7):164-175. DOI: 10.22055/jacm.2020.32925.2103Mellal M., Benzeguir R., Sahel D., Ameur H. Hydro-thermal shell-side performance evaluation of a shell and tube heat exchanger under different baffle arrangement and orientation // International Journal of Thermal Sciences. 2017. Vol. 121. Pp. 138–149. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.07.011Mellal M., Benzeguir R., Sahel D., Ameur H. Hydro-thermal shell-side performance evaluation of a shell and tube heat exchanger under different baffle arrangement and orientation. International Journal of Thermal Sciences. 2017; 121:138-149. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.07.011Swapnil S.K., Barve Shivprakash B. Effect of different types of baffles on heat transfer & pressure drop of shell and tube heat exchanger : a review // International Journal of Current Engineering and Technology. 2017. Vol. 7. Pp. 358–362.Swapnil S.K., Barve Shivprakash B. Effect of Different types of Baffles on Heat Transfer & Pressure Drop of Shell and Tube Heat Exchanger : a review. International Journal of Current Engineering and Technology. 2017; 7:358-362.Gurram V.T., Rao K.V.N. Numerical investigation on heat transfer and fluid flow of shell-side for shell and tube heat exchanger with hexagonal vent baffle by using CFD // International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2017. Vol. 8. Issue 5. Pp. 995–1009.Gurram V.T., Rao K.V.N. Numerical investigation on heat transfer and fluid flow of shell-side for shell and tube heat exchanger with hexagonal vent baffle by using CFD. International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2017; 8(5):995-1009.Patil P.C., Deshmukh M.S. Performance improvement of heat exchanger using slotted baffle // International Journal of Current Engineering and Technology. 2011. Vol. 5. Pp. 161–164. DOI: 10.14741/ijcet/22774106/spl.5.6.2016.31Patil P.C., Deshmukh M.S. Performance improvement of heat exchanger using slotted baffle. International Journal of Current Engineering and Technology. 2011; 5:161-164. DOI: 10.14741/ijcet/22774106/spl.5.6.2016.31Pandey L., Singh S. Numerical analysis for heat transfer augmentation in a circular tube heat exchanger using a triangular perforated Y-shaped insert // Fluids. 2021. Vol. 6. Issue 7. DOI: 10.3390/fluids6070247Pandey L., Singh S. Numerical analysis for heat transfer augmentation in a circular tube heat exchanger using a triangular perforated Y-shaped insert. Fluids. 2021; 6(7). DOI: 10.3390/fluids6070247Xu S., Zheng J., Jian Y. Spiral tube type fused salt direct-flow heat exchanger // State Intellectual Property Office of the P.R.C. 2021. Vol. 185. Pp. 95–101.Xu S., Zheng J., Jian Y. Spiral tube type fused salt direct-flow heat exchanger. State Intellectual Property Office of the P.R.C. 2021; 185:95-101.Xu W., Liu Z., Huang S., Zhuang Y. Evaluation and development of a predictive model for conjugate phase change heat transfer of energy storage system partially filled with porous media // Energy Storage and Saving. 2022. Vol. 1. Issue 4. Pp. 293–308. DOI: 10.1016/j.enss.2022.08.001Xu W., Liu Z., Huang S., Zhuang Y. Evaluation and development of a predictive model for conjugate phase change heat transfer of energy storage system partially filled with porous media. Energy Storage and Saving. 2022; 1(4):293-308. DOI: 10.1016/j.enss.2022.08.001Круглов Г.А., Бакунин В.В., Андреева М.В. Теоретические исследования взаимосвязи степени турбулизации потока с коэффициентом теплоотдачи // Вестник КрасГАУ. 2015. № 6 (105). С. 67–73. EDN UDTLYH.Kruglov G.A., Bakunin V.V., Andreeva M.V. Theoretical studies of the interrelation of the flow turbulization degree with the heat irradiation coefficient. Bulletin of KrasSAU. 2015; 6(105):67-73. EDN UDTLYH. (rus.).Jalil S.A., ElKabbash M., Zhang J., Singh S., Zhan Z., Guo C. Multipronged heat-exchanger based on femtosecond laser-nano/microstructured Aluminum for thermoelectric heat scavengers // Nano Energy. 2020. Vol. 75. P. 104987. DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104987Jalil S.A., ElKabbash M., Zhang J., Singh S., Zhan Z., Guo C. Multipronged heat-exchanger based on femtosecond laser-nano/microstructured Aluminum for thermoelectric heat scavengers. Nano Energy. 2020; 75:104987. DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104987Luo C., Song K.W., Tagawa T. Heat transfer enhancement of a double pipe heat exchanger by co-twisting oval pipes with unequal twist pitches // Case Studies in Thermal Engineering. 2021. Vol. 28. P. 101411. DOI: 10.1016/j.csite.2021.101411Luo C., Song K.W., Tagawa T. Heat transfer enhancement of a double pipe heat exchanger by Co-Twisting oval pipes with unequal twist pitches. Case Studies in Thermal Engineering. 2021; 28:101411. DOI: 10.1016/j.csite.2021.101411Lindqvist K., Skaugen G., Meyer O.H.H. Plate fin-and-tube heat exchanger computational fluid dynamics model // Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 189. P. 116669. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116669Lindqvist K., Skaugen G., Meyer O.H.H. Plate fin-and-tube heat exchanger computational fluid dynamics model. Applied Thermal Engineering. 2021; 189:116669. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116669Abu-Hamdeh N.H., Alsulami R.A., Rawa M.J.H., Aljinaidi A.A., Alazwari M.A., Eltaher M.A. et al. A detailed hydrothermal investigation of a helical micro double-tube heat exchanger for a wide range of helix pitch length // Case Studies in Thermal Engineering. 2021. Vol. 28. P. 101413. DOI: 10.1016/j.csite. 2021.101413Abu-Hamdeh N.H., Alsulami R.A., Rawa M.J.H., Aljinaidi A.A., Alazwari M.A., Eltaher M.A. et al. A detailed hydrothermal investigation of a helical micro double-tube heat exchanger for a wide range of helix pitch length. Case Studies in Thermal Engineering. 2021; 28:101413. DOI: 10.1016/j.csite. 2021.101413Кунтыш В.Б., Сухоцкий А.Б., Яцевич А.В. Тепловая эффективность вихревой интенсификации теплоотдачи газового потока при продольном и поперечном обтекании круглотрубных поверхностей. Часть 1 // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2015. № 3. С. 68–75. EDN TXJDOV.Kuntysh V.B., Sukhotskiy A.B., Yatsevich A.V. Thermal effectiveness of the gas flow vortical heat-release intensification at axial and transversal flowing-around the round-tubular surfaces. Part 1. Energetika. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations. 2015; 3:68-75. EDN TXJDOV. (rus.).Исаев С.А., Леонтьев А.И., Корнев Н.В., Хассель Э., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена при ламинарном и турбулентном течении в узком канале с однорядными овальными лунками // Теплофизика высоких температур. 2015. Т. 53. № 3. С. 390. DOI: 10.7868/S0040364415030060. EDN TQQVTX.Isaev S.A., Leontiev A.I., Kornev N.V., Hassel E., Chudnovskii Y.P. Heat transfer intensification for laminar and turbulent flows in a narrow channel with one-row oval dimples. Teplofizika Vysokikh Temperatur. 2015; 53(3):390. DOI: 10.7868/S0040364415030060. EDN TQQVTX. (rus.).Исаев С.А., Грицкевич М.С., Леонтьев А.И., Попов И.А., Судаков А.Г. Аномальная интенсификация турбулентного отрывного течения в наклоненных однорядных овально-траншейных лунках на стенке узкого канала // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 5. С. 797–800. DOI: 10.1134/S0040364419040082. EDN DSKPAK.Isaev S.A., Popov I.A., Gritckevich M.S., Sudakov A.G., Leontiev A.I. Anomalous intensification of a turbulent separated flow in inclined, single-row, oval-trench dimples on the wall of a narrow channel. Teplofizika Vysokikh Temperatur. 2019; 57(5):797-800. DOI: 10.1134/S0040364419040082. EDN DSKPAK. (rus.).Никулин Н.Ю., Шеремет Е.О., Алифанова А.И., Яковлев В.А. Определение геометрии поверхности теплообмена измененной формы в кожухотрубном теплообменнике // Вестник гражданских инженеров. 2022. № 6 (95). С. 117–124. DOI: 10.23968/1999-5571-2022-19-6-117-124. EDN ZVKFRN.Nikulin N.U., Sheremet E.O., Alifanova A.I., Yakovlev V.A. Determining the geometry of the modified shape heat transfer surface in the shell-and-tube heat exchanger. Bulletin of Civil Engineers. 2022; 6(95):117-124. DOI: 10.23968/1999-5571-2022-19-6-117-124. EDN ZVKFRN. (rus.).Кущев Л.А., Никулин Н.Ю., Овсянников Ю.Г., Алифанова А.И. Современные способы интенсификации работы кожухотрубных теплообменных аппаратов систем теплоснабжения // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2018. Т. 8. № 2 (25). С. 130–140. EDN USULIA.Kushchev L.A., Nikulin N.Yu., Ovsyannikov Yu.G., Alifanova A.I. Modern methods for the intensification of shell and tube heat exchangers in heat supply systems. Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real Estate. 2018; 8(2):(25):130-140. EDN USULIA. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.