probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2026-28-1-179-194probener-3764Research ArticleТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКАTHEORETICAL AND APPLIED HEAT ENGINEERINGРасчет змеевиковых теплообменников с изменяющимся радиусом изгиба винтовой спиралиCalculation of coil heat exchangers with variable bending radius of a helical spiralhttps://orcid.org/0000-0001-9485-3116КрутоваИ. А.KrutovaI. A.

Крутова Ираида Александровна – аспирант

г. Казань

Iraida A. Krutova

Kazan

iraida_knyazeva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1773-8605ЗолотоносовЯ. Д.ZolotonosovYa. D.

Золотоносов Яков Давидович – д-р техн. наук, профессор

г. Казань

Yakov D. Zolotonosov

Kazan

zolotonosov@mail.ruКазанский государственный архитектурно-строительный университетРоссияKazan State University of Architecture and EngineeringRussian Federation202628032026281179194Copyright © Крутова И.А., Золотоносов Я.Д., 20262026Крутова И.А., Золотоносов Я.Д.Krutova I.A., Zolotonosov Y.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3764

АКТУАЛЬНОСТЬ исследования заключается в разработке методики инженерного расчета современных змеевиковых теплообменных аппаратов на базе инновационных теплообменных элементов виде пружинно-витого канала.ЦЕЛЬ. Проведение расчетов змеевиковых теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» с изменяющимся радиусом изгиба винтовой спирали на базе пружинно-витых каналов и оценка энергетической эффективности таких аппаратов по сравнению с гладкостенными аналогами.МЕТОДЫ. В рамках работы скорректирован инженерный расчет конического змеевикового аппарата, основанный на теоретических исследованиях и решении сопряженной задачи теплообмена, и включает в себя уравнения модифицированного поправочного коэффициента Иешке, критериальные уравнения для расчета теплообмена с нагревающейся (горячей) и нагреваемой (холодной) водой, определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи через теплообменную поверхность. Предложенные коэффициенты критериального уравнения позволяют с высокой точностью проводить сравнительный анализ эффективности змеевиковых теплообменных аппаратов на базе пружинно-витых каналов, учитывая разнообразие их конфигураций.РЕЗУЛЬТАТЫ. В змеевиковом теплообменнике с пружинно-витыми трубами температура нагреваемого теплоносителя выше на 8,88°С (60,98°С против 52,1°С) по сравнению с гладкостенными трубами. Коэффициент теплопередачи у пружинно-витых труб (1543 Вт/(м²·К)) выше за счет турбулентности и вторичных потоков. Превосходство пружинно-витых каналов подтверждается более высоким значением критерия Кирпичева (17,83) по сравнению с гладкостенными аналогами (14,77), что характеризует их улучшенные энергетические показатели.ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Были проведены расчеты змеевиковых теплообменников типа «труба в трубе» с изменяющимся радиусом изгиба спирали на базе двух вариантов теплообменных элементов: пружинно-витого-канала и гладкой трубы. Полученные данные согласуются с результатами математического моделирования и подтверждают техническую и энергетическую целесообразность замены гладких трубок на пружинно-витые в конструкциях теплообменных аппаратов. Это позволяет повысить тепловую производительность системы и снизить эксплуатационные энергозатраты на перемещение теплоносителя, что приводит к значительному увеличению общей энергоэффективности системы.

RELEVANCE. Due to the significant variety of configurations of heat exchange elements and designs of heat exchangers, coefficients of the criterion equation are proposed, which allows for a more accurate comparative evaluation of the efficiency of coil heat exchangers based on springtwisted channels.THE PURPOSE. Carrying out calculations of coil heat exchangers of the "pipe in a pipe" type with a variable bending radius of a helical spiral based on spring-twisted channels and evaluating the energy efficiency of such devices in comparison with smooth-walled analogues.OBJECT of this study is a conical apparatus with coaxially mounted coil tubes. In this case, the inner tube is made in the form of a spring-twisted channel of circular cross-section, and the outer one is made of smooth pipe.METHODS. As part of the work, the engineering calculation of the conical coil apparatus has been adjusted, based on theoretical research and solving the related heat exchange problem, and includes the equations of the modified Ieshke correction factor, criterion equations for calculating heat exchange with heated (hot) and heated (cold) water, and the determination of heat transfer and heat transfer coefficients through the heat exchange surface.RESULTS. In a coil heat exchanger with spring-wound pipes, the temperature of the heated coolant is 8.88°C (60.98°C versus 52.1°C) higher than in smooth-walled pipes. The thermal efficiency of such structures is higher: the power is 25.6 kW at a drop of 20.7°C versus 23.5 kW and 20.4°C, respectively. Heat transfer coefficient of spring-twisted pipes (1543 W/(m2·K)) higher due to turbulence and secondary flows. Hydrodynamic analysis shows a reduction in the cost of pumping heat carriers based on springtwisted channels to 1,438 Watts compared with 1,590 watts for smooth-walled structures. This is due to the shorter required length of the heat exchange element. The superiority of spring-twisted channels is confirmed by a higher value of the Kirpichev criterion (17,83) compared to smoothwalled analogues (14,77), which characterizes their improved energy performance.CONCLUSION. Calculations of coil heat exchangers of the "pipe in a pipe" type with a variable bending radius of the spiral were carried out on the basis of two variants of heat exchange elements: a spring-twisted channel and a smooth pipe, the data obtained are consistent with the results of mathematical modeling. The results of the calculation confirm the technical and energy feasibility of replacing smooth tubes with spring-twisted tubes in the designs of heat exchangers. This modification makes it possible to simultaneously increase the thermal performance of the system and reduce the operational energy consumption for moving the coolant, which leads to a significant increase in the overall energy efficiency of the system. Thus, the use of spring-wound elements in heat exchangers is an innovative solution that improves the efficiency and reliability of heat exchange technology.

теплообменгидродинамиказмеевиковый теплообменный аппаратпружинно-витой каналинженерный расчетheat transferhydrodynamicscoil heat exchangerspring-twisted channelengineering calculationReferencesБагоутдинова, А.Г., Золотоносов Я.Д. Змеевиковые теплообменники. Моделирование, расчет. / А.Г. Багоутдинова, Я.Д. Золотоносов - Казань- КГАСУ, 2016.-245 с.Bagoutdinova, A.G., Zolotonosov, Ya.D. Coil heat exchangers. Modeling, calculation. / A.G. Bagoutdinova, Ya.D. Zolotonosov - Kazan- KGASU, 2016.-245 p.Sheeba, A., Akhil, R., Prakash, J.: Heat Transfer and Flow Characteristics of a Conical Coil Heat Exchanger. International Journal of Refrigeration, 110, 268-276 (2020).Sheeba, A., Akhil, R., Prakash, J.: Heat Transfer and Flow Characteristics of a Conical Coil Heat Exchanger. International Journal of Refrigeration, 110, pp.268-276 (2020).Khurana, Hitesh & Majumdar, Rudrodip & Saha, Sandip. (2021). Numerical investigation on the performance of the helical and conical coil heat exchanger configurations in the dynamic mode of heat extraction. 10.1063/5.0134122.Khurana, Hitesh & Majumdar, Rudrodip & Saha, Sandip. (2021). Numerical investigation on the performance of the helical and conical coil heat exchanger configurations in the dynamic mode of heat extraction. 10.1063/5.0134122.Крутова, И. А. Решение сопряженной задачи теплообмена для конических теплообменных аппаратов / И. А. Крутова, Я. Д. Золотоносов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2024. – Т. 26, № 6. – С. 214-226. – DOI 10.30724/1998-9903-2024-26-6-214-226. – EDN MIDCGA.Krutova, I. A. Solution of the conjugate problem of heat exchange for conical heat exchangers / I. A. Krutova, Ya. D. Zolotonosov // News of higher educational institutions. Energy problems. – 2024. – Vol. 26, No. 6. – pp. 214-226. – DOI 10.30724/1998-9903-2024-26-6-214-226. – EDN MIDCGAКрутова И. А., Золотоносов Я. Д. Компьютерное моделирование гидродинамики и теплообмена в конических змеевиковых теплообменниках типа «труба в трубе» // Известия КГАСУ. 2020. № 3 (53). С. 65–73.Krutova I. A., Zolotonosov Ya. D. Computer modeling of hydrodynamics and heat transfer in conical coil heat exchangers of the "pipe in a pipe" type // Izvestiya KGASU. 2020. No. 3 (53). pp. 65-73.Solution of conjugate problem in a conical coil heat exchanger Iraida Krutova and Yakov Zolotonosov IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 890 (2020) 012156 IOP PublishingSolution of conjugate problem in a conical coil heat exchanger Iraida Krutova and Yakov Zolotonosov IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 890 (2020) 012156 IOP PublishingAli, M., Rad, M. M., Nuhait, A., Almuzaiqer, R., Alimoradi, A., & Iskander, T. (2019). New equations for Nusselt number and friction factor of the annulus side of the conically coiled tubes in tube heat exchangers. Applied Thermal Engineering. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114545Ali, M., Rad, M. M., Nuhait, A., Almuzaiqer, R., Alimoradi, A., & Iskander, T. (2019). New equations for Nusselt number and friction factor of the annulus side of the conically coiled tubes in tube heat exchangers. Applied Thermal Engineering. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114545Abdelmagied, M. Investigation of a tube in tube conically coil heat exchanger thermal and fluid flow performance characteristics. Int. J. Air-Cond. Ref. 33, 7 (2025). https://doi.org/10.1007/s44189-025-00071-5Abdelmagied, M. Investigation of a tube in tube conically coil heat exchanger thermal and fluid flow performance characteristics. Int. J. Air-Cond. Ref. 33, 7 (2025). https://doi.org/10.1007/s44189-025-00071-5Mahmoud Mohammed Abdelmagied, Investigation of the triple conically tube thermal performance characteristics,International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 119, 2020, ISSN 0735-1933, https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104981.Mahmoud Mohammed Abdelmagied, Investigation of the triple conically tube thermal performance characteristics,International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 119, 2020, ISSN 0735-1933, https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104981.Md Atiqur Rahman, Review on heat transfer augmentation in helically coiled tube heat exchanger, International Journal of Thermofluids, Volume 24 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ijft.2024.100937Md Atiqur Rahman, Review on heat transfer augmentation in helically coiled tube heat exchanger, International Journal of Thermofluids, Volume 24 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ijft.2024.100937Муравьев А.В., Кожухов Н.Н., Прутских Д.А., Ильин В.К. Исследование теплогидравлических характеристик криволинейного канала с кольцевыми турбулизаторами // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2024. Т. 16. № 1 (61). С. 102-116.Muravyov A.V., Kozhukhov N.N., Prutskikh D.A., Ilyin V.K. Investigation of the thermohydraulic characteristics of a curved channel with annular turbulators // Bulletin of Kazan State Power Engineering University. 2024. Vol. 16. No. 1 (61). pp. 102-116.Крутова, И. А. Змеевиковые теплообменники типа "труба в трубе" на базе пружинновитых каналов / И. А. Крутова, Я. Д. Золотоносов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. – 2019. – № 4(50). – С. 297-304. – EDN WOQIJW.Krutova, I. A. Serpentine heat exchangers of the "pipe in a pipe" type based on spring-twisted channels / I. A. Krutova, Ya. D. Zolotonosov // Proceedings of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. – 2019. – № 4(50). – Pp. 297-304. – EDN WOQIJW.Золотоносов, Я. Д. Аналитическое Решение задачи теплообмена при течении вязких жидкостей в змеевиковых теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» / Я. Д. Золотоносов, Е. К. Вачагина // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2023. – № 3(771). – С. 95-109. – DOI 10.32683/0536-1052-2023-771-3-95-109. – EDN BIOHEV.Zolotonosov, Ya. D. Analytical solution of the problem of heat exchange during the flow of viscous liquids in pipe-in-pipe type coil heat exchangers / Ya. D. Zolotonosov, E. K. Vachagina // News of higher educational institutions. Construction. – 2023. – № 3(771). – Pp. 95-109. – DOI 10.32683/0536-1052-2023-771-3-95-109. – EDN BIOHEV.П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. Справочник по теплообменным аппаратам. – М.: Машиностроение, 1989, 368 с. стр. 193P.I. Bazhan, G.E. Kanevets, V.M. Seliverstov. Handbook of heat exchangers. – M.: Mashinostroenie, 1989, 368 p. p. 193Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Heat transfer. Moscow: Energoizdat, 1981. 416 p.Методика и зависимости для теоретического расчета теплообмена и гидравлического сопротивления теплообменного оборудования АЭС. РТМ 24.031.05-72. руководящий технический материал. Министерство тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения Москва. стр.67Methodology and dependencies for the theoretical calculation of heat transfer and hydraulic resistance of heat exchange equipment of nuclear power plants. RTM 24.031.05-72. technical guidance material. Ministry of Heavy, Energy and Transport Engineering Moscow. p.67

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