Расчет змеевиковых теплообменников с изменяющимся радиусом изгиба винтовой спирали

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.

1. Багоутдинова, А.Г., Золотоносов Я.Д. Змеевиковые теплообменники. Моделирование, расчет. / А.Г. Багоутдинова, Я.Д. Золотоносов - Казань- КГАСУ, 2016.-245 с.

2. 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).

3. 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.

4. 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.

5. Крутова 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.

6. 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 Publishing

7. Ali, 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.2019.114545

8. Abdelmagied, 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/s44189-025-00071-5

9. 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.

10. 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.2024.100937

11. Муравьев 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.

12. 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.

13. 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.

14. П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. Справочник по теплообменным аппаратам. – М.: Машиностроение, 1989, 368 с. стр. 193

15. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.

16. 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.67