Влияние геометрических параметров на теплогидродинамическую эффективность конических теплообменников типа «труба в трубе»

АКТУАЛЬНОСТЬ работы состоит в исследовании влияния угла при вершине конуса на эффективность процесса теплообмена путем сравнения нескольких вариантов змеевиковых теплообменных аппаратов (ТА) типа «труба в трубе». Поиск оптимальной геометрии, включая форму корпуса и использование интенсификаторов, совершенствование методов расчёта, позволяющих точно прогнозировать поведение аппаратов.

ЦЕЛЬ. Установление зависимости между углом при вершине конуса и теплогидродинамической эффективности аппаратов и оценка эффективности замены гладкостенного теплообменного элемента на пружинно-витой канал.

МЕТОДЫ. Для достижения поставленной цели был проведён анализ научно-технической литературы, по результатам которого сформированы границы исследуемого параметра. Решение сопряжённой задачи теплообмена выполнялось средствами программного комплекса CFD Ansys Fluent.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Температура нагреваемого теплоносителя достигла своего максимального значения для варианта цилиндрического ТА и составила 53,44°С. Однако, сравнение конических и цилиндрических ТА по критерию Кирпичева показывает преимущество первых: конический теплообменник с углом при вершине равным 50° показал значение 17,92 против 15,7 у цилиндрического, что свидетельствует о более высоких энергетических показателях конической конфигурации. Замена гладкой трубы на пружинно-витой канал приводит к увеличению конечной температуры нагреваемого теплоносителя до 61,3 °С, что на 11,97 °С выше исходного значения. При этом коэффициент эффективности Кирпичева для данного теплообменника достиг 18,32.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В рамках проведённого исследования были выполнены расчёты конических змеевиковых ТА типа «труба в трубе» на основе гладкостенного элемента круглого сечения. Установлено, что рост угла при вершине конуса оказывает заметное влияние на процессы теплообмена, причём наиболее выраженным это воздействие становится в диапазоне от 50° до 70°. На основании совокупности полученных данных авторы принимают значение угла при вершине конуса равным 50° оптимальным. Подтверждается техническая и энергетическая целесообразность применения конических теплообменников на базе пружинно-витых каналов.

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

2. Патент РФ №2115876 на изобретение МПК F28D 7/00 Теплообменник типа «труба в трубе» / А. Л. Коптелов - №96101976/06 заявл. 01.02.96; опубл. 20.07.98

3. Mishra, T. N. Modeling and CFD Analysis of Tube in Tube Helical Coil Heat Exchanger. (2015)

4. Faridi Khouzestani, Reza & Ghafouri, Ashkan & Halalizade, Mahmood. (2021). Numerical study of the effects of geometric parameters and nanofluid properties on heat transfer and pressure drop in helical tubes. SN Applied Sciences. 3. 10.1007/s42452-021-04701-6.

5. Nashine, Prerana & Singh, Thokchom. (2021). EFFECT OF DEAN NUMBER ON THE HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF A HELICAL COIL TUBE WITH VARIABLE VELOCITY & PRESSURE INLET. Journal of Thermal Engineering. 6. 128-139. 10.18186/thermal.729149.

6. Purandare, P., Lele, Dr M., Gupta, R.: Experimental investigation on heat transfer and pressure drop of conical coil heat exchanger. Thermal science 20 (6), 2087-2099 (2016).

7. Pramond S. Purandare, Mandar M. Lele and Raj K. Gupta: Experimental Investigation on heat transfer and pressure drop of conical coil heat exchanger. Thermal Science, year 2016, vol. 20 №6, pp. 2087-2099.

8. 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

9. Abdelmagied, M. Investigation of fluid flow and heat transfer in annulus conical tubes. Discov Appl Sci 8, 128 (2026). https://doi.org/10.1007/s42452-025-07974-3

10. 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

11. 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

12. 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.

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. 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 10.30724/19989903-2024-26-6-214-226. – EDN MIDCGA.

15. Я Д. Золотоносов, А.Я. Золотоносов, Е.К. Вачагина, Е.В. Варсегова. Инновационные теплообменные аппараты. Конструкции. Расчет. Казань: Изд-во Казанск. гос. архитект.-строит. ун-та, 2021. –ISBN 978-5-7829-0586-6.

16. Крутова И.А., Золотоносов Я.Д. Расчет змеевиковых теплообменников с изменяющимся радиусом изгиба винтовой спирали // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2026. Т. 28. № 1. С. 179-194. doi: 10.30724/1998-9903-2026-281-179-194.