Детальная информация

Работа посвящена разработке и программной реализации алгоритмизированной методики теплогидравлического расчета кожухотрубных теплообменных аппаратов с профилированными витыми эллиптическими трубами. На основе систематического обзора международных и российских научных публикаций выполнен критический анализ существующих подходов к определению коэффициентов конвективной теплоотдачи и гидравлического сопротивления в трубном и межтрубном пространствах. Рассмотрены ключевые аспекты проектирования витых труб, включая влияние геометрических параметров (шаг витка, отношение осей эллиптического сечения), режимов течения (ламинарный, переходный, турбулентный) и теплофизических свойств рабочих сред на интенсивность теплопередачи. Проанализированы математические модели и эмпирические корреляции, в частности зависимости Дзюбенко, Иевлева, Тана и других авторов, а также обобщены результаты экспериментальных исследований и CFD-моделирования, представленные в открытых источниках. Особое внимание уделено ограничениям классических методик, разработанных для прямых труб, и необходимости их адаптации к витым конфигурациям с учетом вторичных течений, центробежных эффектов и неравномерного распределения температурных полей. Выявлено, что применение витых труб обеспечивает рост общего коэффициента теплопередачи при умеренном увеличении гидравлического сопротивления, что подтверждается сравнительным анализом с традиционными кожухотрубными аппаратами. Отмечены конструкционные и эксплуатационные преимущества витых теплообменников: компактность, повышенная виброустойчивость, сниженная склонность к образованию отложений. Проведена систематизация и сопоставительная оценка точности, трудоемкости и границ применимости рассмотренных методик в реальных промышленных условиях. В практической части работы разработан итерационный алгоритм теплового и гидравлического расчета, обеспечивающий автоматизированный выбор оптимальной корреляции в зависимости от режимных и геометрических параметров. Алгоритм реализован в виде программного модуля в среде MS Excel, структура которого включает блоки ввода исходных данных, определения теплофизических свойств, итерационного расчета коэффициента теплопередачи и гидравлических потерь, а также выбора конфигурации кожуха. Результаты работы формируют методическую основу для выбора оптимальных расчетных подходов с учетом технологических требований, режимов эксплуатации и целевых показателей энергоэффективности.

This work is devoted to the development and software implementation of an algorithmized methodology for the thermohydraulic calculation of shell-and-tube heat exchangers with profiled twisted elliptical tubes. Based on a systematic review of international and Russian scientific publications, a critical analysis of existing approaches to determining convective heat transfer coefficients and hydraulic resistance in both the tube-side and shell-side spaces has been carried out. Key aspects of twisted tube design are considered, including the influence of geometric parameters (twist pitch, axis ratio of the elliptical cross-section), flow regimes (laminar, transitional, turbulent), and thermophysical properties of the working media on heat transfer intensity. Mathematical models and empirical correlations, particularly the dependencies proposed by Dzyubenko, Ievlev, Tan, and other authors, have been analyzed, and the results of experimental studies and CFD modeling available in open sources have been summarized. Special attention is paid to the limitations of classical methodologies developed for straight tubes and the necessity of adapting them to twisted configurations, accounting for secondary flows, centrifugal effects, and non-uniform temperature field distribution. It has been revealed that the application of twisted tubes provides an increase in the overall heat transfer coefficient with a moderate rise in hydraulic resistance, which is confirmed by a comparative analysis with conventional shell-and-tube heat exchangers. The design and operational advantages of twisted tube heat exchangers are highlighted, including compactness, enhanced vibration resistance, and reduced susceptibility to fouling. A systematization and comparative assessment of the accuracy, labor intensity, and applicability limits of the considered methodologies under real industrial conditions have been conducted. In the practical part of the work, an iterative algorithm for thermal and hydraulic calculation has been developed, enabling the automated selection of the optimal correlation depending on operating and geometric parameters. The algorithm is implemented as a software module in the MS Excel environment, with a structure comprising blocks for input data, determination of thermophysical properties, iterative calculation of the overall heat transfer coefficient and hydraulic losses, as well as the selection of the shell configuration. The results of the work form a methodological basis for selecting optimal calculation approaches, considering technological requirements, operating conditions, and target energy efficiency indicators.