Интенсификация тепломассообменных процессов в испарительных градирнях

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский

технологический университет

И. Н. Мадышев, В. В. Харьков, А. Н. Николаев

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ 

ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ 

ПРОЦЕССОВ 

В ИСПАРИТЕЛЬНЫХ 

ГРАДИРНЯХ

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2022

УДК 66.045.5
ББК 35.112

М34

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. А. В. Дмитриев

д-р техн. наук, проф. И. А. Попов

М34

Мадышев И. Н.
Интенсификация тепломассообменных процессов в испарительных 
градирнях : монография / И. Н. Мадышев, В. В. Харьков, А. Н. Николаев; 
Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. –
Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 92 с.

ISBN 978-5-7882-3129-7

Представлены результаты теоретических и экспериментальных иссле-

дований охлаждения оборотной воды в разработанной испарительной градирне 
с наклонно-гофрированными контактными элементами, работающей по 
гибридной схеме.

Предназначена для студентов факультета пищевой инженерии, изучаю-

щих дисциплину «Процессы и аппараты пищевых производств» в рамках бакалаврской 
подготовки по направлению 19.03.02 «Продукты питания из растительного 
сырья», а также для специалистов, научных работников, преподавателей 
и аспирантов высших учебных заведений.

Подготовлена на кафедре оборудования пищевых производств.

ISBN 978-5-7882-3129-7
© Мадышев И. Н., Харьков В. В., 

Николаев А. Н., 2022

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2022

УДК 66.045.5
ББК 35.112

2

С о д е р ж а н и е

Введение......................................................................................................4
1. МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ
ПРОЦЕССОВ..............................................................................................5

1.1. Классификация существующих методов интенсификации 
теплообмена.............................................................................................5
1.2. Эффективность интенсификации конвективного теплообмена 
в трубах с различными типами завихрителей ......................................9

2. ОРГАНИЗАЦИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ В
ГРАДИРНЯХ ............................................................................................21

2.1. Особенности интенсификации технологического процесса 
охлаждения оборотной воды в градирнях ..........................................21
2.2. Обзор градирен для охлаждения оборотной воды......................25
2.4. Устройства для бесконтактного испарительного охлаждения 
оборотной воды.....................................................................................37
2.5. Аппараты с капельно-пленочным взаимодействием газа и 
жидкости................................................................................................41

3. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ
ТЕХНОЛОГИИ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ......................46

3.1. Гибридная схема охлаждения оборотной воды ..........................46
3.2. Использование блока оросителя градирни с наклонно-
гофрированными контактными элементами ......................................49

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОРОТНОЙ
ВОДЫ В ГИБРИДНОЙ ГРАДИРНЕ ......................................................54

4.1. Расчет тепломассообменной эффективности охлаждения 
оборотной воды в испарительной части гибридной градирни .........55
4.2. Расчет объемных коэффициентов  тепло- и массоотдачи..........60
4.4. Верификация численных расчетов гибридной градирни...........73

Заключение................................................................................................84
Список использованной литературы ......................................................85

3 

В в е д е н и е

На современных предприятиях химической, нефтяной, пищевой 

и других отраслей промышленности чистая холодная вода является 
важным и ценным ресурсом. Чтобы эффективно использовать этот ресурс, 
на каждом предприятии предусмотрены различные системы водооборота, 
которые включают в себя очистку и охлаждение использованной 
ранее воды. Для охлаждения оборотной воды используется различное 
оборудование, в том числе градирни, в которых охлаждение 
воды происходит при непосредственном контакте фаз за счет встречного 
потока холодного воздуха. Подобное оборудование широко используется 
на практике благодаря своей простоте, надежности и достаточной 
технологической эффективности 

На данный момент уровень развития техники градирен достиг та-

кой степени, что дальнейшее значительное улучшение требует комплексного 
подхода, а именно интенсификации теплообмена совместно 
с решением экологических проблем. По этой причине в последние годы 
все больше внимания уделяется исследованиям по повышению их эффективности 
с сохранением природных ресурсов. 

Исследование известных методов интенсификации процессов 

теплообмена в разрабатываемой конструкции гибридной градирни позволит 
определить наиболее эффективные режимы работы, а также влияние 
конструктивных элементов на эффективность охлаждения оборотной 
воды. В монографии представлены результаты численных и экспериментальных 
исследований гибридной градирни при различных конструктивных 
способах интенсификации тепломассообменных процессов. 
Кроме того, проведена оценка адекватности разработанного математического 
описания процесса охлаждения оборотной воды. 

Монография написана при финансовой поддержке гранта Россий-

ского научного фонда № 21-79-00001, https://rscf.ru/project/21-79-00001/. 

4 

1 .  М Е Т О Д Ы  И Н Т Е Н С И Ф И К А Ц И И
Т Е П Л О О Б М Е Н Н Ы Х  П Р О Ц Е С С О В

1 . 1 .
К л а с с и ф и к а ц и я  с у щ е с т в у ю щ и х  м е т о д о в

и н т е н с и ф и к а ц и и  т е п л о о б м е н а

В настоящее время разработаны и всесторонне исследуются раз-

личные методы интенсификации процессов теплообмена [1–3]. Принципиально 
их делят на три категории:

– пассивные методы;
– активные методы;
– составные (сложные) методы.
Пассивные методы обычно представляют собой поверхностные

или геометрические изменения канала течения, включая использование
вставок или дополнительных устройств. Они способствуют более высоким 
значениям коэффициентов теплообмена, нарушая или изменяя существующее 
поведение течения (за исключением развитых поверхностей), 
но они также приводят к увеличению гидравлического сопротивления. 
Пассивные методы не требуют подвода внешней энергии для интенсификации 
теплообмена, используют энергию самой системы, которая в конечном 
счете приводит к увеличению гидравлических потерь. 

Предложенная А. Е. Берглсом [4] классификация различных су-

ществующих интенсификаторов теплообмена и описание их основных 
особенностей приведены в табл. 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1

Пассивные методы интенсификации теплообмена

Пассивный метод
Описание

1
2

Обработанные
поверхности

Имеют мелкомасштабные изменения (деформации) 
за счет обработки или покрытия. Деформации 
могут быть непрерывными или дискретными. Обработанные 
поверхности используются при проведении 
процессов кипения и конденсации

Продолжение табл. 1.1

1
2

Шероховатые
поверхности

Способствуют образованию турбулентности в 
пристенной области потока, прежде всего в одно-
фазных потоках. В этих поверхностях происходит 
увеличение коэффициента теплообмена без изменения 
площади поверхности

Развитые
поверхности

Происходит организованное воздействие на поток,
увеличивается коэффициент теплообмена при увеличении 
площади поверхности

Перемешивающие 
устройства

Содержат вставки, которые используются при 
ограниченной принудительной конвекции, улучшают 
процесс переноса теплоносителя перпендикулярно 
от поверхности теплообмена в ядро потока


Закручивающие 
устройства

Это различные устройства, выполненные в виде 
шнеков, спиральных лент, витых каналов и т. д., 
предназначенные для ввода потока канала, способствующие 
закрутке потока и развитию вторичной 
циркуляции.
Используются 
для 
однофазных 

и двухфазных течений

Устройства
поверхностного 
натяжения

Это капиллярные или рифленые поверхности, которые 
направляют и увеличивают поток жидкости 
к поверхностям кипения и от поверхностей конденсации


Змеевики
Это устройства в виде закрученных труб для минимизации 
рабочего пространства, что приводит 
к получению более компактных теплообменников. 
Они производят вторичные потоки и вихри, которые 
обеспечивают более высокие коэффициенты 
теплообмена в однофазных потоках, а также 
в большинстве областей кипения

Добавки
для жидкостей

Добавки в виде твердых частиц, растворимых трассируемых 
веществ и пузырей, добавляемых в одно-
фазные потоки, которые обычно снижают поверхностное 
натяжение жидкости при кипении

Окончание табл. 1.1

1
2

Добавки
для газов

Представляют собой добавление капель или твердых 
частиц, которые вводятся в однофазные потоки 
как разведенная фаза (суспензия) или как 
плотная фаза (псевдоожиженный слой) для интенсификации 
теплообмена из-за контакта дисперсной 
фазы с теплообменной поверхностью

Активные методы (табл. 1.2) более сложны в осуществлении 

и использовании по сравнению с пассивными, так как требуют подвод 
энергии извне для модификации картины течения и интенсификации 
теплообмена. 

Таблица 1.2

Активные методы интенсификации теплообмена

Активный метод
Описание

Механическое смешение


Представляет собой использование различных перемешивающих 
устройств для жидкости или придание 
вращения поверхности теплообмена. К таким 
устройствам относятся вращающиеся трубчатые 
теплообменники, регенеративные теплообменники 
с вращающейся пластинчатой или проволочной 
насадкой, массообменные аппараты с погружными 
мешалками

Поверхностная
вибрация

Применяется в однофазных потоках, чтобы получить 
более высокие коэффициенты теплообмена.
Данный метод использует вибрацию низкой или 
высокой частоты, что для дисперсных систем способствует 
образованию псевдоожиженного слоя

Всасывание
Представляет собой удаление пара через пористую 
поверхность теплообмена при пузырьковом или 
пленочном кипении или удаление жидкой фазы через 
пористую поверхность теплообмена при одно-
фазном течении

Пульсация
жидкости

Используется для однофазных и двухфазных потоков. 
Частота изменяется от 1,0 Гц до 1,0 МГц

Окончание табл. 1.2

Электростатические 
поля

В теплообменных системах с диэлектрическими 
жидкостями создаются поля электрического или 
магнитного поля (или их комбинация). В зависимости 
от назначения поля способствуют лучшему 
смешиванию, принудительной конвекции или 
электромагнитному возбуждению для интенсификации 
теплообмена

Инжекция
Осуществляется за счет впрыскивания жидкой 
фазы в сплошную среду, или через пористую поверхность, 
или со стороны зоны теплообмена. Используется 
для однофазных течений

Ударная сила струи
Представляет собой струйный ввод нагреваемой 
или охлаждаемой жидкости нормально или 
наклонно к поверхности теплообмена

Большинство промышленных установок и устройств используют 

пассивные методы, поскольку реализация активных методов в производственных 
масштабах является дорогостоящей за счет высоких как 
капитальных, так и эксплуатационных затрат. 

Составные методы заключаются в комбинированном действии 

пассивных и активных методов для увеличения теплогидравлических 
характеристик теплообменного оборудования. Причем при одновременном 
действии двух и более методов происходит интенсификация 
теплообмена больше, чем при их индивидуальном действии. Очевидно, 
что составные методы имеют сложное конструктивное исполнение 
и дорогое обслуживание, что и ограничивает их широкое промышленное 
применение.

На основании приведенных методов можно обобщить существу-

ющие механизмы интенсификации теплообмена:

– использование развитой поверхности теплообмена;
– разрушение ламинарного подслоя в турбулентном погранич-

ном слое;

– ввод дополнительных потоков;
– стимуляция разделения пограничного слоя;
– активация отрывных течений;
– усиление эффективной теплопроводности жидкости в статиче-

ском и динамическом режимах;

– замедление роста толщины пограничного слоя;

– тепловое рассеяние;
– увеличение порядка молекул;
– изменение картины течения;
– изменение излучательной способности конвективной среды;
– увеличение разницы между температурами поверхности и ра-

бочей среды;

– пассивное увеличение расхода фаз;
– увеличение теплопроводности твердой фазы за счет использо-

вания наножидкостей.

1 . 2 .  Э ф ф е к т и в н о с т ь  и н т е н с и ф и к а ц и и  

к о н в е к т и в н о г о
т е п л о о б м е н а  в  т р у б а х

с р а з л и ч н ы м и  т и п а м и
з а в и х р и т е л е й

Одним из эффективных методов интенсификации теплообмена

является применение специальных турбулизирующих устройств – за-
вихрителей. Принцип работы заключается в следующем. Внутрь трубы 
устанавливаются винтовые вставки, которые сообщают потоку вращательное 
движение, за счет которого жидкость отбрасывается к стенкам 
трубы, вследствие чего по всей длине трубы возникают дополнительные 
завихрения. Эти завихрения способствуют увеличению средней 
скорости потока, что, в свою очередь, положительно влияет на интенсификацию 
теплообмена [5, 6]. Также интенсификация теплообмена 
достигается путем применения труб с различными видами накатки: поперечной 
кольцевой накаткой, спиральной накаткой, трубы с полусфе-
рическими выступами. Принцип работы поперечной
кольцевой 

накатки и полусферических выступов заключается в периодическом 
разрушении пограничного слоя, перемешивании и турбулизации пристенных 
слоев потока жидкости. Применение труб с внутренним спиральным 
оребрением позволяет использовать закрутку потока для турбулизации 
только пристенных слоев теплоносителя без дополнительного 
воздействия на весь поток.

Рассмотрим различные виды интенсификаторов и численным ме-

тодом выявим наиболее рациональный метод интенсификации при различных 
скоростях течения жидкости в трубе [7]. При расчетах теплообменника 
примем трубу диаметром 25х2,5 мм, длиной 1,2 м. 

Температура стенки трубы 80 °С. Средой служит вода со средней температурой 
45 °С. Средняя скорость движения теплоносителя в трубе изменится 
в пределах 0,50–1,25 м/с.

Гладкая труба без применения завихрителей. Найдем число 

Рейнольдса по формуле

0
Re
,
wd


=
(1.1)

где w – средняя скорость движения жидкости в трубе, м/с; d – диаметр 
трубы, м; ρ – плотность жидкости, кг/м3; µ – коэффициент динамической 
вязкости жидкости, Па·с.

Вычислим число Нуссельта:

0,25

0,8
0,43

0
1

Pr
Nu
0,021
Re
Pr
,
Prст




=






(1.2)

где ε1 – поправочный коэффициент, зависящий от отношения длины 
трубы к ее диаметру; Pr – число Прандтля.

Определим коэффициент теплоотдачи:

0

0

Nu
,
d


 =
(1.3)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К).

Гидравлическое сопротивление рассчитаем по формуле

2

0
,
2

тр

L w
P
d




=
(1.4)

где ξ – коэффициент трения; L – длина трубы, м.

Результаты расчетов выразим в виде табл. 1.3.
Труба с ленточным завихрителем. Рассмотрим трубу с приме-

нением ленточного завихрителя со значениями D/S, равными 0,05; 0,12; 
0,2; 0,24, и коэффициентами крутки завихрителя 0,7; 0,8; 0,9.

Вычислим число Рейнольдса:

0
Re
,
w d




=
(1.5)

где w – средняя скорость движения жидкости в трубе с завихрителем, м/с.

Таблица 1.3

Показатели параметров гладкой трубы

Наименование

параметра

Скорости течения жидкости в трубе w, м/с

0,50
0,75
1,00
1,25

Re0
16417,90
24626,80
32835,80
41044,70

Nu0
102,85
142,25
179,06
214,06

α0, Вт/(м2·К)
3296,21
4559,10
5739,00
6860,70

0
тр
P

, Па
311,04
680,42
1191,22
1843,26

Найдем число Нуссельта по формуле, приведенной в работе [8]:

0,25

0,8
0,43

0

Pr
Nu
0,021Re
Pr
,
Prст

K


=






(1.6)

где
5
1,2
1 1,13 10
Re
;
D
K
S

− 

= +






/
D S – отношение диаметра канала к шагу завихрителя.

По полученным результатам определяем, что наилучшими пока-

зателями обладает ленточный завихритель с отношением 
/
D S , рав-

ным 0,24, и коэффициентом крутки 0,7. 

Результаты расчетов представлены в табл. 1.4.
Отношение прироста коэффициента теплоотдачи относительно 

прироста гидравлического сопротивления рассмотрим по формуле

0

0

/
,
/
тр
тр

Е
Р
Р

 
= 

.
(1.7)

По результатам расчетов, приведенных в табл. 1.4, видно, что 

энергоэффективность ленточного завихрителя наблюдается при скорости 
течения жидкости в трубе, равной 0,75 м/с и выше.

Таблица 1.4

Показатели параметров труб с различными видами завихрителей 

Наименование

параметра

Скорости течения жидкости в трубе w, м/с

0,50
0,75
1,00
1,25

1
2
3
4
5

Ленточный завихритель

Re
17224,50
25836,70
34449,00
43061,20