1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы

Интенсификация теплообмена для теплообменных аппаратов на основе труб достигается развитием их теплообменных поверхностей или созданием интенсификаторов теплообменных процессов. На практике наибольшее распространение получило развитие наружной поверхности теплообменных труб за счет оребрения. Однако, увеличение площади наружной теплообменной поверхности, при гладкой внутренней поверхности, например, в 10 раз, приводит к увеличению коэффициента теплопередачи менее, чем в два раза. Аналогичного повышения тепловой эффективности можно достичь, увеличивая одновременно в два раза площадь как наружной, так и внутренней поверхности. Внутреннее развитие поверхности труб или создание на ней интенсификаторов теплообмена является перспективным направлением повышения эффективности теплообменных аппаратов и сниже­ния их металлоемкости, однако является сложной технологической задачей [1].

Макро- или микрорельеф на внутренней поверхности труб позволяет повысить компактность и эффективность теплообменных аппаратов. Его использование целесообразно в теплообменных аппаратах промышленных холодильных, кондиционирующих и криогенных установок, теплообменниках для химической промышленности и тепловых станций, воздухонагревателей, конденсаторов погружного охлаждения электронной техники и т.п.

Ведущие зарубежные производители теплообменной аппаратуры применяют в своих изделиях теплообменные трубы с внутренним рифлением с количеством спиральных ребер (канавок) по окружности от 2-х до 60 и углом наклона канавок к оси до 60˚. Высота макрорельефа составляет обычно десятые доли миллиметра, что не позволяет увеличивать площадь внутренней теплообменной поверхности более, чем на десятки процентов. Основной целью создания такого макрорельефа является интенсификация теплообмена за счет разрушения пристеночного слоя при закручивании потока, проходящего через винтовые выступы.

Существует ограниченное количество методов получения внутреннего макрорельефа, которые можно отнести к обработке резанием и обработке давлением.

Развитие поверхности в виде оребрения методами лезвийной обработки используется крайне редко, ввиду невысокой производительности, наличию отходов в виде стружки и малым диапазоном типоразмеров получаемого внутреннего рельефа.

Получение труб с внутренним макрорельефом из лент основано на предварительной накатке макрорельефа на ленте рифлеными роликами или гофрировании ленты. В дальнейшем из ленты формируется трубная заготовка с последующей прямой или спиральной шовной сваркой. Получение труб из ленточных заготовок можно условно отнести к сборочным методам. На практике используются способы по патентам США [2-4] и др.

 Для получения макрорельефа на внутренней поверхности труб в подавляющем большинстве случаев используются высокопроизводительные методы обработки давлением, однако, это обуславливает необходимость применения специализированного дорогостоящего оборудования.

При получении канавок на уже готовой трубе известно использование дорнования. Рифления на формообразующей поверхности дорна продавливают канавки на внутренней поверхности трубы. Дорн устанавливается на штанге и вытягивается из трубы.

Оригинальным является формирование внутреннего рельефа “плавающим” дорном, не требующим штанги для удержания дорна внутри трубы [5].  Дорн состоит из двух частей (рис. 1). Отсутствие осевого перемещения дорна при протягивании трубной заготовки обеспечивается гладкой частью 1 и фильерой 3, редуцирующими трубу. Рифленая часть дорна 2 совместно с фильерой 4 формирует канавки на внутренней поверхности трубы.

Силы, необходимые для протягивания трубы значительны, что требует обильной смазки. Имеются модификации этого метода, для снижения силы волочения, когда вместо фильер 3 и 4 используется обкатка шариками или роликами, расположенными в обойме. В силу ряда технологических проблем, часто приводящих к разрыву трубной заготовки, метод используется ограниченно.

Наибольшее распространение получило создание ребер на внутренней поверхности уже готовых бесшовных труб одновременно с формированием наружного оребрения. Используется метод накатки наружных ребер блоком дисковых роликов при обжатии трубы на внутреннюю оправку, имеющую винтовые углубления (рис. 2). Наиболее характерными являются способы, отраженные в патентах [6, 7].

Также применяется прессование трубной заготовки пропусканием через фильеру с формированием продольных, реже спиральных внутренних ребер (рис. 3).  Метод применим только для труб из алюминиевых сплавов [9].