|
= tвх |
− tвых |
(5.1) |
|
t |
||||
|
ln |
tвх |
|
|
|
tвых |
|
||
при противотоке получается больше, чем при прямотоке (величины tвх и tвых в случае прямотока и противотока обозначены на рис. 5.3). Поэтому при одной и тоже площади рабочей поверхности F величина теплового потока от горячего теплоносителя к холодному больше при противотоке, чем при прямотоке:
F |
|
|
|
|
|
Q = ∫ tdF = k |
tF , |
|
|
(5.2) |
|
0 |
|
|
|
|
|
здесь k – коэффициент теплопередачи. |
|
||||
При опытном исследовании теплообменника величина Q может быть |
|||||
определена по изменению энтальпии теплоносителей: |
|
||||
′ |
|
′′ |
′′ |
′ |
(5.3) |
Q1 = G1cp1(t1 |
−t1 )= G2cp2 |
(t2 |
−t2 )= Q2 . |
||
Здесь G1 и G2 – массовые расходы теплоносителей; сp1 и сp2 – их теплоемкости. Реально Q1 больше Q2 из-за потерь тепла через внешний кожух теплообменника. Отношение количества теплоты, воспринятой холодным теплоносителем, к количеству теплоты, отданной горячим теплоносителем, называется коэффициентом тепловых потерь.
Тепловой расчет теплообменника может быть выполнен с использованием понятия тепловой эффективности, представляющей собой отношение теплового потока Q рассматриваемого теплообменника к тепловому потоку Qид, который может передать греющий теплоноситель в идеальных условиях, т.е. бесконечно большого коэффициента теплопередачи или передачи теплоты в теплообменнике с бесконечно большой площадью поверхности теплопередачи:
|
Q |
|
′ |
′′ |
′′ |
′ |
||
|
|
W1 (t1 |
− t1 ) |
W2 (t2 |
− t2 ) |
|||
η = |
|
= |
|
= |
|
. |
||
Qид |
Wmin (t1′ − t2′) |
Wmin (t1′ − t2′) |
||||||
(5.4) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь, |
W1 = G1cp1 |
W2 = G2cp 2 |
||||||
151
– полные теплоемкости массовых расходов теплоносителей; G1 и G2 – массовые расходы теплоносителей; Cp1 и Cp2 – удельные изобарные теплоемкости теплоносителей; Wmin – минимальное значение из W1 и W2.
Для однократного перекрестного тока, когда оба теплоносителя абсо-
лютно не перемешаны |
|
|
η =1−exp{[exp(− S0,78 A)−1]RS0,22 |
} |
(5.5) |
1 |
, |
где A = Wmin/Wmax, R = Wmax/Wmin – функции полных теплоемкостей массовых расходов; S = kF/Wmin – число единиц переноса теплоты в теплообменнике, k
– коэффициент теплопередачи; F – площадь теплопередающей поверхности. Для двукратного перекрестного тока с противоточным включением хо-
дов
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
1 − η1 |
|
|
|
1 − η1 |
|
|
|
|||||
η2 |
|
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
−1 . |
(5.6) |
||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
= |
1 |
− Aη |
|
A |
1 |
− Aη |
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вычислив тепловую эффективность η2, с помощью выражения можно определить:
тепловой поток, передаваемый в теплообменнике:
Q = η2Wmin (t1′ − t2′);
выходные температуры теплоносителей:
t1′′= t1′ − η2 Wmin (t1′ − t2′);
W1
t2′′ = t2′ + η2 Wmin (t1′ − t2′).
W2
(5.7)
(5.7)
(5.8)
(5.9)
Таким образом, по уравнениям (5.7), (5.8) и (5.9) определены тепловой поток, передаваемый в теплообменнике, и выходные температуры теплоносителей.
152
5.3. Описание теплообменников
Приводим описание некоторых теплообменников.
Масловоздушный радиатор предназначен для охлаждения масла набегающим потоком воздуха и является составной частью многих технических устройств в авиационной, автомобильной и других областях техники. Состоит из следующих основных частей:
−корпуса с входной и выходной камерами и коллекторами;
−радиаторного элемента с ребристыми поверхностями;
−клапана перепуска масла из входной камеры в выходную.
Масловоздушный радиатор может быть выполнен по схеме перекрестного тока, одноходовой по воздуху, четырех- (рис. 5.4) или двухходовой (рис. 5.5) по маслу.
Корпусом радиатора является сварная коробка с входной и выходной камерами, клапанной полостью и коллекторами, в которых масло меняет направление движения на 180°. Между входной и выходной камерами и коллектором вварен радиаторный элемент, в котором масло отдает тепло воздуху.
Рис. 5.5. Масловоздушный двухРис. 5.4. Масловоздушный четырех- ходовой по маслу радиатор ходовой по маслу радиатор
153
Радиаторный элемент имеет масляные плоские каналы, поверхность которых увеличена вставкой из фольги с отогнутыми язычками.
Набегающий воздух проходит между каналами. Площадь межканальных проходов увеличена за счет ребер, выполненных из фольги в форме зигзагов. Между входной и выходной камерами имеется перепускной клапан, который при повышенном давлении на входе отжимается от седла и может перепускать масло со входа сразу на выход. Причиной повышения давления на входе может быть засорение радиаторного элемента.
Масловоздушный радиатор также может быть выполнен по другой схеме и иметь другую конструкцию. Например, масловоздушный радиатор с сотовым теплообменным элементом состоит из следующих основных частей:
-корпуса с входной и выходной камерами и коллекторами;
-сотообразного радиаторного элемента;
-клапана перепуска масла с входа на выход.
Масловоздушный радиатор (рис. 5.6) выполнен по прямоточнопротивоточной схеме, одноходовой по воздуху и многоходовой по маслу.
Рис. 5.6. Масловоздушный радиатор одноходовой по воздуху и многоходовой по маслу (прямоточно-противоточная схема)
154
Корпусом радиатора является цилиндрическая труба с кольцеобразными коллекторами, входной и выходной камерами, клапанной коробкой. Радиаторный элемент состоит из латунных трубочек, через которые проходит воздух. Трубочки шестигранными концами спаяны в 9 секций, которые разделены перегородками с отверстиями для прохода масла. Масло входит через входную камеру и поступает в кольцеобразный коллектор, через отверстие в корпусе оно проходит в радиаторный элемент. Смывая трубки, масло охлаждается и поступает в выходной коллектор через отверстие в корпусе, из коллектора проходит в выходную камеру.
Между входной и выходной камерами имеется перепускной клапан, который при повышенном давлении на входе отжимается от седла и может перепускать масло с входа сразу на выход. Причиной повышения давления на входе может быть засорение радиаторного элемента, в верхней части радиатора имеется заглушка, которая служит для удавления воздуха из радиатора при заполнении системы маслом.
Фотографии масловоздущных радиаторов, имеющихся в лаборатории, приводятся на рис.5.7 – 5.10.
Рис. 5.7. Масловоздушный пластин- чато-ребристый теплообменный аппарат четырехходовый по маслу
Рис. 5.8. Масловоздушный пластин- чато-ребристый теплообменный аппарат двухходовый по маслу (тип
1734)
155
Рис. 5.9. Масловоздушный пластин- чато-ребристый теплообменный аппарат двухходовый по маслу (тип
2196)
Рис. 5.10. Многоходовый масловоздушный радиатор с сотовыми теплообменными элементами
Турбохолодильная установка (ТХУ) предназначена для охлаждения кабины при полете на сверхзвуковых скоростях, а также для обогрева кабины при полете на больших высотах. Состоит из следующих основных частей
(рис. 5.11):
-турбохолодильника с вентилятором;
-радиатора с входной и выходной камерами и коллекторами;
-патрубка с ограничителем давления.
Рис. 5.11. Турбохолодильная установка
156
Турбохолодильник служит для дальнейшего охлаждения воздуха, поступающего из радиатора, вращает вентилятор, который всасывает атмосферный воздух. Имеет следующие части:
–корпус с сопловыми лопатками турбины, направляющим аппаратом вентилятора и системой смазки опоры вала;
–вал с консольно насаженными ротором турбины и крыльчаткой вентилятора;
–крышку турбины для подвода воздуха;
–крышку вентилятора для отвода потока с закруткой.
Радиатор служит для охлаждения воздуха, поступающего из компрессора, воздухом, всасываемым вентилятором из атмосферы, и имеет следующие части:
– двухсекционный корпус с входной и выходной камерами и коллекто-
рами;
–радиаторный элемент;
–сетку на входе охлаждающего воздуха.
Радиатор выполнен по схеме (рис. 5.12) перекрестного тока, двухходовой по охлаждающему и охлаждаемому воздуху.
Радиатор от аналогичной турбохолодильной установки представлен на стенде отдельно. Имеет следующие основные части:
–корпус;
–радиаторный элемент с ребристыми поверхностями.
Радиатор ТХУ выполнен по схеме перекрестного тока, одноходовой по охлаждающему и охлаждаемому воздуху.
Рис. 5.12. Схема двухходового перекрестного тока
157
Корпусом радиатора является сварная трехсекционная коробка с выштамповками. В межсекционном пространстве находятся болты, которые стягивают стенки корпуса. Усиление корпуса выштамповками и болтами необходимо для того, чтобы не было разрыва или деформации корпуса, так как воздух, отбираемый из компрессора, имеет достаточно высокую температуру и давление. Между секциями корпуса вварен радиаторный элемент, где воздух, отбираемый из компрессора, охлаждается атмосферным воздухом. Площадь теплообмена радиаторного элемента увеличена ребрами, выполненными из фольги в форме зигзагов.
Патрубок с ограничителем давления (макет ТХУ) предназначен для подвода воздуха из компрессора, а также регулировки давления. Состоит из следующих частей:
–патрубка с фланцами и кронштейнами;
–дроссельной заслонки, которая перекрывает проходное сечение при повышении давления;
–механизма поворота дроссельной заслонки.
Принцип работы ТХУ состоит в следующем. Охлаждаемый воздух, всасываемый вентилятором, через стенку попадает в первую половину радиатора, затем в коллекторе меняет свое направление на 180°, проходит через вторую половину и удаляется вентилятором.
Охлаждаемый воздух, подаваемый из компрессора с достаточно высоким давлением и температурой, проходит через дроссельную заслонку ограничителя давления, попадает в первую половину радиатора, затем в коллекторе меняет направление на 180°, проходит через вторую половину, а из нее попадает в турбину, где при расширении еще больше охлаждается. После этого воздух с пониженным давлением и температурой поступает в кабину. При достаточно низкой температуре охлаждаемый воздух может сразу поступать в кабину, минуя турбохолодильник.
Жидкостно-воздушные испарители. Примером, когда теплоноситель меняет свое агрегатное состояние, является водовоздушный испаритель,
158
предназначенный для испарения воды. Состоит из следующих основных час-
тей (рис. 5.13):
–корпуса 1 с заливной горловиной и патрубком выхода паров воды;
–испарительного элемента 2 с воздушньми патрубками коллекторами;
–резинового мешка 3.
Водовоздушный испаритель (рис. 5.13) предназначен для испарения залитой воды горячим воздухом, проходящим через двухходовый испарительный элемент.
Корпус 1 водовоздушного радиатора-испарителя представляет собой сварную коробку с залитой горловиной, выходным патрубком для паров воды, сливным штуцером и приваренным фланцем для паров воды, сливным штуцером и приваренным фланцем для установки испарительного элемента.
а |
б |
Рис. 5.13. Схема (а) и фотография водовоздушного испарителя (б)
Испарительным элементом 2 являются U-образные латунные трубочки, которые приварены к фланцу. Воздух поступает через входной патру- бок-коллектор в испарительный элемент, отдает тепло воде и удаляется через выходной патрубок-коллектор, испарившаяся вода поступает к потребителю.
159
Аналогичный принцип действия имеет аммиачно-воздушный испаритель, схема и фотография которого представлена на рис. 5.14. Компактность таких аппаратов составляет 400…600 м2/м3.
а |
б |
Рис. 5.14. Аммиачно-воздушный испаритель: а – схема; 1 – корпус, 2 – испарительные элементы, 3 – сепаратор капель, 4 – сетка; б – общий вид
Вращающийся регенератор малоразмерного газотурбинного двига-
теля (ГТД). Теплообменные аппараты, использующиеся для утилизации (возвращения в цикл) теплоты выхлопных газов газотурбинных установок, называются регенераторами. В малоразмерных ГТД (транспортных, вертолетных, танковых) может использоваться вращающийся дисковый регенера-
тор (рис. 5.15).
Вращающийся дисковый регенератор предназначен для подогрева сжатого в компрессоре воздуха за счет тепла выхлопных газов. Подогретый воздух поступает в камеру сгорания ГТД и для достижения расчетной температуры на выходе из камеры сгорания требуется сжигать меньшее количество топлива, чем в двигателе без регенерации. При этом экономичность ГТД повыша-
ется на 20…35%.
Вращающийся дисковый регенератор имеет жесткий металлический каркас, образованный верхней 1 и нижней 2 пластинами с отверстиями, цилиндрическими стаканами (трубками) 3, центральной 4 и периферийной 5 обечайками. В ячейки, образованные стаканами, устанавливаются теплоакку-
160