Учебное пособие 800409

омывание.

В работах [2, 4, 7] приводятся данные по пучкам труб для различных условий течения и сечений каналов.

3.4.5. Теплообмен в межтрубном пространстве рекуперативных ТОА при наличии перегородок

Движение ТН в межтрубном пространстве обладает рядом особенностей: меньшая скорость ТН по сравнению с трубным пространством вследствие разности площадей проходных сечений и преимущественно продольное омывание труб, невыгодное с точки зрения теплоотдачи (табл.1).

Для повышения скорости ТН и перевода продольного омывания в попе- речно-продольное применяют перегородки различных конструкций. Их использование к тому же позволяет удлинить путь ТН внутри ТОА, тем самым увеличив время теплообмена, и повысить жесткость пучка труб.

В настоящее время используются три конструкции поперечных перегородок: сегментные (мультисегментные), концентрические (типа «диск-кольцо») и спиральные (геликоидальные).

Сегментные перегородки представляют собой металлические диски толщиной от 6-8 мм со срезанным сегментом и отверстиями под трубки (рис. 14, а). Наружный диаметр диска равен внутреннему диаметру кожуха ТОА. Диски надеваются на трубный пучок поочередно с разворотом выреза на 180° относительно соседней перегородки. При этом вырез сегмента может быть в вертикальной или горизонтальной плоскости ТОА.

Горизонтальный вырез применяют для вязких жидкостей, проходящих в межтрубном пространстве. Такое расположение не дает более тяжелым фракциям потока оседать на дне аппарата, в отличие от вертикального выреза.

Вертикальное расположение выреза в перегородке используют в следующих случаях:

-конденсация ТН – для лучшего стекания и дренажа конденсата;

-испарение/кипение ТН – при данных процессах возможна ситуация, когда поток расслаивается на жидкость и газ: газ идет в верхней части аппарата, а жидкость в нижней; чтобы снизить это явление используют вертикальные срезы перегородок;

-наличие твердых частицы в ТН;

-наличие продольных перегородок в межтрубном пространстве. Применение сегментных перегородок выгодно с точки зрения теплообме-

на (большая часть пути ТН идет поперек труб), но обладают повышенным гид-

41

равлическим сопротивлением. Если потери давления, вызванные перегородками, слишком велики то можно использовать двухили даже трехсегментные перегородки.

Концентрические перегородки представляют собой пару элементов

(рис.14, б):

-диск, с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру кожуха ТОА и центральным отверстием («кольцо»);

-диск, с наружным диаметром меньшим внутреннего диаметра кожуха ТОА, но большим чем центральное отверстие «кольца».

Рис. 14. Сегментная и концентрические перегородки

Концентрические перегородки устанавливаются поочередно. У этой конструкции хуже показатели интенсивности теплообмена по сравнению с сегментными, но меньшее гидравлическое сопротивление.

Спиральные перегородки представляют собой спиральную поверхность, целую или отдельными фрагментами, у которой ось совпадает с осью всего трубного пучка. В спирали проделаны отверстия под трубки. На сегодняшний день это самый перспективный вид перегородок (практически поперечное омывание пучка и неизменная скорость течения ТН по всему ходу), но они достаточно сложны в изготовлении и потому распространены реже, чем предыдущие две конструкции.

Продольные перегородки устанавливают в двух случаях:

-для организации противоточного течения при двух ходовом исполнении трубного пучка;

-при случае использования кожуха с патрубками , расположенными по центру кожуха; при такой конструкции поток омывает только центральную часть труб, поэтому устанавливают центральную продольную перегородку.

42

Расстояние между перегородками, размеры сегментных перегородок, диаметры кольцевых и дисковых перегородок выбирают так, чтобы скорость теплоносителя во всех сечениях была одинакова (рис.15).

Рис. 15. Конструкции перегородок и площади проходных сечений

Площадь проходных сечений для кольцевых и дисковых поперечных перегородок, м2, определяют по формулам:

а) между соседними перегородками (сечение f1 на рис. 15,г):

43

б) между корпусом и диском (сечение f2 на рис. 15,г):

где D- внутренний диаметр корпуса, м;

D1, D2 - диаметр кольцевой перегородки и диаметр дисковой перегородки, м;

dH - наружный диаметр трубки, м; n- число трубок;

h- расстояние между перегородками, м;

- коэффициент заполнения решетки трубками, выбирается из следующих рекомендаций:

-одноходовой пучок, =0,8….1;

-двухходовой пучок, =0,7….0,85;

-четырехходовой пучок, =0,6….0,8. Диаметр диска, м, определяют по формуле:

Площадь проходного сечения между сегментными перегородками (f1 на рис. 15,в), м2, определяется из выражения:

44

площадь сегмента для прохода теплоносителя в вырезе перегородки (за вычетом площади трубок) (f2 на рис. 15,в), м2:

где y0 - расстояние между крайней трубкой и стенкой корпуса, м; y - расстояние между трубками, м;

m- количество зазоров между трубками в рядах, расположенных между кромками перегородок;

n0 - количество рядов трубок, расположенных между кромками перегородок;- центральный угол сегмента, образованный вырезом в перегородке;

nC - количество трубок в сегментном разрезе перегородки.

Часто расстояние между перегородками (шаг перегородок) выражают по отношению к внутреннему диаметру кожуха ТОА D. Обычный диапазон шага перегородок составляет:

- для сегментных 0,25 0,5 D;

- для концентрических 0,1 0,25 D.

Выбирая расстояние между перегородками следует обратить внимание на тот факт, что с увеличением скорости ТН гидравлические потери возрастают приблизительно в 2.5-3 раза быстрее роста коэффициента теплоотдачи.

Для газообразных теплоносителей часто применяют переменный шаг перегородок – расстояние между ними уменьшается по ходу движения теплоносителя.

Коэффициент теплоотдачи при наличии перегородок независимо от их типа можно приближенно оценить в зависимости от расположения трубок пучка по формулам (33)-(36), умножив затем найденное значение на поправку = ε

0,58..0,6[7].

Точные данные о расчетах ТОА с перегородками в [2].

При проектировании ТОА с заданными условиями выбор конструкции перегородок и их размеров следует вести с технико-экономических позиций.

45

3.4.6. Теплообмен в условиях свободной тепловой конвекции

Свободная тепловая конвекция возникает в текучей среде, находящейся в поле ускорений, вследствие разности плотностей, обусловленной неоднородностью температурного или концентрационного полей.

Различают три режима свободной конвекции около нагретого (охлаждаемого) тела [1]: ламинарный, локонообразный и вихревой. В практических же расчетах принимают два режима: ламинарный и турбулентный.

Вид расчетного уравнения определяется формой и расположением греющей поверхности.

Для вертикальных плиты и цилиндра с достаточно большим диаметром [7] и медленно текущей вверх жидкости в канале высотой hформула имеет вид:

Значения коэффициентов С и n выбираются из табл. 2 в зависимости от значения критерия Рэлея.

Таблица 2

Для любой жидкости у вертикальной стенки при RaЖ 108

46

Таблица 3

3.4.7. Теплообмен при перемешивании

Для интенсификации теплообмена в аппаратах со свободной конвекцией, в емкостных аппаратах периодического действия часто применяют перемешивание теплоносителей различными механическими устройствами. Чаще всего это различные мешалки. Теплообмен в этом случае происходит либо через стенку аппарата, либо с помощью змеевика, установленного в нем.

При теплообмене через стенку аппарата:

D- внутренний диаметр аппарата с мешалкой, м; n- частота вращения мешалки, с-1;

d- диаметр мешалки, м.

PrЖ 2,16 2500, dD 0,25 0,6.

При ReЦ 3,15 106 в уравнениях следует изменить постоянные коэффи-

циенты соответственно на 0,4 и 0,1.

47

3.4.8. Теплоотдача к пленке жидкости, стекающей под действием силы тяжести

Свободное стекание пленки жидкости происходит, к примеру, в пленочных конденсаторах.

Режим течения определяется по значению критерия Рейнольдса, который для случая свободного стекания определяется как:

гдеГ - массовая плотность орошения, кг\(м с);

Г GЖ ;

П

GЖ - массовый расход жидкости по орошаемой поверхности, кг/с;

П- «смоченный» периметр, м;

П - динамический коэффициент вязкости жидкости.

При ReП 2000режим стекания пленки ламинарный, при больших значениях – турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи от жидкости к поверхности при стекании ее пленкой вниз на вертикальных поверхностях определяется из следующих соотношений:

- при ламинарном режиме течения пленки:

1 3

NuП 0,67 Ga2П PrП2 ReП ; (49)

- при турбулентном режиме течения пленки:

В качестве характерного размера для плоских вертикальных поверхностей используется высота поверхности. При сложных условиях течения рекомендуется [7] следующая величина (эквивалентный размер):

48

Для случая стекания пленки по внутренней поверхности вертикальных труб смоченный периметр П d n(n- число труб).

Для горизонтально расположенных труб оросительных ТОА при стекании воды пленкой коэффициенты теплоотдачи, , Вт/(м2∙К), с наружной стороны имеют следующие значения [2]:

- при относительном шаге труб sdв диапазоне 2-1,7:

орошения 820-960 кг/(м ч).

3.4.9. Теплообмен на развитых поверхностях

Особенностью уравнений (9), (10) является то, что коэффициент теплопередачи по абсолютному значению всегда меньше меньшего из входящих в его формулу коэффициентов теплоотдачи. В случае значительной разницы интенсивности теплообмена по разные стороны разделяющей поверхности площадь поверхности теплообмена может быть значительной при заданной теплопроизводительности аппарата.

Одним из хорошо зарекомендовавших себя способов интенсификации теплопередачи является создание т.н. «развитых поверхностей теплообмена» или оребрение.

В случае использования гладких труб или плоских поверхностей площади теплообмена со стороны каждого из теплоносителей полагаются равными. Оре-

49

брение заключается в искусственном увеличении поверхности теплообмена со стороны теплоносителя, имеющего малый коэффициент теплоотдачи. Некоторые возможные способы оребрения представлены на рис. 16.

Рис. 16. Варианты внешнего оребрения труб

Наиболее часто используют внешнее оребрение труб. Достаточно простым и эффективным является навивка на трубку поставленной на ребро металлической ленты (рис. 16, а). Данный способ характеризуется повышенным гидравлическим сопротивлением при поперечном обтекании пучка труб. Иногда на внешней поверхности укрепляют (пайкой, клеями, обсадкой) с определенным промежутком ребра круглой или квадратной формы (рис. 16, б). Перечисленные два способа имеют один общий недостаток: с течением времени место теплового контакта ребра и поверхности трубки нарушается, и эффективность оребрения резко снижается. Способ создания ребра и трубки из единого металла (нарезка в токарном или фрезерном станке, накатка с термообработкой) дает идеальный тепловой контакт, но ведет к увеличению себестоимости изготовления труб (рис. 16, в). К тому же металлы с высоким коэффициентом теплопроводности, как правило, обладают низкой прочностью.

В настоящее время достаточно широко применяются биметаллические трубки (рис. 16, г), в которых центральная трубка выполнена из прочного ме-

50