УДК 536.2

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА НА ГОФРИРОВАННОЙ ПЛАСТИНЕ ТЕПЛООБМЕННИКА

А. С. Юрлов1, Н. Н. Кожухов2

1СтудентгруппымПТ-191,alexmaill@list.ru 2Канд.техн.наук,доцент,k0zhukhov@yandex.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

В статье рассмотрены устройство пластинчатого теплообменника и применяемые на практике теплообменные поверхности. Предложены варианты пластин с разными углами наклона рельефа пластины, в зависимости от которых можно снизить потери давления или увеличить теплоотдачу.

Ключевые слова: теплообмен, пластина, пластинчатый теплообменник, канал.

Первыми поверхностями для теплообмена были трубы малого диаметра, которые используются и в настоящее время, но использование пластин ока-з лось более дешёвымвариантом с точки зрения экономической эффективности. В связи с этим всё чаще на производстве используются пластинчатые теплообменники, а кожухотрубныевстречаются всё реже. Также производство тонких листов для пластин выходит намного дешевле, чем производство труб. Поэтому во многих областях промышленной деятельности старые аппаратыподвергаются заменена пластинчатые.

Главными достоинствами использования этих аппаратов являет-

ся:

-повышенная турбулентность потока в каналах пластины, что позволяет теплообменнику частично самоочищаться, тем самым снизив эксплуатационные затраты на очистку и ремонт [3];

-минимальная вибрация аппарата;

-простой монтаж, возможность визуального осмотра без снятия и разбора аппарата.

Пластинчатые теплообменники различаются по конструкции на ТПР (разборные), ТПП (полуразборные) и ТПС (неразборные).На рис. 1 изображён ТПР. Открытый доступ к пластинам имеется только при использовании теплообменников типа ТПР и ТПП. Несмотря на многочисленные преимущества пластинчатых аппаратов, существует проблема, связанная с герметизацией пластин. Для решения проблемы устанавливают уплотнительные прокладки на пластине.

93

Поэтому использовать пластинчатые теплообменники при высоких давлениях затруднительно.

Рис.1.Схемадвухопорногопластинчатого аппарата:

1–наборпластин; 2, 9 –штанги; 3, 6, 8, 11 –патрубки для входа и выхода рабочих сред;4 –стяжные болты с гайками;

5,10–вертикальныеопоры;7–подвижнаянажимнаяплита[3]

Широкий спектр применения пластинчатых теплообменников свидетельствует о доминации над кожухотрубными аппаратами. Такими плюсами являются:

-возможность создавать множество теплообменных поверхностей из пластин одного типа;

-высокий уровень КПД;

-интенсификация теплообмена при относительно низких сопротивлениях;

-высокая экономическая эффективность и снижение эксплуатационных

затрат;

-низкие габариты, отсутствие фундамента для установки;

-упрощённая транспортировка и демонтаж за счёт опорных лап, приваренных к нажимным плитам.

На рис. 2 показана гофрированная пластина общего вида.Пластину производят из листового материала. Гофрированная поверхность имеет волновую форму и представляет собой последовательное чередование ывступов и впадин. Чтобы рабочие среды не перетекали в соседние каналы установлены перегородки

94

4 и 6. Для равномерного распределения сред по площади пластины служат направляющие гофры 9устранение «застойных зон».

Рис.2.Конструкцияпластинытеплообменника: 1–пластина толщиной 0,5-2 мм;

2, 7, 8, 10 –проходы для рабочих сред; 3–уплотнительная прокладка; 4, 6 –уплотнительные перегородки;

5–гофрированная поверхность; 9 –направляющие гофры; 11–пазы для фиксации[1]

Угол наклона гофра пластины определяет соотношение эффективности теплообмена и потерь давления при прохождении потока. Острый угол наклона рельефа по отношению к оси симметрии является характеристикой «жёсткой» пластины и обеспечивает более высокую интенсивность теплообмена в аппарате при высоких потерях давления в каналах пластины.

«Мягкие» пластины с тупым углом наклона рельефа используют, когда необходимо существенно снизить потери давления, но интенсивность теплопердачи вэтом случае у них меньше, чем у «жёстких». Поэтому для получения идеального баланса сочетают «жёсткие» и «мягкие» пластины, для получения высо-

95

кой интенсивности теплопередачи при относительно небольших потерях [2]. На рис.3,4 изображены мягкая ижёсткаяпластины.

Кроме угла наклона гофра существует зависимость ширины канала пластины от скорости движения среды в канале. При использовании широкого кан- ла увеличивается возможный расход в единицу времени и скорость течения высоковязких сред. Значит если у пластины будут широкие каналы для движения сред, то такой теплообменник можно будет использвать в сферах производства, где один из теплоносителей будет иметь высокую вязкость, например, масло.

Аналогично с зависимостью с углами наклона гофров, широкие и узкие каналы можно сочетать, уравновешивая характеристики рабочих сред, тем самым снизить требуемую поверхность теплообмена. Наличие характеристик «мягкости» и «жёсткости» позволяют конструировать различные аппараты в зависимости от требуемого результата на производстве. Зависимость типа пластины и ширины канала в табл. 1.

Сравним две пластины («мягкую» и «жёсткую»), произведя тепловой расчёт. Вычислив коэффициенты теплоотдачи, и потери давления на пластинах и определим влияние геометрических свойств пластины на её тепловую эффективность.

Возьмём две пластины ТПР с углами наклона гофра к оси симметрии 120 град и 30 град соответственно, и различной шириной канала. Все необходимые для расчёта данные берём из [3]. Исходные данные(характеристики)пластины указаны в табл. 1.

96

Методику расчёта возьмём из[3]. Принимаем, что dвн = dэкв . Имея физические свойства теплоносителей рассчитаем критерий Рейнольдса по формуле:

97

В результате определяем, что режим течения турбулентный. Для турблентного режима течения рассчитываем безразмерный коэффициенттеплоотдачи по формуле:

Коэффициенты сt и n возьмём из [4] в таблице коэффициентов для

ТПР. Определяем коэффициент конвективной теплоотдачи α , Вт/(м2·K) по формуле

где t1 , t2 –температуры теплоносителей,°C.

Коэффициенттеплопередачи k , Вт/(м2·K)находим по формуле

чение λс =13Вт/(м·K)принятодля стали коррозионно-стойкой марки Х18Н9Т. Далее определим общую потерюдавления по формуле:

98

где ξ – безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления на

единице относительной длины канала [3]; z − количество каналов на пластине пластинчатого теплообменника.

Результаты расчётовсведёмв табл. 3.

В результате мы видим, что при использовании«жёсткой» пластины тепло передаётся эффективнее, но сильно увеличивается гидравлическое сопртивление. Отношение потерь давления при использовании«жёсткой»пластины и «мягкой» пластины больше, чем отношение тепловой эффективности. Зависимость типа пластины от её эффективности представлена в табл.4.

99

Эквивалентный диаметр канала тоже оказывает влияние. С увеличением диаметра канала, возможно снизить гидравлические потери. Варианты каналов представим в табл. 5.

Увеличение теплогидродинамической эффективности это проблема, которую решают на протяжении многих лет, что является поводом для поиска новых геометрических форм для поверхности пластинтеплообменника. Одним из примеров таких форм являются гофры асимметричного рельефа «Off-Set» [2]. Такой рельеф даёт возможность создавать одними типами пластин разные поперечные сечения. Нарис.5. схематическиизображено поперечное сечение.

Рис.5. Поперечное сечение гофр пластин теплообменника фирмы Funke:1,2, 3–каналы[1]

Смысл заключается в том, что мы имеем четыре типа пластин. Комбинируя их в разных вариациях получаем девять различных каналов. На рис. 5[2] представлены три варианта сеченияв зависимости отширины канала протекания рабочих сред(средний, узкий и широкий).Любой из вариантов может иметь по три комбинации (жёсткий-жёсткий, мягкий– жёсткий, мягкий– мягкий). Также эта система варьируется в параметрах ширины канала для( более вязких сред– широкий, для менее вязких– узкий). В теплообменнике каналы компонуют в зависимости от физических свойств рабочих сред и предполагаемого расхода теплоносителей.

Результаты проведённого исследования позволяют сделать следующие выводы. Дан краткий обзор пластинчатых теплообменных аппаратов и применяемых в них пластин. Предложены варианты поверхностей пластин в зависимости от требуемой эффективности теплообменного аппарата. Из-за высокого гидравлического сопротивления оптимальными вариантами приняли использование

100

формы ассиметричного рельефа«Off-Set», создающий каналы разного поперечного сечения при использовании одном типе пластины или увеличение диаметра канала для снижения потерь.

Литература

1.Кирсанов, Ю.А. Оптимизация геометрии дискретной шероховатости на пластинах теплообменника / Ю.А. Кирсанов, Б.Ш. Галиков //Труды Академэнерго. –2008.–№ 1. –С.29-49.

2.Платформа для публикаций Pandia: Конструкция теплообменной пластины. – Электрон. дан. – Режим доступа: https://pandia.ru/ text/80/561/915.php.

3.Мамченко, В. О. Пластинчатые теплообменники в низкотемпературной технике и биотехнологических процессах: Учебное пособие/ В. О. Мамченко, А.А. Малышев.–СПб: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2014. –116 с.

101