Учебное пособие 800622

А. Ю. Трошин Д. А. Коновалов

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ

Сборник задач В двух частях Часть 2

Воронеж 2018

1. ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Конструктивные формы пластинчатых теплообменников довольно многообразны, однако наиболее распространены теплообменники, схематически показанные на рис. 1.1. На плоский лист металла, толщина которого составляет обычно 0,5−0,8 мм, накладывается дополнительная теплообменная поверхность, сложенная в виде гармошки и изготовленная из металлической полосы толщиной 0,1−0,3 мм; сверху вновь кладется плоский лист, на него – дополнительная поверхность и т.д.

Рис. 1.1. Элементы пластинчатого теплообменника:

1 − плоский лист; 2 – волнистый лист; 3 – боковое уплотнение [4]

Боковые свободные проходы уплотняются специальными элементами, показанными на рисунке. После сборки нужного числа чередующихся плоских листов и гофрированных поверхностей в специальном приспособлении осуществляют пайку, в результате чего получают пакет с системой каналов, предназначенных для движения теплоносителей. Возможна различная ориентация каналов: на рис. 1.2 слева показан пакет, в котором осуществляется перекрестный ток газов в смежных каналах, а на том же рисунке справа – противоток.

4

Рис. 1.2. Пакеты перекрестного тока и противотока: а – перекрестный ток; б – противоток [4]

Рис. 1.3. Разновидности дополнительной теплообменной поверхности [4]

Формы дополнительной теплообменной поверхности, выполняющей роль оребрения пластин, разграничивающих теплоносители, могут быть самыми различными. В простейшем случае, как это показано на рис. 1.1, поверхность выпол-

5

нена в виде гофрированного листа, профиль выступов которого очерчен по синусоиде; в некоторых случаях профиль выступов имеет форму прямоугольника. Для интенсификации теплоотдачи путем турбулизации потока и непрерывного разрушения граничного слоя у омываемой поверхности выполняются разрезные (жалюзные) ребра, используют короткие пластинчатые ребра, смещенные друг относительно друга, и п. т. Некоторые типы таких поверхностей показаны на рис. 1.3.

Очевидно, что выбор того или иного типа дополнительной теплообменной поверхности, ее конфигурации и размеров должен производиться с учетом свойств теплоносителя, и в этом отношении пластинчатые теплообменники рассматриваемой конструкции представляют широкие возможности: в чередующихся каналах можно использовать различные и наиболее подходящие типы развитой поверхности, устанавливая оптимальные расстояния между разграничивающимися пластинами.

Пластинчатые теплообменники чаще всего изготавливаются из алюминия или меди; хорошая теплопроводность материала развитой поверхности является непременным условием ее высокой эффективности и особенно существенна при незначительной толщине металла (0,1 – 0,25 мм).

К теплообменникам низкотемпературных установок предъявляется ряд дополнительных требований, которые вкратце рассмотрены ниже.

Как правило, в теплообменниках таких установок происходит охлаждение сжатого газа за счет обратного потока газа низкого давления, причем из охлаждаемого сжатого газа выделяются легко конденсируемые примеси (влага, углекислота и т. д.), которые отлагаются на теплообменной поверхности и должны периодически удаляться. Это достигается переключением газовых потоков: обратный поток газа низкого давления направляется по тракту сжатого газа и наоборот, в результате чего загрязняющие примеси сублимируют и выносятся обратным газовым потоком. Поэтому наиболее часто

6

теплообменники работают в условиях знакопеременной нагрузки, что предъявляет повышенные требования к их прочности: обе системы каналов должны быть рассчитаны на полное рабочее давление. В условиях переключения потоков необходимо, чтобы обе системы каналов были симметричны во избежание нежелательных колебаний режима работы установки.

Для низкотемпературных установок приобретает особое значение достижение высокой эффективности (КПД) теплообменников, так как увеличение разности температур на теплом конце (недорекуперация) сопряжено с быстрым возрастанием энергетических затрат на компенсацию холодопотерь. Как уже указывалось (ч. 1), достижение высоких значений эффективности [уравнение (1-12)] возможно в условиях чистого противотока

Рис. 1.4. Схема трехходового перекрестноточного теплообменника [4]

или в многоходовом перекрестноточном теплообменнике (ч. 1, рис. 1.11). Кроме того, в ряде случаев возникает необходимость осуществления теплообмена между несколькими (тремя – пятью) теплоносителями. Эта задача решается путем установки соответствующих коллекторных крышек, распределяющих потоки между несколькими системами каналов. Некоторые примеры таких решений показаны на рис. 1.4 – 1.7.

7

Рис. 1.5. Схема противоточного теплообменника для двух потоков [4]

Так, на рис. 1.4 схематически показан трехходовой перекрестноточный теплообменник: обычно сжатый газ изменяет направление своего движения, для чего служат коллекторные крышки, а газ низкого давления проходит в одном направлении; теплообменник не предназначен для переключения потоков.

На рис. 1.5 и 1.6 показаны противоточные теплообменники, предназначенные для двух потоков, ввод которых осуществляется различно; теплообменник на рис. 1.6 имеет две совершенно симметричные системы каналов, позволяющие удобно осуществлять переключения потоков.

Рис. 1.6. Схема противоточного теплообменника для двух потоков с симметричными системами каналов [4]

На рис. 1.7 приведена схема противоточного теплообменника для четырех различных теплоносителей, которые вводятся и выводятся через соответствующие коллекторные крышки.

8

Рис. 1.7. Схема противоточного теплообменника для четырех потоков [4]

Рис. 1.8. Трехходовой перекрестноточный теплообменник [4]

Рис. 1.9. Пластинчатые противоточные теплообменники [4]

9