Учебное пособие 800622

На рис. 2.7 помещена фотография исследованных пластин. Поверхность пластины А имеет волнистые выступы, расположенные под углом 45° к вертикали, и ряд мелких полусферических выступов; поверхность пластины В гофрированная; наконец, на поверхности пластины С имеется большое количество мелких полусферических выступов, расположенных в шахматном порядке.

Рис 2.7. Пластины, исследованные в работе [7]

100

Примененные методы исследования (скоростная киносъемка и кондуктометрия) позволили установить профили скорости при движении жидкости между пластинами, которое осуществлялось как сверху вниз, так и снизу вверх, причем расход воды составлял 450-1130 кг/ч. В результате исследования установлено:

1)при движении жидкости сверху вниз с небольшой скоростью создаются благоприятные условия для возникновения воздушных мешков; зона низких значений скорости находится в той части пластины, где впоследствии образуется воздушный мешок;

2)при движении жидкости сверху вниз образующиеся пузыри воздуха под влиянием подъемной силы перемещаются вверх навстречу жидкости в той части пластины, где скорость движения жидкости мала, и присоединяются к воздуху, скапливающемуся у верхнего края пластины, обусловливая рост воздушного мешка;

3)выделяющиеся при нагревании газы собираются в воздушном мешке; нагревание жидкости, движущейся сверху вниз, ускоряет достижение состояния равновесия, в котором прекращается дальнейший рост воздушного мешка;

4)при малых расходах жидкости, движущейся сверху вниз, скорость ее практически не зависит от объемного расхода. Это объясняется тем, что течение жидкости в этих условиях происходит под влиянием сил тяжести: при малых расходах заполнено не все сечение канала, и предельные значения скорости определяются условиями равновесия между силами тяжести и трения; предельные значения скорости и расход определяют эффективную ширину канала, участвующую в теплообмене;

5)объем образующихся воздушных мешков обычно пропорционален расходу жидкости.

Воздушные мешки уменьшают поверхность теплопередачи и приводят к увеличению потери напора. Пластины, конфигурация которых содействует образованию воздушных мешков, обычно благоприятствуют пригоранию обрабатывае-

101

мых жидкостей, что ухудшает условия теплопередачи и затрудняет очистку.

В зонах образования воздушных мешков создаются благоприятные условия для возникновения бактериальных загрязнений при обработке пищевых продуктов (молока, фруктовых соков и т. и.).

Полная потеря напора в канале, образованном пластинами с турбулизирующими выступами, складывается из потерь на трение, сужение и расширение потока, увеличение количества движения в связи с изменением профиля скорости. Раздельное определение перечисленных потерь напора затруднительно; обычно полную потерю напора определяют по уравнению

где G – весовая скорость жидкости, кг/м2сек; g = 9,81 м/сек2 ускорение силы тяжести; γ удельный вес жидкости, кг/м3;

L длина канала, м;

rr гидравлический радиус, м.

Условный коэффициент сопротивления учитывает все перечисленные виды потерь напора и вычисляется по эмпирическому уравнению

Значения С и n для исследованных пластин трех типов (рис. 2.7) составляют

102

Величина р, вычисленная по уравнению (2.1), включает потери напора на входе в канал и выходе из него.

Теоретическое решение задачи о теплопередаче в каналах пластинчатого теплообменника при следующих допущениях:

1)общий коэффициент теплопередачи постоянен по длине теплообменника;

2)потери тепла в окружающую среду отсутствуют;

3)не происходит распространения тепла в направлении движения жидкости;

4)температура и скорость потока однородны по ширине канала в данном его сечении.

Систему линейных дифференциальных уравнений, решили для трех исследованных типов пластин (рис. 2.7) с помощью быстродействующей цифровой вычислительной машины. Аналитическим способом установлены профили температуры при различных весовых скоростях жидкости, а так-

Определяющим линейным размером в уравнениях (2.2) и (2.3), а также во всех приведенных ниже является эквивалентный диаметр (см. уравнение (1.1)). Уравнение (2.3) описывает теплопередачу при течении воды в области Re = (4 ÷ 30) ∙ 103. Опытные данные удовлетворительно согласуются с результатами теоретического решения.

103

Исследован теплообмен между водой и варочной кислотой производства сульфитной целлюлозы в пластинчатом теплообменнике с поверхностью 100 м2, образованной 191 гофрированной пластиной размером 1370×500×1,5 мм; пластины образовывали последовательно соединенные секции, каждая из которых имела 13 или 14 волнообразных каналов для прохода жидкости (т. е. в пределах каждой секции одна из жидкостей распределялась между 13, а другая между 14 идентичными каналами, образованными пластинами). Опытами охвачена область значений Re = 2500 ÷ 18000 и Рг= 3,3 ÷ 4,9; температура воды на входе в теплообменник составляла 17-77 °С, а температура кислоты 14-64 К. Линейная скорость воды изменялась в пределах 0,2-0,99 м/сек, а кислоты 0,22-0,88 м/сек. Опытные данные о теплоотдаче описываются эмпирическим уравнением

в котором n = 0,4 при нагревании потока и n = 0,3 при охлаждении.

Значения общего коэффициента теплопередачи составили 1350-3040 ккал/м2∙ ч ∙ град.

Ястребенецкий и Коваленко исследовали теплоотдачу и потери напора в теплообменнике, собранном из однопоточных гофрированных пластин (рис. 2.2), в интервале значений Re= (3 ÷ l0) ∙ 103 для воды и воздуха.

Теплопередача от горячей воды к холодной и потеря напора при течении воды исследовались в теплообменнике с пластинами размером 1015×320 мм с шагом гофра 22,5 мм, высотой гофра 7 мм и поверхностью теплопередачи 0,21 м2. Полученные результаты описываются уравнением

в котором Ргст соответствует величине критерия Прандтля при температуре стенки канала.

104

Во второй серии опытов исследовалась теплопередача от горячей воды к воздуху. Опыты выполнены с пластинами двух типов: 1) с указанными выше размерами при расстоянии между пластинами 4; 5 и 6 мм; 2) с пластинами, имевшими шаг гофра 45 мм, высоту гофра 7 мм, причем расстояние между пластинами равнялось 4 мм.

Опытные данные о теплоотдаче от гофрированных пластин первого типа к воздуху при расстоянии между ними 4 и 5 мм описываются уравнением

а при расстоянии 6 мм

т. е. в последнем случае коэффициент теплоотдачи выше на 27 %. Для пластин второго типа

При Re ≥ 200 теплоотдача описывается уравнением

причем С =0,097 для пластин с горизонтальными гофрами и С=0,135 для пластин с гофрами «в елку».

Потеря напора может быть вычислена по уравнению

2

аппарата;

105

р потеря напора, кг/м2;

g = 9,81 м/сек2 ускорение силы тяжести; γ удельный вес жидкости, кг/м3скорость жидкости, м/сек.

Для пластин с горизонтальными гофрами А = 760; для пластин с гофрами «в елку» А =1843.

Для воды и растворов, свойства которых близки к воде, рекомендуются следующие значения скорости: для пластин с горизонтальными гофрами, шаг которых l= 22,5 мм, от 0,4 до

0,6 м/сек (Re = 3000 ÷6000); при l = 30 мм от 0,8 до 1,2 м/сек

(Re = 20000); для пластин с гофрами «в елку» от 0,3 до 0,7 м/сек.

Из изложенного следует, что пластинчатые теплообменники рассмотренного типа обладают довольно высокой эффективностью и в ряде случаев обработки капельных жидкостей имеют существенные преимущества. В частности, применение их особенно целесообразно при нагревании или охлаждении вязких неньютоновских жидкостей, вязкость которых зависит от величины возникающих касательных напряжений: в каналах, образованных пластинами с турбулизирующими выступами, эффективная вязкость таких жидкостей меньше кажущейся, что обусловливает достижение сравнительно высоких значений коэффициента теплоотдачи. Легко осуществима очистка теплообменных поверхностей, что особенно существенно при обработке пищевых продуктов (молока, соков и т. п.). Приведенные эмпирические уравнения обобщают сравнительно небольшой экспериментальный материал, и пользоваться ими для расчета следует с осторожностью.

Расширение области применения пластинчатых теплообменников типа фильтр-пресса дает основания полагать, что появятся работы, посвященные детальному исследованию их тепловых и гидродинамических характеристик.

106

3. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНОЙ ТЕПЛООТДАЧИ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ПОТОК ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Наряду с рассмотренными выше способами интенсификации теплоотдачи за счет развития поверхности, омываемой теплоносителем, известны и получили некоторое распространение методы непосредственного воздействия на поток с помощью таких элементов или приспособлений, которые сами по себе не участвуют в теплообмене и не увеличивают поверхности теплопередачи. Назначением этих элементов или приспособлений обычно является увеличение турбулентности потока, приводящее к уменьшению термического сопротивления конвективному переносу тепла, оказываемого пограничным слоем, или же непосредственное разрушение и турбулизация самого пограничного слоя. Наиболее характерными устройствами такого типа являются различного рода турбулизирующие вставки (диафрагмы, диски, спирали и т. п.), а также насадки (кольца, шарики и т. п.), которые помещаются в трубу, турбулизируют поток и интенсифицируют теплоотдачу; естественно, что при этом возрастает сопротивление, оказываемое каналом перемещению в нем теплоносителя. Целесообразность подобных методов интенсификации теплоотдачи определяется соотношением между количеством передаваемого тепла и затратами энергии на преодоление возросшего сопротивления канала, как это имеет место и в теплообменниках с развитой поверхностью.

Помимо вставок и насадок, интенсификация теплоотдачи может быть достигнута и некоторыми другими способами воздействия на поток теплоносителя: применением шероховатых поверхностей, пульсациями давления, изменением поперечного сечения канала, использованием ультразвука, закручиванием потока и др.

Некоторые из перечисленных способов изучены достаточно хорошо, и имеются основания для оценки их целесообразности; другие еще только изучаются, и нельзя дать исчер-

107

пывающего ответа о тех условиях, в которых применение их может оказаться выгодным.

Ниже рассматриваются некоторые из известных способов интенсификации теплоотдачи при течении теплоносителя в каналах и приводятся соображения об их целесообразности.

3.1. Применение турбулизирующих вставок

Одними из первых исследование турбулизирующих вставок провели Колберн и Кинг. Применялись различного типа спиральные вставки из тонкой металлической полосы, а также проволочные спирали. Авторы установили, что коэффициент теплоотдачи для внутренней поверхности трубок при наличиивставок возрастает в 1,5-5 раз; одновременно существенно увеличивается сопротивление потоку, которое в ряде случаев возрастает значительно быстрее, чем коэффициент теплоотдачи.

Все опыты проводились в трубе внутренним диаметром 50 мм при длине рабочего участка 980 мм; ему предшествовал стабилизирующий участок длиной 2,5 м. При обработке опытных данных скорость воздуха определялась в полном сечении трубы без учета изменения проходного сечения за счет турбулизирующих вставок, а коэффициент теплоотдачи относился к внутренней поверхности гладкой трубы диаметром 50 мм без учета омертвления части поверхности (например, при установке вставок типа диафрагм), которая не превышала 5 % полной внутренней поверхности трубы.

На рис. 3.1 схематически показаны вставки, выполненные в виде диафрагм, и основные определяющие их размеры. В табл. 3.1 приведены характеристики исследованных вста- вок-диафрагм, которые плотно входили в трубу.

108

Рис. 3.1. Вставки в виде диафрагм [8]

При наличии диафрагм переход от ламинарного режима течения к турбулентному происходит при значительно меньших критических значениях критерия Re, которые определяются уравнением

Так, при т = 0,25 (табл. 3.1) по уравнению (3.1) находим Re ≈140, в то время как для гладкой трубы Re ≈ 2300.

Основное влияние на коэффициент сопротивления ζ, фигурирующий в уравнении для подсчета потери напора

109