Учебное пособие 800622

На рис. 1.8 приведена фотография теплообменника, аналогичного показанному на схеме на рис. 1.4, сверху видны приваренные коллекторы; боковые крышки съемные – через них проходит газ низкого давления. На рис. 1.9 дана фотография небольших противоточных теплообменников; левый предназначен для двух теплоносителей, а два правые – для трех. Такие теплообменники применяются в воздухоразделительных установках малой и средней производительности. В крупных установках объединяется ряд однотипных теплообменников, которые могут включаться как параллельно, так и последовательно. На рис. 1.10 показан блок теплообменников установки технологического кислорода.

Рис. 1.10. Блок теплообменников воздухоразделительной установки [4]

При относительно высоком давлении одного из потоков коллекторные крышки и коллекторы выполняются небольшими по размеру из соображений прочности. В теплообменнике, показанном на рис. 1.11, газ высокого давления проходит вертикально: на снимке видны два коллектора сверху и два снизу; газ низкого давления движется горизонтально. На рис. 1.12 показан противоточный теплообменник, в котором газ высокого давления распределяется по четырем отдельным секциям

10

с помощью коллекторов, расположенных сверху и снизу; газ низкого давления движется противотоком.

Рис. 1.11. Перекрестноточный теплообменник высокого давления [4]

Рис. 1.12. Противоточный теплообменник высокого давления [4]

11

Для пластинчатых теплообменников рассматриваемого типа, применяемых в низкотемпературных установках, верхний предел рабочего давления определяется как размерами теплообменника, так и условиями его работы. Теплообменник на рис. 1.11 в части высокого давления собран из восьми отдельных секций, которые испытаны на давление 28 атм.

При знакопеременной нагрузке, связанной с переключениями потоков, допустимое давление снижается вдвое, хотя проведенные испытания типовых элементов показали, что при комнатной температуре они выдерживаются до 1106 циклов изменения давления в пределах от 0 до 10,5 ати без какихлибо признаков разрушения. При увеличении рабочего давления уменьшаются размеры коллекторов; соответственно теплообменник разбивается на ряд секций или внутри пакета выполняются перегородки, распределяющие газовый поток по всему его сечению.

При конструировании и изготовлении пластинчатых теплообменников, предназначенных как для газотурбинных, так и для низкотемпературных установок, необходимо считаться с возможными последствиями температурных деформаций и предусматривать соответствующие компенсирующие устройства.

1.1 Теплоотдача и потеря напора для пластинчаторебристых теплообменников

Различные типы оребрения пластинчатых поверхностей показаны на рис. 1.13; в табл. 1.1 – 1.4 приводятся данные, характеризующие геометрию этих поверхностей. Приняты следующие обозначения величин:

h – расстояние между пластинами, ограничивающими развитую поверхность (рис. 1.1), м;

a – толщина ограничивающих пластин, м; rГ – гидравлический радиус канала, м;

12

– отношение полной теплообменной поверхности на

стороне одного из потоков к объему, ограниченному пластинами на той же стороне теплообменника, м2/м3;

A – полная теплообменная поверхность, м2; Ac – минимальное свободное сечение, м2; Aф – полное сечение теплообменника, м2;

L – длина в направление потока, м;

V – полный объем теплообменника, м3;

– отношение полной теплообменной поверхности на

стороне одного их теплоносителей к полному объему теплообменника, м2/м3.

определенного теплоносителя; они могут быть различными для различных систем каналов в одном и том же теплообменнике. Величина V соответствует объему всего теплообменника. Ниже приводятся соотношения, которые необходимы для расчета пластинчато-ребристых теплообменников; индекс 1 указывает на принадлежность величины к одной стороне теплообменника, индекс 2 – ко второй стороне; отсутствие индекса указывает на принадлежность величины к обеим сторонам.

Рис. 1.13. Разновидности оребрения плоских поверхностей [4]

13

гладкого ребра: на полной длине могут располагаться несколько гладких ребер, концы которых обычно не соединяются между собой наглухо пайкой или сваркой. Условное обозначение поверхности соответствует числу ребер, приходящихся на 100 мм ширины пакета; так поверхность «43,6» имеет 43,6 ребра на 100 мм ширины.

Разрезные, или жалюзные, ребра выполняются просечкой металлической полосы с последующим отгибанием полосок металла в канал, по которому движется газовый поток; такие выступы располагаются по всей длине канала на равном расстоянии один от другого. Наличие выступов обуславливает разрушение пограничного теплового слоя и интенсификацию теплоотдачи. Как правило, чем чаще расположены выступы, тем интенсивнее происходит теплоотдача, но в то же время возрастает и потеря напора. Однако потеря напора, соответствующая передаче определенного количества тепла, в пластинчатых теплообменниках с разрезными (жалюзными) ребрами меньше, чем при наличии гладких ребер. Поверхности с разрезными ребрами условно обозначаются двумя числами: первое характеризует длину отогнутого ребра в направлении потока, а второе – число ребер, приходящихся на 100 мм ширины пакета. Так, поверхность «9,5 – 43,6» имеет отогнутые ребра длиной 9,5 мм при числе ребер 43,6 на 100 мм ширины пакета.

Короткие пластинчатые ребра аналогичны разрезным, отличаясь от них способом изготовления и относительным расположением. Они обеспечивают получение весьма высоких значений коэффициента теплоотдачи. Условные обозначения такие же, как и для поверхности с разрезными ребрами.

Волнистые ребра по своей эффективности приближаются к разрезным и коротким пластинчатым ребрам. Изменения направления движения потока в изогнутых каналах сопряжены с отрывом граничного слоя, т. е. достигается тот же эффект, что и в двух предыдущих случаях. Волнистые ребра условно обозначаются двумя числами: первое обозначает число ребер, приходящихся на 100 мм ширины пакета, а второе –

15

длину волны; так, поверхность имеет 45 ребер на 100 мм ширины пакета и расстояние 9,5 мм между смежными выступами или впадинами волнистой поверхности.

В табл. 1.1 – 1.4 приведены численные характеристики пластинчато-ребристых поверхностей, в частности, величина теплообменной поверхности, заключенной в единице объема; следует подчеркнуть, что она относится единице объема, ограниченного параллельными пластинами и содержащего развитую поверхность данного типа: на другой стороне теплообменника (т. е. в системе каналов для другого теплоносителя) может использоваться поверхность иного типа, и поэтому вне конкретного решения бессмысленно относить теплообменную поверхность к полному объему теплообменника. Все необходимые пересчеты могут быть выполнены на основании уравнений (1.1) – (1.8).

Данные о теплоотдаче представлены графически в виде зависимости:

где St G c p – критерий Стантона; Pr а – критерий Прандтля;

Re 4 rГ – критерий Рейнольдса.

Здесь G – весовая скорость в минимальном свободном сечении теплообменника, кг/(м2×ч);

– вязкость, кг/(м×ч).

Остальные обозначения известны из предыдущего.

Величина гидравлического радиуса определяется по уравнению (1.1).

Зависимость (1.9) включает критерий Прандтля, т. е. учитывает физические свойства среды. Однако практически все опыты проводились с воздухом, и величина Pr изменилась мало. Тем не менее авторы [4-8] сочли целесообразным ввести Pr в степени 2/3, как это обычно встречается в критериальных соотношениях, ограничив вероятную область применимости установленных зависимостей значениями 0,5 Pr 1, т. е распространяя их на газы.

Коэффициент сопротивления определялся по вели-

чине эквивалентной силы трения, отнесенной к единице теплообменной поверхности, причем в нее включалось сопротивление, связанное также и с отрывом граничного слоя (сопротивление формы).

Коэффициент сопротивления выражен в функции критерия Рейнольдса:

Все физические свойства газа должны определяться при средней температуре потока. При больших температурных напорах в теплообменниках, структура поверхности которых содействует сохранению ламинарного граничного слоя, а также в области ламинарного режима течения (в теплообменниках с гладкими ребрами) необходимо вводить температурный

фактор tст tср , где tст – температура стенки и tср – средняя температура потока.

17

Рис. 1.14. Теплоотдача и потеря напора для пластинчатой поверхности типа 20,8 с гладкими ребрами (табл. 1.1) [4]

Рис. 1.15. Теплоотдача и потеря напора для пластинчатой поверхности типа 24,4 с гладкими ребрами (табл. 1.1) [4]

18

Рис. 1.16. Теплоотдача и потеря напора для пластинчатой поверхности типа 35,5 с гладкими ребрами (табл. 1.1) [4]

Рис. 1.17. Теплоотдача и потеря напора для пластинчатой поверхности типа 43,6 с гладкими ребрами (табл. 1.1) [4]

19