Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Рекуперативные и регенеративные теплообменные аппараты. Учебное пособие
.pdf
талла, а наружная, служащая для создания ребер, из высокотеплопроводного
1 1 2 2
F F
1 2
,
1 2
F , F
Р
F
СТ
F
СТ
F F
5
металла (например, с использованием порошковой металлургии).
Трубы с продольным оребрением менее распространены. Достаточно ча-
сто применяются так называемые «плавниковые» трубы (рис.16, д). Для газоохладителей получили распространение трубки с расположенными по окружности рамками из проволоки (рис. 16, е).
Внутреннее оребрение применяется очень редко в связи со сложностью
изготовления. Область применения таких труб – высокие давления теплоносителей.
Задачей теплового расчета оребренных поверхностей является определе-
ние связи передаваемого теплового потока с температурами теплоносителей и
стенки, коэффициентами теплоотдачи, геометрическими размерами оребрения
и теплопроводностью. Правильно спроектированное оребрение позволяет в несколько раз увеличить передаваемый тепловой поток (при фиксированной температуре стенки) или значительно понизить температуру стенки (при заданном
тепловом потоке) по сравнению с гладкой трубой при одинаковых прочих
условиях. Неверно рассчитанное оребрение может даже ухудшить теплообмен
(«парниковый эффект оребрения»). Следует заметить, что устройство оребрения к существенному изменению коэффициента теплоотдачи не приводит.
Для ориентировочных расчетов величину оребрения следует рассчиты-
вать исходя из следующего соотношения:
где
- коэффициенты теплоотдачи с каждой из сторон оребренной
стенки, Вт/(м2∙К);
- площади поверхности теплообмена с каждой из сторон.
Суммарная площадь оребренной поверхности F складывается из соб-
ственно площади ребер
Отношение
и площади неоребренной поверхности стенки
называют коэффициентом оребрения поверхности.
С точки зрения теории теплообмена считается выгодным оребрять по-
верхности в случае выполнения условия [8]:
2
где - толщина ребра, м;
- коэффициент теплопроводности материала ребра, Вт/(м·К).
, (54)
.
, (55)
51
На практике выгодность оребрения часто определяют и такие факторы
ЗАГ
ПР
2
Р
Р
К
С
С 0,8 1
С 1
как гидравлическое сопротивление, вес и габариты ТОА.
Коэффициент теплопередачи,k, Вт/(м2·К), при одностороннем оребрения
чаще всего рассчитывается по упрощенной формуле:
k
где
1 1
- приведенный коэффициент теплоотдачи со стороны оребренной по-
2
СТ
1 СТ 2ПР
, (56)
R
верхности, который учитывает термическое сопротивление теплопроводности, обусловленное формой, сечением, материалом ребра, термическое
сопротивление конвективной теплоотдачи при омывании оребренной поверхности теплоносителем и эффективность теплоотдачи ребра,
Вт/(м2∙К).
Приведенный коэффициент теплоотдачи это фиктивная величина, учиты-
вающая стационарный теплообмен на поверхности ребра и нестационарные
процессы распространения тепла по длине и сечению ребра. Определяется по
следующей формуле [7]:
1
1
2ПР 2 Р
1 1
(57)
где
- средний конвективный коэффициент теплоотдачи со стороны ореб-
ренной поверхности, Вт/(м2∙К);
- коэффициент полезного действия ребра (иногда называемый коэффи-
циент эффективности ребра).
КПД ребра это отношение количества тепла, переданного оребренной
поверхностью, к тому количеству тепла, которое могло бы передаваться в случае бесконечной теплопроводности того же ребра.
В реальных ТОА с течением времени нарушается контакт материала реб-
ра и стенки. Снижение эффективности работы ребра учитывают путем умножения
дом навивки, обсадки
фрезерования и проточки -
на поправочный коэффициент
К
К
, для литых, накатных, полученных методом
.
. Для оребрения, полученного мето-
Для продольных ребер прямоугольного сечения:
52
'2Р
th h
'
P
h
Р
'
Р Р
f , h
0,33 0,28 0,18
Nu 0,424 Re Pr .
, 1,5..2,5; 0,79..1, 2; 0,12..0,16
d d d d
2 4
Re 10 ..2 10
Pr 0,7..5000
Р
2
2
Р Р
Р Р
2
, (58)
'
h
Р
где
- эффективная высота ребра; для прямых ребер принимается равной
его геометрической высоте.
Для продольных ребер других видов определение
графиков
2
Р Р
2
в [8].
представлено в виде
С достаточной степенью точности можно использовать формулу (58) для
определения КПД ребра при поперечном и спиральном оребрении. Для ребер
других типов (квадратных, в виде многоугольников и пр.) высоту ребра принимают равной высоте эквивалентного по площади поверхности круглого ребра.
При определении критериев подобия в качестве определяющего размера
чаще всего выбирается наружный диаметр трубы, несущей оребрение. В качестве определяющей скорости – скорость в самом узком сечении потока. Подробнее о выборе этих величин [7].
Определение среднего коэффициента теплоотдачи для пучков оребрен-
ных труб в основном производится на основании обработки экспериментальных данных и получении на их основе эмпирических зависимостей [8].
Ниже приводятся данные для определения теплоотдачи металлических
труб с размерами ребер, близких к оптимальным.
Шахматный пакет поперечно обтекаемых плавниковых труб в случае
охлаждения потока:
П П П
Для случая нагревания потока коэффициент в уравнении (59) равен 0,53.
Формула применима при
s s h
1 2 Р Р
Шахматные пучки труб с поперечными круглыми ребрами:
- при
П
0,35
'
0,57 0,35
s s h
1 2 P P
d d d d
.
и
П
:
53
(59)
0,25
4 5
Re 2 10 ..2 10
0,07..0,715; 0,06..0,36
d d
0,25
5 6
Re 2 10 ..1,4 10
1,27..2,2, 2,2..4,2;
d d
0,125..0,6; 0,125..0,28
d d
0,25
Re 5 10 ..10 , s 1,8..4, s 1,72..3, 5..12
0,25
Nu 0,192 Re Pr
П П П
0,65 0 ,36
0,2
s s h Pr
2 Р P П
s d d Pr
1 C
0,18
0,14
'
; (60)
- при
- при
П
h s
Р Р
;
Nu 0,0507 Re Pr
П П П
П
Nu 0,0081 Re Pr
П П П
0,8 0,4
s s
1 2
h s
Р Р
,
0,95 0,4
0,2
s s h Pr
2 Р P П
s d d Pr
1 C
0,2
s s h Pr
2 Р P П
s d d Pr
1 C
0,18
0,18
0,14
'
0,14
'
(61)
. (62)
Для расчета средней теплоотдачи коридорных пучков труб при
П 1 2
3 6
используется следующая зависимость:
Nu 0,303 Re Pr
П П П
Средняя теплоотдача шахматных пучков труб с проволочным оребрением
рассчитывается по зависимости:
0,625 0,36 0,2
54
Pr
Pr
П
C
. (63)
0,25
Nu 4,29 Re Pr s s
0
l
Re 980..1,9 10 , s 1,8..4, s 2,1..4,
4 5
Re 10 ..2 10
0.14
5 6
Re 2 10 ..1,5 10
0,14
Р
s
П П П 1 2
0,46 0,36 0,1 0,2
0,36 0,6
l
0
'
h s Pr
Р Р C
d
Pr
П
, (64)
где
- шаг петли.
Формула (64) применима при следующих условиях:
4
0
'
.
конвективный коэффициент теплоотда-
В области чисел
П 1 2
d l
1,41..2,72 0,061..0,236
s h
P Р
Ж
чи для шахматных пучков труб с непрерывным спиральным оребрением рассчитывается по формуле:
. (65)
Nu 0,043 Re s / s s / d h / d
Ж Ж 1 2 Р Р
Для значения
Ж
0.8 '
0.2 0.18
для той же конструкции оребрения ис-
пользуется формула:
Nu 0,007 Re s / s s / d h / d
Ж Ж 1 2 Р Р
0,95 '
0,2 0,18
В формулах (65),(66) определяющий размер – шаг ребер
. (66)
.
3.4.10. Теплообмен при изменении агрегатного состояния теплоносителя
3.4.10.1. Теплообмен при кипении
Переход теплоносителя из жидкого состояния в газообразное реализуется
либо за счет охлаждения однофазного греющего теплоносителя в испарителях
(бойлерах, кипятильниках), либо за счет конденсации парообразного теплоносителя (паропреобразователи).
По принципу кипения подобные ТОА можно разделить на две основные
группы: в первой группе кипение осуществляется в условиях направленного
движения жидкости, во второй – в условиях естественной конвекции на тепло-
55
отдающих поверхностях, погруженных в жидкость (кипение в большом объе-
t
t
t
t
и теплового
t
ме).
На рис. 17 представлена зависимость теплового потока через разделяю-
щую поверхность и коэффициента теплоотдачи на поверхности нагрева от разности температур
Участок 1-2 кривой теплового потока соответствует конвективному теп-
лообмену в однофазной среде в условиях естественной конвекции. Участок 2-3
– переходная область от естественной конвекции к пузырьковому кипению, в
которой паровую фазу генерируют отдельные центры парообразования.
между теплопередающей стенкой и кипящей жидкостью.
Рис. 17. Зависимость коэффициента теплоотдачи
потока q от перегрева жидкости
Кипение начинается после того как температура поверхности нагрева
становится выше температуры насыщения при данном давлении с момента
начала развитого кипения. При малых значениях q и
ковый (пузырчатый) режим кипения. Коэффициент теплоотдачи и тепловой
поток q при пузырьковом кипении растут с увеличением
мального значения в точке 4. В этой точке наблюдается так называемый первый
кризис кипения. Дальнейшее увеличение
56
сопровождается переходом пу-
наблюдается пузырь-
, достигая макси-
зырькового кипения в пленочное - происходит слияние пузырьков, образую-
t
t
2 4
Re 10 10
0,65 1 3
Nu 0,125 Re Pr
2
Re 10
0,5 1 3
Nu 0,0625 Re Pr
q lRer "
Н
c ' T
l
', "
Н
T
Pr 0,86 7,6
p 3,92 14700
КР
q q
щихся на поверхности нагрева, в подвижную паровую пленку, пар из которой
выходит в виде больших пузырей. При этом с поверхностью нагрева контактирует уже не жидкость, а газ и, как следствие, резко снижается коэффициент
теплоотдачи. Пленка пара, возникающая в момент кризиса, непрерывно пульсирует, она периодически выбрасывает паровую фазу в массу жидкости и частично разрушается. При прорыве жидкости к стенке не происходит интенсивного охлаждения поверхности, так как ее температура существенно выше температуры образования парового пузыря. В связи с этим пленка обладает высокой устойчивостью. При различных способах подвода тепла поверхность перегревается, что приводит к покраснению или даже пережогу. Поэтому в современных ТОА реализуют пузырьковый режим кипения.
При последующем наращивании
коэффициент теплоотдачи снижается до определенного минимального значения и в дальнейшем остается постоянным. После стабилизации тепловой поток опять начинает возрастать, начиная с точки 5. Но это происходит исключительно только как следствие увеличения
. Точка 5 называется второй кризис кипения. На участке 4-5 происхо-
дит переход от пузырькового кипения к пленочному.
При пузырьковом кипении в большом объеме в зависимости от условий и
свойств жидкости существует большое количество расчетных зависимостей [7].
Для воды можно рекомендовать следующие зависимости:
- при
:
; (67)
где
- при
:
;
l
P
r "
(68)
;
Nu
2
;
- соответственно плотности жидкости и пара при температуре
насыщения;
- температура насыщения, К.
Все теплофизические величины в формулах (67), (68) берутся при темпе-
ратуре насыщения. Формулы справедливы при
Па и плотности теплового потока
, давлении
.
57
Критическая плотность теплового потока при кипении в большом объеме
4,9 1 3
Re 68 Ar Pr
q l
r "
' "
"
0,5 4
K' Pe' K 3 10
1 3 1 3
3 0,5 4
10 K' Pe' K 3 10
1 3 1 3
St 0,02 K ' Pe' K K'
Р СМ
СМ
w
Р Н
rKс Т
g "
H CM
r ' w
H H
g "
r ' a
H
a
H
p
g 9,81
может быть подсчитана по формуле:
; (69)
КР
где
Re
КР
КР
,
Ar
l
2
.
Обозначения в формуле (69) – аналогично (68).
При кипении воды в трубах и кольцевых каналах с достаточной степенью
точности интенсивность теплообмена можно определить по следующим зависимостям:
1 3
- при
- при
W Н C
:
St 1,25 K ' K' K Pe'
; (70)
Н Р W C Н
1 3
W Н C
Н W Н C Р
:
0,5
0,5
0,5
; (71)
где
St
Н
с ' w
- критерий Стантона,
- скорость движения пароводяной смеси,
H
H
Pe'
p
H
Н
C
q
Н
H
- модифицированный критерий Пекле,
;
K'
Р
- коэффициент температуропроводности, м2/с,
- давление насыщения, Па,
м/с2.
58
;
K'
W
;
q
Остальные обозначения – аналогично формуле (67). В качестве опреде-
H
p
0,5
W
2
K
2 0,5
W K
W K
К
W
ляющей используется температура насыщения при давлении
.
При вынужденном движении кипящей жидкости в трубах в условия, когда она нагрета до температуры насыщения, определение коэффициента теплоотдачи рекомендуется вести по следующей методике [2]:
К
W
К
то
К
W
то
то
;
;
4
W
5
;
- коэффициент теплоотдачи при вынужденном течении однофазной
где
если
W
жидкости в трубах, Вт/(м2∙К);
- коэффициент теплоотдачи при кипении, определяемый по форму-
лам (67)-(71). Вт/(м2∙К).
3.4.10.2. Теплообмен при конденсации
Теплообмен при конденсации паров представляет собой процесс переноса
тепла и массы одновременно с изменением фазового состояния – переходом из
газообразного состояния в жидкое.
Необходимым условием конденсации пара является наличие поверхности
с температурой ниже, чем температура насыщенного пара. В начальный момент
соприкосновения пара с холодной поверхностью она покрывается мономолекулярным адсорбированным слоем, который в процессе конденсации либо растет
и уплотняется, либо, по достижении определенной толщины, разрывается на
большое количество капелек, число которых в дальнейшем растет.
Первый вид конденсации – капельная, второй - пленочная. Различие в характере взаимодействия поверхности с конденсатом обусловливается различным значением краевого угла. Если краевой угол меньше 900 – жидкость смачивает поверхность и конденсация пленочная. При значениях угла свыше указанной величины – жидкость не смачивает поверхность и конденсация капельная.
Дальнейшее движение, как пленки, так и капель происходит под действием либо только гравитационных сил (при конденсации неподвижного пара), ли-
59
бо совместного действия сил гравитации и сил трения со стороны движущегося
П П
П
w
П
w 1
Ж Н C
h t t
h
Z 2300
Z 2300
t
0,125
Ж Н
t t
пара. Пленочный режим сопровождается изменением толщины пленки, при капельной конденсации режим изменяется от капельного к струйному и далее к
поточному, сплошь закрывающему поверхность.
При пленочной конденсации коэффициент теплоотдачи в 5-10 раз меньше, чем при капельной. Это обусловливается большим термическим сопротивлением пленки, отделяющей пар от стенки. В ТОА обычно происходит смешанная - капельная и пленочная конденсация. Для увеличения доли капельной
конденсации поверхности покрывают специальными не смачивающимися покрытиями или добавляют в пар специальные вещества.
В качестве характерной величины, по которой судят о влиянии силы движения пара на пленку конденсата принято произведение
рость пара,
- его плотность в состоянии насыщения. При
w
2
, где
2
П П
- ско-
пар по-
лагают неподвижным.
Для точного определения коэффициентов теплоотдачи на вертикальных
поверхностях необходимо определить режим течения пленки конденсата по
значению критерия Григуля (приведенная длина):
1 3
r
; (72)
где
Z
g
Ж Ж Ж Ж
- характерный размер (высота стенки или трубы, на поверхности которой происходит конденсация).
При
течение пленки является ламинарным, при
начи-
нается переход к турбулентному режиму.
Для случая неподвижного пара и ламинарного течения пленки конденсата
расчет коэффициента теплоотдачи, , Вт/(м2∙К), можно вести по формуле Нуссельта:
1 3
(73)
где
t
3
C Ж
3
Ж С
3 2
1,34
Ж Ж Ж
t t h
Ж Н C
r
- поправка на неизотермичность течения пленки конден-
сата.
Определяющей температурой жидкости является температура насыще-
ния, т.е.
.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]