10. Если в теплообменнике с одной из сторон стенки один из коэффициентов теплоотдачи известен и значительно меньше другого (например, в теплообменнике «вода – воздух» коэффициент теплоотдачи по воздуху значительно меньше, чем коэффициент теплоотдачи по воде), то, используя метод расчета теплообменника по формулам (4. 15), (4. 16) и считая известным значение коэффициента теплопередачи kl , можно определить коэффициент теплоотдачи по другой стороне. Если, например, в рассматриваемом аппарате типа «труба в трубе» горячим теплоносителем является вода, а холодным – воздух, то коэффициент теплоотдачи по воздуху равен:

где kl определяется по уравнению (4. 16), коэффициент теплоотдачи по во-

де αг из соотношения

где Reг = 4Gг ; μг, λг, Prг определяются по средней температуре горячей воды

πd1μг

T г = 0,5(Tг′ +Tг′′) ; Prw определяется по температуре стенки Tw. В первом при-

ближении принять Tw T г. Коэффициент теплопроводности материала стен-

ки принять λw = 20 Вт/(м·К).

Если в аппарате горячим теплоносителем является воздух, а холодным вода, то коэффициент теплоотдачи по горячей стороне αг может быть определен с использованием уравнения (4.15), где коэффициент теплоотдачи по воде αх определяется выражением:

141

воды T х = 0,5(Tх′ +Tх′′) ; Prw определяется по температуре стенки Tw. В первом приближении принять Tw =T х.

11. Результаты обработки опытных данных сводятся в табл. 4.2 – 4.4.

Таблица 4.3.

Верхняя строка в табл. 4.4 соответствует определению αх методом рас-

чета теплообменника по формулам (4. 15), (4. 16), нижняя − определению αг. 12. Для варианта определения αх строится зависимость Nuх от Reх и

142

проводится сопоставление полученных величин с расчетной зависимостью для кольцевых каналов с обогреваемой внутренней трубкой:

Для варианта определения αг строится зависимость Nuг от Reг и проводится сопоставление полученных величин с расчетной зависимостью для трубы:

13. При исследовании работы теплообменного аппарата, в котором применена интенсификация теплообмена, необходимо сопоставить полученные в п. 9 зависимости с аналогичными зависимостями для теплообменника без интенсификации теплообмена при одинаковых значениях задаваемых параметров Gг, Gх, Tг′, Tх′, d1, d2, d3, l.

14. При определении коэффициентов теплоотдачи по горячей стороне в аппарате с интенсификацией сопоставить полученные значения Nuг с расчет-

ной зависимостью для теплоотдачи гладкой трубы Nuггл (4.61) и определить отношение Nuг Nuггл в зависимости от Reг и безразмерных геометрических па-

раметров d1′d1 и t/d1. Построить соответствующие графики и сопоставить полученные результаты с эталонными значениями, приведенными в приложении (табл. П. 8).

При Re = const и t/d1 = const построить зависимость Nuг Nuггл от d1′d1 . Используя данные табл. П. 8, на том же графике нанести зависимость отношения коэффициентов гидравлического сопротивления ξξгл . Опреде-

лить области значений параметров, где Nuг Nuггл > ξξгл и Nuг Nuггл

<ξξгл .

15.При определении коэффициента теплоотдачи по холодной стороне

ваппарате с интенсификацией теплообмена сопоставить полученные значе-

143

ния Nuх с расчетной зависимостью Nuхгл для теплоотдачи кольцевого канала

зультаты с эталонной зависимостью (4.45).

Контрольные вопросы

1.Какие величины характеризуют качество работы теплообменного аппарата?

2.Что такое коэффициент теплопередачи?

3.Какие преимущества имеет противоточная схема по сравнению с прямоточной схемой?

4.Что нужно сделать, чтобы уменьшить погрешность определения коэффициента теплопередачи?

5.Что нужно сделать, чтобы заметно уменьшить погрешность определения коэффициента теплоотдачи методом теплообменника?

6.Как изменить режим работы теплообменного аппарата?

7.Как влияет увеличение температуры горячего теплоносителя на входе на тепловую мощность аппарата и температуры теплоносителей на выходе из аппарата?

8.Как влияет увеличение расхода холодного теплоносителя на тепловую мощность аппарата и температуры теплоносителей на входе?

9.Показать, как изменится распределение температур горячего и холодного теплоносителей по длине канала для прямотока и противотока.

10.Каким способом можно увеличить коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата?

144

11. Почему при организации интенсификации теплообмена в каналах целесообразно турбулизировать пристеночные слои жидкости?

145

Вконтактных теплообменных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном контакте двух теплоносителей: горячего и холодного. При этом теплообмен может сопровождаться массообменом. Контактные теплообменники подразделяются на смесительные и барботажные.

Ваппаратах смесительного типа нагретые и менее нагретые теплоносители перемешиваются и образуют растворы или смеси.

Ваппаратах барботажного типа более нагретый теплоноситель прокачивается через массу менее нагретого, или наоборот, при этом теплоносители не смешиваются.

Вповерхностных теплообменниках оба теплоносителя отделены один от другого твердой стенкой или поочередно контактируют с одной и той же стенкой, которая участвует в процессе теплообмена и образует так называемую поверхность теплообмена.

Поверхностные теплообменники разделяются на рекуперативные и регенеративные.

Врекуперативных аппаратах процессы теплообмена обычно стационарные: одна сторона поверхности теплообмена все время омывается горячим теплоносителем, а другая сторона – холодным. Тепло от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала. Направление теплового потока в стенке остается неизменным.

Врегенеративных аппаратах одна и та же поверхность теплообмена попеременно омывается то одним, то другим теплоносителем. При контакте с первичным теплоносителем в стенках аккумулируется тепло, которое в период охлаждения отдается вторичному теплоносителю. Направление теплового потока в стенках периодически меняется.

Наибольшее распространение в авиации и других областях техники получили рекуперативные теплообменники. Они могут быть классифицированы по следующим признакам:

1)по роду теплоносителей в зависимости от их агрегатного состояния

147

(рис. 5.1);

2)по конфигурации поверхности теплообмена: трубчатые аппараты с прямыми трубками, с U-образным трубным пучком, пластинчатые, змеевиковые, ребристые;

3)по компоновке поверхности нагрева: тип «труба в трубе»; кожухотрубчатые аппараты; оросительные аппараты (не имеющие ограничивающего корпуса).

Рекуперативные теплообменники

Рис. 5.1. Классификация ТА по агрегатному состоянию теплоносителей

Все ТА поверхностного типа можно классифицировать по виду взаимного направления потоков теплоносителей:

1)прямоточные (прямотоки), когда оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении (см. рис. 1.6, а);

2)противоточные (противоток), когда оба теплоносителя движутся в противоположных направлениях (см. рис. 1.6, б);

3)с перекрестным током – теплоносители движутся во взаимноперпендикулярных направлениях. Перекрестный ток может быть однократным (см. рис. 1.6, в) и многократным (см. рис. 1.6, д);

4)с более сложными схемами различного сочетания прямотока, противотока и перекрестного тока (см. рис. 1.6, е, ж).

К рекуперативным теплообменникам можно отнести также теплообменники с промежуточным теплоносителем. В теплообменниках с принудительной циркуляцией промежуточного теплоносителя имеется замкнутый контур, через который насосом прокачивается жидкость. Часть этого контура расположена в зоне горячего теплоносителя, часть – в зоне холодного. Эти

148

зоны могут находиться на некотором расстоянии одна от другой. Разновидностью теплообменника с промежуточным теплоносителем

является теплообменник на тепловых трубах, представляющий собой пучок тепловых труб, разделенных герметичной перегородкой на горячую и холодную зоны теплообменника (рис. 5.2). В отличие от обычного теплообменника, промежуточный теплоноситель в нем изменяет фазовое состояние (процессы испарения и конденсации). Роль насоса здесь выполняют капиллярная структура либо силы гравитации.

Рис. 5.2. Тепловая труба: 1 - тонкостенный металлический сосуд; 2 – капиллярно-пористый материал – фитиль; 3 – внутренний объём, свобод-

ный от фитиля, является паровым каналом

5.2. Основные положения теплового расчета

Рассмотрим изменение температуры первичного (горячего) и вторичного (холодного) теплоносителей в теплообменном аппарате рекуперативного типа (рис. 5.3). За начало координат принято сечение, через которое втекает теплоотдающая жидкость. По оси абсцисс отложена длина трубы или поверхность теплопередачи F, а по оси ординат – температуры жидкостей; индексами 1 и 2 отмечаются температуры и другие параметры соответственно горячего и холодного теплоносителя. Параметры теплоносителей на входе и

149

выходе из теплообменного аппарата отмечаются одним и двумя штрихами.

Рис. 5.3. Изменение температуры теплоносителей в рекуперативном ТА:

а– при прямоточном движении теплоносителей без фазовых превращений;

б– при противоточном движении теплоносителей без фазовых превращений

При прямотоке (см. рис. 5.3, а) на входе в теплообменный аппарат разность температур между жидкостями имеет наибольшее значение. При движении жидкостей в теплообменном аппарате разность температур между ними быстро уменьшается, так как жидкости движутся в одном направлении. Температура теплоотдающей жидкости понижается, а температура тепловоспринимающей жидкости увеличивается.

При прямотоке температура тепловоспринимающей жидкости не может подняться выше температуры теплоотдающей жидкости на выходе из теплообменного аппарата.

При противотоке (см. рис. 5.3, б) температура охлаждаемой жидкости в теплообменном аппарате понижается более интенсивно, так как горячая жидкость встречает все более и более холодную охлаждающую жидкость, поэтому при противотоке можно нагреть охлаждающую (тепловоспринимающую) жидкость выше температуры выходящей охлаждаемой (теплоотдающей) жидкости, т.е. в этом случае возможно t2′′ >> t1′′.

Разность температур между обеими теплообменивающимися жидкостями не изменяется очень резко, как это наблюдается при прямотоке. Среднее значение температурного напора

150