teplo_2012

1.8. Пластинчато-ребристые теплообменники

Этот тип теплообменников относится к числу наиболее компактных аппаратов благодаря развитой поверхности теплообмена в ограниченном объеме ТА. Особенностью этих теплообменников является высокое отношение поверхности теплоотдачи к единице объема, которое может достигать 6 000 м2/м3 и более. Для сравнения, компактность гладкотрубчатого ТА с трубами диаметром 6…12 мм составляет порядка 250 м2/м3. По этой причине пла- стинчато-ребристые теплообменники обычно называют «компактными теплообменниками». Пластинчато-ребристые поверхности особенно эффективны для теплообменников типа газ – газ, требующих сильно развитую поверхность со стороны обоих теплоносителей.

Наиболее употребительными конструкционными материалами являются алюминий и сталь. Алюминиевые конструкции обычно бывают полностью паяными, а в стальной может использоваться как пайка, так и сварка. На рис. 1.15 показаны основные элементы теплообменника с паяными оребренными пластинами. Он состоит из гофрированной ребристой пластины 1, соединенной с разделительной пластиной 2 и закрытой штампованными боковыми каналами 3.

Рис. 1.15. Элементы канала пластинчато-ребристого теплообменника: 1 – гофрированные ребра; 2 – пластины; 3 – боковые уплотнительные полосы

Типичные конфигурации ребристой пластины будут еще рассмотрены. Сердечник теплообменника образован пакетом множества слоев, включающих ребристые и разделительные пластины. Пластинчато-ребристые теплообменники могут иметь большое разнообразие форм и размеров.

43

сечения представляют собой комбинацию двух систем с различными размерами ребер, что позволяет конструктору добиться нужного соотношения поверхностей на горячей и холодной сторонах.

Рис. 1.17. Гладкие непрерывные ребра: а – прямоугольные; б – трапецевидные; в – треугольные

Поверхности с волнистыми ребрами (рис. 1.18) более эффективны по сравнению с гладкими непрерывными. Изменения направления потока, вызванные ребрами, приводят к отрыву пограничного слоя. Такой тип поверхности имеет умеренное гидросопротивление.

Пластинчато-стерженьковые поверхности являются примером развитой поверхности, в которой высокие значения коэффициента теплоотдачи обусловлены тонким пограничным слоем на ребрах.

Рис. 1.18. Поверхности с волнистыми ребрами

При изготовлении ребер (рис. 1.19) из тонкой проволоки эффективная длина ребра равна половине окружности, поэтому очень мала. Однако эти поверхности характеризуются весьма высокими значениями коэффициента сопротивления, обусловленными главным образом отрывом пограничного слоя при поперечном обтекании стержней. Тем не менее, высокие значения

45

коэффициента теплоотдачи часто дают выигрыш по сравнению с потерями, связанными с высоким значением коэффициента сопротивления, что и определяет целесообразность их применения.

Рис. 1.19. Стерженьковые ребра:

а, б – круглого сечения; в – овального сечения

Поверхности с перфорированными ребрами (рис. 1.20) имеют отверстия, вырезанные в ребрах, которые служат для разрушения пограничного слоя. Факторы трения для этой поверхности очень малы, вероятно, вследствие незначительного коэффициента сопротивления формы.

Рис. 1.20. Перфорированные ребра

Жалюзийные ребра (рис. 1.21) выполняются прорезанием пластины и отгибанием полоски материала в поток газа через определенные интервалы. Этим достигаются разрушение пограничного слоя и повышение интенсивности теплоотдачи по сравнению с наблюдающейся на поверхностях с гладки-

46

ми ребрами при тех же условиях движения. Как правило, чем чаще происходит искусственное возмущение пограничного слоя, тем выше коэффициент теплоотдачи, хотя одновременно возрастает и коэффициент сопротивления.

Рис. 1.21. Поверхности с жалюзийными ребрами

Поверхности с короткими пластинчатыми ребрами (рис. 1.22) в принципе аналогичны поверхностям с жалюзийными ребрами, отличаясь только тем, что короткая сторона сечения ребра располагается в направлении потока. Используя такую поверхность, можно делать ребра короткими в направлении потока, достигая очень высоких значений коэффициента теплоотдачи, который является наибольшим по сравнению с другими поверхностями.

Рис. 1.22. Рассеченные поверхности: а – треугольные; b –плоские прямоугольные каналы

Важным параметром рассеченных и других прерывистых ребер является длина гладкого ребра l' (см. рис. 1.22) в направлении потока. На полной

47

длине L могут располагаться несколько гладких ребер, помещенных торец к торцу. При подборе оптимальных значений безразмерных определяющих геометрических параметров рассеченных поверхностей l'/d, δ/d и h/t (здесь d

– эквивалентный гидравлический диаметр канала) рост теплоотдачи больше или равен росту гидросопротивления по сравнению с гладким каналом (например, для этого относительная длина ребра 0,5<l'/d<5). При значении параметра l'/d = const в диапазоне чисел Re<2.000 с уменьшением относитель-

ной толщины ребра δ/d в диапазоне значений δ/d=0,114÷0,020 существенно (до 60%) увеличивается рост теплоотдачи при практически неизменном росте гидравлического сопротивления. Однако в диапазоне чисел Re>2 000 при тех же условиях теплоотдача практически не растёт, а гидравлическое сопротивление существенно уменьшается (до 35%).

Паяные алюминиевые конструкции ограничены избыточными давлениями до 2 000 Па (0,02 атм). Однако применение специальных ребер может производить работу при несколько более высоких давлениях. Применение специальных конструкций со штампованными трубами позволяет работать при больших давлениях. Еще большие давления допускаются в конструкциях из нержавеющей стали. Вообще же в паяных теплообменниках с оребренными пластинами расчетные значения ниже, чем в кожухотрубных теплообменниках с круглыми трубами.

В отсутствие коррозионных жидкостей высокая теплопроводность алюминия обеспечивает самую низкую стоимость теплообменника. Алюминий целесообразно применять в диапазоне температур от криогенных до 250 °С, углеродистую сталь — от 250 до 480 °С, нержавеющую сталь – в диапазоне 250…650 °С. Для работы при высоких температурах в условиях коррозии предпочтительно использовать нержавеющие стали. Медь удобна для паяных конструкций и обеспечивает идеальные тепловые свойства. Тем не менее ее применяют только в коррозионной среде, где неприменим алюминий. В большинстве автомобильных радиаторов применяются медь или медные сплавы.

48

Для температур выше 650 °С компактные теплообменники можно делать из керамики или углеродистых материалов. Они изготавливаются специальными методами литья.

1.9. Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменники имеют широкое применение в теплоэнергетике, что обусловлено следующими их качествами:

•высокая эффективность теплообмена и вследствие этого высокий

кпд;

•надежность и устойчивость к внешним и внутренним воздействи-

ям;

•простота монтажа и эксплуатации, низкие трудозатраты при ремонте оборудования;

•лёгкость очистки благодаря разборной конструкции;

•небольшие массогабаритные показатели;

•низкие потери давления, малая величина недогрева;

•возможность изменения характеристик уже эксплуатируемого теплообменника.

В системах теплоснабжения пластинчатые теплообменники применяются в установках, нагревающих воду для отопления и горячего водоснабжения. Они имеют следующие преимущества:

•повышенная надёжность системы теплоснабжения;

•эффективный теплосъём в пластинчатом теплообменнике, обеспечивающий необходимую температуру воды в обратной магистрали независимо от условий использования;

•упрощение задачи регулирования отпуска теплоты.

Существует весьма большое количество различных пластинчатых теплообменников. Разборные пластинчатые теплообменники состоят из набора теплообменных пластин (рис. 1.23), которые поставляются с прокладками,

49

уплотняющими различные каналы от воздействия атмосферного давления и отделяющими холодные и горячие потоки. Пластины в теплообменниках данного типа свариваются только с одной стороны, с другой же стороны обычно устанавливаются прокладки.

Система уплотнительных прокладок пластинчатого теплообменника построена так, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются две системы герметичных каналов, изолированных одна от другой металлической стенкой и прокладками: одна для горячей рабочей среды, другая – для холодной. Обе системы межпластинных каналов соединяются со своими коллекторами и далее со штуцерами для входа и выхода рабочих сред, расположенных на плитах.

Рис. 1.23. Принципиальная схема сборки пластинчатого аппарата: 1, 2, 11, 12 – штуцера; 3 – неподвижная плита; 4 – верхнее угловое отверстие; 5 – кольцевая резиновая прокладка; 6 – граничная пластина; 7 – штанга; 8 – нажимная плита; 9 – задняя стойка; 10 – винт; 13 – большая резиновая проклад-

ка; 14 – нижнее угловое отверстие; 15 – теплообменная пластина

Холодная рабочая среда входит в аппарат через штуцер 1, расположенный на неподвижной плите, и через верхнее угловое отверстие 4 попадает в продольный коллектор, образованный угловыми отверстиями пластин после

50