Весна 16 курс 3 ОрТОР / Теория АД / Термодинамика и теплопередача Никифоров А.И.-3

121

уменьшению поверхности теплообмена при заданном значении тепловою потока. Однако необходимо учитывать, что при ламинарном режиме течения теплоносителя коэффициент теплоотдачи незначительно зависит от скорости или вовсе не зависит от нее.

Рис. 12.11. К вопросу определения эффективности коэффициента теплоотдачи

Турбулизация потока, как известно, приводит к значительному повышению коэффициента теплоотдачи. Поэтому искусственная турбулизация потока путём создания в нем отрывных зон, вихрей и т. п. является одним из эффективных способов интенсификации теплообмена. Необходимо учитывать, что основное сопротивление тепловому потоку оказывает тонкий пристеночный слой теплоносителя. Поэтому нет необходимости затрачивать энергию на турбулизацию ядра потока; достаточно турбулизировать только пристеночный слой. Этого можно добиться постановкой в каналах выступов, канавок, диафрагм, способствующих образованию небольших отрывных зон и вихрей за ними. Пример трубки теплообменника с выполненными на ней диафрагмами приведен на рис. 12.11, а. При переходном и турбулентном режимах

122

течения постановка диафрагм существенно повышает коэффициент теплоотдачи (рис. 12.11, б, где α0 – коэффициент теплоотдачи в гладкой трубе).

Следует отметить, что повышение эффективности теплообменника за счёт увеличения скорости теплоносителя или турбулизации потока связано с ростом гидравлических потерь в каналах и затрат энергии на прокачку теплоносителей.

Поэтому окончательный выбор режима и скорости течения основывается на всестороннем анализе характеристик эффективности теплообменного аппарата

Формы и размеры канала. По форме канала рекуперативные теплообменные аппараты подразделяются на трубчатые или пластинчатые. В трубчатых теплообменниках каналом одного из теплоносителей является труба обычно круглой или овальной формы или пучок труб (см. рис. 12.2, а). Второй теплоноситель движется по межтрубному пространству.

В пластинчатых теплообменниках каналы образуются стенками, разграничивающими теплоносители, и поперечными перегородками (см. рис. 12.2, б). Форма поперечного сечения канала в них может быть самой разнообразной: прямоугольной, трапециевидной и др.

Форма и эквивалентный диаметр канала dэ, (см. тему 10), а также шаг трубного пучка в трубчатых теплообменниках оказывают существенное влияние на эффективность теплообменного аппарата.

Уменьшение dэ ведет к росту коэффициента теплоотдачи и повышению,

вследствие этого, эффективности теплообменника. Наиболее существенно это влияние при ламинарном режиме течения. Кроме того, уменьшение dэ, сопровождается увеличением поверхности теплообмена в единице объема, что при заданном Q позволяет уменьшить объем и массу теплообменного аппарата. Уменьшение шага трубного пучка в трубчатых теплообменниках также приводит к снижению их массы и габаритов.

Эффективным средством интенсификации теплообмена является оребрение его теплопередающих поверхностей. В пластинчатых теплообменниках поперечные перегородки являются вместе с тем и рёбрами.

123

Примеры использования оребрения в трубчатом теплообменнике приведены на рис. 12.12.

Рис. 12.12. Оребрённые теплообменники

124

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача 12.1

Определить тепловые потери Qп нетеплоизолированного теплообменника, если его длина l = 1,5м, наружный диаметр корпуса D = 0,4 м, днища и крышка

– плоские. Корпус омывается теплоносителям с температурной t = 95 °С.

Теплообменник находится в закрытом помещении, где температура tв = 25 °С

Решение

Определим теплоотдающую поверхность теплообменника

Температуру наружной поверхности теплообменника принимаем равной температуре теплоносителя t = 95 °С

При расчёте трубопроводов и аппаратов, находящихся в закрытых помещениях при температуре t = 0…150 °С, коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

α = [8,4 + 0,06(t – tв)] . 1,63

Таким образом,

α = [8,4 + 0,06(95 – 25)] . 1,63 = 14,65 Вт Потери теплоты в окружающий воздух составляет

Qп = α (t – tв) F = 14,65 . (95-25) . 2,1136 = 2190 Вт

Задача 12.2

В маслоохладителе температура масла изменяется от t1' = 59 °С до t1'' = 50

°С, а воды от t2' = 9 °С до t2'' = 18 °С. Определить среднелогарифмический температурный напор при прямотоке и противотоке и расхождение между ними (рис. 12.13). Индексами 1 и 2 отмечаются температуры горячего и холодного теплоносителя. Одним и двумя штрихами отмечаются температуры теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата.

125

Рис.12.13 к решению задачи 12.2

Решение

Определим перепады температур обоих теплоносителей

t1 t1' t1'' 9 °С

t2 t2' t2'' 9 °С

Перепады температур теплоносителей оказались одинаковыми. Следовательно, водяные эквиваленты теплоносителей равны, т.е. W1 = W2. В этом случае для противотока температурный напор одинаков по всей поверхности теплообмена и равен

tпротив t1' t2'' t1'' t2' 59 18 50 8 49 °С

Для прямотока температурный напор на входе и выходе составляет:

126

Задача 12.3

Для условий задачи 12.2 определить средний температурный напор при однократном перекрестном потоке. Рассмотреть два случая: а) без перемешивания одного из теплоносителей (рис.12.14,а) и б) с перемешиванием обоих теплоносителей (12.14,б)

Решение

Определяем логарифмический средний напор для противотока tпротив , Из задачи 12.2 tпротив 41 °С

Вычисляем вспомогательные величины R и Р:

127

Согласно числовым значениям R и Р по расчётным графикам находим для однократного перекрестного потока (рис.12.14)

а) когда один из теплоносителей не перемешиваются, поправочной коэффициент к противотоку равен ε∆t = 0,98, а средний температурный напор

tперекр tпротив t 41 0,98 40,2 °С

б) когда оба теплоносителя перемешиваются, то

Задача 12.4

Студенты инженерно-технического факультета Межин К. А. и Хуат К. Х. сконструировали и построили лабораторную установку по определению коэффициента теплопередачи теплообменного аппарата (рис. 12.15).

Теплоносители жидкостно-воздушного теплообменника движутся по перекрестной схеме. Горячая вода поступает в теплообменник с температурной

t1' = 61 оС и охлаждаясь покидает его с температурой t1'' = 42 °С. Площадь охлаждаемой поверхности теплообменника F = 1,6 м2. Охлаждение горячей воды осуществляется воздушной струей, движущейся со скоростью 5 м/с. Температура воздуха составила на входе t2’ = 27 °С и на выходе t2’’ = 37 °С. Площадь воздушной

струи составляет f = 200.10-4 м2. Определить какой коэффициент теплопередачи теплообменника получили студенты.

128

Принципиальная схема лабораторной установки

Рис. 12.15. Теплообменник с перекрестным током: 1 – вентилятор, 2 – корпус воздуховода, 3 – теплообменник, 4 – анемометр, 5 – расходный бак, 6 – вентиль, 7 – расходомер, 8 – приёмники и указатели температур воды, 9 – приёмники и указатели температур воздуха

Решение

В начале по формуле (12.10) определим средний логарифмический температурный напор, считая рассматриваемую схему, как чисто противоточную (рис. 12.16)

t

Рис.12.16. К решению задачи 12.4

129

Для противотока температурный напор на входе ∆t′ и на выходе ∆t′′

составляет (см.рис.12.16)

Средний температурный напор для теплообменника с перекрестным током определяется по известной величине tпротив

Из справочной литературы по графикам зависимости ε∆t = f(P, R) для рассматриваемой схемы теплообменного аппараты находим величину поправочного коэффициента ε∆t = 0,85;

следовательно:

tперекр tпротив t 19,19 0,85 16,31 °С .

Определяем расход воздуха, участвующего в отборе тепла от горячей воды:

Количество теплоты, воспринятого воздухом от горячей воды при её охлаждении составляет

130

Q2 GВ Сp t2'' t2' 0,104 1005 37 27 1045 Вт

Согласно уравнения теплового баланса без учёта потерь, считаем что количество теплоты отданного горячей водой равно количеству тепла полученного воздухом

Q1 k F tперекр Q2 ,

где k - искомый коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата. Следовательно:

Студенты инженерно-технического факультета получили коэффициент теплопередачи, равный

k 40,05 BT K м 2