«Б.Е. БАЙГАЛИЕВ, А.В. ЩЕЛЧКОВ, А.Б. ЯКОВЛЕВ, П.Ю. ГОРТЫШОВ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Учебное пособие Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области авиации, ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА

Б.Е. БАЙГАЛИЕВ, А.В. ЩЕЛЧКОВ, А.Б. ЯКОВЛЕВ, П.Ю. ГОРТЫШОВ

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Учебное пособие Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области авиации, ракетостроения и космоса в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений РФ, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника», 160700 «Двигатели летательных аппаратов» и специальности 160700 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей»

Под редакцией Ю.Ф. Гортышова КАЗАНЬ УДК 536.21(075.8) Ба Рецензенты:

доктор технических наук, профессор К.Х. Гильфанов (Казанский государственный энергетический университет) доктор технических наук, профессор В.В. Бирюк (Самарский государственный аэрокосмический университет) Байгалиев Б.Е.

Ба 12 Теплообменные аппараты: учебное пособие / Б.Е. Байгалиев, А.В. Щелчков, А.Б. Яковлев, П.Ю. Гортышов. – Казань: Изд-во Казан.

гос. техн. ун-та, 2012. –180 с.

ISBN 987-5-7579-1773- Содержит описания устройств и работы наиболее распространенных видов теплообменных аппаратов, а также методики их конструкторского и поверочного расчетов, имитационного и экспериментального испытаний. Предназначен для студентов всех специальностей дневной и вечерней формы обучения, изучающих курсы «Теплообменные аппараты».

Табл. 22. Ил. 71. Библиогр.: 10 назв.

УДК 536.21 (075.8) © Изд-во Казан. гос. техн.. ун-та, © Б.Е. Байгалиев, А.В. Щелчков, ISBN 987-5-7579-1773-3 А.Б. Яковлев, П.Ю. Гортышов Введение Теплообменный аппарат — это устройство, осуществляющее передачу теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. Теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяются в области авиационной, ракетной, космической техники и энергетики, в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве.

Теплообменные аппараты подразделяют на поверхностные, где передача тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные, где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой[1].

Рекуперативный теплообменник — это теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, между которыми происходит теплообмен. В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

Рекуперативные теплообменники [2] существуют: кожухотрубные, элементные (секционные), двухтрубные типа "труба в трубе"[3], витые, погружные, оросительные, ребристые, спиральные, пластинчатые, пластинчаторебристые, графитовые.

В регенеративных теплообменниках теплоносители (горячий и холодный) контактируют с твердой стенкой поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным [1].

Смесительный (или контактный) — это теплообменник, в котором тепло- и массообменные процессы происходят путем прямого смешивания сред.

Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА — теплообменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжектор [4]. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, нежели поверхностные, более полно используют тепло. Большое применение контактные теплообменники находят в установках утилизации тепла дымовых газов, отработанного пара и т.п. [5].

Пластинчатый теплообменник состоит из набора пластин, в котором теплоносители движутся между пластинами. Он прост в изготовлении (штампованные пластины складываются с прокладками между ними), легко модифицируется (добавляются или убираются пластины). Пластинчатый теплообменник имеет высокую эффективность (большая площадь контакта через пластины).

Пластинчато-ребристый теплообменник состоит из системы разделительных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности - насадки, присоединенные к пластинам методом пайки. С боков каналы ограничиваются брусками, поддерживающими пластины и образующие закрытые каналы. В основу пластинчато-ребристого теплообменника положена жесткая и прочная цельнопаянная теплообменная матрица, построенная по сотовому принципу и работоспособная до давления 100 атм. и выше. Основные достоинства данного типа теплообменников – это компактность (до м2/м3) и легкость. Последнее обеспечивается за счет применения при изготовлении теплообменной матрицы пакета из тонколистовых деталей из легких алюминиевых сплавов.

Оребренные пластинчатые теплообменники, ОПТ состоят из тонкостенных оребренных панелей. За счет конструкции, а также многообразия используемых материалов достигаются высокие температуры греющих сред, небольшие сопротивления, высокие показатели отношения теплопередающей площади к массе теплообменника, длительный срок службы, низкая стоимость и др.

Спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки — керна, среды движутся по каналам. Одно из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей.

При выборе между пластинчатыми и кожухотрубными теплообменниками предпочтительными являются пластинчатые, коэффициент теплопередачи которых более чем в три раза больше, чем у традиционных кожухотрубных [2]. Коэффициент полезного действия пластинчатых теплообменников составляет 90-95 %, а занимаемая площадь в 3-4 раза меньше, чем для кожухотрубных [6]. Современные кожухотрубные теплообменники, оснащенны трубками с турбулизаторами потока. Это достигается накаткой на внешней поверхности трубы кольцевых или винтообразных канавок интенсифицирующие теплоотдачу в трубах. Данная технология, в дополнение к таким важным показателям как высокая надежность (также при гидравлическом ударе) и меньшая стоимость, дает кожухотрубному оборудованию дополнительные преимущества по сравнению с пластинчатыми аналогами.

Большие задачи в области теории и практики теплообмена лежат в направлении создания компактных теплообменников различного назначения, начиная от стационарных установок и кончая теплообменниками на космических летательных аппаратах. Для решения этой важной проблемы требуется применение всего современного аппарата теории теплопередачи, дальнейшая разработка методов интенсификации процессов теплообмена в них и получение надежных данных, обеспечивающих быстрое проектирование теплообменников методами машинного проектирования Таким образом, данное методическое пособие является одним из важнейших пособий необходимых для современного инженера в области авиационной, ракетной, космической техники и энергетике.

АВО – аппараты воздушного охлаждения ВРУ – воздухоразделительная установка ГТД – газотурбинный двигатель ГТУ - газотурбинная установка ДВС – двигатель внутреннего сгорания ОМ – охладитель масла ОНВ – охладитель надувочного воздуха РВУ - радиационно – вентиляторная установка ТА – теплообменные аппараты ТХУ – турбохолодильная установка ЧЕП – число единиц переноса теплоты

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛООБМЕННЫХ

АППАРАТОВ

Теплообменные аппараты (ТА) – это устройства, предназначенные для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя. В ТА один теплоноситель (теплоотдающий) передает теплоту другому теплоносителю (тепловоспринимающему). Если передача теплоты происходит при изменении агрегатного состояния какого-либо теплоносителя (кипение, конденсация), то его температура в процессе теплопередачи остается постоянной. В остальных случаях температуры теплоносителей в ТА изменяются.

В основу классификации ТА могут быть положены различные признаки. Рассмотрим классификацию по функциональным и конструктивным признакам, а также по схемам тока теплоносителей.

По принципу работы ТА могут быть разделены на две большие группы: поверхностные и контактные.

В поверхностных ТА теплоносители (горячий и холодный) омывают поверхность твердой стенки или тела. Поверхностные ТА разделяются на реДанный раздел составлен главным образом на материале работы [1] куперативные и регенеративные. В рекуперативных ТА обменивающиеся теплотой теплоносители 1 и 2 протекают одновременно и передача теплоты происходит через разделяющую их стенку 3 (рис. 1.1, a). Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть один из теплоносителей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения.

В регенеративных ТА (см. рис. 1.1, б, в) одна и та же поверхность теплообмена 3 через определенные промежутки времени омывается то горячим 1, то холодным 2 теплоносителями. Сначала поверхность отбирает теплоту от горячей среды и нагревается, затем поверхность отдает теплоту холодной среде. Таким образом, в регенеративных ТА теплообмен всегда происходит в нестационарных тепловых условиях, тогда как рекуперативные ТА большей частью работают в стационарном тепловом режиме.

В качестве поверхности теплообмена в регенеративных ТА используется теплоаккумулирующая насадка, элементы которой (например, в виде шаров, решеток, колец) образуют каналы сложной формы для прохождения теплоносителей. Поверхность теплообмена регенеративного ТА может быть выполнена переключающейся (см. рис. 1.1, б) через определенный промежуток времени или вращающейся (см. рис. 1.1, в).

В контактных ТА передача теплоты от греющего теплоносителя к нагреваемому происходит при их непосредственном контакте.

Контактные ТА делятся на смесительные и барботажные. В аппаратах смесительного типа (см.рис. 1.1, г) нагреваемый 2 и греющий 1 теплоносители перемешиваются. В барботажных аппаратах греющий теплоноситель прокачивается через нагреваемый, или наоборот, не смешиваясь с ним. В барботажном ТА (см.рис. 1.1, д) горячий воздух 1 направляется в теплообменные элементы 4, по внутренней цилиндрической поверхности закрученным тонким слоем стекает вода 2. Воздух, проходя через слой воды, разрывает ее поток на отдельные пленки и при непосредственном контакте с водой охлаждается.

В ТА нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого. Исключение составляют теплообменники с внутренним тепловыделением, в которых теплота выделяется в самом аппарате и идет нагрев теплоносителя. Это разного рода электронагреватели и реакторы.

Если в ТА теплота от горячего теплоносителя рассеивается излучением, то они называются излучателями или радиационными теплообменниками.

По роду теплоносителей различают ТА: жидкость – жидкость; пар – жидкость; газ – жидкость; пар – пар; пар – газ; газ – газ.

В зависимости от изменения агрегатного состояния теплоносителей ТА делят на: без изменения агрегатного состояния; с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя; с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

В ТА могут протекать различные процессы теплообмена: нагрев; охлаждение; кипение; конденсация; вымораживание; ректификация и т.д. В зависимости от этих процессов ТА называют: подогреватели, охладители, испарители, конденсаторы и т.д.

По характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности ТА делят на два типа: с естественной и с принудительной циркуляцией теплоносителей.

К ТА с естественной циркуляцией относятся испарители, выпарные аппараты, водогрейные котлы, у которых теплоноситель движется благодаря разности плотностей жидкости и образующейся парожидкостной смеси в трубах циркуляционного контура.

К ТА с принудительной циркуляцией относятся, например, рекуперативные теплообменники, в которых теплоносители движутся за счет внешних сил, создаваемых компрессорами, насосами, вентиляторами.

По роду теплового режима ТА могут быть со стационарными и нестационарными процессами теплообмена. Рекуперативные ТА в основном работают в установившемся стационарном режиме, а регенеративные – в нестационарном режиме.

По виду (конфигурации) поверхности теплообмена рекуперативные ТА делят на: кожухотрубные с прямыми гладкими трубами; кожухотрубные с Uобразными трубами; кожухотрубные с оребренными трубами; секционные «труба в трубе»; змеевиковые; спиральные; пластинчатые; пластинчаторебристые; ламельные.

Регенеративные ТА различают по виду насадки. При низких температурах в криогенных ТА в качестве элементов насадки часто используется алюминиевая гофрированная лента (см. рис. 1.2, а). При намотке на диски двух лент образуются извилистые каналы, конфигурация которых способствует интенсификации процессов теплообмена. При умеренных и низких температурах устанавливают сетчатую насадку (см.рис. 1.2, б) из материала с высокой теплопроводностью (медь, латунь).

Для уменьшения гидравлического сопротивления в низкотемпературных регенеративных ТА применяется насадка (см. рис. 1.2, в), металлические пластины и каналы которой в виде усеченной пирамиды равномерно распределены по всему сечению. В криогенных и металлургических ТА используют насадку в виде шариков или гранул диаметром 6…12 мм (см. рис. 1.2, г), изготовленных из материала с большой теплоемкостью и обладающих повышенной жаростойкостью (оксиды алюминия, магния, кварцит и т.п.). В высокотемпературных регенеративных ТА насадка часто выполняется решетчатой из огнеупорного кирпича разной формы (см. рис. 1.2, д). В некоторых аппаратах насадку делают из колец Рашига (см. рис. 1.2, е).

По способу компенсации температурных удлинений рекуперативные ТА классифицируют: без компенсации (жесткая конструкция); с компенсацией упругим элементом (полужесткая конструкция); с компенсацией в результате свободных удлинений (нежесткая конструкция).

В ТА жесткой конструкции (см.рис. 1.3, а) теплообменные трубы 3 и кожух 2 соединены жестко с трубными решетками 6.

Рис.1.3. Схемы рекуперативных ТА с различными способами компенсаций температурных удлинений: 1- распределительная камера; 2 – кожух; – теплообменные трубы; 4 – опора; 5 – задняя крышка; 6 – трубная решетка;

Для полужесткой конструкции (см. рис. 1.3, б) на кожухе 2 предусмотрены специальные компенсаторы температурных деформаций, выполненные в виде гофр. Такие аппараты применяют в тех случаях, когда возникающие температурные напряжения в трубах и кожухе вследствие разности температур не превышают допустимые.

В ТА нежесткой конструкции (см. рис. 1.3, в, г, д) трубы и кожух могут свободно перемещаться относительно друг друга благодаря применению Uобразных труб (см. рис. 1.3, в) подвижной (плавающей) трубной решетки (см. рис. 1.3, г) и подвижной трубной решетки 6 и компенсатора 7 на ней (см. рис. 1.3, д).

По виду кожуха, ограничивающего теплопередающую поверхность, рекуперативные ТА делят на: с коробчатым кожухом; кожухотрубные; кожухотрубные с компенсатором на кожухе; не имеющие огранивающего кожуха (оросительные аппараты).

По ориентации теплопередающей поверхности в пространстве ТА могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными.

По принципу монтажа ТА разделяют на автономные, навешенные и встроенные.

По оборудованию и обвязке можно выделить аппараты: не имеющие оборудования и обвязки; покрытые изоляцией; оборудованные контрольноизмерительной аппаратурой и приборами автоматики и т.д.

По числу теплоносителей (потоков) (рис. 1.4) ТА разделяют на двух (см. рис. 1.4, а), трех (см. рис. 1.4, б) и многопоточные (см. рис. 1.4, г). В отдельных случаях к многопоточным ТА относят системы, состоящие из нескольких теплообменников обычного типа, соединенных циркулирующим промежуточным теплоносителем 3 (см. рис. 1.4, в). Многопоточные ТА имеют обычно чередующиеся слои компактной теплообменной поверхности (см. рис. 1.4, г).ТА с промежуточным теплоносителем используют в газотурбинных установках (ГТУ), так как им легко придать необходимую (по условию компоновки ГТУ) форму.

Рис. 1.4. Схемы ТА в зависимости от числа теплоносителей: а – двухпоточный; б – трехпоточный; в – с промежуточным теплоносителем; г - многопоточный; 1-6 – потоки Одним из оригинальных устройств, использующих в качестве промежуточного теплоносителя пар и его конденсат, является герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром (рис. 1.5). Такое устройство называется тепловой трубой, способной передавать большие тепловые мощности (в 1000 раз больше, чем медный стержень таких же размеров).

Рис. 1.5. Схема работы тепловой трубы с возвратом конденсата под действием гравитационных сил (термосифон) В прямоточном теплообменнике теплоносители движутся параллельно друг другу в одном направлении. При значительном изменении температуры теплоносителей располагаемая разность температур в прямоточных ТА используется плохо. В этом случае, если эффективность передачи теплоты является определяющим фактором при проектировании, такого типа ТА не применяют. Однако температура теплопередающей стенки в таких ТА оказывается более однородной, чем при противотоке.

В зависимости от взаимного направления потоков теплоносителей различают схемы (рис. 1.6): прямоток, противоток, перекрестный ток, смешанный ток, а также сложные схемы тока.

г – смешанный ток; д – многократный перекрестный ток; e, ж – сложные схемы Следует подчеркнуть, что перечисленные схемы теплоносителей представляют собой некую идеализацию реальных ситуаций. На практике никогда нельзя достигнуть течения теплоносителя, совпадающего с идеальным вариантом.

В противоточных ТА два теплоносителя движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях (см. рис. 1.6, б). Противоточные ТА наиболее эффективны: они обеспечивают наилучшее использование располагаемой разности температур; в них также может быть достигнуто наибольшее изменение температуры каждого носителя. Прямоточная схема (см.

рис.1.6, а), как правило, наименее эффективна.

В ТА перекрестного тока два теплоносителя движутся под прямым углом друг к другу (см. рис. 1.6, в). Например, первый поток может течь внутри труб, собранных в пучок, тогда как второй поток может двигаться в пространстве между трубами в направлении, в целом перпендикулярном оси этих труб. По эффективности эти ТА занимают промежуточное положение между ТА с прямотоком и ТА с противотоком. Исходя из практических соображений, связанных с подачей теплоносителей к поверхностям теплообмена, то такие ТА сконструировать проще, чем указанные выше.

Теплообменники со смешанным током (см. рис. 1.6, г) и с многократным перекрестным током (см. рис. 1.6, д) можно рассматривать как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции. Чем больше число ходов в таком теплообменнике, тем ближе он по экономичности к противоточному варианту. Также встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей (см. рис. 1.6, е, ж).

Схемы однократного и многократного перекрестного тока можно подразделить на три группы в зависимости от наличия градиента температуры теплоносителя в сечениях ТА, нормальных к направлению движения теплоносителя. Если, например, жидкость протекает внутри труб, а газ движется перпендикулярно к трубному пучку и может свободно перемешиваться в межтрубном пространстве, то его температура в сечении, нормальном к направлению движения, выравнивается. Поскольку жидкость проходит внутри труб отдельными не перемешиваемыми между собой потоками, в сечении пучка всегда имеет место градиент температур. В рассмотренном примере газообразный теплоноситель считается идеально перемешанным, а жидкость внутри труб абсолютно не перемешанной. С этой точки зрения возможны следующие случаи: оба теплоносителя идеально перемешаны и градиенты их температур в поперечном сечении равны нулю; один из теплоносителей идеально перемешан, а другой абсолютно не перемешан; оба теплоносителя абсолютно не перемешаны.

Характер изменения температур теплоносителей в рекуперативных ТА зависит от фазовых превращений в теплоносителях и от схемы их тока (рис. 1.7): постоянная температура (t1 и t2) обоих теплоносителей, равная температуре ts1 и ts2 (см. рис. 1.7, а), например конденсаторы испарители индивидуальных веществ; постоянная температура одного теплоносителя (см.

рис. 1.7, б, в), например конденсаторы и испарители индивидуальных веществ; переменная температура обоих теплоносителей (см. рис. 1.7, г, д).

Рис. 1.7. Изменение температуры теплоносителей в рекуперативном ТА: а – при фазовых превращениях обоих теплоносителей (конденсация одного, испарение другого); б – при испарении нагреваемого теплоносителя; в – при конденсации греющего теплоносителя; г – при прямоточном движении теплоносителей без фазовых превращений; д – при противоточном движении теплоносителей без фазовых превращений В регенеративных ТА, где греющий и нагреваемый теплоносители проходят через насадку поочередно, реализуются две схемы движения – прямоток и противоток. Эффективность аппарата при противотоке теплоносителей выше, чем при прямотоке.

1. 2. Кожухотрубные теплообменные аппараты Устройство кожухотрубных теплообменных аппаратов Кожухотрубные аппараты изготавливают жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции; одно- и многоходовыми; прямоточными, противоточными и поперечноточными; горизонтальными и вертикальными. Они просты по конструкции и, как правило, имеют невысокую стоимость.

Кожухотрубные ТА состоят из пучка труб 3 (см. рис. 1.3), жестко закрепленных в трубных решетках 6, кожуха 2, крышек 5 с фланцами, образующими распределительные камеры, опор 4 и перегородок, расположенных в межтрубном пространстве. На кожухе и крышках установлены технологические патрубки и штуцера. В зависимости от назначения аппарата конструкция основных узлов и используемые материалы могут существенно отличаться.

Трубы. Наиболее компактные трубные пучки рекуперативных ТА изготавливают из гладких труб наружным диаметром d и толщиной стенки 6х0,5;

8х1; 10х1; 12х1 мм, однако очистка таких труб затруднена. Поэтому в ТА машиностроения используют трубы 14х1; 14х1,5; 16х0,75; 16х1; 16х1,5; 19х1;

22х2; 24х1; 32х4 и др.

Оребренные трубы применяют в аппаратах воздушного охлаждения (АВО), в охладителях надувочного воздуха (ОНВ) дизелей, в охладителях масла (ОМ) дизелей и газотурбинных двигателей, в холодильных конденсаторах и аппаратах специального назначения.

Для изготовления трубных пучков ТА используются: медь, латунь, медно-никелевые сплавы, сталь, алюминий и алюминиевые сплавы.

Закрепление концов труб (табл. 1.1). Наиболее распространенным способом закрепления труб 2 в отверстиях трубных решеток 1 является вальцовка – прочноплотное соединение, образующееся в результате деформации трубы в радиальном направлении под действием силы, создаваемой вальцовочным инструментом.

Способы закрепления концов труб в трубной решетке решетке входного участка трубы 5).Автоматическая сварка плотным швом: без раззенковки отверстия в трубной решетке с наружной стороны Для обеспечения осевой прочности пучка в отверстиях трубных решеток 1 выполняют как минимум две кольцевые расширительные канавки шириной 2…3,5 мм и глубиной 0,4…1 мм. При конической развальцовке входного участка труб 2 снижается коэффициент местного гидравлического сопротивления, а следовательно, вероятность эрозии на этом участке ввиду предотвращения отрыва потока на входной кромке.

Передовой технологией закрепления труб является их взрывное вальцевание (см. табл. 1.1, способ 4), при котором взрывной заряд помещается внутри трубы в толще трубной решетки. С помощью детонатора заряд подрывается, энергия взрыва затрачивается на деформацию трубы в радиальном направлении, в результате чего даже толстостенные трубы образуют с трубной решеткой весьма прочное соединение, которое трудно получить обычной вальцовкой (см. табл. 1.1, способ 1). При этом требования к геометрии трубы отверстия существенно снижаются, что позволяет использовать способ взрывного вальцевания при ремонте труб. Применяют также электрогидравлический способ развальцовки труб.

Если трубы подвержены вибрации, циклическому нагреву, большим перепадам давления или на концах труб может возникнуть тепловой удар, то концы труб следует приваривать к трубной решетке. Шов 4 (см. табл. 1.1, способ 3, 6, 7) может быть зубчатым утопленным, валиком и валиком с канавкой, канавкой (применяется при тонких трубных решетках).

Сварка взрывом отличается от взрывной вальцовки мощностью заряда, требует конической раззенковки отверстия трубной решетки с наружной стороны и большой высоты выступающей части трубы над трубной решеткой (см. табл. 1.1, способ 2, 8). Хотя соединение получается прочное, в зазоре труба – коническое отверстие возможно возникновение щелевой коррозии.

При использовании автоматической сварки плотным швом (см. табл.

1.1, способ 5) развальцовочные канавки не выполняются.

Лучшее соединение получается, когда передняя часть трубы взрывом приваривается к трубной решетке, а остальная часть трубы развальцовывается взрывом по толщине трубной решетки.

Перегородки. В кожухотрубных ТА один теплоноситель течет внутри труб, другой – в межтрубном пространстве. При поперечном обтекании пучков труб достигается более интенсивная теплоотдача, чем при продольном.

Для крепления труб с целью предотвращения их прогибов и вибраций, а также для организации поперечного обтекания труб в межтрубном пространстве и получения более высокой скорости жидкости внутри кожуха устанавливают поперечные перегородки (рис. 1.8). Наиболее распространены односторонние сегментные перегородки 1 и 2 (см. рис. 1.8, а), перегородки типа диск-кольцо 3 и 4 (см. рис. 1.8, б) и двусторонние сегментные перегородки и 6 (рис. 1.8, в). Кроме того, применяют перегородки, перекрывающие трубный пучок, сегментные перегородки тройного расположения и др. Двусторонние сегментные перегородки и сегментные перегородки тройного расположения применяют для уменьшения потерь давления р, при этом может быть получено снижение р на 60…100 %.

Вырез в перегородке, через который теплоноситель перетекает из одного отсека в другой, называется окном перегородки. Отношение высоты h окна к внутреннему диаметру Dвн кожуха для односторонних сегментных перегородок обычно h/Dвн = 0,15 0,40, для двусторонних сегментных перегородок h/Dвн = 0,20 0,30.

Уплотнение трубного пучка в кожухе ТА осуществляется различными способами (рис. 1.9). Для предотвращения вредных перетечек через радиальные зазоры кожух – поперечная перегородка, снижающих иногда перепад температур теплоносителей вдвое, по периферии перегородок наиболее часто устанавливают уплотнительные сегменты из упругодеформируемого материала, например, из маслобензостойкого пластика. Толщина уплотняющего листа составляет 2…5 мм, напуск за пределы наружного диаметра – 10… мм. Один из вариантов крепления уплотнительных сегментов показан на рис.

1.9, а.

Рис. 1.9. Схемы уплотнения трубного пучка в кожухе ТА:

1 – кожух; 2 – пластиковый лист; 3 – поперечная перегородка;4 – крепежные детали; 5 – стяжной стержень; 6 – уплотняющий лист;7 – вытеснитель; 8 – пакет уплотняющих полос; 9 – продольная перегородка.

При сборке ТА на операции надвигания кожуха 1 на трубный пучок края уплотнительного пластикового листа 2 отгибаются в соответствии с формой кожуха и уплотняют зазор.

Для повышения жесткости трубного пучка и нужного дистанционирования поперечных перегородок используется система стяжных стержней 5 и распорок (см. рис. 1.9, б). Круглые металлические стержни 5 одним концом ввинчивают в неподвижную трубную решетку, а другим закрепляют на последней перегородке 3 контрагайками.

Во избежание протечек между кожухом и трубным пучком в окружном направлении устанавливают закрепленные на перегородках листы 6 (см. рис.

1.9, в) или вытеснители уплотняющие 7 (см. рис. 1.9, г).

В некоторых ТА используют перегородки продольного типа, с помощью которых реализуется схема смешанного тока или, если число ходов в трубах совпадает с числом продольных ходов в межтрубном пространстве, схема противотока. При закрепленных трубных решетках продольную перегородку иногда приваривают к кожуху. Но при использовании U-образных труб или подвижных трубных решеток продольную перегородку обычно приваривают к неподвижной трубной решетке. В этом случае зазоры между продольной перегородкой и кожухом необходимо тщательно уплотнять. Типичный пример такого уплотнения – пакет 8 уплотняющих полос из коррозионно-стойкой стали (см. рис. 1.9, д).

Перегородки в полости крышек. Для повышения скорости теплоносителя в трубах в полости крышек ТА устанавливают перегородки. При этом создается большое число ходов – участков теплообменной поверхности, в пределах которых теплоноситель в трубах движется в одном и том же направлении от одной трубной решетки к другой.

В двухходовом ТА в полости крышки со стороны неподвижной решетки выполняется одна перегородка, обеспечивающая течение жидкости через половину труб в одном направлении. Пройдя этот ход, жидкость поворачивает в полости противоположной крышки и возвращается через другую половину труб к выходному патрубку, который, как и входной, расположен на крышке со стороны неподвижной трубной решетки. Изменяя число перегородок в полостях крышек ТА, можно получить требуемое число ходов теплоносителя в трубах. Перегородки или приваривают, или отливают как одно целое с крышками.

Компоновка труб. В кожухотрубных ТА трубы могут быть расположены по сторонам шестиугольников (равносторонних треугольников) или по концентрическим окружностям (табл. 1.2).

По концентрическим окружностям Коридорная с неравномерным Примечание: аN – порядковый номер шестиугольника, считая от центра.

В ТА с кожухом коробчатого типа компоновка труб (см. табл. 1.2) может быть: коридорной; шахматной, частным случаем которой является треугольная. При такой компоновке труб при одном и том же шаге можно разместить наибольшее число труб на единице площади; с неравномерным поперечным шагом.

Трубные решетки. Площадь трубной решетки одноходового по трубам рекуперативного ТА, необходимая для размещения труб, при треугольной разбивке равна:

В многоходовых теплообменниках площадь трубной решетки больше рассчитанной по формуле (1.1) вследствие установки перегородок в крышках и наличия мест, где трубы не установлены по технологическим условиям.

Это учитывается коэффициентом заполнения трубной решетки з=0,7 0,85.

Чем больше ходов в аппарате, тем меньше значение з. В аппаратах с Uобразными трубами принимается з=0,6 0,65. Внутренний диаметр кожуха многоходового аппарата Толщина трубной решетки рассчитывается из условий прочности, но при вальцовке труб должна быть min 5+0,125d для стальной трубы и min 10 + 0,2d для медной. При иных способах закрепления труб из других материалов минимальная толщина трубной решетки должна быть равна диаметру труб с учетом допуска на коррозию. Материал трубных решеток и труб выбирают одновременно с точки зрения стойкости к контактной электрохимической коррозии. В случае применения сплавов меди особенно важно избежать образования гальванических пар.

В последнее время получили распространение трубные решетки из углеродистой или низколегированной стали, покрытые плакирующим слоем требуемого металла со стороны межтрубного пространства или полости крышки и слоем из органического материала с противоположной стороны.

Органические покрытия наносят прежде всего на поверхности, контактирующие с охлаждающей водой. Наиболее часто используют эпоксидную, спеченную феноловую или эпоксифеноловую смолу.

Типичные способы соединения неподвижных трубных решеток 2 с фланцем 3 кожуха показаны в табл. 1.3.

Направление течения теплоносителей. Вопрос о том, какой из теплоносителей направлять в трубы или межтрубное пространство, должен решаться с точки зрения не только интенсификации теплообмена, но и надежности работы ТА. Если теплоноситель вызывает коррозию или механическое повреждение труб, то лучше его пропустить внутрь труб, так как экономичнее выполнить трубы из материала высокой стоимости, чем кожух. В трубы целесообразно направлять теплоноситель под бльшим давлением, чем в межтрубном пространстве, чтобы не делать толстостенный кожух, а также более загрязненный, так как трубы очистить легче, чем межтрубное пространство.

Скорость теплоносителя в межтрубном пространстве Скорость w движения теплоносителя в межтрубном пространстве трубчатых ТА оказывает существенное влияние на теплоотдачу, потери давления, загрязняемость и вибрацию труб. Для различных течений характерны следующие соотношения: для ламинарного ~ w0,3; p ~ w; ~ p0,3; для турбулентного ~ w0,6…0,8; p ~ w1,6…1,8; ~ p0,4. Ориентировочные значения скорости теплоносителей, рекомендуемые на основе опыта эксплуатации рекуперативных ТА различного назначения и технико-экономических расчетов, приводятся в справочной литературе.

Для повышения теплоотдачи и уменьшения загрязнений скорость нужно увеличивать, а для снижения потерь давления и предотвращения нежелательных последствий вибрации труб – уменьшать.

Типичные способы соединения неподвижных трубных решеток с фланцем Схема соединения Характеристика Область применения их трубных решетках циркулирует находяи 3. Нижняя труб- щаяся под высоким ная решетка 3 прива- давлением агрессиврена к кожуху и явля- ная или загрязняюется его фланцем щая окружающую При омывании потоком теплоносителя одиночных труб возникают нестационарные гидродинамические силы, которые возбуждают вибрацию труб. Вибрация труб может быть обусловлена вихревым возбуждением при поперечном обтекании труб; возбуждением турбулентными пульсациями потока; гидроупругими и акустическими (в газообразных средах) возбуждениями.

Защита от электрохимической коррозии и коррозионной эрозии. Электрохимическая коррозия возникает в случае применения материалов с различными значениями электрохимического потенциала, работающих на морской воде. Морская вода выступает в качестве электролита металлов с разными потенциалами. При электрохимической реакции происходят окисление металла и восстановление водорода или кислорода, выделение металлов из раствора и т.п.

В случае разрушения защитной пленки на поверхности металла вследствие поперечных касательных напряжений, возникающих при большой скорости течения, а также на входе в трубы при существенной турбулизации потока (воздействие на конец трубы) проявляется коррозионная эрозия в виде язвин.

Для защиты от коррозии и кавитационной эрозии помимо поддержания требуемых температуры и скорости потока применяют протекторы, которые при электрохимическом контакте двух различных металлов являются анодом, а защищаемые металлы – катодом. Материал анода (протектора) должен иметь более низкий электрический потенциал, чем материал, из которого изготовлены крышки, трубы и трубные решетки, тогда анод растворяется в электролите (разрушается) быстрее, насыщая электролит (в данном случае морскую воду) соединениями, замедляющими коррозию и эрозию.

1. 3. Секционные теплообменные аппараты и аппараты «труба в трубе»

Секционные теплообменники состоят из нескольких последовательно соединенных секций (рис. 1.10, а), представляющих собой трубный пучок 2, размещенный в кожухе 1, выполненном из трубы большего диаметра. При малых тепловых нагрузках секция может выполняться не из пучка труб, а из одной трубы 2, т.е. по типу «труба в трубе» (см. рис. 1.10, б).

Рис. 1.10. Схема теплообменника: а – секционного; б – типа «труба в трубе»

Секционные аппараты типа «труба в трубе» могут быть разборными и неразборными, одно-, двух- и многопоточными. Аппараты типа «труба в трубе» делятся на аппараты жесткой конструкции, полужесткой с линзовыми компенсаторами, с сальниками на одном или обоих концах труб. Внутренние трубы могут иметь продольные ребра или поперечную винтовую накатку.

Аппараты такого типа используются обычно для нагревания или охлаждения газообразных сред.

Разборные одно- и многопоточные секционные аппараты типа «труба в трубе» находят широкое применение в различных отраслях промышленности при температуре - 40…+450 С и давлении 1,6…10 МПа.

Последовательным или параллельным соединением отдельных секций можно получить ТА с различной площадью поверхности теплообмена. К недостаткам рассматриваемых ТА относятся их относительно высокая стоимость и большой расход металла на единицу площади поверхности теплообмена.

Для систем отопления и горячего водоснабжения используются водоводяные секционные подогреватели.

Секционные теплообменники и аппараты типа «труба в трубе» применяют также для подогрева жидкого топлива с небольшим расходом. Они удобны для размещения, из них легко можно скомпоновать аппарат требуемой поверхности нагрева.

1.4. Змеевиковые теплообменные аппараты Конструкция змеевикового теплообменника показана на рис. 1.11. Аппарат имеет корпус 1, в котором размещен змеевик 3 или система змеевиков.

Витки змеевика ориентированы по винтовой линии. При большой площади поверхности теплообмена змеевики по длине набирают из нескольких секций. Во избежание прогибов труб при большом числе витков и большом диаметре навивки каждый виток закрепляют болтами на стойках.

В змеевиковом теплообменнике, изображенном на рис. 1.11, пар вводится в верхнюю часть корпуса через вход П1 со скоростью до 50 м/с, выходит снизу через выход П2. Охлаждающая жидкость поступает в змеевик снизу через вход В1 и движется в нем со скоростью до 2 м/с, выходит через выход В2. Разность давлений теплоносителей в змеевиковых аппаратах может достигать 10 МПа.

Змеевиковые теплообменники используют так же, как водонагреватели. Змеевиковый водонагреватель (рис. 1.12) состоит из змеевика 1, прикрепленного к крышке 4 расположенного в корпусе 2.

1.5. Трубчатые теплообменные аппараты для охлаждения К этой группе ТА могут быть отнесены охладители надувочного воздуха (ОНВ) дизелей, радиаторы транспортных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), радиаторно-вентиляторные установки (РВУ) для охлаждения компримирующего газа, масла и воды газомотокомпрессоров, аппараты воздушного охлаждения (АВО) трансформаторных подстанций, химических и нефтехимических производств, бытовые и промышленные кондиционеры и другие аппараты, трубные пучки которых скомпонованы из труб с высокими ребрами, соизмеримыми с радиусом трубы.

Благодаря оребрению площадь теплообменной поверхности, контактирующей с воздухом, может быть увеличена в 7…20 раз и больше, что компенсирует относительно невысокие коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха. Трубные пучки рассматриваемых ТА чаще всего имеют прямоугольную форму, воздух направляется в развитое наружным оребрением труб межтрубное пространство.

Наружные ребра круглых или овальных труб могут иметь различные конфигурации (табл. 1.4). В современных конструкциях ОНВ применяют моно- и биметаллические трубы (рис. 1.13) диаметром D = 25 29 мм, а также биметаллические трубы с разрезными ребрами. Продольные разрезы на ребрах с последующим отгибом лепестков обеспечивают многократное разрушение пограничного слоя, формирующегося на ребрах, и способствуют выравниванию поля коэффициентов теплоотдачи по поверхности ребра.

ребрами непрерывное спи- ральное выми ребрами ребрами По результатам анализа экспериментальных данных выявлено, что размер, радиус и направление отгиба лепестков мало влияют на интенсификацию теплообмена. Число разрезов целесообразно принимать не более 20, а их глубину – меньше 3…4 мм. Экспериментально установлено увеличение значений коэффициентов теплоотдачи в пучках с разрезными ребрами на 20…35 %, а аэродинамического сопротивления – на 20…90 % по сравнению со значениями в пучках из таких же труб с неразрезными ребрами.

Разрезы (вид А) (см. рис. 1.13, б) типа «интеграл» и «полуинтеграл»

дают наибольшее увеличение сопротивления, разрезы по винтовой линии – самое низкое (14…35 %). Необходимо отметить, что разрезание ребер оправ дано только в том случае, когда в аппарате используется незагрязненный воздух. В противном случае разрезы ребер задерживают пыль, сажу, масло, золу и другие загрязняющие вещества, в результате межреберные щели труб быстро заполняются асфальтоподобной массой, которую трудно удалить даже с помощью современных химических средств очистки.

В РВУ и АВО чаще используются биметаллические трубы диаметром D = 43, 49 и 56 мм. Это связано с тем, что рассматриваемые аппараты имеют большое фронтальное сечение и экономически целесообразно развивать площадь поверхности межтрубного пространства (увеличивать коэффициент ор оребрения), что можно достичь применением ребер большой высоты.

Рис. 1.13. Трубы, оребренные винтовой накаткой. Вид А: а – монометаллические; б – биметаллические; в – биметаллические с разрезными ребрами Следует отметить, что с ростом высоты ребра значения коэффициентов теплоотдачи снижаются. Так, увеличение значения коэффициента оребрения на 40 % при ор >15 сопровождается уменьшением значения коэффициента теплопередачи на 12 %. Однако интенсивность роста площади поверхности теплопередачи при повышении ор выше, чем снижение коэффициента теплопередачи, что в итоге улучшает характеристику аппарата. Оптимальная высота ребра составляет (0,4…0,8)d, причем меньшие значения рекомендованы для труб с d > 15 мм. Оптимальный шаг ребер tр = (0,2 0,4)d, однако при накатке такой шаг не всегда может быть получен. Обычно tр = 3 4 мм.

Уменьшение шага ребер приводит к снижению конвективной теплоотдачи, так как у основания ребер образуются зоны со слабой циркуляцией потока.

На интенсивность теплообмена в межтрубном пространстве значительное влияние оказывают материал и толщина ребра. Чем выше теплопроводность ребра, тем больше коэффициент теплопередачи. При достижении значения теплопроводности сплавов алюминия р = 140 Вт/(м·К), темпы роста при увеличении р замедляется. Поэтому применение биметаллических труб с оребренной рубашкой из сплавов АМцМ или АД-1 оправдано с точки зрения теплообмена и улучшения массовых характеристик аппарата. При высоте ребра hр = 5 16 мм оптимальная его толщина 0,5 мм. Увеличение числа заходов винтовой линии накатных ребер от одного до трех не влияет на теплоотдачу и аэродинамическое сопротивление пучков.

Технология изготовления биметаллических труб существенным образом влияет на термическое сопротивление в месте контакта двух металлов, которое необходимо учитывать в тепловом расчете. Не следует добиваться большого уменьшения высоты неровностей сопрягаемых поверхностей, поскольку существенное влияние оказывает усилие выпрессовки, которое должно составлять (4…7)·103 Н. Снижение термического сопротивления контакта можно достичь установкой прокладок из медной, свинцовой или оловянной фольги толщиной 0,1…0,2 мм.

В ТА установок конденционирования воздуха часто применяют трубы с коллективным оребрением. Собирающие пластины для интенсификации теплообмена штампуют с зигзагами или волнами, перпендикулярными к потоку воздуха. Используют также перфорированные пластины и пластины с просечками, в которых течение теплоносителя относительно ее поверхности, приводит к разрушению образующегося пограничного слоя.

В бытовых кондиционерах типа БК одиночные ребра из алюминия прямоугольной формы толщиной 0,2 мм с выштампованными воротниками надеты с натягом на медные трубы.

В более мощных установках нередко применяют трубы, оребренные спиральной гофрированной лентой. Если не принять мер по уменьшению термического сопротивления в месте контакта труб с ребрами, то эффективность оребренных поверхностей может снизиться в 1,5-2 раза.

1.6. Теплообменники из полимерных материалов Основными материалами для производства теплообменников служат цветные металлы: медь, олово, латунь, алюминиевые сплавы. В настоящее время усилился интерес к разработкам теплообменников из полимерных материалов, обладающих высокой технологичностью, возможностью автоматизации производства, малым весом, дешевизной, коррозионной стойкостью и стойкостью к воздействию химически агрессивных сред. Применение пластмасс экономит остродефицитные материалы, многие ее виды допускают повторное использование.

Известно, что коэффициент теплопроводности большинства полимерных материалов составляет 0,12…0,40 Вт/(м·К). Однако это не является существенным препятствием для применения пластмасс в конструкции теплообменника. Из выражения для коэффициента теплопередачи k=1/((1/воз)+(/)+(1/ вод)) видно: в случае теплопередачи через плоскую стенку (коэффициенты теплоотдачи со стороны воды и воздуха равны 1000 и 50 Вт/(м·К) соответственно, теплопроводность и толщина стенки составляют 0,2 Вт/(м·К) и 0,5 мм) будем иметь kпл=42,553 Вт/(м2·К); для такого же случая при =400 Вт/(м·К) – kмедь=47,616 Вт/(м2·К); т. е. коэффициент теплопередачи через медную стенку на 10,63% выше, чем через пластмассовую. А при тех же условиях для пластмассовой стенки имеющей =1 Вт/(м·К), kпл=46, Вт/(м2·К), kмедь=47,616 Вт/(м2·К), т. е. коэффициент теплопередачи через медную стенку на 2,32% выше, чем через пластмассовую. При значении коэффициента теплопроводности более 0,2 Вт/(м·К) появляется возможность изготавливать радиаторы с тепловой эффективностью, почти не уступающей эффективности металлическим. Проблема низкой теплопроводности практически снимается, если использовать такие полимеры, как диабон-F (коэффициент теплопроводности диабона-F равен 20 Вт/(м·К)) – фторсодержащую пластмассу с графитовыми добавками. Поэтому коэффициент теплопередачи пластинчатых теплообменников из диабона-F соизмерим с коэффициентом теплопередачи металлических ТА.

Пластмассовый радиатор может состоять из набранного пакета охлаждающих матриц, каждая из которых состоит из пучка труб, ввариваемых в две опорные пластины (рис. 1.14) Рис. 1.14. Охлаждающая матрица пластмассового теплообменника:

Пластмасса для теплообменников должна быть стойкой к воздействию температуры, давления, химикатов и коррозии. Этим требованиям соответствуют технические термопласты норил, модифицированный РР0 и ултем полиэфирамид, последний из которых работает при температуре до 170°С.

Проведенные испытания показали, что при заданных потерях давления воздуха пластмассовый теплообменник из норила имеет тот же коэффициент теплопередачи, что и медный теплообменник. Термопласты норил и ултем подвергались испытанию аммонийно-содержащим конденсатом (1000 часов при 80°С). При этом пластмассы получили незначительные изменения таких свойств, как пределы прочности при растяжении и изгибе, органические компоненты удалились в виде раствора в незначительном объеме, поверхность пластмассы не изменилась. Благодаря рассмотренным преимуществам пластмассовые теплообменники находят широкое применение в установках химической промышленности и электростанций при эксплуатации агрессивных сред.

Теплообменники из фторопластов работают при температурах до 260°С.

Основным недостатком фторопластов считается низкий коэффициент теплопроводности – 0,25 Вт/(м·К). К достоинствам теплообменников из фторопластов относятся простота изготовления и сборки, легкость конструкции, химическая пассивность, устойчивость к воздействию кислот и щелочей.

1.7. Интенсификация теплообмена в трубчатых теплообменниках Следствием интенсификации процессов теплообмена является увеличение коэффициента теплопередачи, который при чистых поверхностях теплообмена определяется коэффициентами теплоотдачи со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей. Во многих случаях физико-химические свойства применяемых теплоносителей существенно различаются, не одинаковы их давление и температура, коэффициенты теплоотдачи. Так, значение коэффициента теплоотдачи со стороны воды = 2 000 7 000 Вт/(м2·К), со стороны газового теплоносителя 200 Вт/(м2·К), для вязких жидкостей = 100 600 Вт/(м2·К). Очевидно, что интенсификация теплоотдачи должна осуществляться со стороны теплоносителя, имеющего малое значение коэффициента теплоотдачи. При одинаковом порядке значений коэффициентов теплоотдачи теплоносителей интенсификация теплоотдачи может осуществляться с обеих сторон теплообмена, но с учетом эксплуатационных и технических возможностей.

Обычно интенсификация теплоотдачи связана с ростом затрат энергии на преодоление увеличивающихся гидравлических сопротивлений. Поэтому одним из главных показателей, характеризующих целесообразность интенсификации теплоотдачи в теплообменниках, является ее энергетическая эффективность. Повышение интенсивности теплоотдачи должно быть соизмеримо с увеличением гидравлических сопротивлений.

Применяют следующие основные способы интенсификации теплообмена:

• конструирование шероховатых поверхностей и поверхностей сложной формы, способствующих турбулизации потока в пристенном слое;

• использование турбулизирующих вставок в каналах;

• увеличение площади поверхности теплообмена посредством оребрения;

• воздействие на поток теплоносителя электрическим, магнитным и ультразвуковым полями;

• турбулизация пристенного слоя организацией пульсаций скорости набегающего потока и его закрутки;

• механическое воздействие на поверхность теплообмена посредством ее вращения и вибрации;

• применение зернистой насадки как в неподвижном, так и в псевдо подвижном состоянии;

• добавление в теплоноситель твердых частиц или газовых пузырьков.

Вероятность применения того или иного способа интенсификации для конкретных условий определяются техническими возможностями и эффективностью этого способа.

Одним из наиболее широко используемых способов интенсификации теплообмена (повышения теплового потока) является оребрение наружной поверхности труб при условии направления в межтрубное пространство теплоносителя с низким значением коэффициента теплоотдачи.

Схемы некоторых устройств, используемых для интенсификации теплоотдачи в трубах, приведены в табл. 1.5.

Применяют лопаточные завихрители, прерывистые шнековые завихрители с различной формой центрального тела и др. Следует отметить, что одновременно с увеличением коэффициента теплоотдачи на 30…40 % имеет место повышение гидравлического сопротивления в 1,52,5 раза.

Схемы устройств, применяемых для интенсификации теплоотдачи ИнтенсификСхема Интенсификатор Схема тор вихритель нал типа дифвыступы на фузорвнутренней поконфузор Объясняется это тем, что диссипация энергии при распадении масштабных вихревых структур (они возникают при закрутке потока) существенно превышает выработку турбулентности – на подпитку ослабевающих вихрей нужен непрерывный подвод энергии извне.

Установлено, что при турбулентном и переходном режимах течения целесообразно интенсифицировать турбулентные пульсации не в ядре потока, а в пристенном слое, где турбулентная теплопроводность мала, а плотность теплового потока максимальна, потому что на этот слой приходится 60…70% располагаемого температурного напора «стенка–жидкость». Чем больше число Прандтля Рr, тем на более тонкий слой целесообразно воздействовать.

Перечисленные рекомендации могут быть реализованы каким-либо другим способом, например накаткой чередующихся плавно очерченных кольцевых выступов на внутренней поверхности гладкой трубы. Для капельных жидкостей с Рr = 2 80 наилучшие результаты были получены при tвс/dвн = 0,25 0,5 и dвс/dвн = 0,94 0,98. Так, при Rе = 105 теплоотдача возрастает в 2,0-2,6 раза при росте гидравлического сопротивления в 2,7-5,0 раз по сравнению с теплоотдачей гладкой трубы. Для воздуха хорошие результаты получены при tвс/dвн = 0,5 1,0 и dвс/dвн = 0,9 0,92: в переходной области течения (Rе = 2 000 5 000) отмечен рост теплоотдачи в 2,8 3,5 раза при увеличении сопротивления в 2,8-4,5 раза (сравнивается с гладкой трубой).

Методы механического воздействия на поверхность теплообмена и воздействия на поток электрического, ультразвукового и магнитного полей изучены еще недостаточно.

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 м2/м3 и более. Для сравнения, компактность гладкотрубчатого ТА с трубами диаметром 6…12 мм составляет порядка 250 м2/м3. По этой причине пластинчато-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.

Конфигурации пластинчато-ребристых поверхностей Любые из этих поверхностей могут быть скомбинированы между собой, образуя «сложный» теплообменник типа сэндвича с перемежающимися каналами для теплоносителей. Пластинчато-ребристые поверхности в зависимости от типа ребра подразделяются на поверхности с гладкими, жалюзийными, пластинчатыми и волнистыми, а также со стерженьковыми и перфорированными ребрами.

Поверхности с гладкими ребрами отличаются длинными каналами с гладкими стенками с характеристиками, близкими к полученным для движения внутри длинных круглых труб (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Поверхность с непрерывными гладкими ребрами Это самый простой тип поверхности, который имеет наименьшую теплоотдачу по сравнению с другими поверхностями и в то же время наименьшее гидросопротивление. Здесь отчетливо проявляется влияние длины канала на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление. Теплоотдача по длине таких поверхностей заметно уменьшается по тем же причинам, что и в прямых трубах – в результате образования вязкого слоя на поверхности, поэтому такие поверхности редко используются.

Следует отметить, что пластинчато-ребристые поверхности теплообмена могут иметь каналы прямоугольного и треугольного сечений и каналы со скругленными углами как в поперечном сечении, так и на входе; поэтому существует большое разнообразие геометрических разновидностей таких поверхностей (рис. 1.17). Некоторые из поверхностей с каналами треугольного 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 коэффициента теплоотдачи часто дают выигрыш по сравнению с потерями, связанными с высоким значением коэффициента сопротивления, что и определяет целесообразность их применения.

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.

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 гладкими 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 длине L могут располагаться несколько гладких ребер, помещенных торец к торцу. При подборе оптимальных значений безразмерных определяющих геометрических параметров рассеченных поверхностей l'/d, /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, Потери на местные сопротивления при входе в межтрубное пространство и при выходе из него в теплообменнике цилиндрической формы вычисляем по формуле:

где 2вх = 1,5 ; 2вых = 1; 2 – определяется по средней температуре теплоносителя.

Гидравлические потери в патрубках подвода и отвода теплоносителя в межтрубной полости теплообменника цилиндрической формы равны:

где рас = 1,5 ; суж = 1 ; величины плотности теплоносителя вычисляем по температурам входа и выхода, причем для воздуха – с учетом потерь давления:

100 Па, то расчет повторяется.

массу трубных досок:

массу цилиндрического теплообменника без патрубков:

Таким образом, определяется масса теплообменника цилиндрического типа без коллекторов, опорных стоек, патрубков и различных дополнительных устройств для замера температуры, давления и клапанов.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

ПРИ ИМИТАЦИОННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ

Данная глава предназначена для ознакомления студентов с процессом переноса тепла в одном из наиболее распространенных типов теплообменных аппаратов рекуперативном аппарате с однофазными теплоносителями, а также методом интенсификации теплообмена в трубчатых ТА с помощью дискретно расположенных кольцевых диафрагм внутри трубы и соответствующих им кольцевых канавок снаружи трубы. Для закрепления знаний студентам рекомендуется проделать лабораторную работу.

Предлагаемый материал и выдаваемая установкой информация позволяет ознакомиться с принципом работы ТА типа «труба в трубе» в режимах прямотока и противотока, оценить эффективность ТА в зависимости от геометрических и режимных параметров, определить коэффициенты теплопередачи и теплоотдачи по той стороне аппарата, где теплообмен менее интенсивен. Кроме того, установка позволяет оценить эффективность применения интенсификации теплообмена.

Используется имитационное моделирование, позволяющее получить аналогичную информацию, как и в реальном эксперименте, отказавшись от дорогостоящей контрольно-измерительной аппаратуры, углубить и расширить изучаемые явления, получить более стабильные и наглядные результаты данная глава составлена главным образом на материалах работы[2] и значительно интенсифицировать учебный процесс благодаря мгновенному переходу с одного режима работы установки на другой, при этом каждый студент может выполнять индивидуальное задание, используя многочисленные варианты, введенные о микроЭВМ.

Оборудование изготовлено Днепропетровским специализированным конструкторским бюро ВСНПО «Союзучприбор».

Цель предлагаемой лабораторной работы – с помощью численного эксперимента определить зависимость тепловой мощности ТА от схемы включения, вида теплоносителя, геометрических (диаметры наружной и внутренней труб, длина) и режимных параметров, определить коэффициент теплопередачи в зависимости от режимных параметров, коэффициент теплоотдачи по одному из теплоносителей методом теплообменника, а также зависимость тепловой мощности аппарата, коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи от геометрических параметров турбулизаторов.

Теплообменные аппараты используются для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. Теплоноситель, имеющий более высокую температуру и отдающий тепло, называется горячим; теплоноситель, обладающий более низкой температурой и воспринимающий тепло, – холодным.

Все ТА по способу передачи тепла могут быть разделены на две большие группы: поверхностные и контактные (рис. 4.1). В поверхностных аппаратах теплоносители отделены друг от друга твердой стенкой (такие аппараты называются рекуперативными) либо поочередно контактируют с одной и той же стенкой (такие аппараты называются регенеративными). Эту стенку (поверхность) называют поверхностью теплообмена.

Рекуперативные Регенеративные Смесительные Барботажные Рис. 4.1. Классификация теплообменных аппаратов В рекуперативном аппарате одна сторона поверхности теплообмена все время омывается горячим теплоносителем, другая – холодным. Тепло передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

Направление теплового потока в стенке остается неизменным.

В регенеративном аппарате одна и та же поверхность теплообмена попеременно омывается го одним, то другим теплоносителем. В период нагрева поверхности теплообмена, называемой насадкой регенератора, она контактирует с горячим теплоносителем и аккумулирует тепло, которое в период охлаждения отдает холодному теплоносителю. Направление теплового потока в стенках аппарата периодически меняется. В качестве насадки в таких аппаратах могут использоваться шары, кольца, мелкие трубы, собранные в плотный пучок, иногда кирпичная кладка (например, в регенераторах мартеновских печей). Достоинствами таких аппаратов являются возможность размещения большой поверхности в единице объема (большая компактность) и осуществимость работы при высоких температурах (при использовании в качестве насадки высокотемпературных материалов), недостатками – плохая герметичность, неизбежность перемешивания теплоносителей, невозможность работы при высоких давлениях рабочих сред.

В контактных теплообменных аппаратах передача тепла происходит при непосредственном контакте горячего и холодного теплоносителей, при этом теплообмен сопровождается массообменом. В аппаратах смесительного типа горячий и холодный теплоносители перемешиваются и образуют растворы или смеси (примером таких аппаратов могут служить различного типа скрубберы или смесители горячей и холодной воды, используемые в системах водоснабжения). В аппаратах барботажного типа теплоносители находятся в разных фазах и при контакте обмениваются теплом, практически не перемешиваясь между собой. Например, в градирнях капли разбрызгиваемой воды охлаждаются встречным потоком холодного воздуха, а в барботерях горячий пар охлаждается, поднимаясь через слой жидкости. Аппараты контактного типа не могут применяться, если рабочие среды имеют разные давления или вообще не могут перемешиваться.

Аппараты контактного и регенеративного типов не нашли широкого применения на практике. Основным типом теплообменников, используемых в различных областях техники, по-прежнему остаются рекуперативные аппараты, которые и будут дальше рассматриваться.

Рекуперативные теплообменные аппараты можно, в свою очередь, классифицировать:

1. По взаимному направлению потоков теплоносителей:

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

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

- с перекрестный током, когда теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, однократно или многократно (см. рис.

1.6, в, д);

- со смешанным током (см. рис. 1.6, г) - с более сложными схемами различного сочетания прямотока, противотока и перекрестного тока (см. рис. 1.6, е, ж); на рисунке показаны варианты с двумя противоположными ходами и перепуском.

2. По роду теплоносителей:

- аппараты, в которых оба теплоносителя не меняют своего агрегатного состояния (газо-газовые, жидко-жидкостные, газожидкостные);

- аппараты, в которых изменяется агрегатное состояние одного теплоносителя, – конденсаторы (горячего теплоносителя), парогенераторы, испарители (холодного теплоносителя);

- аппараты, в которых изменяются агрегатные состояния обоих теплоносителей (конденсаторы- испарители).

3. По конструктивному оформлению:

- трубчатые;

- трубчато-ребристые;

- пластинчатые;

- пластинчато-ребристые;

- трубчато-пластинчатые.

Наиболее распространенной конструкцией являются трубчатые аппараты. Поверхность теплообмена таких аппаратов состоит из одной или нескольких труб. Простейший теплообменник (типа «труба в трубе» состоит всего из одной трубы, которая внутри омывается одним теплоносителем, а снаружи – другим, протекающим в кольцевом пространстве между теплообменной трубой и кожухом. Если теплообменник состоит из нескольких труб, то они собираются в трубный пучок с помощью трубных досок. Трубы с трубными досками заключены в кожух.

Рассмотрим принципы теплового расчета рекуперативных теплообменников с однофазными теплоносителями. Обычно при расчете аппарата определяется либо поверхность теплообмена (конструкторский расчет), либо количество переданного тепла и конечные температуры теплоносителей (поверочный расчет). В основе теплового расчета теплообменных аппаратов лежат уравнения теплового баланса и теплопередачи.

При стационарном режиме работы, если пренебречь утечками тепла в окружающую среду, передаваемый в аппарате тепловой поток равен уменьшению энтальпии горячего теплоносителя и увеличению энтальпии холодного теплоносителя:

где G – массовый расход теплоносителя, кг/с; i и i – энтальпии на входе и выходе из аппарата, Дж/кг, Q – тепловой поток, Вт. Индекс «г» обозначает горячий теплоноситель, «х» – холодный. Уравнение (4.2) – уравнение теплового баланса.

Если вместо энтальпии ввести теплоемкость при постоянном давлении cp, воспользовавшись соотношением di = cpdt, то уравнение (4.2) примет вид:

где cpг и cpх – средние значения теплоемкостей горячего и холодного теплоносителей соответственно в интервалах температур от tг до tг и от tх до t. Уравнение (4.1) примет при этом вид:

Иногда вводится понятие полных теплоемкостей массовых расходов горячего и холодного теплоносителей:

(раньше величину W называли водяным эквивалентом), Вт/К.

Из вышеприведенных уравнений следует:

т.е. отношение изменения температур однофазных теплоносителей обратно пропорционально отношению их полных теплоемкостей (водяных эквивалентов).

Для элемента поверхности теплообмена dF уравнение теплопередачи в дифференциальной форме записывается в виде:

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); t = tг – tх – текущий температурный напор. Суммарный поток тепла через поверхность теплообмена равно:

Для определения Q необходимо знать распределение k и T по поверхности теплообмена. Для однофазных теплоносителей коэффициент теплопередачи обычно изменяется незначительно, поэтому принимается постоянным по всей поверхности теплообмена. Тогда где средний по поверхности теплообмена температурный напор равен:

Уравнение (4.9) является уравнением теплопередачи. Оно позволяет при конструкторском расчете определить поверхность теплообмена F.

Если в теплообменном аппарате коэффициент теплопередачи существенно изменяется на отдельных участках поверхности теплообмена (как, например, для аппаратов с кипением или конденсацией теплоносителя на части поверхности), вводится средний по поверхности коэффициент k.

Для плоской стенки коэффициент теплопередачи равен:

где 1, 2 – коэффициенты теплопередачи; – толщина стенки; – коэффициент теплопроводности материала стенки; а для цилиндрической стенки при отнесении теплового потока соответственно к внутренней и наружной поверхности равен:

где 1, 2 – коэффициенты теплоотдачи внутри и снаружи трубы; d1 и d2 – внутренний и наружный диаметры, Вт/(м2·К).

Если d2/d1 < 1,8, то вполне допустимо использование определения k по формуле для плоской стенки (4.11):

где d0 = d2 при 1 >> 2; d0 = d1 при 2 >> 1 и d0 = 0,5(d1 + d2) при 1 = 2;

здесь l – длина труб.

Если ввести линейный коэффициент теплопередачи для цилиндрической стенки:

Необходимые для определения коэффициента теплоотдачи расчетные зависимости приводятся в учебниках, монографиях и справочниках.

Определим среднюю разность температур t для простейших схем движения теплоносителей – прямоточной (см. рис. 1.6, а) и противоточной (см. рис. 1.6, б). Характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена определяется схемой движения и соотношением теплоемкостей массовых расходов теплоносителей Wг и Wх (водяных эквивалентов). На рис. 4.2 показаны соответствующие кривые для прямотока и противотока, построенные для постоянного коэффициента теплопередачи вдоль поверхности теплообмена F. Из рисунка видно, что для теплоносителей с большей теплоемкостью массового расхода температура вдоль поверхности теплообмена изменяется слабее.

Для прямотока (рис. 4.3) на участке dF температура горячего теплоносителя понизится на dtг, холодного – повысится на dtх. Согласно уравнению (4.4) имеем:

Изменение температурного напора:

Используя уравнение (4.3) и выражая dQ через уравнение теплопередачи (4.7), можно получить, с учетом определения среднего по поверхности температурного напора t согласно уравнениям (4.9) и (4.10):

Рис. 4.2. Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при прямотоке и противотоке Рис. 4.3. Для определения среднелогарифмического температурного напора Выражение (4.19) называется среднелогарифмическим температурным напором для прямотока.

При противотоке температуры обоих теплоносителей вдоль поверхности теплообмена падают (см. рис. 4.2), и изменение температурного напора на участке dF равно При противотоке температурный напор по ходу горячего теплоносителя уменьшается, если Wг < Wх (см. рис. 4.2), и увеличивается, если Wг > Wх (см. рис. 4.2). Если же Wг = Wх, то температурный напор вдоль поверхности теплообмена не изменяется.

Используя уравнения (4.3) и (4.7), получаем Учитывая, что температурный напор вдоль поверхности F изменяется от (tг t х ) до (tг t х ) (см. рис. 4.2), при интегрировании уравнения (4.21) получаем:

Тогда среднелогарифмический температурный напор при противотоке равен:

Вместо выражений (4.19) и (4.23) можно дать единую формулу:

справедливую как при прямотоке, так и при противотоке. Здесь tб – больший температурный напор; tм – меньший температурный напор.

Если температура теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно по сравнению с температурным напором, то температурный напор можно определить как среднеарифметический между tб и tм:

Формулу (4.25) используют, если tб/tм < 2.

Для прямотока из уравнений (4.3) и (4.19) можно получить:

или Откуда, используя уравнение (4.3), получаем выражение для изменения температур горячего и холодного теплоносителей:

При расчете промежуточных температур tг и tх в уравнения (4.26) и (4.27) вместо F подставляется текущее значение площади поверхности Fх, отсчитываемое от входа теплоносителей.

Для противотока из уравнений (4.3) и (4.22) получаем:

Окончательные выражения для изменения температур теплоносителей имеют вид:

При определении промежуточных температур tr и tх в противоточных теплообменниках F заменяется на Fх только в числителе уравнений (4.28) и (4.29), причем Fх отсчитывается от входа горячего теплоносителя.

Если температура теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно (tб/tх < 2), то можно принять линейным ее распределение по длине, а средний температурный напор, определенный по уравнению (4.25), будет:

Определив t r и t из уравнения теплового баланса (4.3), получим:

Подставив это выражение для t в уравнение теплопередачи (4.9) и решив его относительно Q, получим:

Знание величины Q позволяет найти температуры на входе t г и t.

Для сравнения прямотока с противотоком возьмем количество переtх (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Зависимость отношения предельных тепловых потоков при прямотоке и противотоке Qпрям/Qпрот от Wг/Wх и kF/Wг Из графика видно, что эти схемы равноценны только при очень больших и очень малых значениях Wг/Wх (практически при Wг/Wх < 0,5 и Wг/Wх > 10) или при очень малых значениях kF/Wг (меньше 0,1). Первое условие соответствует малому изменению температуры одного из теплоносителей, во втором случае температурный напор значительно больше изменения температуры теплоносителя. Во всех остальных случаях при прочих равных условиях при противотоке передается больший тепловой поток, поэтому с данной точки зрения противоточная схема является предпочтительной. Следует также обратить внимание на то, что только при противотоке можно получить t > t г (при прямотоке это в принципе невозможно).

Однако при противотоке температура поверхности теплообмена вблизи входа горячего теплоносителя оказывается более высокой, чем при прямотоке. При высоких температурах горячего теплоносителя данное обстоятельство приходится учитывать.

К современным теплообменным аппаратам предъявляются повышенные требования по компактности, габаритам и массе. При заданных значениях тепловой мощности, расходов теплоносителей и гидравлических сопротивлений уменьшить габариты и массу аппаратов можно либо за счет увеличения коэффициентов теплопередачи, либо более плотной компоновкой (уменьшение диаметра труб и расстояния между ними). Но плотная компоновка ограничивается технологическими требованиями, поэтому возможности этого способа практически исчерпаны. Остается только уменьшение габаритных размеров и массы аппарата за счет интенсификации теплообмена.

Известно много методов интенсификации теплообмена. Среди них особое место занимает закрутка потока в трубах с помощью различного рода винтовых вставок (закрученные ленты, шнеки) по всей длине трубы или на ее части, тангенциального подвода теплоносителя в трубу, лопаточных заверителей, расположенных на входе или периодически. Кроме того, для интенсификации используются также криволинейные каналы (змеевиковые и спиральные). В ряде случаев для интенсификации теплообмена можно применять наложение на вынужденное течение колебаний расхода. При наличии в канале акустического резонанса теплоотдача существенно увеличивается в зоне пучности скорости стоячей волны. При этом заметно возрастает и средняя теплоотдача.

Однако наиболее реальным, доступным и высокоэффективным способом интенсификации теплообмена является искусственная турбулизация потока.

При умеренном росте гидравлического сопротивления она значительно увеличивает коэффициент теплоотдачи. Рассматриваемый метод интенсификации теплообмена основан на детальном изучении структуры турбулентного течения в каналах.

На рис. 4.5 показано распределение вдоль радиуса трубы r безразмерных температур, скорости wх(r)/w0, плотности теплового потока q(r)/qw, массовой скороcти wx/(w)0 и коэффициента турбулентного переноса импульса т/ при течении в трубе газа.

Рис. 4.5. Распределение параметров вдоль радиуса трубы при течении газа с Rew = 4,3·104; Pr = 0,7: 1 – нагревание воздуха при Tw = 1000 К, Tf = 154 К; 2 – охлаждение воздуха при Tw = 300 К, Tf = 902 К; 3 – изотермическое течение Где – коэффициент теплопроводности; т – коэффициент турбулентной теплопроводности), а коэффициент теплоотдачи равен:

среднемассовая температура потока равна:

то нетрудно заключить, что наибольшее влияние на окажет увеличение т в непосредственной близости от стенки. В пристенном слое толщиной (0,05…0,1)r0 среднее значение коэффициента турбулентной теплопроводности т не превышает 10% от максимального при данном числе Рейнольдса, а тепловой поток близок к максимальному. Поэтому в пристенном слое толщиной (0,05…0,1)r0 или высотой y = y w / 60 160 (y – расстояние от стенки; – коэффициент кинематической вязкости; w – касательное напряжение на стенке) расходуется 60...70% располагаемого температурного напора. Чем больше число Прандтля, тем на более узкий пристенный слой целесообразно воздействовать. Следовательно, наибольшей интенсификации теплоотдачи можно добиться, увеличивая т именно в таких пристенных слоях. В то же время ясно, что дополнительная турбулизация ядра потока (где т велико, а q /гл имеет место и при продольном обтекании пучков труб с кольцевыми канавками, вплоть до Nu/Nuгл = 1,4 1,5 при относительном шаге размещения труб в пучке S/d2 = 1,2. При этом объем аппарата может быть снижен на одну треть. Накатка труб с различными соотношениями между глубиной канавок снаружи и высотой диафрагм внутри труб позволяет получить оптимальную интенсификацию теплоотдачи по обеим поверхностям теплообмена при различных шагах размещения труб в пучке (S/d2 = 1,05 1,5).

Опытные данные по средней теплоотдаче при нагревании и охлаждении газов обобщаются следующими зависимостями:

В уравнениях (4.36) и (4.37) число Рейнольдса Ref определяется по среднемассовой температуре п о т о к а, а число Rew в уравнении (4.38) – по средней температуре стенки.

В уравнениях (4.36) и (4.37) Nuгл находится по следующим выражениям:

при нагревании газов:

где определяющей является средняя по длине трубы температура стенки;

при охлаждении газов:

где определяющей является средняя по длине трубы температура стенки, или здесь определяющей является среднемассовая по длине трубы температура газов.

Уравнения (4.36) – (4.38) справедливы при Re = 104 4·105.

Средняя теплоотдача для капельных жидкостей при t/d1 = 0,5 и d1 / d 0,94 (Re > Re) составляет:

где Здесь составляющей является среднемассовая температура жидкости по длине трубы.

Значение Re, при котором рост Nu/Nuгл с увеличением Re прекращается, равно:

4. В кольцевом канале рост теплоотдачи за счет турбулизации потока кольцевыми канавками определяется выражением:

справедливым для наружный диаметр внутренней трубы; d 2 – диаметр кольцевой канавки; d3 – внутренний диаметр наружной трубы.

4.2. Описание экспериментальной установки Экспериментальная установка (рис. 4.7) размещена на специальном столе и состоит из макета теплообменного аппарата 9, блока управления и контрольно-измерительных приборов 5, процессора 6 с клавиатурой 7 и телевизионного монитора 8.

Рис. 4.7. Общий вид экспериментальной установки: 1 – секция предварительного нагрева (температуры) теплоносителей; 2 – секция расхода горячего теплоносителя; 3 – секция расхода холодного теплоносителя; 4 – секция температуры; 5 – блок управления и контрольно-измерительных приборов; – процессор ПЭВМ; 7 – клавиатура ПЭВМ; 8 – монитор ПЭВМ; 9 – макет теплообменного аппарата Блок управления и контрольно-измерительных приборов 5 состоит из четырех секций: секции 1 предварительного нагрева (температуры) теплоносителей; секции 2 расхода горячего теплоносителя; секции 3 расхода холодного теплоносителя; секции 4 температуры. Блок управления и контрольноизмерительных приборов показан на рис. 4.8.

Секция 1 включает в себя ручки «гор.» и «хол.» регулирования предварительного нагрева и соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей на входе в аппарат. В секции 2 находится в себя ручка «гор.» регулирования расхода (изменением положения регулирующей задвижки) и соответственно температуры горячего теплоносителя на входе в аппарат. В секции 3 – ручка «хол.» регулирования расхода (изменением положения регулирующей задвижки) и соответственно температуры холодного теплоносителя на входе в аппарат. Секция 4 в данной работе не используется.

Рис. 4.8. Фотография блока управления и контрольно-измерительных На данной установке применен метод имитационного моделирования.

Рабочая программа исследования вводится в память микропроцессора. Программа имеет шифр ТП-014. Одним из основных управляющих органов при проведении исследования является клавиатура 7 с телевизионным монитором 8, с помощью которых ведется диалог с ЭВМ, выбираются схемы течения в теплообменном аппарате типа «труба в трубе», вводятся основные режимные параметры установки. Интерфейс программы на мониторе компьютера показан на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Интерфейс программы имитационного моделирования со схемой теплообменного аппарата с системой регулирования и измерений Рабочий участок создан по аналогии с реальным. Схема участка отображается на телевизионном мониторе (см. рис. 4.9). Он состоит из внутренней трубы, по которой течет горячий теплоноситель, и концентрично с ней расположенной наружной трубы. В кольцевом зазоре течет холодный теплоноситель. В качестве теплоносителей по обеим сторонам можно выбирать воздух или воду.

Расположенный на установке макет теплообменника имеет следующие геометрические размеры: внутренний диаметр теплообменной трубы d1 = 0,014 м, наружный диаметр теплообменной трубы d2 = 0,016 м, внутренний диаметр наружной трубы d3 = 0,034 м, длина l = 1,01 м. При исследовании теплообменного аппарата можно менять его геометрические параметры в следующих пределах: d1 = 0,006 0,022 м; d2 = 0,008 0,024 м; d3 = 0, 0,04 м; l = 0,3 5 м.

При исследовании теплообменника, в котором на трубе размещены кольцевые турбулизаторы, необходимо также задать диаметр кольцевых диафрагм d1, диаметр кольцевых канавок d 2, шаг размещения диафрагм и канавок t.

Горячий и холодный теплоносители попадают в теплообменник, пройдя регулирующую задвижку и диафрагмы расходомера. Возможна подача горячего и холодного теплоносителей в одном направлении по схеме прямотока и в противоположных направлениях по схеме противотока.

Исходные данные для проведения имитационных испытаний задаются в окне «Параметры» интерфейса программы (см. рис. 4.9). В открывшемся окне «Параметры» с помощью клавиатуры и компьютерной мыши задаются необходимые условия проведения эксперимента (рис. 4.10).

Рис.4.10. Интерфейс окна «Параметры» программы имитационного моделирования Предусматриваются измерения следующих параметров: перепад давлений на диафрагме горячего теплоносителя Pг; перепад давлений на диафрагме холодного теплоносителя Pх; давление перед диафрагмой горячего теплоносителя Pг (для воздуха); давление перед диафрагмой холодного теплоносителя Pх; эдс термопары перед диафрагмой горячего теплоносителя Eг (для воздуха); эдс термопары перед диафрагмой холодного теплоносителя Eх (для воздуха); эдс термопары на входе горячего теплоносителя в теплообменнике Eг ; эдс термопары на выходе горячего теплоносителя из теплообменника E г ; эдс термопары на входе холодного теплоносителя E ; эдс терх мопары на выходе холодного теплоносителя E. Давление и перепады давх лений измерены в кгс/м2, эдс термопар – в мВ. Перевод показаний термопар в °С производится по градуировочной таблице хромель-копелевых термопар.

После включения установки в сеть и запуска рабочей программы ТПна телевизионном мониторе высвечивается тема лабораторной работы и студент вступает в диалог с микроЭВМ.

В рекомендуемом диапазоне основных режимных параметров по заданию преподавателя в окне «Параметры» (см. рис. 4.10) программы выбирается один из вариантов предстоящего опыта и с помощью клавиатуры вводятся геометрические параметры теплообменника; вид теплоносителя по горячей и холодной сторонам (воздух или вода); схема течения (прямоток, противоток).

По окончании набора параметров и контроля их ввода на экране монитора высвечивается схема экспериментальной установки с отображением направления течения теплоносителей и расположением измерительных устройств.

После этого на пульте установки (см. рис. 4.7) включается тумблер питания измерительных приборов и можно приступить к исследованию рабочего процесса. С помощью ручки «гор.» в секции 2 (см. рис. 4.7) устанавливается расход горячего теплоносителя путем изменения положения регулирующей задвижки ВН1 (см. рис. 4.9) и соответственно изменяется давление перед диафрагмой Рг и перепад давления на диаграмме Pг, что отображается на интерфейсе программы (см. рис. 4.9). С помощью ручки «хол.» в секции 3 (см. рис. 4.7) устанавливается расход холодного теплоносителя изменением положения регулирующей задвижки ВН2 (см. рис. 4.9) и соответственно изменяется давление перед диафрагмой Рх и перепад давления на диаграмме Pх, что также отображается на интерфейсе программы (см. рис.

4.9). Плавным вращением ручек «гор.» и «хол.» регулятора нагревательного устройства секции 1 (см. рис. 4.7) устанавливается заданное значение термоЭДС термопар, установленных на входе по горячей и холодной стороне ( Ег и Е х ).

Регистрация измеренных величин производится по индикаторным приборам, показания которых дублируются на телевизионном мониторе. Результаты экспериментов заносятся в протокол испытаний (табл. 4.1).

Номер Схема Горячий Холодный Геометрические параметры, м Номер Параметры давления, Параметры температуры, С помощью регуляторов расхода и нагрева теплообменник переводится на следующий тепловой режим и аналогичным образом снимаются необходимые показания.

По окончании проведения опытов на заданных режимах производится перевод всех регуляторов в исходное положение.

Обработка производится в следующей последовательности:

1. Определяется температура перед диафрагмами Tг и Tх на входе в аппарат Tг и Tх, на выходе Tг и Tх по таблице эдс термопар «хромель-копель»

(приложение, табл. П. 7) или по приближенной зависимости:

где E – эдс соответствующей термопары в мВ, [T] = 1 К.

2. Вычисляются расходы горячего и холодного теплоносителей.

При использовании в качестве теплоносителя воды ее расход определяется для горячей и холодной сторон уравнениями:

где перепады давлений Pг и Pх выражены в кгс/м2, [G] = 1 кг/с.

При использовании в качестве теплоносителей воздуха его расходы соответственно будут:

где перепады давлений Pг и Pх выражены в кгс/м2; г – плотность воздуха перед диафрагмой в кг/м3; Pг, Pх – давление воздуха перед диафрагмами в кгс/м2; Tг, Tх – температуры воздуха перед диафрагмами в К; R – газовая постоянная для воздуха (R = 29,3 кгм/(кг·К)).

3. По уравнениям (4.19), (4.23) и (4.24) определяются среднелогарифмические температурные напоры.

4. Вычисляется тепловой поток, передаваемый в аппарате:

где теплоемкости теплоносителей c pг и c pх определяются по средним температурам T г = 0,5( Tг + Tг) ; T х = 0,5( Tх + Tх ) соответственно.

5. Определяется значение коэффициента теплопередачи:

если холодный теплоноситель имеет меньший коэффициент теплоотдачи (холодный теплоноситель – воздух), или выражением:

если горячий теплоноситель имеет меньший коэффициент теплоотдачи.

Здесь Fх = d 2l, Fг = d1l. Если коэффициенты теплоотдачи соизмеримы (для теплообменника «вода – вода» или «воздух – воздух»), поверхность теплообмена определяется по среднему диаметру.

6. По уравнениям (4.5) определяются полные теплоемкости массовых расходов теплоносителей Wг и Wх.

7. Подсчитывается коэффициент тепловой эффективности теплообменного аппарата в каждом из режимов как отношение действительно переданного теплового потока к максимально возможному:

8. Определяется число единиц переноса теплоты (безразмерный коэффициент теплопередачи):

9. В соответствии с конкретным заданием, полученным от преподавателя, определяется изменение величин T лог, k,, N в зависимости от вида теплоносителя, схемы течения, величин Gг, Gх, Tг, Tх, а также геометрических параметров аппарата d1, d2, d3, l. Необходимо построить графики изменения величин T лог, k,, N в зависимости от изменяющихся в эксперименте величин и проанализировать полученные результаты.

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 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:

kl определяется по уравнению (4. 16), коэффициент теплоотдачи по вогде де г из соотношения где Re г = ; г, г, Prг определяются по средней температуре горячей воды T г = 0,5( Tг + Tг ) ; Prw определяется по температуре стенки Tw. В первом приближении принять Tw T г. Коэффициент теплопроводности материала стенки принять w = 20 Вт/(м·К).

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

где dэ = d3 – d2 – эквивалентный диаметр для кольцевого канала;

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.

Верхняя строка в табл. 4.4 соответствует определению х методом расчета теплообменника по формулам (4. 15), (4. 16), нижняя определению г.

12. Для варианта определения х строится зависимость Nuх от Reх и проводится сопоставление полученных величин с расчетной зависимостью для кольцевых каналов с обогреваемой внутренней трубкой:

Для варианта определения г 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 расчетной зависимостью для теплоотдачи гладкой трубы Nuгл (4.61) и определить отношение в зависимости от Reг и безразмерных геометрических паNu г Nu г гл раметров d1 d1 и t/d1. Построить соответствующие графики и сопоставить полученные результаты с эталонными значениями, приведенными в приложении (табл. П. 8).

d1 d1. Используя данные табл. П. 8, на том же графике нанести зависимость отношения коэффициентов гидравлического сопротивления гл. Определить области значений параметров, где Nu г Nu г гл > гл и Nu г Nu г гл 15. При определении коэффициента теплоотдачи по холодной стороне в аппарате с интенсификацией теплообмена сопоставить полученные значеNu х для теплоотдачи кольцевого канала ния Nuх с расчетной зависимостью гл с гладкими стенками (4.60) и определить отношение в завигл симости от Reх и безразмерных геометрических параметров и. Построить соответствующие графики и сопоставить полученные реd3 d зультаты с эталонной зависимостью (4.45).

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?