Размеры, мм, типовых пакетов пластинчато-ребристых теплообменников
Тип | В*В | L | Lp |
1 | 400*400 | 1300 | 1000 |
2 | 400*400 | 3000 | 2700 |
3 | 500*500 | 1500 | 1200 |
4 | 500*500 | 3000 | 2700 |
5 | 850*850 | 3000 | 2700 |
6 | 1200*1200 | 3000 | 2700 |
Двухпоточный теплообменный аппарат из алюминиевого сплава с короткими прерывистыми ребрами (рис. 12) применяют в ВРУ с давлением потоков соответственно 0,6 и 0,1 МПа. Рабочая температура от 293 до 93 К. Теплообменник выполнен в виде единого пакета, имеющего приваренные входные и выходные коллекторы. ПРТ для крупных установок собирают из отдельных типовых пакетов параллельно или последовательно с помощью промежуточных коллекторов (рис. 13).
Важнейшей характеристикой поверхностей теплообмена являются их геометрические параметры (табл. 2 ), рассчитываемые по следующим формулам.
Рис. 11. Пакет пластинчато-ребристого теплообменника:
1, 6, 7, 9 — коллекторы; 2, 8 — прямые участки распределителей; 3, 5—косые участки распределителей; 4— рабочая поверхность теплообмена (А - холодная сторона; Б — теплая)
2. Геометрические параметры плстинчато-ребристых поверхностей, применяемых в аппаратах криогенных установок
Ребра | l/t | Толщина ребер | Расстояние между прорезами | Эквивалентный диаметр | Компактность по свободному объему | Степень стеснения | |||||
Гладкие непрерывные |
| 15 |
| 4,64 | 520 | 342 | 862 | 0,196 | |||
Прерывистые |
| 0,15 | 1,5 | 4,64 | 520 | 342 | 862 | 0,196
| |||
| 0,25 | 2 | 5,69 | 534 | 169 | 703 | 0,153 | ||||
| 0,25 | 2 | 3,05 | 1143 | 169 | 1312 | 0,209 | ||||
| 0,15 | 1 | 2,5 | 1081 | 519 | 1600 | 0,285 | ||||
| 0,25 | 1 | 2,68 | 1143 | 342 | 1485 | 0,282 | ||||
| 0,2 | 10 | 3,08 | 952 | 342 | 1297 | 0,244 | ||||
Чешуйчатые |
| 0,15 | 5 | 4,22 | 604 | 342 | 946 | 0,175 | |||
Рис 12. ( по архарову рис. 4.27. стр 326)
Эквивалентный диаметр, м, каналов поверхности
где F — площадь свободного поперечного сечения канала; П —
суммарный периметр всех ребер, попавших в поперечное сечение
Компактность, м2/м3 по свободному объему
Здесь S и S — компактности поверхностей ребер и пластин соответственно:
Площадь свободного сечения канала Fсв, м2, по которой определяют скорость потока w, вычисляют по формуле
где L — ширина канала или секции (см. рис.8, д); n — число каналов в одном пакете для рассматриваемого потока; z — числом параллельно соединенных пакетов.
Рис. 13 (По Архарову рис.4.28, стр. 327)
Степень стеснения g – доля площади сечения канала, занятая пластинами и ребрами. Например, для каналов с прямоугольными ребрами
Для повышения эффективности пластинчато-ребристых поверхностей (уменьшения габаритов аппарата) увеличивают компактность поверхностей и создают поверхности с наиболее благоприятными теплообменными и гидродинамическими характеристиками посредством рациональной турбулизации потока.
|
|
В табл. 3 приведены геометрические характеристики ряда высококомпактных поверхностей, по типу близких к поверхности с короткими прерывистыми ребрами или к так называемым рассеченным поверхностям (см. рис. 9, в, г).
3. Геометрические параметры высококомпактных поверхностей
Поверхность | Высота ребра l | Длина ребра | Шаг ребра t | Эквивалентный диаметр | Толщина ребра | Толщина пластины | Компактность по свободному объему |
мм | |||||||
1 | 6,35 | 2,82 | 1,625 | 2,38 | 0,1016 | 1549 | |
2 | 6,25 | 2,64 | 0,939 | 1,48 | 0,1016 | 2467 | |
3 | 1,95 | 2,79 | 1,054 | 1,21 | 0,1016 | 2832 | |
4 | 1,29 | 2,54 | 1,29 | 1,22 | 0,0508 | 3028 | |
5 | 0,673 | 1,27 | 0,688 | 0,646 | 0,0254 | 0,1524 | 5650 |
Наибольшую эффективность имеют поверхности с короткими ребрами, что обусловлено рациональной турбулизацией потока, омывающего ребра этих поверхностей. Поскольку короткие ребра смещены одно относительно другого (см. рис. 9, в и г), возникает дополнительное возмущение – турбулизация потока в пристенной пограничной области. В результате турбулентное перемешивание потока в этой области усиливается, а термическое сопротивление, пограничного слоя уменьшается, так как уменьшается толщина ламинарного подслоя. Дополнительная турбулизация потока вблизи стенки (поверхности ребер), а не в ядре потока, приводит к улучшению теплопередающих характеристик поверхностей при умеренном :росте гидравлических сопротивлений. Следует отметить, что у поверхностей с прямоугольным сечением каналов (см. рис. 9, в) интенсификация конвективного теплообмена развивается более благоприятно, чем у поверхностей с треугольным сечением (см. рис 9, а), так как в зонах острых углов дольше сохраняется ламинарный режим. Таким образом, скругленные углы каналов еще более; рациональны.
|
|
Высокую эффективность имеет оригинальная по конструкции так называемая угловая перфорированная поверхность теплообмена. Гофрированные перфорированные ребра вместе с разделительными пластинами создают систему прямоугольных зигзагообразных каналов постоянного сечения, прямолинейные элементы которых расположены под углом j = 4 ... 16" к начальному направлению движения потока (см.рис. 9 б), вследствие чего возникает поперечный градиент давлений. В местах наличия перфорации происходит локальное разрушение пограничного слоя, что является интенсифицирующим воздействием на теплоотдачу.
|
|
Для расчета пластинчато-ребристых теплообменников необходимо иметь тепловые и гидродинамические характеристики применяемых в них поверхностей, которые часто представляют в виде критериальных зависимостей:
а также в виде аналогичных графических зависимостей.
Для поверхностей с геометрическими параметрами, приведенными в табл. 2, значения коэффициентов А и В, а также показателей степени n и m зависимостях (41) и (42) даны в табл. 4.
На рис. 14 показаны тепловые и гидравлические характеристики! поверхностей, размеры которых указаны в табл. 3 (кривые 1—5),
Ребра | l/t | Теплообмен | Гидравлическое сопротивление | |||||
Re | A | n | Re | B | m | |||
Непрерывные | 6,4 | 500-2000 | 0,21 | 0,48 |
| |||
2000-6500 | 0,0089 | 0,905 | 7000-2000 | 32,7 | -1,03 | |||
6500-25000 | 0,027 | 0,78 | 2000-30000 | 0,065 | -0,21 | |||
Прерывистые | 6,4 | 700-2000 | 0,0088 | 1,067 | 600-2000 | 0,73 | -0,32 | |
2000-13000 | 0,076 | 0,77 | 2000-17000 | 0,12 | -0,085 | |||
12,4 | 1800-6000 | 0,1 | 0,74 | 1800-6000 | 0,21 | -0,15 | ||
6000-22000 | 0,23 | 0,65 | 6000-30000 | 0,12 | -0,08 | |||
12,4 | 700-2500 | 0,0031 | 1,15 | 700-2500 | 0,37 | -0,21 | ||
2500-7500 | 0,19 | 0,64 | 2500-10000 | 0,23 | -0,15 | |||
6,2 | 800-2000 | 0,002 | 1,19 | 600-1200 | 5,95 | -0,62 | ||
2000-5500 | 0,0113 | 0,962 | 1200-6500 | 0,22 | -0,15 | |||
4,2 | 700-4500 | 0,0022 | 1,16 | 400-900 | 89,6 | -1 | ||
900-6500 | 0,24 | -0,13 | ||||||
6,2,3 | 160-1600 | 0,0043 | 1,098 | 200-950 | 22,5 | -0,93 | ||
1600-4500 | 0,0512 | 0,76 | 950-3000 | 1,18 | -0,49 | |||
| 3000-5000 | 0,2 | -0,27 | |||||
Чешуйчатые | 7,4 | 2400-10500 | 0,19 | 0,63 | 2600-14500 | 0,23 | -0,14 | |
а также рассеченной с оребрением прямоугольного профиля (кривая 6) и угловой перфорированной (кривая 7) поверхностей. Размеры рассеченной пластины с прямоугольными ребрами (см. рис. 9 в): S = 452 м2м3 d3= 7,72 мм; угловой перфорированной (см. рис. 9 б): S= 900 м2м3 d3= 4,44 мм; d0= 0,8 мм; = 16е; с = 2 мм; t0= 3,25 мм.
Результаты экспериментов, полученные для оребренных поверхностей с короткими прерывистыми ребрами, с точностью ±10 % описываются приближенными обобщенными зависимостями:
фактор теплоотдачи при 250 < Re < 6000
фактор трения
Рис. 14 ( По Архарову рис.4,29. стр.330)
Здесь
где — расстояние между прорезями (длина ребра); оптимальное
значение Д = 1,5 ... 2 мм.
Коэффициенты теплопередачи к для пластинчато-ребристых аппаратов рассчитывают по формулам (2)-(3) .
Для расчета отношений площадей поверхностей, например, в формуле (2) можно использовать следующие зависимости, полученные по известным геометрическим параметрам для гладких, волнистых, прерывистых или чешуйчатых поверхностей:
Здесь Fсв1 и F’ св2 —площади свободного сечения одиночных каналов, определяемые по формуле (40) при п = z = 1. При вычислении по формуле (27) высоту ребра принимают равной l/2, где l — ширина секции. Крайние боковые секции теплообменника выполняют, как правило, шириной 1/2, чтобы обеспечить одинаковые значения для ребер одноименных каналов, расположенных на периферии и внутри пакета (риc.15).
Гидродинамический расчет пластинчато-ребристых аппаратов сводится к определению суммы потерь давления, основными составляющими которых являются: и — потери давления на входе и выходе из коллекторов; и — потери давления на входе в распределитель или пакет и выходе из него; — потери давления на трение в каналах распределителей и собственно пакета с рабочей поверхностью теплообмена; и — потери давления в "косых срезах".
При боковом подводе и отводе одного из потоков в двухпоточном пластинчато-ребристом теплообменнике (так называемая Z- образная компоновка, рис. 16, а) между коллекторами и пакетом поверхности устанавливают распределители, которые обеспечивают равномерную подачу теплоносителя по каналам пакета. При торцовом подводе потока (рис. 16, б) распределители отсутствуют.
рис.15 Кривые распределения температуры потоков и ребер в поперечном сечении двухпоточного пластинчато-ребристого теплообменника
Потери и рассчитывают по формулам вида .
Рис.16 ( По Архарову рис.4,31. стр 332)
Коэффициент местного сопротивления при внезапном расширении потока определяют по формуле
где Fсв1 и Fсв2 — площади свободного сечения канала до и после расширения:
При повороте потока в канале значения вычисляют по формуле
где — угол поворота потока.
Потери и можно рассчитать, используя зависимости:
Здесь — степень стеснения, т.е. отношение площади Fсв свободного сечения каналов распределителя или пакета к площади Fф фронтального сечения: Кс и Ке — коэффициенты, учитывающие необратимую составляющую потери давления, связанную с внезапным сужением или расширением потока (рис. 17).
Рис.17 ( По Архарову рис.4,32. стр.333)
Потери рассчитывают по формулам вида , где f— фактор трения, определяемый по формулам (42) и (43) или графически (см. рис. 14).
Для расчета потерь давления так называемого косого среза и коэффициент местных потерь можно определить по экспериментальным кривым (рис. 18). Кривые на рис. 18, а получены для случая, когда площади сечения каналов в «косом срезе» изменяются в 2 раза, кривые на рис. 18, б — для случая, когда площади сечения каналов пакета и распределителя одинаковы, причем поверхность каналов в пакете прерывистая, в распределителе — гладкая.
Рис.18 (По Архарову рис.4,33.стр333)
В многопоточных ПРТ каждый из потоков одновременно взаимодействует с другими потоками, параметры и физические свойства которых, в общем случае, неодинаковы. Традиционный подход к расчету таких аппаратов основан на решении одномерной задачи стационарной теплопроводности в продольном прямоугольном ребре (рис. 19) совместно с уравнениями тепловых балансов между потоками. Расчет выполняют по элементарным участкам, считая, что длина каждого из них мала и равна, например, длине Д (см. рис. 9, г) ребра вдоль потока (обычно длину элементарного расчетного участка ТА обозначают dh или dx). При этом изменением теплофизических свойств и условий теплообмена по длине участка можно пренебречь. Температуру потока принимают на каждом участке одинаковой по высоте ребра. Термическим сопротивлением стенки канала пренебрегают. В результате расчета находят распределение температур по ребру в поперечном сечении аппарата и температурные напоры вдоль потоков.
Математическую модель рабочего процесса строят на основе дифференциального уравнения передачи теплоты по ребру
где q — разность температур потока ( ) и ребра ( ) в i - м канале; х. — координата, отсчитываемая по высоте ребра от его корня в i-м канале; mi — параметр ребра
Рис. 19. Схема к расчету многопоточного теплообменника
Решение этого уравнения имеет вид
(52)
где Сi’ и Сi" — постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий.
Первое граничное условие: равенство температур ребер у их корней в двух смежных каналах (см. рис. 19). Например, в каналах i и i + 1 температуры ребер равны при xi = li и xi+1 = 0. Тогда из уравнений (52) найдем
(53)
Второе граничное условие: общее количество теплоты, переданное от потока к потоку на расчетном участке, представляет собой сумму количеств теплоты, переданной по ребрам ( ) и через поверхность в межреберном пространстве ( ). Пренебрегая продольной теплопроводностью по стенке канала, тепловой баланс на расчетном участке можно записать в общем виде:
(54)
или по уравнению (55)
Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 320; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!