Материал: Интенсификация теплообмена в энергоустановках. Сборник задач. В двух частях. Трошин А.Ю., Коновалов Д.А

торые преобразования полученных выше уравнений, исключив из рассмотрения влияние физических свойств газа. Так, уравнение (1.24б) представим в виде:

правую – на значение этой производной в соответствии с уравнением (1.24б):

Последнее уравнение может быть использовано для определения поперечного сечения теплообменника. Эффективность (к.п.д.) ребер, которые обычно выполняются из металла с большой теплопроводностью (алюминия и т.п.) и характеризуются сравнительно небольшой высотой, близка к

76

100 %, т.е. p 1; отношение St для данного типа ореб-

рения практически не зависит от расстояния между ограничивающими листами и ребрами, т.е. в уравнении (1.31) отношение St const. Поэтому на основании уравнения (1.31)

поперечное сечение теплообменника не зависит от геометрии оребрения данного типа и определяется допустимой потерей напора и разностью температур.

Однако отношение зависит от типа оребрения

(гладкие, разрезные ребра и т.д.). Оно больше для тех поверхностей, которые характеризуются более высокими значениями St при одинаковых Re.

Из рассмотрения уравнений (1.29) и (1.30) можно сделать вывод, что длина, а следовательно, и объем теплообменника уменьшаются в большей мере, чем прямо пропорционально эквивалентному диаметру Dэ , если уменьшаются рас-

стояния между ограничивающими листами и ребрами. В области турбулентного режима течения показатель степени при Re составляет около a 0,3, а следовательно, объем теплооб-

менника уменьшается пропорционально уменьшению Dэ 1,3 ; в области ламинарного режима a 1, и объем теплообменника пропорционален Dэ 2 . Следует, однако, заметить, что в

пластинчатых теплообменниках низкотемпературных установок даже при близком расположении ребер режим течения обычно турбулентен. Стремление к уменьшению расстояния между ребрами и листами ограничивается следующими соображениями:

1.Технологическими возможностями сборки и пайки.

2.Увеличением объема металла.

3.Увеличением теплопроводности в продольном направлении через металл теплообменника и усложнением задачи равномерного распределения газа по мере возрастания отношения поперечного сечения теплообменника к его длине

вобласти низких значений критерия Рейнольдса.

77

Рассмотрен так же вопрос о возможности уменьшения объема пластинчатого теплообменника путем уменьшения его поперечного сечения по мере понижения температуры потоков: таким способом можно сохранить оптимальное соотношение между интенсивностью теплоотдачи и потерей напора. Выполненный авторами анализ показал, что даже в самых благоприятных условиях эффективность такого способа не оправдывается усложнением конструкции теплообменника.

Для иллюстрации исложенного метода расчета ниже приводится расчетный пример.

Пример 1.1. Рассчитать пластинчато-ребристый теплообменник с переключающимися каналами, предназначенный для охлаждения 1000 кг/ч водорода под давлением 6 ата с температуры 150 до 50 К обратным потоком водорода под давлением 1,5 ата, поступающим при температуре 49 К в количестве 1037 кг/ч. Допустимая потеря напора для водорода низкого давления p 400 кг/м2. Запас поверхности теплопе-

редачи должен составлять 20 %.

Решение. Теплообменник предназначен не только для охлаждения, но и для очистки сжатого водорода от сравнительно легко конденсирующихся примесей, которые выносятся обратным потоком водорода низкого давления при переключениях. Поэтому целесообразно применить поверхность с разрезными (жалюзными) ребрами (табл. 1.2), которые препятствуют проникновению твердых частиц загрязняющих примесей в низкотемпературную зону. Обе системы каналов (для водорода под давлением 6 и 1,5 ата) должны быть идентичными во избежание нежелательных колебаний режимных параметров при переключениях каналов.

Выберем в качестве рабочей поверхность типа 4,8-43,6, для которой в табл. 1.2 находим следующие данные:

-расстояние между ограничивающими пластинами h=6,35мм;

-число ребер на 100 мм ширины пакета 43,6;

-гидравлический диаметр Dэ 4rT 3, 08 мм;

78

-полная поверхность в единице объема, ограниченного пластинами, 1200 м2/м3;

-толщина ребер 0,15мм.

Данные характеризующие теплоотдачу и сопротивление поверхности 4,8-43,6 представлены в графической форме на рис. 1.28.

Определим некоторые дополнительные геометрические характеристики выбранной поверхности, которые потребуются в дальнейшем. Основные размеры канала, образованного двумя ограничивающими пластинами, показаны на рис. 1.58; толщину пластин принимаем равной 0,8 мм. Рассмотрим элемент теплообменника, образованный двумя ограничивающими пластинами размером 1×1 м2, между которыми помещена насадка (оребрение). Поверхность двух ограничивающих пластин, обращенная внутрь элемента и омываемая газом, равна: 2×1×1=2 м2.

Рис. 1.58. Поперечное сечение канала пластинчато-ребристого теплообменника [4]

Свободный объем между пластинами соответствует геометрическому объему параллелепипеда за вычетом той части металла ребер, которая прилагается к пластинам, т.е. 1×1×(0,00635-0,00015) = 0,00620 м3. Тогда поверхность огра-

79