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

Решая уравнение, получим:

S1,987 347333 259,21148 0,235,

откуда

S = 0,484 м2∙сек/кг.

Вычислим значения критерия Re для двух предельных значений температуры. При Т1 = 49 К

Из рис. 1.59 следует, что составленные выше уравнения, выражающие зависимость St и ζ от Re применимы в области, ограниченной предельными значениями Re1 = 3080 и Re2= 1290. Проверим обоснованность сделанного предположения о величине к. п. д. оребрения, которая была принята ηр=0,95. С этой целью вычислим величину коэффициента теплоотдачи.

По уравнению (1.22)

α = (0,484)(0,362-1)∙(0,0033)-0,362∙0,00619,

где (JТ)ср =0,00619 среднее значение комплекса в интервале температурыот 49 до 147 К (табл. 1.8).

86

Производя вычисления, находим

α=0,0781ккал/м2∙сек∙град или α=3600∙0,0781=281 ккал/м2 ∙ч∙град.

Предполагая, что насадка между ограничивающими пластинами изготовлена из алюминия, теплопроводность которого составляет λм=145 ккал/м∙ч∙град, вычислим безразмерный комплекс (см. ч. 1):

стояния между ограничивающими пластинами, м;

yb 0,00015 половина толщины ребра, м.

2

По графику на рис. 1.1, ч. 1 для прямых ребер равномерной толщины находим ηр=0,95, что и было предположено ранее.

Длина теплообменника определяется по уравнению

(1.29):

а с запасом в 20 % длина составит 1,2 ∙ 10= 12 м.

При определении полного поперечного сечения теплообменника следует учесть объем, заполненный металлом. Это можно сделать, умножив S на поправочный коэффициент

(рис. 1.58):

Тогда полное поперечное сечение теплообменника

Аф 1,26 2 0,484 10373600 0,352 м2

(коэффициент 2 учитывает существование двух идентичных систем каналов для прямого и обратного потоков водорода).

Если считать, что максимальная длина одного теплообменника по технологическим соображениям (см. выше) не превышает 2,8 м, то очевидно, что в данном случае необходимо включить последовательно четыре типовые секции.

Так же рассматриваются вопросы техникоэкономической целесообразности применения пластинчаторебристых теплообменников в специфических условиях низкотемпературных установок, выбора оптимальных размеров теплообменника, при которых стоимость их эксплуатации оказывается минимальной, а также влияние температурного уровня и физических свойств газов на основные параметры теплообменника.

Экономичность процесса теплообмена в низкотемпературных установках определяется тремя основными факторами:

1)затратой мощности на компенсацию холодопотерь в окружающую среду и вследствие недорекуперации на теплом конце теплообменника, а также на охлаждение потока;

2)затратой мощности на преодоление сопротивления теплообменников газовому потоку;

3)стоимостью теплообменников.

Увеличение недорекуперации приводит к возрастанию затрат мощности на ее компенсацию, но так как при этом уменьшается длина теплообменника, а тем самым и его сопротивление, то сокращается расход мощности, затрачиваемый на преодоление сопротивления. Таким образом, очевидно, что существует оптимальное соотношение между величиной недорекуперации и потерей напора, при котором стоимость эксплуатации теплообменника оказывается минимальной.

88

Анализ приходит к заключению, что наибольшее влияние оказывает величина недорекуперации: отступление от оптимального ее значения в сторону уменьшения приводит к резкому увеличению стоимости эксплуатации теплообменника; отступления от оптимального значения потери напора проявляются значительно меньше. В любой температурной области, при любых давлениях или физических свойствах газа минимальной стоимости эксплуатации пластинчаторебристого теплообменника М соответствует вполне определенное соотношение затрат на компенсацию холодопотерь, преодоление сопротивления газовому потоку и капитальных затрат, которое выражается следующим образом:

где а и b абсолютные значения показателя степени при Re в уравнениях (1.19) и (1.20), описывающих теплоотдачу и потерю напора.

Для обычно встречающихся значений а и b это отношение приближенно приводится к виду: 3:1:2.

Отсюда следует, что половина полной минимальной стоимости эксплуатации М пластинчатого теплообменника приходится на долю затрат, связанных с компенсацией холодопотерь и охлаждением газового потока; капитальные затраты составляют около 1/3 стоимости эксплуатации, а 2/3 соответственно приходятся на долю энергетических затрат. Поэтому величина М пропорциональна стоимости электроэнергии в степени 2/3 и капитальным затратам в степени 1/3. Указанные соотношения не изменяются заметным образом и в том случае, когда учитываются дополнительные потери напора в установке и затраты на тепловую изоляцию.

Минимальная полная стоимость эксплуатации теплообменника М очень чувствительна к низшей абсолютной температуре Т1 и изменяется пропорционально (Т0 Т1) / Т10,5, где Т0и Т1 температура на теплом и холодном концах теплообменника соответственно; в то же время М довольно

89