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

На рис. 2.7 помещена фотография исследованных пластин. Поверхность пластины А имеет волнистые выступы, расположенные под углом 45° к вертикали, и ряд мелких полусферических выступов; поверхность пластины В гофрированная; наконец, на поверхности пластины С имеется большое количество мелких полусферических выступов, расположенных в шахматном порядке.

Рис 2.7. Пластины, исследованные в работе [7]

100

Примененные методы исследования (скоростная киносъемка и кондуктометрия) позволили установить профили скорости при движении жидкости между пластинами, которое осуществлялось как сверху вниз, так и снизу вверх, причем расход воды составлял 450-1130 кг/ч. В результате исследования установлено:

1)при движении жидкости сверху вниз с небольшой скоростью создаются благоприятные условия для возникновения воздушных мешков; зона низких значений скорости находится в той части пластины, где впоследствии образуется воздушный мешок;

2)при движении жидкости сверху вниз образующиеся пузыри воздуха под влиянием подъемной силы перемещаются вверх навстречу жидкости в той части пластины, где скорость движения жидкости мала, и присоединяются к воздуху, скапливающемуся у верхнего края пластины, обусловливая рост воздушного мешка;

3)выделяющиеся при нагревании газы собираются в воздушном мешке; нагревание жидкости, движущейся сверху вниз, ускоряет достижение состояния равновесия, в котором прекращается дальнейший рост воздушного мешка;

4)при малых расходах жидкости, движущейся сверху вниз, скорость ее практически не зависит от объемного расхода. Это объясняется тем, что течение жидкости в этих условиях происходит под влиянием сил тяжести: при малых расходах заполнено не все сечение канала, и предельные значения скорости определяются условиями равновесия между силами тяжести и трения; предельные значения скорости и расход определяют эффективную ширину канала, участвующую в теплообмене;

5)объем образующихся воздушных мешков обычно пропорционален расходу жидкости.

Воздушные мешки уменьшают поверхность теплопередачи и приводят к увеличению потери напора. Пластины, конфигурация которых содействует образованию воздушных мешков, обычно благоприятствуют пригоранию обрабатывае-

101

мых жидкостей, что ухудшает условия теплопередачи и затрудняет очистку.

В зонах образования воздушных мешков создаются благоприятные условия для возникновения бактериальных загрязнений при обработке пищевых продуктов (молока, фруктовых соков и т. и.).

Полная потеря напора в канале, образованном пластинами с турбулизирующими выступами, складывается из потерь на трение, сужение и расширение потока, увеличение количества движения в связи с изменением профиля скорости. Раздельное определение перечисленных потерь напора затруднительно; обычно полную потерю напора определяют по уравнению

где G – весовая скорость жидкости, кг/м2сек; g = 9,81 м/сек2 ускорение силы тяжести; γ удельный вес жидкости, кг/м3;

L длина канала, м;

rr гидравлический радиус, м.

Условный коэффициент сопротивления учитывает все перечисленные виды потерь напора и вычисляется по эмпирическому уравнению

Значения С и n для исследованных пластин трех типов (рис. 2.7) составляют

102

Величина р, вычисленная по уравнению (2.1), включает потери напора на входе в канал и выходе из него.

Теоретическое решение задачи о теплопередаче в каналах пластинчатого теплообменника при следующих допущениях:

1)общий коэффициент теплопередачи постоянен по длине теплообменника;

2)потери тепла в окружающую среду отсутствуют;

3)не происходит распространения тепла в направлении движения жидкости;

4)температура и скорость потока однородны по ширине канала в данном его сечении.

Систему линейных дифференциальных уравнений, решили для трех исследованных типов пластин (рис. 2.7) с помощью быстродействующей цифровой вычислительной машины. Аналитическим способом установлены профили температуры при различных весовых скоростях жидкости, а так-

Определяющим линейным размером в уравнениях (2.2) и (2.3), а также во всех приведенных ниже является эквивалентный диаметр (см. уравнение (1.1)). Уравнение (2.3) описывает теплопередачу при течении воды в области Re = (4 ÷ 30) ∙ 103. Опытные данные удовлетворительно согласуются с результатами теоретического решения.

103

Исследован теплообмен между водой и варочной кислотой производства сульфитной целлюлозы в пластинчатом теплообменнике с поверхностью 100 м2, образованной 191 гофрированной пластиной размером 1370×500×1,5 мм; пластины образовывали последовательно соединенные секции, каждая из которых имела 13 или 14 волнообразных каналов для прохода жидкости (т. е. в пределах каждой секции одна из жидкостей распределялась между 13, а другая между 14 идентичными каналами, образованными пластинами). Опытами охвачена область значений Re = 2500 ÷ 18000 и Рг= 3,3 ÷ 4,9; температура воды на входе в теплообменник составляла 17-77 °С, а температура кислоты 14-64 К. Линейная скорость воды изменялась в пределах 0,2-0,99 м/сек, а кислоты 0,22-0,88 м/сек. Опытные данные о теплоотдаче описываются эмпирическим уравнением

в котором n = 0,4 при нагревании потока и n = 0,3 при охлаждении.

Значения общего коэффициента теплопередачи составили 1350-3040 ккал/м2∙ ч ∙ град.

Ястребенецкий и Коваленко исследовали теплоотдачу и потери напора в теплообменнике, собранном из однопоточных гофрированных пластин (рис. 2.2), в интервале значений Re= (3 ÷ l0) ∙ 103 для воды и воздуха.

Теплопередача от горячей воды к холодной и потеря напора при течении воды исследовались в теплообменнике с пластинами размером 1015×320 мм с шагом гофра 22,5 мм, высотой гофра 7 мм и поверхностью теплопередачи 0,21 м2. Полученные результаты описываются уравнением

в котором Ргст соответствует величине критерия Прандтля при температуре стенки канала.

104