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

4. МЕТОДЫ СРАВНИЕТЛЬНОЙ ОЦЕНКИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

При проектировании теплообменного аппарата с развитой поверхностью возникает необходимость в решении следующих основных вопросов:

1.Выбора типа оребренной (развитой) поверхности с учетом относительной ее эффективности и специфических требований, определяемых условиями работы аппарата (температура и давление, требования компактности, минимального веса и др.).

2.Определение оптимальной степени оребрения, исходя из условий теплоотдачи на обеих сторонах разграничивающей поверхности и изменения габаритных и весовых характеристик теплообменника в зависимости от степени оребрения.

3.Рациональной компоновки выбранной

поверхности.

Методика оценки относительной эффективности различных теплообменных поверхностей рассматривается ниже и составляет основное содержание настоящей главы. Остановимся вкратце на двух последних вопросах.

Оптимальная степень оребрения теплообменной поверхности определяется двумя основными факторами: а) к.п.д. (эффективностью) оребрения и б) соотношением значений коэффициента теплоотдачи на противоположных сторонах теплообменной поверхности. Действительно, степень оребрения, например трубки, может быть увеличена за счет увеличения длины ребер или их количества при соответствующем уменьшении толщины; при этом возрастает термическое сопротивление переносу тепла путем теплопроводности ребра, уменьшается к.п.д. (эффективность) оребрения, увеличивается вес и размеры поверхности. Целесообразность той или степени оребрения в сильной степени развитой и гладкой поверхности (при одностороннем

145

оребрении) или на противоположных развитых поверхностях (при двустороннем оребрении).

Очевидно, что чем больше отношение коэффициентов теплоотдачи, тем выше должна быть степень оребрения. Так, при использовании трубок с непрерывным спиральным оребрением в витых перекрестно точных теплообменниках воздухоразделительных установок при давлении сжатого газа 30-40 кг/см2 (см. гл. 2, ч. 1) нецелесообразно применять трубки с коэффициентом оребрения более 5, так как в этом случае габариты и вес теплообменника начинают увеличиваться. Наоборот, когда коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубок возрастает (например, в переохладителе жидкого азота или в условиях охлаждения газа водой), следует развивать наружную поверхность трубок, доводя коэффициент оребрения до 8-12 и более, так как это позволяет уменьшить габаритные размеры и вес теплообменника. Дополнительным обстоятельством, которое часто имеет определяющее значение, является допустимая потеря напора в теплообменнике.

Существенна также компоновка теплообменной поверхности: пучки оребренных трубок могут быть тесными или свободными, шахматными или коридорными; в пластинчатых теплообменниках можно изменять расстояние между разграничивающими пластинами и т. д. Это приводит к определенным изменениям в соотношениях между интенсивностью теплоотдачи и потерей напора и сказывается на габаритных и весовых характеристиках теплообменных аппаратов. Из краткого изложения существа затронутых вопросов следует, что решение поставленных задач достаточно сложно и требует рассмотрения взаимосвязи между большим числом переменных.

Мы ограничимся более детальным рассмотрением методов оценки относительной эффективности различных поверхностей, считая, что известны их геометрические характеристики (определяющие линейные размеры, компоновка), вес, зависимость теплоотдачи и потери напора от скорости теплоносителя.

146

Предложено использовать для оценки эффективности поверхности так называемый энергетический коэффициент

представляющий собой отношение количества переданного тепла Q к работе, затраченной на преодоление сопротивления перемещению теплоносителя A N , где А = 1/427 к к а л / к г м - тепловой эквивалент механической энергии.

Очевидно, что чем выше значение энергетического коэффициента Е , тем более эффективна (с точки зрения энергозатрат) теплообменная поверхность, при этом из рассмотрения исключаются габаритные размеры поверхности, ее вес.

Из структуры уравнения (4.1) следует, что при сравнительной оценке различных поверхностей для определения количества передаваемого тепла Q необходимо задаваться температурным напором, т. е. средней разностью температур теплоносителя иповерхности; как известно, эта разность зависит от схемы движения потоков в теплообменнике и отражает специфические условия работы теплообменного аппарата в целом.

Более удобно оценивать тепловую эффективность теплообменной поверхности коэффициентом теплоотдачи α, а затрату энергии на преодоление сопротивления перемещению теплоносителя относить к единице поверхности теплообмена. В этом случае энергетический коэффициент выражает количество тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности при разности температур в 1°С, на единицу энергии, затраченной для перемещения теплоносителя, т.е.

где α – коэффициент теплоотдачи, ккал/м3•ч•град;

147

AN0– энергия, затраченная в течение 1 ч на перемещение теплоносителя на 1 м2 поверхности, выраженная в тепловых единицах, ккал/м2 ч

Таким образом, энергетический коэффициент в соответствии с уравнением (4.2) и при принятых единицах измерения имеет размерность Е=град-1.

Затраты энергии в течение 1 ч на перемещение теплоносителя, отнесенные к 1 м2 полной теплообменной поверхности Ап, можно вычислить по уравнению

где p – потеря напора, кг/м2;

ω– скорость теплоносителя в минимальном поперечном сечении, м/сек.

Ac – минимальное поперечное сечение, м2.

Как известно, потеря напора p связана с критерием Эйлера соотношением

Тогда энергетический коэффициент

148

Для трубчатых поверхностей можно несколько преобразовать полученное уравнение (4.6).

Для пучков из гладких труб при поперечном обтекании

потоком отношение ( Ac ) связано с параметрами труб и пучка

Aп

соотношением (рис. 4.1):

Ac (si d) h (1 d d) h hd (1 1),

где 1 sdi - относительный поперечный шаг.

An dh ( по наружному диаметру трубок).

Тогда Ac ( 1 1) , и, относя в уравнение (4.6) величину

An

Еu к одному ряду трубок, получим для гладкотрубного пучка:

Подобным способом можно получить выражение энергетического коэффициента Е для любой поверхности.

Для сравнительной оценки каких-либо двух поверхностей необходимо сопоставить значения Е в интересующем диапазоне скоростей: поверхность, которой присуще более высокое значение Е, эффективнее в энергетическом отношении.

149