Лекция 7. ПРИНЦИПЫ ТЕПЛООБМЕН ОБОРУД

1. Принципы.

2. ТрКИ.

3. ПлРКИ.

4. Таблица сравнения.

1. Принципы

Q_и = q_иF_и = α_иF_иΔT_и

Q_к = q_кF_к = α_кF_кΔT_к

T_и–T_к= ΔT_и+ ΔT_ст+ ΔT

T_к=f (p_к,x_1к,x_2к,x_3к) ,  T_и=f (p_и,x_1и,x_2и,x_3и)

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Расчет теплообменника обычно заключается в определении площади Fповерхности теплообмена и связанных с ней геометрических параметров аппарата. Кроме того, находят гидродинамическое сопротивление Δp, которое не должно превышать допустимого значения. Расчет выполняют на основании уравнений теплового баланса и конвективной теплопередачи, которые для двухпоточного аппарата при постоянном расходеGпринимают вид

dQ=G_пΔi_п=G_обΔi_об=kΔTdF, (1)

где i_пиi_об– энтальпия прямого и обратного потоков;k– коэффициент теплопередачи.

Уравнение теплового баланса без учета теплопритоков из окружающей среды Q_ocимеет вид

(2)

или при постоянной ( средней) удельной теплоемкости потоков

. (3)

Площадь поверхности теплообмена определяют из уравнения (1):

(4)

При постоянном (среднем) коэффициенте теплопередачи и средней для всего аппарата разности температур

. (5)

Зависимость (5) наиболее часто используют для расчета площади поверхности теплообмена, однако при низких температурах усреднение не всегда возможно.

Исходными данными при расчете являются расходы G_пиG_об, давления потоковp_пиp_об, температуры на концах аппаратаи их разности. Все эти величины известны из расчета криогенной системы, они полностью определяют условия работы теплообменника.

В соответствии с формулами (4) и (5) расчет сводится к определению значении, в зависимости от условия работы теплообмена и конструкции аппаратов.

Средняя разность температур . Как правило, в криогенных системах применяют наиболее эффективные противоточные теплообменники, для которых значениявычисляют разными способами в зависимости от условий работы.

Наиболее простой случай соответствует условиям и(значениеkвычисляют при средних температурах потоков), т. е. газ близок к идеальному, аkизменяется незначительно. При этих условиях находят среднюю разность температур как среднелогарифмическую

(6)

Очевидно, в этом случае разности температур на концах аппарата полностью определяют среднюю разность температур для аппарата.

В аппаратах с перекрестными движениями потоков разность температур уменьшается: .

Часто в криогенных установках не соблюдается условие с{ = constхотя бы для одного из потоков. Еслиk=constи, используют другой метод определения, позволяющий избежать ошибок, связанных с применением формулы (6). В соответствии с формулой (4) площадь поверхности теплообмена определяют, переходя к сумме конечных разностей:

. (7)

Всю поверхность разбивают на nэлементов с одинаковым значениеми средней разностью температурна каждом элементе. При этом согласно (7)

.

Сравнив это уравнение с формулой (5), получают выражение для всего аппарата:

(8)

Графическое изображение процесса теплообмена в координатах i–ТилиQ–Тсущественно упрощает вычисление.

На рис. 1 показаны изобары прямого и обратного потоков. Изобары строят на основании диаграммы i–ТилиQ–Тдля данных веществ в заданном интервале температур на входе и выходе потоков. По изобарам определяют изменение состояния потоков в теплообменнике.

Количество теплоты на 1 кг теплоносителя; отрезкиопределяют тепловую нагрузку каждого элементарного участка, отрезки, – соответствующую среднюю разность температур потоков на этих участках.

Рис. 1. Схема процесса теплообмена

к определению средней разности температур потоков

Определив nзначенийпо диаграмме (см. рис. 1) и просуммировав их обратные значения), находятпо формуле (8). Нередко массы газов в прямом и обратном потоках различны. Это необходимо учитывать при графическом построении изобар. Массу одного из потоков (обычно прямого) на диаграмме принимают равной 1 кг, затем вычисляют коэффициент, равный отношению масси перестраивают изобару обратного потока (см. рис.1).

Так как для изобарного процесса dQ=di= сdT, переменная теплоемкость приводит к искривлению изобар в координатахQ-T, по этому искривлению можно судить об отклонении от условия ср =const.

Общий случай (к constи срconst) характерен для теплообмена вблизи критического состояния вещества, когда резко меняются теплофизические свойстваТеплообмен при кипении или конденсации при переменном значениитакже сопряжен со значительным изменением коэффициентови к. В этих случаях расчет теплообменника выполняют по отдельным элементарным участкам с тепловой нагрузкойна каждом. Графическое изображение процесса теплообмена в координатахQ-Tупрощает расчет. Однако в данном случае необходимо дополнительно учитывать переменные значения коэффициентаktдля каждого из п участков и, соответственно, использовать формулу

Графическое построение позволяет определить разность тем­ператури абсолютные средние температуры отдельных участковTinиTjo6, по которым можно найти локальные коэффициенты теплоотдачии, а затем коэффициенты теплопередачи кiНа рис. 1 выделен 1-й элемент поверхности, для которого опре­деляют все расчетные величины.

При вычислении коэффициентов целесообразно использовать формулы, в которых выделены параметры, зависящие от темпера­туры. Так, для теплообмена в трубе при турбулентном течении обычно используют формулу

которую можно преобразовать к виду

где С— постоянная, не зависящая от температуры.

При такой форме записи легко определить на каждом участке, вычисляя соответствующие значенияпо спра­вочным данным.

Теплообмен при фазовых переходах. В случае кипения или кон­денсации процесс идет при постоянной абсолютной температуре, но при переменной разности температур ΔT. От ΔTсущественно зависит коэффициент теплоотдачи α. Для пузырькового кипения

Здесь ΔT=T_c–T_и, гдеT_сиT_и– температуры поверхности нагрева (стенки) и насыщения испаряющейся (кипящей) жидкости;n= 2 ... 3 – по корреляциям различных авторов.

Расчет по участкам также выполняют по формуле 9). При расчете теплообменников, работающих в условиях фазовых пере­ходов (кипение–конденсация), необходимо знать температуру T_споверхности нагрева (или охлаждения), которая заранее неизвестна. Рассмотрим случай, когда происходит теплообмен между двумя потоками, один из которых кипит и испаряется при температуреT_и, а другой конденсируется приT_к. Полная разность температур ΔT=T_к–T_исвязана с разностями температур для каждой теплообменивающейся среды; без учета термического сопротивления стенки (рис.2):

Определять температуру разделяющей поверхности Тс и выполнять расчет теплообмена удобнее графическим методом. Очевидно, плотность теплового потока q, Вт/м2, со стороны кипения (испаре­ния) и со стороны конденсации должна быть одинаковой:

Рис. 4.7. Кривые изменения темпе­ратур при испарении (1) и конден­сации

Рис. 4.8. Зависимость плотности тепло­вого потока qот температуры для теп­лообмена при кипении и конденсации

Используя известные зависимости теплообмена при кипении и конденсации,nопределяют плотность теплового потока- и строят кривыеq=(рис.3). Кривые строят из точек Ти иTк при произвольно задаваемых разностях температур 0 << < (Тк-Ти). Очевидно, точка пересечения кривых определяет искомое значениеq=qK=qKи температуру поверхности Тс, которая делит полный температурный напорна две части в соответствии с формулой (12). Зная, а такжеq, нетрудно найти коэффициент теплоотдачи . Этот метод применим и в том случае, когда в одном из потоков осуществляется фазовый переход, а другой участвует в конвективном теплообмене в одно-, фазном состоянии.

G3. В

Теплообмен в многопоточных аппаратах. Для криогенных систем характерно применение теплообменников с тремя и большим числом, потоков, причем теплоносителями могут быть среды с различными свойствами. В общем случае характеристики теплообмена таких аппаратов существенно зависят от числа потоков, расходов тепло­носителей, их физических свойств, геометрии поверхностей, что значительно усложняет расчет. Возможны упрощенные варианты расчета, когда конструктивное выполнение аппарата позволяет (с известным приближением) рассматривать теплообмен между разны- ми потоками как независимый. В этих случаях многопоточный аппарат можно рассматривать как ряд двухпоточных теплообменников. Так, на рис. 4 единый прямой поток G1, как бы разделяется на два потокаG1' иG1", каждый из которых участвует в теплообмене только с одним из обратных потоков:G1'cG2,G2"cG3 с случае справедливы уравнения теплового баланса

из которых определяют значения G1' иG1". После этого каждый из пары двухпоточных теплообменников рассчитывают независимо по приведенным ранее методикам.

Рис. 4.9. Схема трехпоточного теплообменника при независимом теплообмене для каждой пары потоков

Сложный теплообмен с учетом взаимного влияния потоков рассмотрим на примере работы трехпоточного теплообменника типа «труба в трубе». Прямой поток движется в кольцевом зазоре (индекс 1), один из обратных потоков течет по внутренней трубе диаметром d2 (индекс 2), а другой омывает трубу диаметромd3 снаружи (индекс 3). Для 1-го участка уравнения теплового баланса имеют вид:

Из (15) и (16) имеем:

где

Исключив из уравнения (14) последовательно Q2 иQ3, с помощью соотношения (17) получаем расчетные зависимости, связывающие изменение энтальпий теплообменивающихся потоков (при этомQопределяем какG):

Расчет предусматривает использование диаграммы Q-Т, на которую наносят изобару прямого потока р1. Расчет ведут с кон­цевого сечения аппарата, причем для каждого участка по заданному значениюи вычисленным значениям к21 и к31 согласно (18) находят изменения энтальпийи, а также соответствующие им температуры по термодинамическим диаграммам. Это дает возможность построить изобары обратных потоков р2 и рг по аналогии с рис.1. Температуры и их разности на входе в каждый участок принимают постоянными для всегоi-го участка. Построив диаграммуQ-Tдля всех трех потоков, нетрудно найти площадиэлементов поверхности по участкам и для всего теплообменника в целом в соответствии с формулой (9). В частных случаях используют условие к21 / к31 =const, иногда учитывают теплоприток из окружающей среды.

Значительно сложнее метод расчета трехпоточных пластинчато-ребристых аппаратов. Основная поверхность этих аппаратов оребренная, а площадь поверхности ребра, участвующей в теплообмене со смежной секцией, меняется по длине аппарата, т.е. отношениеизменяется от сечения к сечению в зависимости условий теплообмена.

Коэффициент теплопередачи. При любых условиях теплообмена необходимо знать коэффициент теплопередачи к, Вт/(м²∙К), являющийся сложной функцией условий теплообмена, свойств веществ, геометрических характеристик аппарата. В общем случае для аппарата с двусторонним оребрением схема теплообмена между двумя пото­ками с температурами Т1 и Т2, расходамиG1 иG2, коэффициен­тами теплоотдачииприведена на рис.5, гдеF1 иF2 - площади поверхностей теплообмена со сто­роны каждого из потоков.

Рис. 4.10. Схема теплообмена между двумя потоками

для аппарата с двусторонним оребрением

Для аппарата в целом или отдельного i-го участка можно записать сис­тему из трех уравнений передачи теплотыQ. от потокаG1 к поверх­ности площадьюF1 через стенку сFcтолщиной бс; от поверхности площадьюF2 к потокуG2:

Здесь – КПД ребер, учитывающие градиент температур по длине каждого из ребер.

Решив эти уравнения относительно разностей температур

С учетом равенства из уравнения (19) получаем:

Приведя эту зависимость к виду (5), получим уравнения для коэффициентов теплопередачи к1 и к2, отнесенные соответственно к площадям поверхностей теплообмена F1 иF2:

Строго говоря, формулы (21) и (22) записаны для плоских поверхностей, однако при малом отношении bjdих можно исполь­зовать для расчета трубок. Для разных типов аппаратов эти зависимости имеют разный вид. Так, для аппарата из тонких гладких трубокбез учета термического сопротивле­ния стенкиполучаем

При определении коэффициентов к основные проблемы свя­заны с нахождением коэффициентов теплоотдачи иИх вычисляют по различным формулам конвективного теплообмена в зависимости от условий протекания процесса (свободная конвекция, вынужденное движение, двухфазный процесс), характера потока (ламинарный, турбулентный, переходный, один из вариантов двух­фазных потоков), геометрических характеристик аппаратов, влияния физических свойств теплоносителей и других факторов.

Чаще всего используют эмпирические или аналитические фор­мулы, в которых коэффициент а выражен через числа Нуссельта или Стэнтона:

,

связанные соотношением

Формулы для расчета теплообмена обычно имеют следующую структуру:

Nu=/(Re, Pr,K1, K2, ..., Кп); (24)

J = StPr2/3 =f(Re, K1 K2, …, Кп ).(25)

Кроме чисел Рейнольдса Re = и Прандтля Pr =, в эти формулы входят дополнительные критерии Кг, отражающие влияние геометрических и других факторов на теплообмен.

Эффективность (КПД) ребра . Оребренные поверхности различ­ного типа широко применяют в криогенных теплообменниках, обеспечивая создание высококомпактных развитых поверхностей. Наличие ребер несколько ухудшает процесс теплообмена (см. эпюру распределения температур на рис.5). Разность температур потока Т1 (или Т2) и ребра Тр максимальна у основания ребра, где Тр = Тс и минимальна у конца. Такое распределение температур обусловлено термическим сопротивлением ребра. В результате средняя разность температур потока и ребра (Т — Тp)cp меньше разности температур потока и стенки Т — Тс, что и определяет ухудшение теплообмена. Данное обстоятельство учитывают в расчетах введением КПД ребра, который в соответствии с рис. 5 определяют так:

Расчетные формулы для определения получают в результате решения уравнений теплопроводности для ребер различной конфигурации. Так, для прямых ребер

Здесь m— параметр ребра:

где - коэффициент теплоотдачи; П и- периметр и площадь поперечного сечения ребра;-теплопроводность материала ребер.

Согласно рис. 6

.

На рис. 6 приведены зависимости, позволяющие определить значение для прямых (r0/rвн = 1) и круглых (r0/rвн = 1,25 ... 3,00) ребер при разных радиусахr0 ребер. Приml1 КПД ребер достаточно велик, что позволяет рекомендовать для выбора длины ребра соотношение.

Рис. 4.11. Зависимость эффективности (КПД) прямых и круглых ребер параметра ml(для круглого ребраl=r0 -rвн)

Формула (27) получена при условии Т = const, т. е. темпера­тура набегающего потока по длине ребра постоянна. Если принять другое граничное условие, а именно: Т — Тр =const— разность температур по ребру постоянна, то КПД можно определить по формуле

При ml< 1 расчет по формулам (27) и (29) дает близкие результаты. Для ребер сложной геометрической конфигурации, например в матричных теплообменниках, используют другие формулы Учитывая, что для гладкой стенки между ребер=1, запишем выражение для КПД оребренной поверхности:

где Fp— площадь поверхности ребер.

Эти значения КПД вводят в формулы (21)—(22).

Гидродинамические потери в теплообменниках. Ограничения, налагаемые на потери давления , обусловливают ограничения на коэффициент теплоотдачи, поэтому тепловой и гидравлический расчеты тесно взаимосвязаны. Полные потери давленияскла­дываются из двух основных составляющих:, где- потери давления на трение при течении вдоль поверхности теплообмена;- потери давления на местных сопротивлениях (сужение, расширение, повороты и т.п.).

Гидропотери , обусловленные трением, вычисляют по формуле

где - коэффициент сопротивления, зависящий от характера потока, условий течения и геометрии канала:

wи р— средние значения скорости и плотности потока в канале;lиd3 — длина и эквивалентный диаметр канала.

Формулу (31) иногда записывают в другом виде. Подставив в фор­мулу (31) значение эквивалентного диаметра канала d3 = 4FC/П = 4IFC/F, гдеFcи П — площадь и периметр проходного сечения канала;F= Пl— площадь полной поверхности теплообмена, получаем

Здесь - фактор трения Фаннинга. При определении потерь давления на местных сопротивлениях обычно используют зависимость

Коэффициент местного сопротивления , определяют в зависимо­сти от характера этого сопротивления и геометрических характе­ристик. Обычно

Коэффициенты сопротивлений или, иногда выражают через число Эйлера:

Зависимости вида =часто применяют для определения гидравлических потерь при многократно повторя­ющемся отрыве пограничного слоя, что происходит при поперечном обтекании пучков труб, элементов пластинчато-ребристых и других поверхностей.

Последовательность расчета теплообменных аппаратов. Для

нахождения размеров и характеристик теплообменных аппаратов необходимо сформулировать задачу и технические требования, задать необходимые данные и выполнить определенную серию расчетов. В результате находят площадь поверхности теплообмена и другие размеры аппарата, его массогабаритные характеристики, гидравли­ческие потери, температурный КПД. В общем случае выполняют также прочностной расчет теплообменника.

Расчет и конструирование теплообменников – многофакторные задачи, включающие следующие основные этапы:

1. выбор исходных данных – принципиальной схемы аппарата и параметров проходящих через него потоков (расходов, температур, давлений, гидропотерь);

2. выбор типа аппарата (прямотрубный, витой, пластинчаторебристый и т.п.), его конструктивной схемы, вида и размеров используемой поверхности – теплопередающего элемента (гладкая или оребренная трубка); вида насадки и ее геометрии для пластинчато-ребристого или матричного аппарата, размеров зазоров (прокладок), диаметров сердечника и других данных. Рад геометрических размеров: площадь поверхности теплообмена, длину и число трубок (каналов), внешние габариты не задают, а определяют из расчета;

3. выбор справочных данных – теплофизических характеристик потоков (плотности, теплоемкости, теплопроводности, вязкости и др.) при среднеарифметической температуре потока Т = (T"+T")/2 и заданном давлении, а при расчете по участкам – при температуре каждого участка;

4. определение средней разности температур по методике, изложенной в зависимости от условий теплообмена;

5. определение коэффициента теплопередачи к по формулам (21)–(22), для чего по соответствующим числам Reпредварительно находят коэффициенты теплоотдачи, и, выбрав скорости потоков, иw2 и вычислив площади проходных сечений каналов теплообменникаFc=G/();

6. определение площади поверхности по формулам (4), (5) и других размеров аппарата, т.е. его полная компоновка;

7. вычисление гидравлических потерь Δp₁и Δp₂ по формулам (31) и (33). Если полученные значения Δpне соответствуют заданным, следует изменить скорости потоков и повторить расчет. Расчет продолжают до тех пор, пока не будут достигнуты заданные значения Δp.

Описанный метод последовательных приближений весьма громоздок, поскольку произвольное задание скоростей потоков wвносит неопределенность в расчет, так как предопределяет значение гид­равлических сопротивлений, не всегда приемлемое. Предварительно могут быть установлены только некоторые общие рекомендации по выбору скоростей потоков, дающие ориентировочные значения.

Массовая скорость потока для воздуха, кислорода и азота может принимать следующие значения: при р = 5... 20 МПа= 100 … 300 кг/(м2 • с); при давлении, близком к атмосферному,= 8 ... 25 кг/(м2*с). Для водорода и гелия (прямой поток высокого давления)30 ... 100 кг/(м2 • с); при давлении, близком к атмосферному,= 4 ... 12 кг/(м2 • с).

Другой метод расчета теплообменников (прямой) состоит в том, что в качестве исходных данных принимают не скорости потоков, а конкретные численные значения допустимых гидравлических потерь Δp. Полная система уравнений, описывающих теплообмен и гидродинамику потоков, позволяет сразу определить площадь поверхности теплообмена и размеры аппарата, соответствующие принятым значениям Δp.

В общем случае такая система включает следующие уравнения:

теплообмена

Гидродинамических потерь

Массовых расходов потоков

и геометрические соотношения, зависящие от конструкции аппарата. Например, для витого теплообменника из гладких трубок

где n- число трубок; - площадь поперечного сечения аппарата;f– доля площади поперечного сечения, соответствующая площади прохода газа.

Число исходных уравнений должно соответствовать числу неизвестных. Совместное решение уравнений этой системы и исключение из нее неизвестных к, w, , а также ряда геометрических характеристик в итоге приводят систему к виду, позволяющему определить какой-либо неизвестный параметр по известным величинам, например, к выражению типа:

После этого последовательно находят другие искомые величины; в том числе скорости потоков.

Это решение довольно громоздкое, но сразу дает искомый результат. Поскольку значения Δpзадают приближенно, можно упростить систему исходных уравнений. При этом обычно пренебрегают значением КПД ребра (= 1), термическим сопротивлением стенки () и диаметром сердечника в витом аппарате.

Оптимизация теплообменников. Эта сложная проблема окон­чательно не решена, поскольку связана с большим числом взаимо­связанных величин. Существует несколько способов выбора опти­мальных характеристик аппаратов, каждый из которых позволяет учитывать только определенные факторы процесса теплообмена.

Температурный КПД и компактность. Наиболее простой способ оценки эффективности теплообменника — выбор параметров аппа­рата, обеспечивающих наибольший температурный КПД и максимальную компактность.

Высокие значения возможны лишь при больших значениях ЧЕП. Увеличение компактности требует выбора соответствующей геометрии аппарата и, в первую очередь, уменьшения эквивалент­ного диаметра поверхности. Однако такой подход никак не учитывает влияния гидравлических потерь Δp, что в значительной степени снижает его ценность.

Энергетический коэффициент. Для оценки эффективности теплообменника используют также энергетический коэффициент

где Q— количество переданной теплоты;L— работа, совершаемая для преодоления сопротивления потоков Δp.

Очевидно, максимум Е соответствует наиболее эффективной поверхности. Однако коэффициент Е не учитывает габаритов, массы и температурной эффективности аппарата.

Объемный показатель. В ряде случаев целесообразно сопоставлять между собой теплообменные поверхности по относительному объемному показателю V/V6, гдеV— объем разрабатываемого аппарата;V6 — объем поверхности, принятой за базовую. Сопостав­ление выполняют при одинаковых тепловых нагрузкахQ, гидропо­терях Δp, расходахGи разности температур.

Исходная формула этого анализа имеет вид

Индекс «б» относится к базовой поверхности. Учитывая, что гидропотери и расходы одинаковы, сравнитель­ные характеристики поверхностей получаем в виде

Очевидно, поверхности с минимальным значением V/V6 опреде­ляют наиболее компактный аппарат.

Комплексная оптимизация. Рассмотренные способы сопоставления поверхностей теплообмена носят частный характер и не учитывают всего комплекса взаимосвязанных величин, определяющих характе­ристики теплообменника, и криогенной системы в целом. Посколь­ку тепловая эффективность аппарата, его габариты, потери давления существенно влияют на работу и эффективность всей криогенной системы, необходима полная оптимизация, при которой одновре­менно и взаимосвязанно оптимизируется система в целом и входящий в нее теплообменный аппарат или ряд аппаратов. Обычно 1 целевой функцией такого расчета является степень термодинамического совершенства цикла или приведенные затраты энергии на единицу холодопроизводительности. При этом теплообменный аппарат является как бы модулем, составным элементом криогенной системы. Выбор параметров этого аппарата должен обеспечивать максимум, или минимум приведенных затрат энергии в криоген­ной системе.

При оптимизации используют уравнения, связывающие гидрав­лические потери Δpс температурным напором, для конкретного вида поверхности аппарата.

ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

В основе конструкции пластинчато-ребристых аппаратов лежит идея о применении двустороннего высокоэффективного оребрения со стороны прямого и обратного потоков. Вследствие этого аппараты имеют прямоугольные оребренные каналы.

Основными элементами, определяющими конструкцию этих аппаратов, являются разделительные пластины, ребра, расположенные между пластинами и имеющие хороший тепловой контакт с последними и боковые проставки (рис. 7 а). Эти аппараты конструктивно выполняются противоточными (см. рис. 7, б), перекрестно-точными (см. рис. 7, в) и прямоточными. По массогабаритным и эксплуатационным показа­телям эти аппараты относят к эффективным компактным тепло­обменникам. Компактность поверхности в них 1000—3000 м2/м3. Имеются поверхности, компактность которых достигает 6000 м2/м3.

Рис. 7. Конструктивная схема пластинчато-ребристого теплообменника:

а - канал теплообменника (1 – проставочный лист; 2 – элемент поверхности оребрения (насадка); 3 – боковая уплотнительная проставка); б – противоточный теплообменник; в – перекрестно-точный теплообменник

Преимущество ПРТ состоит в том, что конструктивно их легко выполнить многопоточными. При этом благодаря высокой тепло­проводности цельнопаяной конструкции в поперечном направлении достигается хороший тепловой контакт между потоками и выравни­вание температур теплоносителей по сечению.

Для изготовления ПРТ применяют латуни, алюминиевые сплавы, коррозионно-стойкие стали. Наиболее рационально изготовлять аппараты из алюминиевых сплавов, имеющих малую плотность и высокую теплопроводность, например АМц, АД1 и др. Малая масса аппарата позволяет сократить пусковые периоды криогенных устано­вок, а высокая теплопроводность – повысить эффективность аппа­рата. Коррозионно-стойкую сталь применяют, когда от аппарата требуется повышенная прочность или когда в целях достижения очень высокой компактности поверхности (до 6000 м2/м3) ребра выполняют из очень тонкого листа, толщиной менее 0,05 мм.

Существенно ограничивает применение ПРТ в криогенных установках небольшое давление (до 6 МПа), которое устанавливают по условию прочности. Известны, правда, аппараты, работающие при давлении одного из потоков 8 МПа, но практически ПРТ приме­няют при меньшем давлении.

Технология производства ПРТ в настоящее время отработана и освоена. Конструкция аппаратов позволяет механизировать и автоматизировать процессы изготовления основных элементов и аппарата в целом.

Конструкция оребрения в ПРТ отличается большим разнообразием. Это связано с поиском и отработкой наиболее технологических конструкций и стремлением улучшить теплопередающие и гидродинамические характеристики аппаратов. Среди нескольких десятков исследованных пластинчато-ребристых поверхностей можно, выделить несколько типов основных поверхностей, применяемых в теплообменниках криогенных установок. Наиболее эффективны поверхности с волнистыми непрерывными ребрами (рис. 8, б), короткими или прерывистыми ребрами (рис. 8, в), с чешуйчатыми (жалюзийными) ребрами (рис. 4.23,г), а также с длинными прямыми перфорированными ребрами (рис. 8, а). Изготовляют и наиболее простые поверхности с прямыми гладкими неперфорированными ребрами, а также поверхности со стерженьковыми ребрами, которые могут быть выполнены из проволоки.

Рис. 8. Пластинчато-ребристые поверхности различных типов:

а – с перфорированными ребрами; б – с волнистыми непрерывными ребрами;

в – с прерывистыми ребрами; г – с чешуйчатыми (жалюзийными) ребрами;

д – элемент оребрения

Основные размеры, характеризующие геометрические параметры, элементов поверхностей, следующие (рис. 8, д): ширина секции (длина ребер) 1=2 ... 15 мм; шаг расположения ребер t = 1,5 ... 5 мм; толщина ребер 5р = 0,05 ... 0,5 мм; толщина разделительных пластин 1,0 мм. Такие размеры, как высота Н и длина L секции, а также их число определяются не геометрическими параметрами поверхностей, а результатами теплового и гидродинамического расчета аппарата.

Рис. 9. Конструкции элементов оребрения поверхностей:

а – рассеченной с оребрением треугольного профиля;

б – угловой с перфори­рованными ребрами;

в – рассеченной с оребрением прямоугольного профиля;

г – с прерывистыми ребрами

Конструкции некоторых элементов оребрения показаны на рис. 9.

Соединение всех элементов ПРТ в единую герметичную и жест­кую конструкцию – пакет ПРТ – наиболее ответственная операция при изготовлении теплообменника. Соединение осуществляют пайкой в ваннах с расплавленными фторидами и солями хлора или в печи аэродинамического нагрева, в которой механическая работа вращения лопастей вентилятора преобразуется в тепловую энергию. Нагрев и пайка пакета ПРТ может осуществляться в многосекцион­ной вакуумной печи с инфракрасными нагревателями (рис. 10). Современные технологии позволяют изготовлять ПРТ с поперечным сечением 1,2 х 1,2 м и длиной до 7,0 м.

Элементы теплообменника плакированы тонким слоем силумина — припоя, основой которого является алюминий с присадками кремния. При пайке в ванне с расплавленной солью (см. рис. 10) особое внимание уделяют тщательной промывке аппарата с целью Удаления солевого раствора и кислот, остаточное присутствие кото­рых приводит к интенсивной коррозии и нарушению герметичности аппарата. Коллекторы, элементы жесткости и крепления теплообменника приваривают к спаянному пакету аргонно-дуговой сваркой. Габаритные размеры типовых пакетов: ширина В, длина L и длина рабочего участка пакета Lp (рис. 11) приведены в таблице 1.

Рис. 10. Примерная схема технологического процесса изготовления

пластинчато-ребристого теплообменника

1 – ванна с расплавленной солью; 2 – печь аэродинамического нагрева;

3 – секционная вакуумная печь с инфракрасными нагревателями