Размеры, мм, типовых пакетов пластинчато-ребристых теплообменников

Тип	В*В	L	Lp
1	400*400	1300	1000
2	400*400	3000	2700
3	500*500	1500	1200
4	500*500	3000	2700
5	850*850	3000	2700
6	1200*1200	3000	2700

Двухпоточный теплообменный аппарат из алюминиевого сплава с короткими прерывистыми ребрами (рис. 12) приме­няют в ВРУ с давлением потоков соответ­ственно 0,6 и 0,1 МПа. Рабочая темпера­тура от 293 до 93 К. Теплообменник вы­полнен в виде единого пакета, имеющего приваренные входные и выходные коллек­торы. ПРТ для крупных установок собира­ют из отдельных типовых пакетов парал­лельно или последовательно с помощью промежуточных коллекторов (рис. 13).

Важнейшей характеристикой поверх­ностей теплообмена являются их геометри­ческие параметры (табл. 2 ), рассчитывае­мые по следующим формулам.

Рис. 11. Пакет пластинчато-ребристого тепло­обменника:

1, 6, 7, 9 — коллекторы; 2, 8 — прямые участки распределителей; 3, 5—косые участки распредели­телей; 4— рабочая поверхность теплообмена (А - холодная сторона; Б — теплая)

2. Геометрические параметры плстинчато-ребристых поверхностей, применяемых в аппаратах криогенных установок

Ребра	l/t		Толщина ребер	Расстояние между прорезами	Эквивалентный диаметр	Компактность по свободному объему			Степень стеснения
Гладкие непрерывные			15		4,64	520	342	862	0,196
Прерывистые			0,15	1,5	4,64	520	342	862	0,196
			0,25	2	5,69	534	169	703	0,153
			0,25	2	3,05	1143	169	1312	0,209
			0,15	1	2,5	1081	519	1600	0,285
			0,25	1	2,68	1143	342	1485	0,282
			0,2	10	3,08	952	342	1297	0,244
Чешуйчатые			0,15	5	4,22	604	342	946	0,175

Рис 12. ( по архарову рис. 4.27. стр 326)

Эквивалентный диаметр, м, каналов поверхности

где F — площадь свободного поперечного сечения канала; П —

суммарный периметр всех ребер, попавших в поперечное сечение

Компактность, м2/м3 по свободному объему

Здесь Sи S— компактности поверхностей ребер и пластин соответственно:

Площадь свободного сечения канала Fсв, м2, по которой определяют скорость потока w, вычисляют по формуле

где L — ширина канала или секции (см. рис.8, д); n— число каналов в одном пакете для рассматриваемого потока;z— числом параллельно соединенных пакетов.

Рис. 13 (По Архарову рис.4.28, стр. 327)

Степень стеснения – доля площади сечения канала, занятая пластинами и реб­рами. Например, для каналов с прямоуголь­ными ребрами

Для повышения эффективности плас­тинчато-ребристых поверхностей (уменьше­ния габаритов аппарата) увеличивают ком­пактность поверхностей и создают поверх­ности с наиболее благоприятными теплообменными и гидродинамическими характе­ристиками посредством рациональной турбулизации потока.

В табл. 3 приведены геометрические характеристики ряда высококомпактных поверхностей, по типу близких к поверх­ности с короткими прерывистыми ребра­ми или к так называемым рассеченным поверхностям (см. рис. 9, в, г).

3. Геометрические параметры высококомпактных поверхностей

Поверхность	Высота ребра l	Длина ребра	Шаг ребра t	Эквивалентный диаметр	Толщина ребра	Толщина пластины	Компактность по свободному объему
	мм
1	6,35	2,82	1,625	2,38	0,1016		1549
2	6,25	2,64	0,939	1,48	0,1016		2467
3	1,95	2,79	1,054	1,21	0,1016		2832
4	1,29	2,54	1,29	1,22	0,0508		3028
5	0,673	1,27	0,688	0,646	0,0254	0,1524	5650

Наибольшую эффективность имеют поверхности с короткими ребрами, что обусловлено рациональной турбулизацией потока, омывающего ребра этих поверхностей. Поскольку короткие ребра смещены одно относительно другого (см. рис. 9, в и г), возникает дополнительное возмущение – турбулизация потока в пристенной пограничной области. В результате турбулентное перемешивание потока в этой области усиливается, а термическое сопротивление, пограничного слоя уменьшается, так как уменьшается толщина ламинарного подслоя. Дополнительная турбулизация потока вблизи стенки (поверхности ребер), а не в ядре потока, приводит к улучшению теплопередающих характеристик поверхностей при умеренном :росте гидравлических сопротивлений. Следует отметить, что у поверхностей с прямоугольным сечением каналов (см. рис. 9, в) интенсификация конвективного теплообмена развивается более благоприятно, чем у поверхностей с треугольным сечением (см. рис 9, а), так как в зонах острых углов дольше сохраняется ламинарный режим. Таким образом, скругленные углы каналов еще более; рациональны.

Высокую эффективность имеет оригинальная по конструкции так называемая угловая перфорированная поверхность теплообмена. Гофрированные перфорированные ребра вместе с разделительными пластинами создают систему прямоугольных зигзагообразных каналов постоянного сечения, прямолинейные элементы которых расположены под углом = 4 ... 16" к начальному направлению движения потока (см.рис. 9 б), вследствие чего возникает поперечный градиент давлений. В местах наличия перфорации происходит локальное разрушение пограничного слоя, что является интенсифицирующим воздействием на теплоотдачу.

Для расчета пластинчато-ребристых теплообменников необходимо иметь тепловые и гидродинамические характеристики применяемых в них поверхностей, которые часто представляют в виде критериальных зависимостей:

а также в виде аналогичных графических зависимостей.

Для поверхностей с геометрическими параметрами, приведенными в табл. 2, значения коэффициентов А и В, а также показателей степени nиmзависимостях (41) и (42) даны в табл. 4.

На рис. 14 показаны тепловые и гидравлические характеристики! поверхностей, размеры которых указаны в табл. 3 (кривые 1—5),

Ребра	l/t	Теплообмен			Гидравлическое сопротивление
		Re	A	n	Re	B	m
Непрерывные	6,4	500-2000	0,21	0,48
		2000-6500	0,0089	0,905	7000-2000	32,7	-1,03
		6500-25000	0,027	0,78	2000-30000	0,065	-0,21
Прерывистые	6,4	700-2000	0,0088	1,067	600-2000	0,73	-0,32
		2000-13000	0,076	0,77	2000-17000	0,12	-0,085
	12,4	1800-6000	0,1	0,74	1800-6000	0,21	-0,15
		6000-22000	0,23	0,65	6000-30000	0,12	-0,08
	12,4	700-2500	0,0031	1,15	700-2500	0,37	-0,21
		2500-7500	0,19	0,64	2500-10000	0,23	-0,15
	6,2	800-2000	0,002	1,19	600-1200	5,95	-0,62
		2000-5500	0,0113	0,962	1200-6500	0,22	-0,15
	4,2	700-4500	0,0022	1,16	400-900	89,6	-1
					900-6500	0,24	-0,13
	6,2,3	160-1600	0,0043	1,098	200-950	22,5	-0,93
		1600-4500	0,0512	0,76	950-3000	1,18	-0,49
					3000-5000	0,2	-0,27
Чешуйчатые	7,4	2400-10500	0,19	0,63	2600-14500	0,23	-0,14

а также рассеченной с оребрением прямоугольного профиля (кривая 6) и угловой перфорированной (кривая 7) поверхностей. Размеры рассеченной пластины с прямоугольными ребрами (см. рис. 9 в): S = 452 м2м3 d3= 7,72 мм; угловой перфорированной (см. рис. 9 б): S= 900 м2м3 d3= 4,44 мм; d0= 0,8 мм; = 16е; с = 2 мм; t0= 3,25 мм.

Результаты экспериментов, полученные для оребренных поверх­ностей с короткими прерывистыми ребрами, с точностью ±10 % описываются приближенными обобщенными зависимостями:

фактор теплоотдачи при 250 < Re < 6000

фактор трения

Рис. 14 ( По Архарову рис.4,29. стр.330)

Здесь

где— расстояние между прорезями (длина ребра); оптимальное значение Д = 1,5 ... 2 мм.

Коэффициенты теплопередачи к для пластинчато-ребристых аппа­ратов рассчитывают по формулам (2)-(3) .

Для расчета отношений площадей поверхностей, например, в формуле (2) можно использовать следующие зависимости, полу­ченные по известным геометрическим параметрам для гладких, волнистых, прерывистых или чешуйчатых поверхностей:

Здесь Fсв1 и F’ св2 —площади свободного сечения одиночных кана­лов, определяемые по формуле (40) при п = z = 1. При вычислении по формуле (27) высоту ребра принимают равнойl/2, гдеl— ширина секции. Крайние боковые секции теплообмен­ника выполняют, как правило, шириной 1/2, чтобы обеспечить одинаковые значениядля ребер одноименных каналов, располо­женных на периферии и внутри пакета (риc.15).

Гидродинамический расчет пластинчато-ребристых аппаратов сво­дится к определению суммы потерь давления, основными состав­ляющими которых являются: и— потери давления на входе и выходе из коллекторов;и— потери давления на входе в распределитель или пакет и выходе из него;— потери давления на трение в каналах распределителей и собственно пакета с рабочей поверхностью теплообмена;и— потери дав­ления в "косых срезах".

При боковом подводе и отводе одного из потоков в двухпоточном пластинчато-ребристом теплообменнике (так называемая Z- об­разная компоновка, рис. 16, а) между коллекторами и пакетом поверхности устанавливают распределители, которые обеспечивают равномерную подачу теплоносителя по ка­налам пакета. При торцовом подводе пото­ка (рис. 16, б) распределители отсутст­вуют.

рис.15 Кривые распределения температуры потоков и ребер в поперечном сечении двухпоточного пластинчато-ребристого теплообменника

Потери ирассчитывают по формулам вида.

Рис.16 ( По Архарову рис.4,31. стр 332)

Коэффициент местного сопротивления при внезапном расширении потока определяют по формуле

где Fсв1 и Fсв2 — площади свободного сечения канала до и после расширения:

При повороте потока в канале значения вычисляют по формуле

где — угол поворота потока.

Потери иможно рассчитать, используя зависимости:

Здесь — степень стеснения, т.е. отношение площади Fсв свободного сечения каналов распределителя или пакета к площади Fф фронтального сечения: Кс и Ке — коэффициенты, учитывающие необратимую составляющую потери давления, связанную с внезапным сужением или расширением потока (рис. 17).

Рис.17 ( По Архарову рис.4,32. стр.333)

Потери рассчитывают по формулам вида, гдеf— фактор трения, определяемый по формулам (42) и (43) или графически (см. рис. 14).

Для расчета потерь давления так называемого косого среза икоэффициент местных потерьможно определить по экс­периментальным кривым (рис. 18). Кривые на рис. 18, а полу­чены для случая, когда площади сечения каналов в «косом срезе» изменяются в 2 раза, кривые на рис. 18, б — для случая, когда площади сечения каналов пакета и распределителя одинаковы, при­чем поверхность каналов в пакете прерывистая, в распределителе — гладкая.

Рис.18 (По Архарову рис.4,33.стр333)

В многопоточных ПРТ каждый из потоков одновременно взаимо­действует с другими потоками, параметры и физические свойства которых, в общем случае, неодинаковы. Традиционный подход к расчету таких аппаратов основан на решении одномерной задачи стационарной теплопроводности в продольном прямоугольном ребре (рис. 19) совместно с уравнениями тепловых балансов между потоками. Расчет выполняют по элементарным участкам, считая, что длина каждого из них мала и равна, например, длине Д (см. рис. 9, г) ребра вдоль потока (обычно длину элементарного расчетного участка ТА обозначают dh или dx). При этом изменением теплофизических свойств и условий теплообмена по длине участка можно пренебречь. Температуру потока принимают на каждом участке одинаковой по высоте ребра. Термическим сопротивлением стенки канала пренебрегают. В результате расчета находят распреде­ление температур по ребру в поперечном сечении аппарата и температурные напоры вдоль потоков.

Математическую модель рабочего процесса строят на основе дифференциального уравнения передачи теплоты по ребру

где — разность температур потока () и ребра () вi- м канале; х. — координата, отсчитываемая по высоте ребра от его корня вi-м канале; mi— параметр ребра

Рис. 19. Схема к расчету многопоточного теплообменника

Решение этого уравнения имеет вид

(52)

где Сi’ и Сi" — постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий.

Первое граничное условие: равенство температур ребер у их корней в двух смежных каналах (см. рис. 19). Например, в каналах iи i + 1 температуры ребер равны при xi= liи xi+1 = 0. Тогда из уравнений (52) найдем

(53)

Второе граничное условие: общее количество теплоты, переданное от потока к потоку на расчетном участке, представляет собой сумму количеств теплоты, переданной по ребрам () и через поверхность в межреберном пространстве (). Пренебрегая продольной тепло­проводностью по стенке канала, тепловой баланс на расчетном участ­ке можно записать в общем виде:

(54)

или по уравнению (55)