Учебное пособие 800622

где m – число овалообразных выступов по ходу потока. Уравнения (1.14) и (1.15) справедливы в области значе-

ний:

s1 d 0 1,5 3, 7; s2 s1 1,85 3, 7;

Re 4000 25000; ts2 0,85.

В уравнениях (1.12) и (1.14) коэффициент теплоотдачи условно отнесен к поверхности гладких (негофрированных) листов; увеличение поверхности теплоотдачи за счет выступов составляет всего около 15 %.

Поверхность теплопередачи, заключенная в единице объема, зависит от размера каналов d0 и составляет:

Сопоставление описанного теплообменника с другими эффективными теплообменниками, скомпонованными из пучков трубок с проволочным оребрением и непрерывными спиральными ребрами, выполненное в условиях одинаковой затраты мощност на перемещение газа, выявило, что он облада-

60

ет хорошими показателями. В то же время технология изготовления такого теплообменника достаточно проста.

Технология сборки теплообменника была изменена; в частности, соприкасающиеся поверхности овалообразных выступов соединены между собой контактной точечной сваркой с шагом 10 мм, что придало конструкции жесткость: теплообменные элементы при таком исполнении выдерживали давление до 25 кг/см2. Направление потоков теплоносителей осуществлено таким образом, чтобы разгрузить корпус теплообменника от избыточного давления: это упростило конструкцию корпуса, уменьшило его вес и размеры. Полная поверхность воздухоподогревателя равнялась 23,9 м2; толщина листов 0,8 мм. Длительные испытания теплообменника (свыше 800 ч) при разности температур 220÷400º подтвердили надежность конструкции.

Рис. 1.55. Листы с полусферическими выступами [4]

Опытные данные о теплоотдаче в двуугольных прерывистых каналах, полученные авторами, оказались на 25 % ниже вычисленных по уравнению (1.14), а величина коэффициента

61

сопротивления - на 12 % выше установленной Антуфьевым; причиной расхождений является, по-видимому, существенное различие в геометрических параметрах профилированных листов.

Были исследованы теплоотдача и сопротивление пакета из стальных пластин толщиной 1 мм, в которых специальным штампом сделаны полусферические выступы диаметром 8 мм на расстоянии 14 мм друг от друга (рис. 1.55). При соединении пластин попарно выступы каждой из сопрягаемых пластин соприкасаются с основанием другой пластины, образуя канал для прохода газа, имитирующий слой сферических твердых частиц. Соединение пластин осуществлено на сварке. В собранном пакете образуются две системы каналов: в одних каналах выступы обращены в поток омывающего их газа, а в других образуется ряд полусферических впадин. За счет выступов поверхность теплопередачи увеличивается на 23 % по сравнению с поверхностью гладких листов. На основании проведенных опытов установлено, что коэффициент теплоотдачи в каналах с полусферическими выступами, имитирующими слой сферических твердых частиц, изменялся в пределах от 128 до 233 ккал/м2·ч·град при скорости воздуха 11,2- 26,6 м/сек. Опытные данные описываются эмпирическим уравнением:

Причем в качестве определяющего линейного размера принимается диаметр сферического выступа d=0,008 м, скорость определялась в свободном сечении пакета, а физические константы воздуха – при температуре стенки (которая принималась равной 100 ºС, так как воздух нагревался конденсирующимся паром). Уравнение (1.16) справедливо для воздуха в области Re 3900 9400.

Сопротивление пакета, длина пластин в котором по ходу воздуха составляла 260 мм, изменялось в пределах от 33 до 505 мм. вод. ст. при скорости воздуха 6,2-30,8 м/с, чему соот-

62

ветствуют значения Re 3050 16000. Опытные данные, полученные в изотермических условиях, описываются уравнением

где l – длина пластин в направлении потока.

По своей эффективности теплообменник из пластин с полусферическими выступами близок к рассмотренному ранее теплообменнику с овалообразными выступами, предложенному Антуфьевым. Удельная поверхность теплопередачи200 м2/м3.При одинаковых линейных скоростях воздуха

коэффициент теплоотдачи для пластин с полусферическими выступами оказался в 2,5-2,8 раза выше, чем для гладкой пластины; это объясняется, по-видимому, высокой степенью турбулизации потока, так как увеличение поверхности теплоотдачи засчет полусферических выступов составляет всего 23%.

Мак-Магон и др. разработали конструкцию теплообменника, который собирается из большого числа перфорированных пластин, накладываемых одна на другую; между пластинами помещаются эластичные (например, неопреновые) прокладки особой конфигурации (рис. 1.56). Пластины сжимаются в такой степени, чтобы обеспечивалось герметичное уплотнение между их поверхностью и прокладками; в результате такой комбинации образуется ряд параллельных каналов, служащих для прохода теплоносителей. Пластины выполнены из алюминия толщиной 1,6 мм; диаметр отверстий в пластинах 2,1 мм, расположены они в шахматном порядке с шагом 3,2 мм. Толщина неопреновых прокладок 0,35-2,5 мм. Газовые потоки, проходя через большое число отверстий в пластинах, интенсивно турбулизируются, что улучшает теплоотдачу. Ко-

значения n соответствуют более толстым прокладкам). В критерии Re в качестве определяющего линейного размера вводится диаметр отверстий в пластинах. Максимальное значение

63

Увеличение диаметра отверстий в пластинах приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи, но в то же время и к повышению сопротивления; увеличение толщины пластин связано с уменьшением коэффициента теплоотдачи и увеличением сопротивления. Соотношение между количеством подаваемого тепла и потерей напора для описанного теплообменника выше на 50 %, чем для гладких труб.

Рис. 1.56. Элементы теплообменника из перфорированных пластин: а) – перфорированная пластина; б) – неопреновая прокладка;

в) – собранный элемент [4]

Вильямс описал теплообменник, собранный из 1080 перфорированных пластин и предназаначенный для кислородной установки. Теплообменник рассчитан на охлаждение 1100 м3/ч воздуха обратными потоками кислорода и азота; он характеризуется высотой 2,7 м, шириной 0,9 м и глубиной 0,18 м. Уплотнение пластин достигается при помощи неопреновых прокладок; стягивающее усилие создается сильными пружинами, воздействующими на анкерные болты. Возможно

64

и полное исключение прокладок: в этом случае на поверхности пластин выполняются выступы и впадины, сочленяющиеся между собой и пропаиваемые. Подсчеты показали, что при такой конструкции стоимость теплообменника снизится на 68 %, а вес – на 44 %.

Известный интерес представляет оригинальный способ изготовления пластинчатых теплообменных элементов. На металлическом (например, алюминиевом) листе наносится контур каналов, который затем покрывается специальным составом, предотвращающим приставание металла другого листа на этих участках. Листы складываются, нагреваются и прокатываются, причем они свариваются по всей поверхности, за исключением участков, покрытых защитным составом. После обрезки кромок, в результате которой вскрываются торцы будущих каналов, сваренные листы помещаются между двумя ограничивающими плитами, и каналы расширяются гидравлическим давлением до заданного размера. Такой способ изготовления открывает широкие возможности получения каналов любой формы.

1.5. Влияние неоднородности распределения газового потока

Эффективность пластинчатого теплообменника в значительной мере зависит от степени однородности распределения газового потока как в самом теплообменнике, так и между однотипными параллельно включенными теплообменниками в тех случаях, когда требуется большая теплопередающая поверхность (рис. 1.10).

Однородность распределения газового потока между каналами теплообменника достигается сравнительно просто. Основным условием, гарантирующим однородное распределение, является минимальное сопротивление на входе и выходе (сопротивление подводящих коммуникаций, коллекторных крышек), которое должно быть значительно меньше гидравлического сопротивления поверхности теплопередачи. В не-

65

которых случаях выполняются специальные распределительные устройства в виде направляющих перегородок. Как правило, некоторая неоднородность распределения газа по сечению пластинчатого теплообменника, которая все-таки имеет место, не приводит к заметному снижению эффективности.

Значительно более серьезное влияние оказывает неоднородность распределения газового потока между параллельно включенными однотипными теплообменниками, особенно в низкотемпературных установках. Как известно, в установках, работающих при низких температурах (разделение воздуха, получение дейтерия ректификацией жидкого водорода и др.), основная доля расходуемой энергии застрачивается на компенсацию холодопотерь, которые определяются качеством теплоизоляции (холодопотери в окружающую среду) и эффективностью теплообменников (холодопотери за счет недорекуперации). Как правило, в таких установках используются теплообменники, обеспечивающие получение на теплом конце разности температур, не превышающей 3-5º; при более высоких значениях быстро возрастают энергозатраты на компенсацию холодопотерь и увеличивается стоимость продуктов разделения.

Влияние неоднородности распределения газового потока между двумя параллельно включенными теплообменниками иллюстрируется графиком на рис. 1.57, который построен в предположении, что весовые расходы теплоносителей одинаковы, т.е. отношение весовых скоростей r=1. По оси абсцисс отложена величина r в процентах, характеризующая степень неоднородности распределения газового потока между двумя параллельно включенными теплообменниками: так, при

r= 5 % в одном из теплообменников соотношение весовых расходов составит 1,05, а в другом 0,95.

По оси ординат отложено отношение значений разности температур на холодном конце теплообменника, соответству-

ющих неоднородному Тc' и однородному Тс распределению потока. График построен для трех значений К = 10; 50 и

66

100, причем К Т1 / Тm , где Т1 - изменение температуры одного из потоков и Тm - средняя логарифмическая разность температур.

Рис. 1.57. Влияние неоднородности распределения газового потока в пластинчатом теплообменнике [4]

Из графика следует, что влияние неоднородности распределения газового потока быстро возрастает по мере увеличения К. При К = 50, что близко к условиям, существующим в теплообменниках воздухоразделительных установок (например, охлаждение воздуха с 290 до 80 К при разности температур 4 К), нарушение распределения на 5 % ( r 0, 05 ) приво-

дит к возрастанию значения Тс на 50 % и соответствующему

увеличению энергозатрат. Для К = 100 при том же r значение Тс возрастает на 160 %. В области высоких значений

температуры нарушение распределения не связано со столь серьезными последствиями, однако и в этом случае оно нежелательно.

67

1.6. Некоторые особенности расчета пластинчатых теплообменников низкотемпературных установок

Специфические условия работы пластинчатых теплообменных установок глубокого охлаждения определяют некоторые особенности их расчета. Как правило, такие теплообменники используются не только для охлаждения сжатого газа, но одновременно и для удаления из него легко конденсирующихся загрязняющих примесей – влаги, углекислоты, которые вымерзают на холодных теплообменных поверхностях. Для удаления выделившихся загрязнений периодически переключают газовые потоки, направляя обратный поток газа низкого давления через те каналы теплообменника, на поверхности которых образовались отложения загрязнений: происходит их сублимация и удаление вместе с обратным газовым потоком. Режим работы установки при переключениях каналов теплообменника должен по возможности оставаться неизменным: поэтому, как правило, каналы для различных газовых потоков выполняются совершенно идентичными; в тех же случаях, когда нет необходимости в переключении каналов, естественно, что проходное сечение каналов для сжатого газа выбирается меньшим, чем для газа низкого давления.

Помимо уже отмечавшихся достоинств пластинчатых теплообменников (высокая эффективность, компактность, малый вес), им свойственны некоторые качества, особенно ценные в установках глубокого охлаждения. Так, в воздухоразделительных установках низкого давления полная очистка теплообменной поверхности от отложений влаги и углекислоты возможна при условии, что разность температур на холодном конце теплообменника не превышает определенной величины (порядка 3 – 4 К); в то же время, исходя из теплового баланса, нетрудно убедиться в том, что при обычном способе осуществления теплообмена между поступающим потоком сжатого воздуха и обратными потоками продуктов разделения величина этой разности температур оказывается больше предельно допустимой. Положение еще более усложняется при

68

отборе части кислорода в виде жидкости, когда сумма обратных потоков меньше прямого. В пластинчатых теплообменниках указанное затруднение сравнительно легко преодолевается путем рециркуляции одного из потоков (например, сжатого воздуха или азота низкого давления), что позволяет уменьшить разность температур на холодном конце теплообменника до требуемого уровня: конструкция теплообменника позволяет легко сделать это.

Применение в переключающихся теплообменниках пластинчатых поверхностей с разрезными (жалюзными) ребрами (табл. 1.2) выгодно еще и потому, что такие поверхности препятствуют увлечению частичек люда воды и углекислоты прямым потоком воздуха в зону с низкой температуры, где сублимация их затруднена: неровная поверхность ребер выполняет роль своеобразного механического фильтра, задерживающего твердые частицы.

Наконец, основная часть поверхности теплопередачи (до 75 %) в пластинчатых теплообменниках выполнена из очень тонкого металла (толщиной 0,15 - 0,2 мм, см. табл. 1.2) и поэтому обладает небольшой теплоемкостью. При переключении потоков в теплообменнике происходит быстрое нагревание одной части поверхности и соответственно охлаждение другой, что создает весьма благоприятные условия для сублимации отложившихся загрязнений в обратный поток низкого давления и выделения их на поверхности теплообменника из потока сжатого газа.

При расчете пластинчатых теплообменников низкотемпературных установок большое значение имеет правильное определение величины потери напора для обратного потока газа низкого давления, так как от нее зависит давление в газоразделительном аппарате, а тем самым и энергетические затраты на осуществление разделения.

Так как в низкотемпературных установках не меньшее значение имеет достижение высокой эффективности теплообменника (уменьшение холодопотерь вследствие недорекупе-

69