Энергетическая эффективность различных форм и конструкций поверхности теплоотдачи

Важнейшим показателем совершенства теплообменного ап­парата является энергетическая (теплогидродинамическая) эф­фективность профиля рабочей поверхности и в целом каналов, по которым движется рабочая среда.

Этот показатель характеризует степень использования меха­нической энергии жидкости, которую необходимо затратить на проталкивание ее через аппарат, чтобы обеспечить требуемую интенсивность теплоотдачи.

Чем эффективнее используется энергия потоков в целях ин­тенсификации теплоотдачи, тем выше коэффициент теплопере­дачи в аппарате данной конструкции при постоянном гидравли­ческом сопротивлении и тем более рациональна форма рабочей поверхности.

Энергетическая эффективность формы поверхности и профи­ля каналов в конечном счете определяет общие размеры поверх­ности теплопередачи в аппарате при заданной тепловой нагруз­ке, температурных и гидромеханических условиях его работы. Она является поэтому важнейшей предпосылкой экономической эффективности всего семейства аппаратов с данной формой по­верхности и размерами каналов.

Вопрос о сравнительной оценке энергетической эффективно­сти различных форм поверхности теплопередачи для аппаратов, изготовляемых из листовых материалов, приобретает особую важность ввиду следующих обстоятельств:

а) в отличие от аппаратов, изготовляемых из труб, у кото­рых форма поверхности теплопередачи геометрически стабильна из-за особенности самой технологии изготовления труб, аппара-

154

ты с поверхностью из листовых материалов можно изготовлять с самой разнообразной формой поверхности;

б) в мировой практике известно много разновидностей форм поверхности теплопередачи для пластин и оребрений, о сравни­тельной эффективности которых опубликовано сравнительно ма­ло данных;

в) в отечественном машиностроении твердо установилась тенденция к повышению удельной производительности, сокра­щению удельных затрат материалов, уменьшению габаритов и веса и повышению экономической эффективности новых аппара­тов и машин, которая стала определяющей и в развитии тепло­обменного оборудования;

г) конструкция пластинчатых теплообменных аппаратов до­пускает и предполагает использование унифицированных пла­стин (полученных на одном и том же штампе) для изготовления целого ряда теплообменников различного назначения и произво­дительности.

Очевидно, что наиболее совершенной в энергетическом отно­шении формой поверхности следует считать такую, использова­ние которой позволяет при прочих равных условиях построить аппарат с наименьшей поверхностью теплопередачи.

Критерий сравнительной оценки тепловой эффективности раз­личных форм конвективных поверхностей при омывашш их по­током газа или жидкости прост. Однако он оказывается весьма сложным в том конкретном виде, который может практически служить конструктору объективным показателем при сравни­тельной оценке и выборе рациональной формы поверхности.

Задача объективной оценки эффективности профилей поверх­ности решена в теплотехнике в трудах советских ученых М. В. Кирпичева, А. А. Гухмана, В. М. Антуфьева.

В основе метода лежит предложение М. В. Кирпичева об ис­пользовании для оценки теплообменника энергетического коэф­фициента, определяемого как отношение количества теплоты, переданной через поверхность теплопередачи, к работе, затра­ченной на преодоление гидравлического сопротивления при пе­ремещении среды:

Е = ^-, (139)

N ’

где Q — теплота, переданная через данную поверхность тепло­передачи, в Дж; N— работа перемещения жидкости в Дж.

Чем больше значение £, тем лучше теплообменник с энерге­тической точки зрения.

Практически для оценки эффективности различных форм конвективной поверхности энергетический коэффициент удобно определять как отношение

где u — коэффициент теплоотдачи при данных условиях омыва — ния поверхности в Вт/(м2-°С); .V0 — энергия, затраченная за

1 с на перемещение омывающей среды, отнесенная к 1 м2 по­верхности, в Вт/м2.

В этом случае энергетический коэффициент имеет размер­ность град-1.

Значение Е зависит не только от конструкции поверхности теплопередачи, но и от режима работы.

Основным условием применения описанного метода для оценки эффективности различных форм поверхности является наличие совокупности уравнений, описывающих теплоотдачу и затрату энергии на перемещение среды или соответствующих им зависимостей в виде графиков.

При сравнительной оценке энергетической эффективности различных форм конвективных поверхностей при различных ре­жимах движения среды уравнение (140) удобнее заменить за­висимостью

« = /( Л/0). (141)

Здесь коэффициент теплоотдачи а, выраженный в Вт/(м2*°С), характеризует удельную интенсивность теплоотдачи в зависи­мости от удельной энергии N о, затраченной за 1 с на перемеще­ние рабочей среды через данный канал с поверхностью в 1 м2

N

° = ~р~ 1 к

Выражение f(N0) раскрывается следующим образом:

= = (142)

к FK

где Gi — массовый расход рабочей среды через межпластинный канал в кг/с; ДРі — гидравлическое сопротивление канала в Н/м2; р —плотность рабочей среды в кг/м3; Fl{ — рабочая по­верхность одного канала в м2; У і— объемный расход рабочей среды в м3/с.

Для сопоставления энергетической эффективности значения и и N о для каждой формы поверхности должны определяться при одинаковых физических параметрах (одинаковых средних температурах потока) рабочей среды.

Расчеты могут выполняться для одного или для всех каналов в аппарате.

Сопоставление ведут имея следующие исходные данные.

1. Уравнение теплоотдачи Nu = /(Re, Рг) и гидравлических

« Г) у

сопротивлении ли — — для каналов каждого вида или

«ЭК ^

соответствующие экспериментальные значения а и А Р.

2. Средние и одинаковые для всех сравниваемых случаев зна­чения вязкости дайной рабочей среды, критерии Прандтля и по­правки на направление теплового потока (Рг/РгСт)0,25-

3. Определяющий размер, к которому при выведении формул были отнесены Nu и Re.

4. Значение рабочей поверхности теплопередачи сопостав­ляемых каналов.

Рис. 104. Зависимости а — }(N0) для пластин различных профилей

и труб:

I — тип П-2 при — 0,0059 м; 2 — тип П-5; 3 — тип «Альборн-149»; 4 — тип «Парафлоу ИХ» при d3 = 0,004 м; 5 — тип в елку «1-05», = 14 мм,

6 — тип в елку «П-0,5М», 5Н = 18 мм; 7 — тип «Розенблад 3S»; S — тип «Су- перилейт-Е»; 9 — труба диаметром 25 мм; 10 — труба диаметром 38 мм;

II — спиральный теплообменник при d э= 0,02 м; 12 — пластина канальчатая

«Астра»

Выбрав ряд значений скоростей потока (в пределах возмож­ных эксплуатационных режимов), вычисляют для них парные значения а и N0 и строят график зависимости а = f(No) для каждой из сопоставляемых конструкции поверхности.

В логарифмических координатах такие зависимости выража­ются прямыми линиями.

На рис. 104 показана группа таких прямых, построенных для оценки энергетической эффективности различных конструк­ций поверхностей теплопередачи при работе на воде со средней температурой потока 50° С.

Имея группу линий, выражающих зависимость а = f(N0) для различных форм поверхностей, сравнительную оценку дела­ют по относительному расположению линий.

Лучшим в энергетическом отношении профилям соответству­ют линии, расположенные выше. Для сравнения на этом же гра­фике приведены данные о эффективности трубных пучков из труб диаметром 25 и 36 мм.

Положение этих линий свидетельствует о значительно мень­шей энергетической эффективности трубных пучков и каналов с гладкими стенками в сравнении с извилистыми щелевидными каналами пластинчатых теплообменников.

л, Вт/мг‘С

Рис. 105. Кривая теплоэнергетической эффективности про­мышленных образцов теплообменных аппаратов при равных условиях нагревания воды:

/ — пластинчатый разборный (завод «Уралхиммаш»); 2 — спираль­ный (завод им. Фрунзе); 3 — ламельный (фирма «APV»); 4 — пла — сгинчато-ребристый (завод Павлоградхиммаш); 5 — кожухотрубчатый (завод Павлоградхиммаш)

Исходные данные и результаты расчетов, используемых для построения графиков a = f(No), удобно записать в виде табли­цы, которая дополняет график и раскрывает исходные данные и условия сопоставления.

Точность рассмотренной сравнительной оценки, естественно, соответствует точности использованных для нее уравнений или экспериментальных данных.

Графики, аналогичные приведенному на рис. 104, можно по­строить для любых форм поверхности теплопередачи и конст­рукции каналов при наличии их тепловых и гидромеханических характеристик. Их можно строить и по средним значениям для промышленных образцов теплообменников различных конст­рукций.

На рис. 105 по данным испытаний, проведенных на экспери­ментальном стенде при подогреве воды со средней температу­рой потока 50° С, построены кривые для различных конструкций промышленных образцов теплообменников.

Как видно из графиков, при одинаковых затратах энергии на прокачивание жидкости через теплообменник наиболее высо­кая интенсивность теплоотдачи достигается в пластинчатом теп­лообменнике с пластинами «ПР-0,5 Е» и в спиральном теплооб­меннике со штифтами в каналах.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.

recuperatio.ru