ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

ПРИМЕНЕНИЕ

Пластинчато-ребристые теплообменники (теплообменники со вторичными поверхностями) нашли широкое распространение в авто — и самолетостроении, в химической промышленности в ка­честве теплообменников, конденсаторов, испарителей для чис­тых газов и жидкостей, в том числе, высоковязких. Их применя­ют главным образом в крупных установках по разделению ме­тодом глубокого охлаждения воздуха, углеводородных газов, в установках для сжижения и ректификации водорода с целью получения дейтерия и тяжелой воды.

Широкое распространение пластинчато-ребристые теплооб­менники получили благодаря своей компактности, достигающей 2000 м2 поверхности теплообмена на 1 м3 объема теплообменни­ка, что во много раз превышает компактность всех остальных видов теплообменников. В пластинчато-ребристых теплообмен­никах возможно одновременно в одном блоке проводить тепло­обмен между четырьмя и более теплоносителями, что достигает­ся соответствующей конструкцией коллекторов. Особенно выгодно применять пластинчато-ребристые теплообменники в качестве реверсивных, в которых часто приходится регули­ровать температурные напоры рециркуляцией одного из пото­ков, что находит широкое применение в установках глубокого холода.

В одном и том же теплообменнике расстояние между плас­тинами, а также тип оребрения могут быть различны, что поз­воляет регулировать сопротивление при прохождении потоков через теплообменник в зависимости от расхода теплоносителей и их давления.

Масса и теплоемкость пластинчато-ребристых теплообменни­ков намного меньше, чем остальных типов теплообменников та­кой же поверхности, в связи с тем, что основная часть поверх­ности выполняется из тонких металлических листов. Малая теплоемкость теплообменника очень важна при переменном пе­реключении их и необходимости сублимации примесей, выделя­ющихся на поверхности теплообмена. По данным зарубежных фирм, применение в установках глубокого холода пластинчато- ребристых теплообменников вместо регенераторов с насыпной

насадкой сокращает габаритные размеры аппарата в 5 раз и его вес в 15 раз.

Стоимость единицы поверхности теплопередачи пластинчато­ребристых теплообменников при их серийном изготовлении зна­чительно ниже той же стоимости теплообменников других типов.

КОНСТРУКЦИЯ

Существуют различные типы пластинчатых теплообменников со вторичными поверхностями. На рис. 133 показаны детали элемента пластинчато-ребристого теплообменника: между двумя гладкими пластинами располо­жен гофрированный лист, про­странство с двух сторон закры­то боковыми уплотнениями.

Поставленные один на другой такие элементы образуют па­кет теплообменника. После сборки необходимого количест­ва элементов в пакет при помо — ци специальных приспособле­ний производится припайка гофров к гладкой пластине в местах касания пластин. Та­ким образом получается ореб- ренная теплообменная поверх­ность, В которой теплоноситель Рис. 133. Детали элемента пластинча — разбивается на большое ЧИСЛО то-ребристого теплообменника

потоков. Схемы движения теп­лоносителей в пакете могут быть различные: прямоток, противо­ток (рис. 134) или перекрестный ток (рис. 135).

Дополнительные теплообменные поверхности (ребра), нахо­дящиеся между гладкими поверхностями, могут быть (рис. 136):

а) гладкими (непрерывными); ребра изготовлены из гофри­рованной тонкой полосы и припаяны к обеим гладким плас­тинам;

б) волнистыми (рифлеными); ребра образуют волнистую линию вдоль всего движения теплоносителя; к этому же типу относятся пластины с зигзагообразными ребрами;

в) прерывистыми, смещенными одно относительно другого;

г) чешуйчатыми (жалюзными); на ребрах такой же формы, как и гладкие ребра, имеются прорези, расположенные поперек хода ребра; прорезь не доходит до вершин ребер; края прорези отогнуты в одну или в разные стороны и создают таким образом как бы чешую на ребре;

д) стерженьковыми (шиповыми); ребра изготовлены из тон­кой проволоки и расположены в шахматном или коридорном

порядке перпендикулярно гладким пластинам; шипы могут быть изготовлены как цилиндрическими, так и обтекаемой формы,

Рис. 134. Пакет противоточного теп — Рис. 135. Пакет перекрестно-точного лообменника теплообменника

когда задняя кромка шипа заостренная; однако из-за сложно­сти изготовления насадка этого типа применяется сравнительно редко.

9

f

г)

В зависимости от ко­личества протекающих через теплообменник теп­лоносителей и их свойств расстояния между гладки­ми пластинами в одном и том же теплообменнике могут быть различны.

Рис. 136. Схемы пластинчато-ребристых по­верхностей с ребрами:

а — гладкими (непрерывными); п волокни­стыми, в — прерывистыми, с* — чешуйчатыми

При конструировании пластинчато — ребристых теплообменников необхо­димо обеспечить равно­мерное распределение по­токов внутри блока и ме­жду блоками. Это дости­гается применением мно­гоходовых коллекторов, т. е. образованием параллельных кана­лов при помощи установки в коллекторе перегородок.

Наиболее широко применяемыми материалами для пластин­чато-ребристых теплообменников являются алюминий и его сплавы. Кроме того, эти теплообменники выполняются из стали, титана, сплавов меди и других металлов.

Для изготовляемых из алюминиевых сплавов пластинчато­ребристых теплообменников расстояние между гладкими листа­ми (высота гофра) составляет от 3 до 15 мм. Для жидкостей и 250
конденсирующихся паров обычно используют ребра высотой от 3 до 7 мм, а более высокие ребра используются для газов. Алю­миниевые листы имеют толщину от 0,7 до 1,5 мм, а толщина металла, из которого изготовляют ребра, колеблется от 0,1 до 0,4 мм и в редких случаях достигает 0,8 мм. В этих теплообмен­никах удельная поверхность достигает 900—1500 м2 на 1 м3 объема пакета. На 100 мм ширины пакета приходится от 40 до 70 ребер. В теплообменниках с гладкими ребрами толщиной 0,1 мм число ребер на 100 мм ширины пакета достигает до 120, а удельная поверхность доходит до 2500 м2/м3. Для кожухотруб­чатых теплообменников удельная поверхность колеблется от 40 до 150 м2/м3.

Максимальный объем пакета теплообменника зависит от ус­ловий пайки и обычно не превышает 1 м3. Необходимая поверх­ность теплообмена компонуется путем последовательного или параллельного соединения отдельных пакетов (обычно до 6— 8 шт.). Наибольший суммарный объем пакетов, находящийся в эксплуатации, доходит до 5 м3.

Пайка пакетов пластинчато-ребристых теплообменников обычно производится в ванне с расплавленной солью или в пе­чах в атмосфере инертных газов. Качество пайки должно тща­тельно контролироваться, так как отсутствие полного контакта между пластинами и оребрепием приводит к резкому уменьше­нию коэффициента теплоотдачи и механической прочности. Теплообменник должен быть рассчитан на перепад давлений между протекающими по теплообменнику теплоносителями.

Пластинчато-ребристые теплообменники благодаря приме­нению высокотемпературных припоев могут применяться и для высокотемпературных установок.

Сборка пакета теплообменника производится следующим образом. Между пластинами устанавливаются отшлифованные ребра. Припой в виде фольги толщиной 0,05—0,15 мм проклады­вается между пластинами и ребрами. Пакет заключают в спе­циальный контейнер и помещают в печь для пайки. Пайка про­изводится твердым припоем в защитной атмосфере. Для сжатия пластин и ребер в контейнере можно использовать или механи­ческие прижимы, или прижимы.

В качестве твердых припоев применяют припои на серебря­ной основе, а в теплообменниках, работающих при температу­рах ниже 400° С, можно применять твердые припои на медной основе.

Низкотемпературные пластинчато-ребристые теплообменники изготовляют, как правило, из алюминия и его сплавов, так как при низких температурах их механические свойства, в том числе и ударная вязкость, не ухудшаются. В качестве припоя приме­няют алюминий с присадкой кремния, что понижает температуру плавления алюминия. Припой на основной лист наносится с двух сторон плакировкой.

После пайки аппарат вынимают из контейнера, тщательно очищают, проверяют на прочность и плотность, а затем к аппа­рату приваривают коллекторы. Увеличение давления приводит к необходимости уменьшения размеров коллекторов, чтобы уменьшить напряжение па периферии коллектора до допусти­мой величины. Возникают также дополнительные напряжения в результате тепловых деформаций и деформаций, передающих­ся через соединительные трубопроводы. Поэтому при высоких

Рис. 137. Стальной пластинчато-ребристый теплообменник со снятой крышкой

давлениях необходимо или применять блоки небольшого попе­речного сечения, или устанавливать несколько коллекторов ма­лых размеров.

При хорошей пайке теплообменники могут выдерживать большую разницу температур между теплоносителями, так как при этом не возникает температурных напряжений. Кроме того, теплообменники хорошо выдерживают перемену давления. Так для установок глубокого охлаждения некоторые типы реверсив­ных теплообменников из алюминиевого сплава испытывались при температуре 18° С переменным давлением от 0 до 1,05 МПа и выдерживали свыше миллона переключений без нарушения их прочности.

Пластинчато-ребристые теплообменники хорошо выдержива­ют вибрацию, что позволяет широко применять их в транспорт­ных установках.

На рис. 137 показан пластинчато-ребристый теплообменник, выпускаемый Павлоградским заводом химического машино­строения. Теплообменник изготовляется из коррозионностойкой и углеродистой стали с толщиной листа 0,8 мм. Толщина ребер 0,5 мм. Вид оребрения показан на рис. 138. Теплообменник мо­жет работать в интервале температур от —150 до +500°С, при
давлении до 1 МПа. Пластина с гладкими ребрами. Высота ре­бер 6 мм.

В табл. 8 приведены основные размеры ребристых поверхно­стей алюминиевых теплообменников типа Марстон.

Таблица 8

SHAPE * MERGEFORMAT

зга 1ПГО а п п ч У іД

і и п nil а п я u и л а и и_я її

Ш ПГШ-П и ц и і-Ц

ll К n nil II I) n II ШП 1ГІГІ

t na и п n 11 u п nil IIи а иПі її и її а Ц.1ТШГШХ1

Щ СТО ГГОДИЛ

cmru rm inn) in

Рис. 138. Схема сборки оребрения пластинчато-ребристого теплообмен­ника

Ра змер ребер

а ~ Cl О.

Р

Ребра

о

о

Толщина

Число реб 100 мм in пластины

о

г-г с.

С о

с а ц; ~

(Г) ef

Глад­

6,35

0,25

40

2,77

кие

8,9

0,25

47

2,51

11,8

0,25

47

2,69

Пре­

3,8

0,25

47

2,03

рыви­

6,35

0,30

47

2,34

стые

8,9

0,20

59

2,10

11,8

0,20

59

2,18

Вол­

3,8

0,25

71

1,45

нис­

тые

8,9

0,25

71

1,70

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ОРЕБРЕННУЮ ПОВЕРХНОСТЬ

Теплопроводность вдоль ребра постоянного поперечного се­чения (рис. 139) в случае, если ребро плотно соединено с по­верхностью листа, имеющего температуру Т, определяем из следующих условий. Примем, что коэффициент теплоотдачи от боковой поверхности ребра к окружающей среде равен и, а тем­пература окружающей среды равна 7V Для ребра постоянного поперечного сечения имеем

d2T

(255)

СІХ2

(Т~Т0),

аР

где Р — периметр поперечного сечения ребра; Fv — площадь по­перечного сечения ребра.

Изменение температуры вдоль ребра лежит в пределах от Т{ до То. Частное решение дифференциального уравнения (255) мо­жет быть представлено в виде экспоненциальной функции

(256)

где С и m

Т — То = С е"п

постоянные.

Дифференцируя уравнение (256), получаем

d2T

= Cm е"

dx2

подставляя эти значения в уравнение (255), получим

а Р

откуда

Cm2 Єих =

С е"

= + л/ —

V

m

Таким образом, уравнению (256) удовлетворяют два частных решения типа (257). В одном по­казатель степени при е — положи­телен, во втором — отрицателен. Общим решением рассматривае­мого дифференциального уравне­ния является сумма его частных

(259)

(258)

решении, т. с.

(260)

Т — j q — Cj е’"Л — f — С2 e

где m — положительное значение корня (259); Т — Т0 — раз­ность температур «стенка — поток» на расстоянии х от начала ребра.

Постоянные интегрирования С и С2 находятся из граничных условий в начале и конце работы. При достаточно широком реб­ре, когда его ширина Н >> б, можно считать, что

Ть

(261)

/72:

2(Н + б) ^ 2Я; Fp = 6Я ^ б —

Если условно считать, что свободный торец ребра изолиро­ван, то теплоотдача ребра конечной длины может быть опреде­лена по формуле

Q = LFm(T — To){h(niL). (262)

Значение гиперболического тангенса при mb оо составля­ет th = 1, а при /nL->0 соответственно th(mL) ^ mL. При малых значениях mL при подстановке в уравнение (262) вместо th (mL) величины mL видно, что влиянием коэффициента теплопровод­ности ребра на теплоотдачу можно пренебречь. Пределом зна­чения mL, удовлетворяющим указанному условию, является 0 < mL < 0,4, так как уже th(0,5) = 0,462, что дает большое расхождение между mL и th (mL).

Особенностью ребра пластинчато-ребристого теплообменни­ка является наличие контактов с плоскими стенками с двух сто­рон. Е. И. Микулин вывел уравнение распределения температур в ребре двухпоточного пластинчато-ребристого теплообменника в предположении симметричности условий теплообмена для каждого потока.

Н. К. Елухин и И. Н. Журавлева вывели уравнение распро­странения температур в ребре трехпоточных пластинчато-реб­ристых теплообменников, т. е. для условий разных температур стенок с двух сторон ребра. Для определения постоянных инте­грирования в уравнении (260) авторы приняли граничные усло­вия: в начале ребра х = О и Qf = Т — Т0 — разность температур

«стенка — поток»; в конце ребра х = L и 0" = Т2— Т0 — раз­

ность температур «стенка — поток», тогда

mL

TOC o "1-5" h z С,=————- ———— ; (263)

2sh (mL) ‘

С2 — : ■ . (264)

2sh (mL)

Подставляя уравнения (263) и (264) в уравнение (260), на­ходим уравнение распределения температур в ребре пластинчато­ребристого теплообменника

0 0* sh {tiix) 0 sh[//i(L. v)] (265)

~ sh (mL)

Как видно из уравнения (265), ребро работает с переменным температурным напором. Средний по длине ребра температур­ный напор определяется по уравнению

0′ + (Г

0СР =^-4, (266)

tli

(^г)

где i] =——————— к. п. д. ребра.

mL

2

Из уравнения (265) может быть определен участок ребра, работающий на каждую стенку. Сечение, где тепловой поток по ребру равен нулю, определится при приравнивании к нулю тем­пературного градиента, т. е.

dQ _ сі і 0" sli imx) — O’ sh [m (L—.v)| |_q (267}

dx dx I sh (mL) I

т. e. условие разделения ребра совпадает с условием минимума функции, выраженным уравнением (265).

В случае, если

ch (mL) В’

длина ребра, работающего на одну стенку, определяется урав­нением

emL_JL

*0 = -^+Д-1п ————————- — I, (268)

2 2т I О’

етЛ — 1

0′

если теплообменник двухпоточный и 0" = 0′, то

L

*о = —•

Если размеры секций прямого и обратного потока для двух — иоточного теплообменника одинаковые, а т, = т2, то количест­во тепла, переданное через одну пару ребер,

<7Р = kpFAt, (269)

где

fep=^th(^) (270)

Зная величину qv, можно определить общее необходимое ко­личество ребер, а следовательно, и геометрические размеры ап­парата. Общее количество тепла, передаваемое в теплообмен­

нике, определяется из соотношения

Q = <7РЛ//2 = kpFAtNti, (271)

где N — число секций в теплообменнике;

п — число оребренных пластин в одной секции;

At — средняя разность температур потоков с двух сторон стенки.

Максимальное значение длины ребра может быть задано, исходя из соотношения

0,4

L

max

гп

Хотя увеличение длины ребра L уменьшает число секций, что упрощает конструкцию аппарата, оно все же невыгодно, так как при этом повышается термическое сопротивление ребер и сни­жается эффективность теплообменника.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.

recuperatio.ru