ТЕПЛООБМЕН И ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Наиболее полное описание результатов исследования про­цессов теплоотдачи и определения аэродинамического сопротив­ления различного типа пластинчато-ребристых теплообменников приведено в монографии Кейса и Лондона. В этих исследовани­

ях данные по теплоотдаче приводятся в виде зависимости фак­тора теплоотдачи (числа Кольборна), равного St-Pr2», от кри­терия Рейнольдса, а данные об аэродинамическом сопротивле­нии — в виде зависимости фактора трения f от критерия Рейнольдса.

Критерий конвективного переноса тепла (критерий Станто­на) St является мерой отношения интенсивности теплоотдачи к удельному теплосодержанию потока и равен

St = —, (272)

Р CW

где а — коэффициент теплоотдачи в Вт/(м2-°С); w — скорость потока в м/с; с — удельная теплоемкость в Дж/(кг-°С); р — плотность в кг/м3.

С другой стороны, критерий Стантона может быть получен как комбинация критериев Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля:

TOC o "1-5" h z St = Nu, (273)

Re-Pr

где

r ad n wd r, v

Nu =——— ; Re =—— ;—— Pr = — ,

к v a

d — определяющий размер в м; X — коэффициент теплопровод­ности в Вт/(м-°С); v — кинематическая вязкость в м2/с; а —

у

— —— — коэффициент температуропроводности в м2/с.

ср

Для пластинчато-ребристых теплообменников за определяю­щий размер принят гидравлический диаметр канала

d‘-~FT¥r — <274>

где F’ + F" — соответственно поверхность гладких листов и поверхность ребер, приходящихся на единицу свободного объе­ма (равному общему объему минус объем, занимаемый метал­лом ).

Дентон и Уорд указывают, что поскольку гидравлический диаметр не отражает полностью влияние формы и размеров ре­бер, кривые для критерия теплоотдачи и коэффициента трения различны для разной геометрии ребер. Авторы указывают, что для большинства прерывистых ребер и ребер с желобками коэф­фициент теплоотдачи приблизительно вдвое выше, чем для глад­ких ребер соответствующего размера, а коэффициент трения возрастает несколько больше, чем в 2 раза. Кроме того, харак­теристики прерывистых ребер и ребер с желобками остаются стабильными и в области, переходной между турбулентным и ламинарным движением.

На рис. 140 приведены тепловые и гидродинамические харак­теристики гладких, прерывистых и волнистых ребер теплообмен­ников. Как видно из рисунка, значение критерия Стантона для прерывистых ребер (кривая г) выше, чем для волнистых ребер (кривая д), и значительно выше, чем для гладких ребер (кри­вая е). То же относится и к коэффициенту трения, где кривая а показывает значение коэффициента для прерывистых ребер,

1,8 W31,5 2 J Ч 6 8 Ю11 Число Рейнольдса Pe=6d/fi

Рис. 140. Коэффициенты трения для прерывистых (а), волнистых (б), гладких (в) ребер и коэффи­циенты Стантона для прерывистых (г), волнистых (д) и гладких (е) ребер

кривая б — для волнистых и кри­вая в — для гладких.

В монографии Кейса и Лондо­на даны кривые зависимости фак­тора теплоотдачи St — Рг’-‘» и ко­эффициента трения f от критерия Рейнольдса для тридцати трех пластинчато-ребристых поверхно­стей пяти типов: девяти типораз­меров с гладкими ребрами с рас­стоянием между пластинами от 4,6 до 20,9 мм, двух типоразмеров с волнистыми ребрами с расстоя­нием между пластинами 10,5 мм, четырнадцати типоразмеров с жа — люзными ребрами и расстоянием между пластинами 6,35 мм, трех типоразмеров с прерывистыми ребрами и расстоянием между пластинами от 6,3 до 12,3 мм и q пятью типоразмерами стержень — ковых ребер с расстоянием между пластинами от 6,1 до 19,05 мм. Все кривые приведены для значе­ний критерия Рейнольдса от 500 до 10 000.

Симпелар и Аронсон на круп­ной установке по разделению воз­духа испытали два теплообменника с гладкими ребрами. Один теплообменник, предназначенный для работы на низком давле­нии с высотой каналов для обоих теплоносителей 12,7 мм, и вто­рой теплообменник высокого давления с секцией для теплоно­сителя высокого давления высотой 6,35 мм и секцией для тепло­носителя низкого давления высотой 12,7 мм. По данным авторов, результаты опытов по теплоотдаче могут быть выражены фор­мулой

St-Pr2 3 = 0,245Re~0>4. (275)

По данным той же работы зависимость для гидравлического сопротивления описывается эмпирической формулой

По данным И. Н. Журавлевой и Н. К. Елухина, для гладких

ребер высотой б мм в интервале Re от 2000 до 6500

TOC o "1-5" h z St-Pr23 = 0,0089Re°-095, (277)

а для интервала критерия Re от 500 до 2000

St-Pr2’3 = 0,21Re~°-52. (278)

Для прерывистых ребер высотой 6 мм в интервале Re от 700 до 2000

St — Рг2 3 = 0,0088Re°-067, (279)

а для Re от 2000 до 13 000

St • Рг2/3 = 0,076Re_0 -23. (280)

Для чешуйчатых ребер высотой 7 мм в интервале Re от 2400 до 10 000

St • Рг2^3 = 0,19Re~° •37. (281)

Эмпирические формулы (275) — (281) являются результатом обработки экспериментальных данных при испытании насадок определенного типа и не могут быть распространены на насад­ки других геометрических размеров. Следовательно, каждый новый тип насадки пластинчато-ребристого теплообменника должен быть подвергнут предварительному исследованию для определения тепловых и гидродинамических характеристик.

Для определения потери напора при прохождении теплоно­сителя через каналы пластинчато-ребристого теплообменника находим значение коэффициента сопротивления для ребер раз­ных типов.

Для гладких ребер высотой 6 мм в интервале Re от 2000 до 30000

TOC o "1-5" h z / = 0,065Re~°-21. (282)

Для прерывистых ребер высотой 6 мм в интервале Re от 2000 до 17 000

f = 0,12Re-°-085. (283)

Для чешуйчатых ребер высотой 7 мм в интервале Re от 2600 до 14 500

/ = 0,23Re~°-14. (284)

К. п. д. ребер пластинчато-ребристого теплообменника опре­деляется соотношением

л = —Ч-^-. <285>

tnL

2

где т — параметр ребра, определяемый по формуле (261).

17" 259

Эффективность поверхности одной стороны теплообменника TJ0 определяется по уравнению

тю=1 тЧі-ч). (286)

F

F

где —— отношение поверхности оребрения к полной по-

F

верхности.

(287)

(288)

Зная коэффициент теплоотдачи по стороне холодного тепло­носителя ах и коэффициент теплоотдачи по стороне горячего теплоносителя аг, можно определить коэффициент теплопереда­чи. Для пластинчато-ребристых теплообменников коэффициент теплопередачи должен быть отнесен к какой-либо стороне, омы­ваемой либо холодным, либо горячим потоком: і 1 , 6СТ, 1

TOC o "1-5" h z kr цгхаг _Fcr_ „ F*_

/-СТ _ Их

Г г * г

1 _ 1 6СТ 1

^Х ПоХПх ^ст. Fr

• Агт — «г

Fx F..

где Fct — поверхность гладких (разграничивающих) листов; Fx — полная поверхность со стороны холодного теплоно­сителя;

Fr — полная поверхность со стороны горячего теплоно­сителя;

т|ох и цгх — соответственно эффективность поверхности со сторо­ны холодного и горячего теплоносителя; кг и kx — коэффициенты теплопередачи, отнесенные к одной из поверхностей, в Вт/(м2-°С).

В качестве одного из методов дальнейшего расчета пластин­чато-ребристых теплообменников примем метод, основанный на понятии об эффективности теплообменника є и числе единиц передачи тепла N.

Полная теплоемкость массового расхода теплоносителя в единицу времени, называемая водяным эквивалентом, опреде­ляется выражением

W = Gcp Вт/’С,

где G — массовый расход в кг/с; ср — теплоемкость в

Дж/(кг-°С). Из уравнения теплового баланса следует, что

. (289)

К’х ‘г-/г

Эффективность теплообменника определяется по уравнению

е — r v г r/ — *v х х/ (290)

^.пиЛС-0 vn«K-Q ’

где Wr = GrCpr — водяной эквивалент горячего теплоносителя з Вт/град; Wx = Gxc[)S — водяной эквивалент холодного теплоно­сителя в Вт/град; Wmm—меньшее из значения водяных эквива­лентов W? или Wx t’r и Ґ — температура входа и выхода горя­чего теплоносителя; Г и t"x —то же холодного теплоносителя.

Число единиц переноса тепла N, которое вводится в качестве безразмерной характеристики теплообменника, определяется соотношениями

F

N = = —— kdF, (291)

W’min K’mln

о

где F — поверхность теплообменника, которая использовалась для определения коэффициента теплопередачи.

В общем случае соотношение между эффективностью тепло­обменника е и числом единиц переноса тепла N может быть представлено функцией

е = ф (n, ZmlS-V V wm, J

Значения эффективности теплообменника є в зависимости от

. W’min

отношения водяных эквивалентов теплоносителей —12— и чнс-

^’"тах

ла единиц переноса N показаны: на рис. 124 для прямоточного теплообменника, на рис. 123 для противоточного теплообменника и на рис. 127 для перекрестно-точного теплообменника.

Зная характер движения потока, отношение водяных эквива­лентов и число единиц переноса тепла, по одному из указанных выше графиков находят значение эффективности теплообменни­ка. Как видно из графиков, наиболее высокие значения эффек­тивности теплообменников характерны для противоточных теп­лообменников. Наибольшее различие в эффективности теплооб­менников различных типов получается при отношении водяных эквивалентов, равном единице.

После определения значения эффективности теплообменника по формуле (290) вычисляются конечные температуры горячего и холодного теплоносителя.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.

recuperatio.ru