Интенсификация теплообмена при конденсации на микро- и наномасштабах, страница 5

К одному из преимуществ пластинчатых теплообменников относят легкость технического обслуживания. Однако для того, чтобы можно было чистить пластинчатый теплообменник, он должен быть разборным, а не паяным. Разборные аппараты и дороже, и по габаритам больше. Наращивание поверхности нагрева и чистка аппарата ставят под сомнение гарантию его надежной эксплуатации.

Неправильная эксплуатация может привести к повреждению уплотнительных прокладок, которые очень дороги и составляют до 50% стоимости всего теплообменника.К тому же пластинчатый теплообменник очень  чувствителен к изменению расчётного количества теплоносителя в ту или иную сторону и выдерживает не более пяти процентов его изменения, в противном случае его характеристики кардинально нарушаются и он представляет из себя не более чем груду железа. Кроме того, в переходный и летний периоды, когда теплообменник простаивает, прокладки между пластинами ссыхаются, и потом при запуске их приходится подтягивать. Таким образом, в одних случаях выгоднее использовать пластинчатые аппараты, в других – кожухотрубные, и для того, чтобы обосновать выбор, нужно провести предварительно анализ и расчеты.

Рассмотрим вариант  интенсификации теплообмена в теплообменнике с помощью витых труб и труб с кольцевой накаткой, а так же - поперечных перегородок в пучке. Трубная система аппарата имеет длину 4000 мм, расстояние между перегородками для всех типоразмеров составляет 350 мм, высота перегородки равняется половине внутреннего диаметра корпуса теплообменника, количество перегородок – 10, диаметры подводящих патрубков и их расположение выбирались в соответствии с ГОСТом 27590-88. Теплообменные трубы диаметром 16×1 мм изготовляются из Л75 МК. Безразмерный шаг расположения труб в пучке s/d_н ≈1,3. Для аппарата с кольцевой накаткой выбраны три варианта параметров накатки d/d_вн = 0,94, 0,92, 0,91 и t/d_вн=0,50, 0,52, 1,00. Безразмерный шаг расположения труб в пучке также s/d_н ≈1,3, обтекание труб в пучке продольное, длина трубы 4000 мм.

На рис.109112 представлен чертеж секции экспериментального теплообменника с пучком витых труб.  Наружный диаметр корпуса аппарата – 219 мм, длина корпуса – 1994 мм, количество труб – 73, длина трубы – 2000 мм, длина витой части трубы – 1716 мм. Витые трубы изготовляются из трубы Л75 МК диаметром 16×1 мм, при этом наружный диаметр витой трубы D = 19,5 мм, ширина – 9,8 мм, шаг закрутки S = 156 мм, т.е. S/D = 8,0, модифицированное число Фруда Fr»63,5. Шаг расположения труб в пучке составляет 20 мм, таким образом, s/D ≈ 1,03; для витой части труб (плотный пучок) s/D ≈ 1,25 в трубной доске.

Рис. 11209. Секция теплообменника с пучком витых труб

Расчет теплогидравлических характеристик аппарата с витыми и накатанными трубами проводится с помощью известныхсоотношений для числа Nu и коэффициента гидравлического сопротивления ξ.

Для аппарата с перегородками  рассчитаем поперечную w₁₂ и продольную w₁₁ составляющие скорости, которые в дальнейшем используем для определения числа Nu и ξ. Ри этом сделаны следующие преобразования: так как, с одной стороны, G₁=ρ(w₁n)F = ρ (w₁₂F₁₂ + w₁₁F₁₁), а с другой – G₁ = ρw₁F, то, учитывая, что w₁₂ = wsin(b), w₁₁ = wcos(b), получим: F = F₁₂sin(b) + F₁₁cos(b). Последнее соотношение выполняется, в частности, если F₁₂ = Fsin(b), F₁₁ = Fcos(b), но тогда F = (F₁₂² + F₁₁²)^0.5. Представим  G₁ в виде: G₁ = ρ [w₁₂/ sin(b)]F = ρ(F²/ F₁₂) w₁₂, отсюда w₁₂ = G₁F₁₂/(ρF²), аналогично для w₁₁: w₁₁ = G₁F₁₁/(ρF²). Значения F₁₂ и F₁₁ можно вычислить по формулам: F₁₂ = π (D_K² – Nd_н²)/4, F_прод = L · L_m, где

(462.1)

Коэффициент теплоотдачи при поперечном обтекании рассчитывался по формуле Жукаускаса, а при продольном обтекании – по формуле Дрейцера Nu=[0,032·(s/d_н)²–0,0144]Re^0,8Pr^1/3 . В итоге коэффициент теплоотдачи определяется по соотношению α = α₁₁ + α₁₂.  Предложенный метод протестирован по экспериментальным данным, при этом среднеквадратичное отклонение составило 16%.