Основы расчёта пластинчато-ребристых теплообменников. Коэффициент теплопередачи в двухпоточных пластинчато-ребристых теплообменниках

Основы расчёта пластинчато-ребристых

теплообменников

            В пластинчато-ребристом теплообменнике передаче тепла осуществляется как за счёт конвективного теплообмена между потоками газа и стенками рёбер и проставочных листов, так и за счёт теплопроводности вдоль рёбер.

Изменение температуры в оребренной стенке при передаче тепла от потока 1 к потоку 2 иллюстрируется рис. 104. Здесь  и  – температуры потоков,  и  - температурные напоры стенка-поток. Изменение температурного напора стенка-поток вдоль ребра учитывается при помощи величины к. п. д. ребра, который представляет собой отношение среднего по длине ребра температурного напора к температурному напору у его основания.

Для двухпоточного теплообменника к. п. д. ребра рассчитывают по формуле

                                                                        (V-68)

где - параметр тонкого ребра;

 - теплопроводность материала ребра.

Для пластинчато-ребристой поверхности, состоящей из рёбер и межрёберных промежутков, к. п. д. рассчитывают с помощью выражения

                                                               (V-66)

Коэффициент теплопередачи в двухпоточных пластинчато-ребристых теплообменниках, отнесённый к площади одной из поверхностей, например к , определяют по формуле

,                                                (V-67)

где  и

 - теплопроводность материала проставочного листа.

Для аппаратов с оребряющими и проставочными листами, выполненными из одного материала,  .

Если теплопроводность материала теплообменника большая, а толщина проставочного листа малая, член  можно опустить. Коэффициенты теплоотдачи  и для случая конвективного теплообмена и при  определяют по критериальному уравнению

,                                                                    (V-68)

где - фактор теплоотдачи Кольборна. Величины B и b выбирают в зависимости от диапазона чисел Рейнольдса и типа поверхности по табл. 32.

Полное гидравлическое сопротивление по одному из потоков теплообменника складывается из частных составляющих в сечениях теплообменника (рис. 105);

,                                                                 (V-69)

которые качественно делятся на сопротивления в рабочей поверхности и распределителях () и местные сопротивления. В свою очередь местные сопротивления подразделяются на потери давления, связанные с внезапным изменением сечения потока (), потери давления на входе в пакет и выходе из него () и потери, связанные с поворотом потока ().

Потери давления на поверхностях рабочей части аппарата и в распределителях пластинчато-ребристого теплообменника вычисляют по соотношению

,                                                       (V-70)

где f – коэффициент сопротивления, рассчитывается с помощью уравнения

();                                                            (V-71)

L – длина канала рабочей поверхности или средняя длина каналов распределителя направлении потока.

Величины А и a для некоторых типоразмеров пластинчато-ребристых поверхностей даны в табл. 32.

Потери давления при входе в пластинчато-ребристый пакет (на сжатие) и при выходе из пакета (на расширение) определяются по формулам:

;                                             (V-72)

’                                          (V-73)

где  – отношение свободного сечения по данному потоку к полному поперечному сечению теплообменника; коэффициенты  и определяют из графика, представленного на рис. 106.

Потери напора при поворотах потока

,                                                (V-74)

где  - угол поворота потока.

Сочетание типоразмеров поверхностей по каналам пластинчато-ребристого теплообменника выбирают таким образом, чтобы получить допустимые гидравлические сопротивления потоков. Оптимальные характеристики массовых двухпоточных пластинчато-ребристых теплообменников для прерывистых поверхностей (см. табл. 31) при средних температурах потоков (для обратного – 130, 230 К; для прямого – 130 К) можно легко найти при помощи графиков, представленных на рис. 107 – 109. Здесь  и  - соответственно длина и сопротивление рабочего канала теплообменника, необходимого для изменения энтальпии потока на единицу при  К;  и  - соответственно объёмный и массовый коэффициенты теплоотдачи и массовая скорость потока.

Пользуясь графиками (см. рис. 107-109), можно по простым соотношениям вычислить длину, сопротивление, объём и массу рабочей поверхности одного из каналов теплообменника:

; ;

; ;

где q – изменение энтальпии потока по всей длине канала, ккал/кг;

Q – тепловая нагрузка теплообменника, ккал/ч.

Обычно при расчётах задан температурный напор между потоками . Тогда температурный напор стенка-поток, отнесённый к площади одной из поверхностей, например к , вычисляют по формуле

,                                                       (V-75)

где

,

При составлении графиков (см. рис. 107-109) толщина проставочных пластин  принималась 1 мм.

Площадь полного сечения теплообменника можно подсчитать по найденным объёму V и длине L или же при заданном расходе по скорости потока.

Ниже приведён пример теплового и гидравлического расчёта двухпоточного пластинчато-ребристого теплообменника.

Пример. В проставочном пластинчато-ребристом теплообменнике с одинаковыми поверхностями (прерывистыми 12/2) по обоим каналам охлаждается воздух (прямой поток) за счёт нагрева азота (обратный поток). Геометрические характеристики теплообменной поверхности принимаются в соответствии с табл. 31.

Исходные данные: расходы потоков соответственно воздуха и азота ;; температуры потоков ; ; ; Давление ;. Тепловая нагрузка Q = 198 300 Вт.

Физические параметры при средних температурах потоков ;;

плотность, ;

теплоёмкость, ;

динамическая вязкость, 

теплопроводность материала теплообменника

Принимаем толщину проставочных пластин м и массовую скорость по обратному потоку .

Тепловой расчёт теплообменника

Площадь живого сечения

определяют при температуре 0⁰ С и давлении 760 мм рт. ст.

Массовая скорость по первому потоку

;

определяют при температуре 0⁰ С и давлении 760 м рт. ст.

Число Рейнольдса ;

;

Коэффициент сопротивления , величины A и а приведены в табл.32;

;

Фактор теплоотдачи Кольборна , величина B и b даны в табл.32;

;

Число Прандтля ;

;

Коэффициент теплоотдачи ;

;

;

Параметр ребра ;

;

.

К. п. д. ребра .

;

К. п. д. оребренной поверхности;

;

Коэффициент теплопередачи, отнесённый к площади поверхности теплообмена, обращённой к первому потоку F₁:

Площадь поверхности теплообмена на стороне прямого потока

.

Свободный объём

.

Длина теплообменника

.

Площадь полного сечения теплообменника

Учитывая запас прочности (20-30%), принимает пакет размерами 750Х750Х3000 мм..

Гидравлический расчёт. Принимаем для воздушного потока Z- образные каналы, для азотного потока – прямые каналы без распределителей. Расчёт поясняется рис. 110.

Сопротивление по азотному каналу

Сопротивление по воздушному каналу