Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменники

Страница 8 из 22
Содержание лекции:
Теплообменные аппараты (теплообменники)

Пластинчатые теплообменники чаще всего применяют для нагревания или охлаждения газообразных теплоносителей, у которых близкие по значениям коэффициенты теплоотдачи. Простейший тип пластинчатого теплообменника изготовляют из тонких гладких металлических листов в виде многослойного пакета (рис. 2.9, а). Движение рабочих сред может быть противоточно-перекрестным или прямоточно-перекрестным. Такие теплообменники компактны, но в то же время прочность пластин (канала из пластин) весьма невелика, поэтому их применяют только для низких давлений газа рг < 1,10·105 Па, по возможности близких по значению с обеих сторон пластины. В них трудно обеспечить достаточную герметичность, необходимую для предотвращения смешения теплоносителей. Коэффициент теплоотдачи от движущегося потока к стенкам прямоугольного канала весьма низкий. Эти недостатки теплообменников из гладких тонких пластин существенно ограничили область их применения.

В то же время пластинчатая форма поверхности теплообмена позволяет создать весьма компактные аппараты. Следует только интенсифицировать теплообмен путем воздействия на характер движения потока газа при умеренных значениях Re или за счет оребрения, повысить надежность в работе и достичь достаточно высокой герметичности при давлениях порядка (5–10)105Па.

Первый метод интенсификации теплообмена, то есть воздействие на характер движения потока газа, применил Невский машиностроительный завод имени В. И. Ленина при создании воздухонагревателя для газотурбинной установки. Поверхность теплообмена аппарата собирают из пластин с овальными выступами, размещенными на листе в определенном порядке. Пластины сваривали по краям и собирали в пакеты. Такой метод сварки способствовал некоторой деформации и передаче давления теплоносителей на корпус аппарата. Следовательно, необходимо было создавать довольно массивные теплообменники, что ограничивало возможность применения такой поверхности при давлении выше (5–6)105Па.

Подобный вариант разборного теплообменника, изготовленный из пластин с различной формой штамповок и собранный в пакет на прокладках, стягиваемых двумя нажимными плитами, удобен в сборке и разборке, очистке, но в то же время в нем сложно достичь надлежащей плотности при повышенных давлениях теплоносителей.

Одним из способов интенсификации теплообмена является уменьшение эквивалентных диаметров проходных сечений и создание плавных волнообразных течений потоков, что сравнительно легко осуществимо в пластинчатых теплообменниках. На рисунке 2.9 представлены некоторые варианты таких поверхностей теплообмена повышенной турбулизации. Компоновка пакетов осуществляется из пластин (рис. 2.9, в), на которых в шахматном порядке выштампованы сфероидальные выступы (обозначены точками) и впадины (обозначены крестиками). Две такие пластины, соединенные точечной сваркой в соответствующих впадинах, образуют отдельные элементы (рис. 2.9, д). Отличительной особенностью этих пластин является то, что каждый сфероидальный выступ непосредственно, то есть без плоских переходных участков, примыкает к соседним впадинам и выступам. Благодаря этому металл элемента, подвергнутого внутреннему или наружному давлению, работает только на растяжение или сжатие, но не на изгиб.

Пластинчатые поверхности теплообмена

Рис. 2.9 – Пластинчатые поверхности теплообмена: а – элемент из плоских пластин; б, в, г, д, е, ж, з – из штампованных пластин с различной конфигурацией канала; б и д – одноходовый со сфероидальными выступами против впадин; в – то же, трехходовый; г – с выступами против выступов; ж – с волнообразными каналами; з – с волнообразными и серповидными каналами, е – с серповидными каналами для воды и зигзагообразными каналами для воздуха; 1 – штампованная пластина; 2 – точечная сварка; 3 – зигзагообразный канал; 4 – волнообразный канал; 5 – дистанционная бобышка; 6 – серповидный капал; 7 – серповидно-волнообразный канал

При сборке и сварке штампованных пластин этого варианта создаются криволинейные зигзагообразные (3) и волнообразные (4) каналы, способствующие повышенной турбулизации потоков теплоносителей. Изменением ширины волнообразных каналов отношение проходных сечений для обоих теплоносителей при конструировании можно изменить в произвольных пределах. Например, если сварить попарно две пластины, то движение одного из теплоносителей может быть осуществлено в несколько ходов, как это показано на (рис. 2.9, в), то есть образуется многократный перекрестный ток. При компоновке пакета по типу (рис. 2.9, г) создаются зигзагообразные каналы равного или неравного для обоих теплоносителей сечения. Направление движения каждого из теплоносителей в этом случае все время меняется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Возможны и другие варианты компоновки пакетов из пластин повышенной турбулентности (рис. 2.9, е, ж, з).

В соответствии с (рис. 2.9, ж) каждые две пластины скрепляются друг с другом через бобышки (5), приваренные к ним точечной сваркой. В данном случае для обоих теплоносителей создаются волнообразные каналы. Наряду с отмеченными достоинствами штампованных поверхностей теплообмена этот вариант сборки пакетов может быть более компактным и менее склонным к засорению со стороны обоих теплоносителей.

Компоновка по схеме (рис. 2.9, з) предусматривает движение одного из теплоносителей по серповидному каналу (6), а другого – по серповидноволнообразному каналу (7) переменного сечения, благодаря чему усиливается турбулизация потока. Из-за отсутствия дистанционных бобышек изготовление таких пакетов проще, чем в варианте (ж). Вообще теплообменники по типу (ж) и (з) целесообразно применять в тех случаях, когда проходное сечение для одного из теплоносителей должно быть значительно меньше, чем для другого, например при теплоносителях вода и воздух.

На (рис. 2.9, е) представлен еще один элемент пластинчатого теплообменника с серповидными (меньшего сечения) каналами для воды и зигзагообразными (большого сечения) каналами для воздуха. Допускаемое давление воды в каналах (4÷6)105 Па, а давление воздуха должно быть близким к атмосферному.

Экспериментально установлено, что волнисто-пластинчатые теплообменники более компактны, чем серийные радиаторы, применяемые на транспорте. При одинаковой тепловой производительности фронтальное сечение их на 28–30% меньше радиаторов, они более устойчивы при случайном замораживании воды в водяных каналах. Такого типа теплообменники с толщиной пластин из нержавеющей стали 0,2–0,3 мм, по-видимому, в перспективе могут применяться в системах охлаждения двигателей тепловозов.

Пластинчато-ребристые теплообменники

Применяя различные виды оребрения пластин, можно создать еще более компактные аппараты, чем теплообменники из волнистых пластин. Такими аппаратами являются пластинчато-ребристые теплообменники. Особенно это важно для установок, габаритные размеры и масса аппарата в которых являются определяющими, как, например, на различных видах транспорта, в том числе и железнодорожном, в криогенных системах, в аппаратах и системах по изучению космического пространства и так далее.

Уменьшая габаритные размеры теплообменника, экономят не только занимаемую им площадь и металл, но также и количество теплоты, которое в одних случаях передается стенками аппарата в окружающую среду, в других, наоборот, уменьшается поступление теплоты в аппарат извне.

Поверхность теплообмена в единице объема таких аппаратов составляет 800–1600 м23 и более. Благодаря непрерывному внедрению новых способов штамповки, пайки и сварки уже можно создать компактные теплообменники с поверхностью 4500 м23.

При конструировании штампованных пластинчатых и пластинчато-ребристых теплообменников представляется возможным комбинировать формы и размеры поверхностей с учетом специфических свойств каждого из теплоносителей, участвующих в переносе тепла.

Пластинчато-ребристые поверхности теплообменников в зависимости от типа ребер подразделяются на поверхности с гладкими, жалюзийными, короткими пластинчатыми, волнистыми и стерженьковыми ребрами.

Поверхности с гладкими ребрами образуют прямоугольной или треугольной формы каналы, пронизывающие пакет теплообменника (рис. 2.10, а). Как правило, подлине канала располагаются несколько гладких ребер, не соединенных между собой сваркой или пайкой. Следует иметь в виду, что теплообмен в каналах с прерывистыми (короткими) пластинчатыми ребрами более интенсивный, чем в длинных сплошных гладких каналах.

Жалюзийные ребра создаются путем прорезывания пластины и отгибания полоски материала в поток газа (воздуха) через определенные интервалы. Этим достигается разрушение пограничного слоя и повышение интенсивности теплоотдачи по сравнению с гладкими ребрами при тех же условиях движения рабочей среды. Чем чаще происходит искусственное возмущение пограничного слоя, тем выше коэффициент теплоотдачи. При достижении одинаковых коэффициентов теплоотдачи затраты энергии на преодоление гидравлического сопротивления в теплообменниках с жалюзийными ребрами меньше, чем в теплообменниках с гладкими ребрами.

Компоновка элементов компактных теплообменников

Рис. 2.10 – Компоновка элементов пластинчато-ребристых теплообменников: а – двухпоточный с треугольной формой сплошного или прерывистого канала; б – с волнообразной непрерывной насадкой; в – с прерывистыми ∩-образными ребрами; г – пучок плоских труб со сплошными ребрами

В принципе можно создать поверхность теплообмена с короткими гладкими плоскими или петлевыми ребрами (рис. 2.10, в), которая с одной стороны будет отличаться от поверхности с жалюзийными ребрами тем, что короткая сторона ребра располагается в направлении движения потока, с другой – такая поверхность будет близка по интенсивности теплообмена к поверхности с жалюзийными ребрами вследствие турбулизации движения при лобовой атаке потоком короткого ребра.

Поверхность с волнистыми прерывистыми или сплошными U-образными ребрами (рис. 2.10, б) в некоторой степени является разновидностью волнисто-пластинчатых штампованных теплообменников с более развитой поверхностью теплообмена. По интенсивности теплообмена эта поверхность близка к поверхности с жалюзийными и короткими пластинчатыми ребрами. Изменение направления потока, вызванное волнистой формой ребра, приводит к отрыву пограничного слоя, то есть к тому же результату, что и жалюзийное оребрение.

Пучки из плоских или круглых труб, оребренных с наружной стороны сплошными тонкими пластинами (рис. 2.10, г), расположенными одна от другой на расстоянии 2–5 мм, применяются для теплоносителей с существенно отличающимися физическими свойствами, а следовательно, и коэффициентами теплоотдачи на два и более порядков, (например конденсирующийся в трубках пар и газ (воздух) в межтрубном оребренном пространстве). Применение тонких сплошных пластин с минимальным расстоянием между ними позволяет создать большую ребристую поверхность в единице объема. Такие теплообменники работают по схеме перекрестного тока и, как правило, используются в транспортных установках.

Пластинчато-стерженьковые поверхности относятся к наиболее развитым поверхностям, в которых высокое значение коэффициента теплоотдачи обусловливается образованием тонкого пограничного слоя на ребрах, изготовленных из тонкой проволоки. В то же время следует отметить, что такой способ оребрения приводит к большим гидравлическим сопротивлениям.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика