Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Трубчатые ребристые теплообменники

Трубчатые ребристые теплообменники

Страница 6 из 22
Содержание лекции:
Теплообменные аппараты (теплообменники)

В данной лекции подробно рассмотрены трубчатые ребристые теплообменники с высокими ребрами. В ряде случаев для обеспечения нормальной работы технологического цикла или номинальной мощности транспортных установок обычные трубчатые теплообменные аппараты настолько громоздки, что превышают размеры основного оборудования и не размещаются на отведенной для их установки площади. Использование в этих случаях теплообменника с меньшими габаритными размерами, с меньшей поверхностью теплообмена отразится на производительности основного оборудования технологического процесса или на мощности транспортной установки.

Нагревание и охлаждение физически неоднородных сред, например газа и жидкости, газа и конденсирующегося пара, происходит при разных условиях теплообмена на поверхности стенки, разделяющей теплоносители. Коэффициент теплоотдачи со стороны газов (α1) исчисляется десятками Вт/(м2·К), а со стороны жидкости или конденсирующегося пара (α2)– тысячами Вт/(м2·К). Это значит, что наибольшее термическое сопротивление переходу тепла будет со стороны наименьшего из коэффициентов теплоотдачи α1. Увеличение значения α путем повышения скорости потока газа выше оптимальной экономически не оправдано, так как при этом резко возрастает сопротивление газового тракта и расход энергии на перекачивание теплоносителя, поэтому для выравнивания тепловых потоков с обеих сторон поверхности теплообмена часто используют метод оребрения стенки труб со стороны меньшего коэффициента α, стремясь при этом к осуществлению равенства α1F1 ≈ α2F2, хотя полностью достичь этого условия для оребренных труб, как правило, не представляется возможным (кроме газовоздушных нагревателей). Отношение площади оребренной поверхности к площади гладкой поверхности несущей трубы F1/F2 = Fрс/Fгл называют коэффициентом оребрения. Для рассматриваемого типа теплообменников этот коэффициент находится в пределах от 2 до 10.

Кроме увеличения поверхности теплообмена, оребрение способствует созданию искусственной турбулизации потока и достижению при меньших значениях чисел Re таких же коэффициентов теплоотдачи, которые характерны для развитого турбулентного течения в гладких трубах, каналах, пучке.

Оребрение поверхности целесообразно применять не только для увеличения произведения αF и коэффициента теплопередачи, но также и с целью существенного уменьшения объемных, а в некоторых случаях (при тонких ребрах) и весовых показателей на единицу поверхности аппарата.

Эффективность работы трубчатого ребристого теплообменника зависит от теплофизических и жаростойких свойств материала труб и особенно ребер, их геометрической характеристики и, конечно, от контакта ребра с поверхностью несущей трубы. Ребристые трубы могут быть изготовлены из чугуна, стали, латуни, алюминия и других цветных металлов.

Способы оребрения цилиндрических и плоских труб весьма разнообразны. Так, например, чугунные элементы с квадратными и круглыми ребрами, а также игольчатые трубы с наружными и внутренними иглами, профиль которых имеет форму падающей капли жидкости, изготавливают монолитными из одного и того же металла (рис. 2.5, а, б, д). У них надежный контакт ребра с несущей трубой; они коррозионно-устойчивы; ребристые трубы могут применяться для умеренных, а игольчатые – для повышенных температур теплоносителей до 800–900 °С. В то же время чугунные теплообменники весьма металлоемки, имеют большое количество соединений, а игольчатые в условиях нагревания воздуха продуктами сгорания топлива недостаточно газоплотны из-за нарушения плотности соединений секций.

Элементы трубчатых ребристых теплообменников

Рис. 2.5 – Элементы трубчатых ребристых теплообменников: а – с круглыми ребрами; б – с квадратными ребрами; в – с продольными плавниковыми ребрами; г – с проволочным биспиральным оребрением; д – с двусторонним игольчатым оребрением; е – со спиральным ленточным оребрением

Оребрение труб из стали и цветных металлов осуществляется методом горячей напрессовки прямоугольных пластин или круглых шайб на гладкие трубы с последующей приваркой или припайкой ребра к несущей трубе. Для предотвращения коррозии и улучшения контакта ребра с трубой стальные элементы ребристых теплообменников обычно оцинковывают, а элементы из цветных металлов лудят. Аналогичным методом изготавливают ребристые трубы с продольными плавниковыми ребрами, изображенными на (рис. 2.5, в).

В системе транспортных и стационарных энергетических установок в качестве масло- и воздухоохладителей можно применять теплообменники с различным по форме проволочным оребрением, с диаметром проволочек 0,5–0,7 мм. На (рис. 2.5, г) показан один из возможных вариантов проволочного оребрения гладкой трубы. Искусственно созданное путем припайки и лужения проволочное биспиральное оребрение создает развитую поверхность теплообмена на наружной части трубы, что обеспечивает интенсивную передачу теплоты от наружной поверхности к среде (или наоборот).

Иногда спиральное оребрение выполняют навивкой (с последующим привариванием) металлической ленты, поставленной на ребро (рис. 2.5, е).

На (рис. 2.6) приведены элементы некоторых полизональных ребристых поверхностей. В варианте (а) используются спиральные ребра с большим шагом и продольными перегородками. Перегородки, пересекающие ребра, располагаются равномерно по периметру трубы, разбивая кольцевое пространство между ребристой трубой и стенкой канала на несколько зон. Жидкость или газ попадает в зазоры между ребрами, ударяется о продольную перегородку и отражается к периферии канала, где перемешивается с основной массой потока. Можно считать, что ребра охлаждаются (нагреваются) газом, имеющим температуру, близкую к средней температуре потока. На (рис. 2.6, б) показан аксиальный тип полизональных поверхностей с прямыми продольными ребрами и спиральными перегородками, а на (рис. 2.6, в) – шевронный тип с ребрами, направленными под одинаковым углом в противоположные стороны в соседних секторах.

Полизональные элементы ребристых поверхностей теплообменников

Рис. 2.6 – Полизональные элементы ребристых поверхностей теплообменников: а – со спиральными и прямыми пересекающими ребрами; б – с прямыми продольными ребрами и спиральными перегородками; в – с ребрами, направленными под одинаковым углом в противоположные стороны

Полизональные ребристые трубы компонуются по типу теплообменника «труба в трубе». Этот вариант оребрения и компоновка способствуют интенсификации перемешивания потока, движущегося в зазорах между ребристой поверхностью и внешней трубой, выравниванию температур на всех участках ребристой поверхности и интенсификации теплообмена. Полизональные элементы нашли применение в качестве оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Могут быть использованы при охлаждении (нагревании) газов, масла и других жидкостей.

Трубчатые чугунные и стальные элементы со сплошными квадратными и круглыми ребрами, а также трубы с продольными «плавниковыми» и круглыми поперечными ребрами, разрезанными по спирали, и игольчатые трубы компонуются в зависимости от необходимой поверхности теплообмена в пакеты. Чаще всего поток газов в этих пучках движется поперечно трубам, несущим ребра (рис. 2.7, а, б, в). При компоновке пакетов из игольчатых труб, с целью снижения сопротивления ребристого пучка и большей интенсификации теплообмена, движущийся поток газа направляется на закругленную (тыловую) часть игл (рис. 2.5, д). Схемы пучков теплообменников с продольным обтеканием газом или жидкостью «плавниковых» труб представлены на (рис. 2.7, г, д). Такой вариант компоновки пакета уменьшает гидравлическое сопротивление теплообменника, при оптимальной высоте ребер, способствует более полному использованию ребристой поверхности. В то же время, замедленное движение потока в узких зазорах между ребрами приводит к локальному повышению температуры рабочей среды в этих местах и ухудшению теплообмена.

Схемы компоновки ребристых элементов

Рис. 2.7 – Схемы компоновки ребристых элементов: а – с круглыми или квадратными ребрами и коридорным расположением; б – с шахматным расположением труб; в, г, д – с плавниковыми ребрами; е – с проволочным оребрением

Пучки (пакеты) из однородных ребристых труб малого диаметра (до 25 мм) со сплошными круглыми, квадратными и круглыми, разрезанными по спирали ребрами, а также со спиральным ленточным и проволочным оребрениями собираются в двухтрубных решетках, подобно кожухотрубным теплообменникам (смотрите рис. 2.3 в предыдущих лекциях).

Во многих случаях целесообразна компоновка пакетов без трубных решеток. Схема такой компоновки трубчатого воздухоохладителя с проволочным оребрением для транспортных установок представлена на (рис. 2.7, е).


© 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