В работе проведен анализ эффективности теплообменных аппаратов с оребрением и без, и на основе этого анализа разработана графо-аналитическая методика инженерного расчета их характеристик.
Ключевые слова: теплообменный аппарат, оребрение, эффективность, коэффициент теплоотдачи.
Теплообменные аппараты используются в следующих отраслях промышленности: системы обеспечения микроклимата, фармацевтическая и химическая промышленности, нефтепереработка и т. д. В тех промышленных установках, где в качестве рабочего тела используются газообразные рабочие тела, требуется повышать эффективность теплообменных аппаратов для газообразных рабочих тел. В этой связи был проведен анализ эффективности различных методов интенсификации теплообмена. В качестве методов интенсификации теплообмена рассматривались следующие виды оребрения: продольное непрерывное, продольное непрерывное в тесных пучках, продольное непрерывное с перфорацией, продольное разрезное с поворотом ребер, продольное разрезное с отгибом кромок и проводилось сравнение с теплообменными аппаратами без оребрения. Результаты анализа эффективности теплообмена в зависимости от режима течения рабочего тела представлены на рисунке 1.
Оценка эффективности теплообмена приведена по методике [1], так как оребрение вызывает не только интенсивный рост теплообмена, но и значительно влияет на гидравлическое сопротивление теплообменных аппаратов, был проведен анализ гидравлического сопротивления для различных типов оребрения. Для анализа использовались формулы, представленные в [1]. На рисунке 2 видно, что наиболее эффективно в качестве теплоотдачи теплоты оказывается продольное разрезное оребрение с поворотом ребер на угол β = 5° относительно течения. Менее эффективным продольное разрезное оребрение с отгибом кромок. Однако требуется оценить влияние на гидравлическое сопротивление, и, на рисунке 1б видно, что продольное разрезное оребрение с отгибом кромок имеет коэффициент гидравлического сопротивления в от 9 до 12 раз больше, чем другие виды оребрения.
Рисунок 1 [1]: Поверхности с различными типами оребрения: 1 — продольное непрерывное оребрение, 2 — продольное непрерывное оребрение в тесных пучках, 3 — продольное перфорированное оребрение, 4 — продольное разрезное оребрение с поворотом ребер на угол ꞵ, 5 — продольное разрезное оребрение с отгибом кромок, 6 — поперечное непрерывное оребрение
Рис. 2
В этой связи необходимо оценить теплогидравлическую эффективность различных видов оребрения, что было выполнено на рисунке 3.
Рис. 3
Рисунок 3 более наглядно показывает эффективность оребрения, так как по нему видно и влияние на теплообмен различных видов оребрения и влияние на гидравлическое сопротивление. Согласно представленному графику очевидно, что продольное непрерывное и будет наиболее эффективным по тепло-гидравлической характеристике, т. е. У него будет повышаться интенсивность теплообмена при не столь высоком росте гидравлического сопротивления по сравнению с другими видами оребрения. Также рисунок 3 показывает, что тепло- гидравлическая эффективность теплообменников без оребрения также оказывается высока, что связано с низким гидравлическим сопротивлением. Однако, на рисунке 2 видно, что интенсивность теплообмена значительно ниже, чем у других видов оребрения. В результате, оценив полученные данные можно сказать, что теплогидравлическая эффективность будет выше у продольного непрерывного оребрения, а самая низкая — у продольного разрезного с отгибом кромок.
На основе полученных данных разработаны режимные характеристики теплообменных аппаратов, по формулам, представленным ниже [1]:
E = Nu / ς,
где Nu — число Нуссельта, ς — коэффициент гидравлического сопротивления;
В условиях поставленной задачи эти соотношения могут быть представлены в обобщенном виде:
Nu = C * Re m,
ς = D * Re n
Значения коэффициентов C и D, а также показателей m и n для выбранных в этой задаче типов оребрения представлены в таблице 1 [1]:
Таблица 1
|
Параметр |
Номер пучка |
|||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
C |
0,021 |
0,022 |
0,018 |
0,034 |
0,0097 |
0,085 |
|
m |
0,8 |
0,8 |
0,8 |
0,8 |
0,94 |
0,73 |
|
D |
0,3164 |
0,316 |
0,34 |
0,088 |
0,012 |
0,65 |
|
n |
-0,25 |
-0,25 |
-0,25 |
0 |
0,25 |
-0,2 |
Таблица 1 [1]: Значение коэффициентов C, m, D, n, где 0 — значения для плоского канала, без оребрения; 1 — с продольным непрерывным типом оребрения; 2 — с продольным непрерывным оребрением в тесных пучках; 3 — с продольным оребрением с перфорацией; 4 — с продольным разрезным оребрением с поворотом ребер на угол β = 5 ° относительно направления течения; 5 — с продольным разрезным оребрением с отгибом кромок.
Значениями Re задавались с шагом 5000, начальное значение — 5000.
Площадь поперечного круглого сечения труб заданного диаметра расчитывался по формуле:
, где
F — площадь поперечного сечения;
После этого был произведен расчет скорости течения теплоносителя в канале:
;
Расход теплоносителя был определен по формуле:
;
По найденным формулам вычислили значение теплоотдачи для каждого из рассматриваемых типов оребрения:
;
На основании расчетов были составлены графики зависимости теплоотдачи от расхода теплоносителя для разных видов ребер.
Рис. 4. Режимные характеристики теплообменников с различными видами оребрения (рабочее тело — воздух)
Рис. 5. Режимные характеристики теплообменников с различными видами оребрения (рабочее тело — дымовые газы)
Результаты построения режимных характеристик представлены на рисунке 4 для воздуха, как рабочего тела, и на рисунке 5 для дымовых газов.
Разработанный графо-аналитический метод позволяет легко производить инженерный расчет теплообменных аппаратов с различными видами оребрения, что значительно сокращает период проектирования.
Литература:
- Горобец В. Г. Сравнительный анализ теплоотдачи и гидравлического сопротивления пучков труб с оребрением различного типа // Труды конференции РНКТ-2006. — Т.6. — с. 182–186
- Крюкова К. В., Маслов Н. А., Цынаева А. А. Численное моделирование теплообмена в плоском канале // Вопросы современной науки: новые достижения. — 2018. — С. 9–13.
