Эффективность теплообменника и способы её повышения

Эффективность авиационного теплообменника определяется в первую очередь его удельными массовыми и габаритными (компактностью) характеристиками, а также уровнем гидравли­ческих потерь в трактах при заданном тепловом потоке.

Массовое совершенство теплообменного аппарата можно характеризовать отношением его массы М _т.а. к тепловому потоку:

Компактность теплообменника обычно оценивается величиной удельной поверхности , представляющей собой отношение площа­ди рабочей поверхности к объёму теплообменного аппарата:

Уровень гидравлических потерь характеризуется отношением мощности N, затрачиваемой на перемещение теплоносителей в теплообменнике, к тепловому потоку:

На эффективность теплообменника существенное влияние оказывают схема движения теплоносителей, скорость и режим их течения, форма и размеры каналов и др. Рассмотрим влияние основных факторов на эффективность рекуперативного теплообменного аппарата.

Схема движения теплоносителей. Сравнение проведём на примере прямоточной и противоточной схем теплообменных аппаратов. Для этого сопоставим их средние температурные на­поры при одинаковых в обеих схемах температурах теплоноси­телей на входе и выходе, коэффициентах теплопередачи и пло­щадях теплообмена. Очевидно, что чем больше средний темпе­ратурный напор, тем больше тепловой поток и выше эффектив­ность теплообменника. Рассмотрим два характерных случая: в первом – водяные эквиваленты теплоносителей равны, W₁ = W₂;во втором – они существенно отличаются, W₁ >> W₂ или W₁ << W₂.

В первом, случае (W₁ = W₂)средний температурный напор противоточной схемы оказывается больше, чем прямоточной. Это можно установить при сопоставлении зависимостей изменения температуры теплоносителей для этих схем теплообменных аппа­ратов, которые приведены на рис. 12.8. Нетрудно показать, что температурные напоры прямоточной и противоточной схем бу­дут одинаковы только в случае линейного изменения температур теплоносителей при прямотоке (пунктирные линии). Однако имеющая в действительности место нелинейность изменения тем­пературы при прямотоке приводит к снижению среднего темпе­ратурного напора. В результате этого тепловой поток при пря­мотоке оказывается меньше, чем при противотоке.

Рис. 12.8. Температурные поля прямоточного и противоточного

теплообменников для случая, когда W ₁ = W ₂

Особенностью второго случая, когда водяные эквиваленты теплоносителей значительно отличаются, является то, что температура теплоносителей с большим водяным эквивалентом остается, практически, постоянной (рис. 12.9, где принято W ₁ >> W ₂). Очевидно, что при этом изменение направления любого из теплоносителей, например второго (см. рис. 12.9, пунктирная ли­ния), не приведёт к изменению среднего температурного напора и, следовательно, величины теплового потока. Таким образом, при рассматриваемых условиях эффективность прямоточной и противоточной схем практически одинакова.

Обобщенная зависимость, позволяющая сравнить тепловую эффективность прямоточной и противоточной схем теплообмен­ников, приведена на рис. 12.10. Здесь показано отношение теп­лового потока при прямотоке Q _прям к тепловому потоку при про­тивотоке Q _прот для равных k и F. Отметим, что малое значение kF/ W ₁, означает существенное превышение температурного напо­ра по сравнению с изменением температуры, поскольку

Рис. 12.9 Температурные поля Рис.12.10. Сравнение

прямоточного и противоточного тепловой эффективности

теплообменников для случая, различных схем теплообменников

когда W ₁ >> W ₂

Из рисунка видно, что противоточная схема во всем диапазо­не изменения параметров теплообменника обладает равной или более высокой тепловой эффективностью, чем прямоточная. Другие схемы течения занимают промежуточное положение. Поэтому с точки зрения тепловой эффективности всегда следует отдавать предпочтение противоточной схеме. Однако возможны условия, при которых перекрестный ток при прочих равных параметрах обеспечивает большие, в сравнении с противотоком, коэффициент теплопередачи и эффективность теплообменника. Вместе с тем при окончательном выборе схемы течения могут иметь значение и другие факторы: компоновка, удобство монтажа и др.

Скорость и режим течения. Увеличение скорости теплоносите­ля и общем случае ведет к возрастанию коэффициента теплоот­дачи и, следовательно, к уменьшению поверхности теплообмена при заданном значении тепловою потока. Однако необходимо учитывать, что при ламинарном режиме течения теплоносителя коэффициент теплоотдачи незначительно зависит от скорости или вовсе не зависит от нее.

а б

Рис. 12.11. К вопросу определения эффективности коэффициента теплоотдачи

Турбулизация потока, как известно, приводит к значительно­му повышению коэффициента теплоотдачи. Поэтому искусствен­ная турбулизация потока путём создания в нем отрывных зон, вихрей и т. п. является одним из эффективных способов интенсификации теплообмена. Необходимо учитывать, что основное сопротивление тепловому потоку оказывает тонкий пристеночный слой теплоносителя. Поэтому нет необходимости затрачивать энергию на турбулизацию ядра потока; достаточно турбулизировать только пристеночный слой. Этого можно добиться поста­новкой в каналах выступов, канавок, диафрагм, способствующих образованию небольших отрывных зон и вихрей за ними. Пример трубки теплообменника с выполненными на ней диаф­рагмами приведен на рис. 12.11, а. При переходном и турбулент­ном режимах течения постановка диафрагм существенно повы­шает коэффициент теплоотдачи (рис. 12.11, б, где α ₀ – коэффициент теплоотдачи в гладкой трубе).

Следует отметить, что повышение эффективности теплообменника за счёт увеличения скорости теплоносителя или турбулизации потока связано с ростом гидравлических потерь в каналах и затрат энергии на прокачку теплоносителей. Поэтому окончательный выбор режима и скорости течения основывается на всестороннем анализе характеристик эффективности теплообменного аппарата

Формы и размеры канала. По форме канала рекуперативные теплообменные аппараты подразделяются на трубчатые или пластинчатые. В трубчатых теплообменниках каналом одного из теплоносителей является труба обычно круглой или овальной формы или пучок труб (см. рис. 12.2, а).Второй теплоноситель движется по межтрубному пространству.

В пластинчатых теплообменниках каналы образуются стенка­ми, разграничивающими теплоносители, и поперечными перего­родками (см. рис. 12.2, б). Форма поперечного сечения канала в них может быть самой разнообразной: прямоугольной, трапецие­видной и др.

Форма и эквивалентный диаметр канала d_э, (см. тему 10), а также шаг трубного пучка в трубчатых теплообменниках ока­зывают существенное влияние на эффективность теплообменно­го аппарата.

Уменьшение d_э ведет к росту коэффициента теплоотдачи и повышению, вследствие этого, эффективности теплообменника. Наиболее существенно это влияние при ламинарном режиме те­чения. Кроме того, уменьшение d_э, сопровождается увеличением поверхности теплообмена в единице объема, что при заданном Q позволяет уменьшить объем и массу теплообменного аппарата. Уменьшение шага трубного пучка в трубчатых теплообменниках также приводит к снижению их массы и габаритов.

Эффективным средством интенсификации теплообмена являет­ся оребрение его теплопередающих поверхностей. В пластинча­тых теплообменниках поперечные перегородки являются вместе с тем и рёбрами. Примеры использования оребрения в трубча­том теплообменнике приведены на рис. 12.12.

Рис. 12.12. Оребрённые теплообменники