Глава XIII. Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов (Под общ. ред. академика В.С.Авдуевского и проф. В.К.Кошкина - Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике)

ГЛАВА ХН! ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 13.1. ОСНОВНЫЕ СХЕМЪ| АВИАЦИОННЫХ И РАКЕТНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Основными элементами системы охлаждения являются теплообменные аш1араты и излучатели, параметры которых в свою очередь сильно зависят от используемых теплоносителей. Свойсзва теплоносителя, консзрукция теплообменных аппаратов и коммуни- каций определяют необходимую мощность на прокачку теплоноси- телей и тип циркуляционных ыасосов, Рассмотрим кратко основные схемы авиационных и ракетных теплообменных аппаратов, их гидравлический и тепловой рас- чет. Выбор схемы того или иного теплообменного аппарата всегда связан с компромиссом между различными предъявляемыми к нему требованиями.

Основные ребования к авиационным и ракетным теплообмен- никам следующие. 1. Надежность в пределах заданного ресурса времени работы. 2. Минимальная масса и габаритные размеры. 3. Высокая эффективность. 4. Удобство компоновки. 5. Малые гидравлические потери. . 6. Технологичность конструкции. ..' 7. Удобство эксплуатации. 8. Минимальная стоимость.

В каждом конкретном случае важность каждого из этих требо- ваний и их сочетание различны, что определяет многообразие реальных схем теплообменников. Все теплообменные аппараты по способу передачи тепла могут быть разделены на две большие группы: поверхносп1ые и контакт- ные (рис. 1'3.1). Во всех поверхностных т плообменниках оба теплоносителя омывают обычно разделяющую их твердую стенку, которая таким образом участвует в процессе теилообмена. Каж- дая поверхцос'гь стенки образует так называемую поверхность теплообмена.

В зависимости от назначения теплообменного аппа- рата эти поверхности также часто называют поверхностью нагрева или охлаждения. В контак1ных теплообменных аппаратах тепло передается путем непосредственного контакта двух теплоносителей: горячего и холодного; при этом теплообмен сопровождается и массообменом. Все поверхнос1ные теплообменники разделяются на рекуперативные и регенератинные.

332 Ркс. )3.!. Классификация теплообыеннмх аппаратов Рнс. !Зтн Принципиальная схема Рекуператнвного теплообменннка: > — первичный (торнчий) тенлоиоситель; — вторичный (холодный) теолоноситель; а — поверхность теллооаыеие Ркс. (З.З. Принципиальная схема регенсративного теллообмен.>ика: ( — первичный (горячий) тевлоиоситель; Х вЂ” вторичный (холодный) тенлоноснтель В рекуператианых аппаратах (рис. 13.2) одна поверхность стенки все время омывается одним теплоносителем, а другая— другим. Тепло от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала. Направление теплового потока (,) в стенке остается неизменным.

В рсгенеративиых аппаратах одна и та же поверхность тепло- обмена попеременно омывается то одним, то другим теплоносителем. В период нагрева, т. е. при проходе горячего теплоносителя, стенки теплообменника и набивка в виде шаров, колец и др. нагреваются, в них аккумулируется тепло, которое в период охлаждения отдается протекающему вторичному теплоносителю (рис. 13.3). Направление потока тепла в стенках периодически меняется.

Примером таких установок являктся воздухоцодогреватели газотурбинных установок, воздухоподогреватели типа Юнгстрем и др. Рекуперагивные теплообменные аппараты, в свою очередь могут быть классифицированы по следующим признакам: 1) по Роду теплоносителей в зависимосгп от их агрегатного состояния (Рис. 13.4); 2) по конфигурации поверхности теплообмена. Рнс.

13ли Класснфнкаппя рскупераснвных;еп.юобыскяяков пг внху агрегатного состояния теплоносителей Теплообменные аппараты классифицируются также по наличию или отсутствию изменения агрегатного состояния теплоносителей при прохождении их в теплообменном аппарате. Соответственно имеются аппараты: 1) без изменения агрегатного состояния теплоносителей; 2) с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя — конденсация пара (первичного теплоносителя) или кипение жидкости (вторичного теплоносителя); 3) с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей, например конденсация первичного пара и кипение вторичной воды, подогреваемой этим паром.

Кроме приведенных основных классификационных признаков теплообменных аппаратов, они могут также классифицироваться по целому ряду дополнительных признаков. Так, например, все теплообменные аппараты поиерхиослного тига можно классифицировать по виду взаимного направления потоков теплоносителей. Все поверхностные теплообменники могут быть: 1) прямоточные, когда ооа теплоносителя движу1ся параллельно в одном направлении (рис. 13.5, а); 2) противоточиые, когда оба теплоносителя движутся в противоположных направлениях (рис.

13.5, б); 3) с перекрестным током, когда теплоцосители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях; перекрестный ток может быть однократным и многократным (рис. 13.5, в и г); 4) с более сложными схемами различного сочетания прямотока, про1ивотока и перекрестного тока (рпс.

13 5, д и е). );роме всех приведенных отличительных признаков, теплооб- Рнс. 13.5. Классяфнкапня поверхностных теплообменных аппаратов по виду взанмного направлення потоков теплоноснтелей: о .- прямогок; б — проенвогок: а — однократный перекресгкый гок: а многократный 1е«сырехнрагный) перекрестный сок; д, е— сложные схемы г) г) б о об б б б б б об б е) Рис. !З.б. Типисиыс кы с г! Тктиниые схемы реы пера|киных тг плообмеииых аппаратоиг а - *труби е трубе» про~ имок, б -- коыухсгругиый ирмниоток и, .', о - — кокухотрубный, многократнигй перскреыиый ток. е — трубы ы,п пгр крест ый тон; ис — пластин И1тп.нсбРИСтЫй ПЕРеКР*СГНЫй тОК: à — ГОРПИИН П,ГИОК, г — ХОПОЛНЫй Пптан минные аппараты можно также классифицировать по назначению В!одогреватсли, охладители и т.

д.), материалу поверхности тепло- обмена, числу ходов теплоносителя н т. п. р!а рис 13.6 для илгпострацпи приведены некоторые типичные схемы геплообменных аппаратов различного назначения. г3.2. Тс!гЛОИОСИТЕЛИ Во многих случаях тсплоноснтели не выбираются, а задаются, например, если требуется охлаждать масло топливом или воздухом и др, В гех случаях, когда этот выбор возможен, он 335 обычно производится в результате рассмотрения совокупности многих факторов и требований.

Иногда выбор теплоносителя связан с расчетом и конструктивной проработкой двигательной установки и даже всего летательного аппарата в целом (например космические летательные аппараты). Короче говоря, выбор теплоносителя и типа теплообменного аппарата, т. е. системы охлаждения, в ряде случаев представляет сложную задачу и не может решаться в отрыве от обьекта в целом. При выборе теплоносителей большое значение имеют их тепло- физические и эксплуатационные свойства, такие, как теплопроводность, вязкость, теплоемкость, плотность, агрегатное состояние, коррозионные свойства, химическая стабильность, температуры и теплоты плавления и кипения и т.

п. В авиационной и ракетной технике в качестве теплоносителей применяются самые различные вещества: газы, топлива, масла, специальные органические и неорганические жидкости, вода, жидкие металлы, криогенные жидкости и т. д. Наша задача — рассмотрение методов теплового и гидравлического расчета теплообменных аппаратов. Это предполагает, что для каждого варианта расчета теплоносители и схема теплообменного аппарата заданы. Поэтому анализ выбора теплоносителей и схемы теплообменного аппарата не приводятся. Как уже отмечалось, выбор теплоносителей и схемы теплообменного аппарата производится на основе анализа конструктивной проработки и вариантных расчетов всей двигательной установки, энергосистемы или системы охлаждения с учетом задач и требований, предъявляемых к объекту в целом.

13.3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ Задача гидравлического расчета теплообменного аппарата заключается в определении потерь давления теплоносителя Лр между входом р„и выходом р,. Этот перепад давлений Ар = = р, — р, необходим для прокачки теплоносителя с заданным расходом через теплообменный аппарат. Перепад давлений необходим для преодоления: трения теплоносителя о стенки каналов; местных сопротивлений (сужения, расширения, повороты потока, вентили, задвижки и т.

п.); массовых сил (силы тяжести в гравитационном поле и т. и.); инерционных сил (ускорение потока во времени при иестационарном движении теплоносителя, ускорение потока по длине канала при изменении его удельного объема вследствие нагрева). Искомый перепад давлений Ар может быть найден из решения уравнения (9.2), если известна зависимость ф = (х, т). На практике принято учитывать потери на трение при одно- 336 мерном описании не коэффициентом ф, а коэффициентом гидравлического сопротивления (13.1) где и — среднерасходная скорость теплоносителя в канале (для некруглых каналов вместо диаметра трубы с( используют эквивалентный диаметр й, =- 41)У, где! — поперечная площадь канала, а У вЂ” его периметр). С учетом уравнения (13.1) одномерное уравнение движения (9.2) будет 6 ди ди др ри1 — —,, +о —,„=1рг.— 7 — „— (й — „,. (!3 ) Коэффициент гидравлического сопротивления $ обычно находится из эксперимента, реже — из теоретического решения трехмерной системы уравнений для течения в соответствующем канале.

Согласно формуле (9.9) в общем случае стационарного течения в каналах $ =- ~р !х(А йе, Сп, р /р1, р„/91, Х /).1, (с ) !(с )1!. Рассмогрим важные частные случаи решения уравнения (13.2). 1. Стационарное течение несжимаемых жидкостей (р = сопз!). Тогда уравнение (13.2) будет — дх =- — Р и+1 2д др ри' (13.3) Его решение — ри' 1 Ар.— р, — ро — $ —, (1 3.4) где $ — средний на длине ! коэффициент гидравлического сопро- тивления = — ') $ (х) г(х. о Аналогично, г„= —,' ) р'„()(.

о Если в канале имеются местные сопротивления, то они учитываются коэффициентом местных потерь ~, который по определению равен ирм ри'„-' /2 (13. 5) где Лрм — гидравлические потери на местном сопротивлении; и — характерная скорость в местном сопротивлении. Значение ~ для различных типов местных сопротивлений обычно находят из опыта по уравнению (13.5). 337 Тогда суммарные гидравлические потери иа прокачку жидкости через теплообменный аппарат с учетом местных потерь будут и ри! ! ч-ч ри! 2 д ' х' + Х'.З ь! 2 (13.8) ! ! 2, Стационарное течение газов при дозвуковых скоростях (р — чаг )и( г( 1) Уравнение (13.2) принимает вид ди др ри' 6 — =- МР— / — — Б— дх * дх 2д или с учетом, что 6 = ри1, после разделения переменных 2 РН б, би Интегрируя по длине канала от 0 до 1, находим й' ! бР= Р! — Р =-6/! (их — и!) 1-$ =, — „— рР,! (137) Здесь в выражениях д( — ах= =! $ !(х=- =!и з! рР„!(х=-р 1Р„с(х-= ! г р о р о = РР„! использована обобщенная теорема о среднем, так как э!р и рРх — интегрируемые на !О, 1) функции.