Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Теплота, рассеиваемая ребром, определяется по формуле 9р —— 47'=-0,633 10 4 Г' СьаХи)Т,',(! — 57))+4Т!). (14.39) Формула (14.39) позволяет найти коэффициент эффективности ребра постоянной толщины Яр Ч с, ш (т', — т,') )о- 1 / )ч ! — зт)+4т) 'г' Спг и)з Т, '(! — т4!)™ (14 40) где 1 — длина ребра. Более подробно с методикой расчета излучающих ребер можно ознакомиться в (6), !И. 15' 45! где Т вЂ” температура сечения ребра, отстоящего от корня на рас- с.,и. )о'-8 стоянии х (рис. 14.5); и'= 'в 77 ю; С„р — приведенный коэффи- циент излучения поверхности ребра и окружающей среды. ат Обозначим — = р. При использовании новой переменной урав- чх пение (14.34) приведется к виду 9 6. Ребристая стенка минимальной массы При создании ребристой стенки важно выбрать такие конструктивные параметры ребер, которые при заданной степени интенсификации теплообмена имели бы минимальную массу.
Для прямого ребра с постоянной толщиной б и шириной 1 масса выразится формулой глр = АЕ.р, где А = б( — площадь продольного сечения ребра; р — плотность материала. При постоянной массе ребра величины б и 1 могут изменяться при условии, что Я = сопз(. Оптимальными будут такие параметры, которые при тр = сопз( обеспечат максимум переданной ребром теплоты. Для ребра, передающего теплоту в окружающую среду в основном вследствие соприкосно вения, при А = сопз1 условие максимального теплового потока имеет вид к (14. 41) 1/б а Конструктивные параметры, отвечающие этому условию, характеризуют ребро минимальной массы. Форма продольного сечения также влияет Ркс.
14,9 на массу ребра при заданной величине тепло- вого потока. Э. Шмидт показал, что ребро имеет минимальную массу, если плотность теплового потока (или температурный градиент) по длине ребра не изменяется. Для прямого ребра это условие выполняется в случае, если контуры его образованы дугами окружности (рис. 14.9). Разница в массе ребра с криволинейными образующими и треугольного ребра (пунктир на рис. 14.9) составляет всего около 4',(ы поэтому из технологических соображений более целесообразно использовать ребра с треугольным профилем.
Для ребра с треугольным профилем условие минимальной массы ребра имеет вид: =„= 0,9251 (14.42) Здесь 6 — толщина ребра у основания. При оптимальном соотношении конструктивных параметров и одинаковом тепловом потоке масса ребра с треугольным профилем в 1,44 раза меньше массы ребра постоянной толщины.
Существенное влияние на массу ребер оказывает материал. Прн заданной величине теплового потока масса ребра увеличивается пропорционально отношению —. Величина этого соотношения для Х' медного и стального ребер болыпе, чем для алюминиевого, в 1,96 и 11,8 раз соответственно. Чтобы увеличить поверхность соприкосновения ребристой стенки с теплоносителем, надо уменьшить толщину каждого ребра н увеличить число ребер (т.
е. уменьшить шаг ребер). Если общая масса не изменяется, то при Е = сапзг и 1 = сонэ( общее поперечное сечение ребер не зависит от числа их. Увеличение числа ребер, а следовательно, уменьшение нх толшины, ограничивается условиями теплообмена в межреберном пространстве. Когда расстояние между ребрами становится меньше двух толщин пограничного слоя, тогда благодаря взаимодействию пограничных слоев уменьшается коэффициент теплоотдачи, и эффективность ребер ухудшается. Опыты показывают, что взаимодействие турбулентных пограничных слоев не оказывает существенного влияния на интенсивность теплообмена, поэтому допустимое расстояние между ребрами можно определять по формуле ламинарного пограничного слоя (6.17) при Ке ( Ке„р.
Экспериментально установлено, что уменьшение расстояния между ребрами от 26„,(б„я — толщина ламинарного пограничного слоя) до 1,126 слабо отражается на интенсивности теплообмена (25]. Толщина пограничного слоя зависит от скорости вынужденного движения. При теп.тоотдаче в условиях свободного движения толщина пограничного слоя достигает 10 мм и больше. На практике выбор толщины ребра и расстояния между ребрами ограничены производственными возможностями и зависят от технологии изготовления стенки. Так, для литых алюминиевых кольцевых ребер двигателей внутреннего сгорания средняя толщина принимается равной 2 мм, высота — 40 мм н шаг — не меньше 6 мм.
У чугунных точеных ребер шаг можно уменьшить до 3,5 — 4 мм при средней толщине ребра 1 мм и высоте 15 — 20 мм. Для стальных точеных ребер расстояние между ребрами выбирается до 1,5 мм при толщине ребра 0,5 и высоте до 25 мм (17). Последние размеры близки к оптимальным. Оптимальные параметры найдены также для излучающих ребер. Так, для прямого ребра постоянной толщины при 7', = 0 минимальная масса ребра обеспечивается при выполнении соотношения 2 486.10-Я "' То (14.43) х ГЛАВА ХУ ТЕПЛООВМЕННЫЕ АППАРАТЫ Теплообменными аппаратами (теплообменннками) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.
Необходимость передачи теплоты от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники. Теплообме~вики применяют в системах охлаждения. Их используют также при создании теплосиловмх установок летательных аппаратов, особенно в ядерных двигателях. Широкое распространение теплообменных аппаратов обусловило многообразие их конструктивного оформления.
В 1. Основные виды теплообмениых аппаратов По принципу действия теплообменники подразделяют на три вида: р е к у п е р а т и в н ы е, р е г е н е р а т и в н ы е и смесительные. В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. На рис. 15.1 показан пример рекуперативного теплообменника, в котором один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.
6~ ! 1 1 е) Ряс. 15 2 Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рпбочей поверхностью теплообменника. Рекуперативные теплообменники подразделяют в зависимости от направления движения теплоносителей (рис. 15.2). Если тепло- носители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным (рис. !5.2, а), при противоположном направлении движения — противоточным (рис. 15.2, б). В теплообменнике с перекрестным током теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможен однократный (рис.
15.2, е) и многократный (рис. 15.2, г) перекрестный ток. Встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей (рис. 15.2, д и е), Конструктивно рекуперативные теплообменники могут выполняться с трубчатыми и с пластинчатыми рабочими поверхностями.
Пример трубчатого теплообменника показан на рис. 15.1. В пластинчатом теплообменнике рабочая поверхность образована набором параллельных плоских пластин. Каналы между пластинами объединены через один общими коллекторами и образуют, таким образом, полости для каждого из теплоносителей. Возможны также теплообменники с рабочей поверхностью в виде вращающейся трубы. В таких аппаратах можно получить значительное увеличение коэффициента теплопередачи (26).
Рекуперативные теплообменники, предназначенные для утилизации теплоты в газотурбинных установках, называют регенераглорами; теплообменники для рассеивания теплоты горячей воды в окружающее пространство (например, в системе охлаждения автомобильного двигателя) называют радиаторами. Назначением определяются также названия: гоэдухоподогрегагпели, маелоохладители, пароперегрееатели и т. п. В регенеративном теплообменнике одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю.
Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стенки должны обладать значительной теплоемкостью. Характерная особенность регенеративного теплообменника— нестационарный режим теплообмена. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.
Внутренняя полость теплообменника заполняется насадкой, которая делается из кирпича, металла или другого материала. В смесительных теплообменниках процесс теплообмена сопровождается перемешиванием теплоносителей, т. е. они непосредственно соприкасаются друг с другом. Поэтому смесительные теплообменники называются также контактными. Процесс теплообмена в таком аппарате имеет стационарный характер и сопровождается испарением жидкости. Смесительный теплообменник целесообразно использовать для таких теплоносителей, которые легко разделить после теплообменного аппарата. Например, такой парой теплоносителей является вода и воздух, Наиболее важным фактором в рабочем процессе смесительного теплообменного аппарата является величина поверхности соприкосновения теплоносителей, которая зависит от степени дробления жидкости.
Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей можнО разместить насадку, которая представляет собой слой кускового материала (например, куски керамики, кокса н т. п.), или деревянные решетки. Пленка жидкости на поверхности насадки представляет собой дополнительную поверхность контакта, которая иногда может быть основной поверхностью теплообмена. Из трех рассмотренных выше видов теплообменников наиболее широкое и разностороннее применение находят рекуперативные теплообменники. Поэтому в остальных параграфах этой главы рассматривается расчет и выбор параметров только для рекуперативных теплообменников. 455 9 2. Тепловой расчет рекуперативного теплообменника Различают конструктивный и проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата. Цель конструктивного расчета состоит в определении величины рабочей поверхности теплообменника. которая является исходным параметром при его проектировании.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
