Теплообменных аппаратов

Техническая харак­теристика спирального теплообменника зависит от выбранной конст­руктором площади поперечного сечения спирального канала, которая определяет пропускную способность аппарата при рациональных ско­ростях сред в каналах.

Для унификации изготовления спиральных теплообменников на­бор ширин лент обычно ограничен. Для изготовления спиральных теплообменников применяют ленты шириной 400, 500, 700, 1000 и 1100 мм, штифты высотой 5, 8, 12, 16, 20 мм, что позволяет увеличить эффективную область применения спиральных теплообменников.

Теплопередача в спиральных теплообменных аппаратах. При турбулентном режиме течения в инженер­ных расчетах стандартных спиральных теплообменников можно ис­пользовать формулу

Nu = 0,021 Re^0,8Pr^0,43(Pr/Pr _ст ) ^0,25.        (8.1)

При замене конструкции штифтов на турбулизаторы в виде скоб теплоотдача повышается и может быть рассчитана по формуле

Nu = 0,03 Re^0,8Pr^0,43(Pr/Pr _ст ) ^0,25.            (8.2)

За определяющий размер в этих формулах принят эквивалентный диаметр капала, за определяющую температуру − средняя температу­ра рабочей среды.

При ламинарном режиме течения (Re < 2000) теплоотдача может быть определена по формуле

Nu = l,85[RePr(d _экв /L)].                   (8.3)

При пленочной конденсации однокомпонентного пара на верти­кальных стенках спирального канала теплоотдача определяется по формуле

,                                 (8.4)

где g = 9,81 м²/с − ускорение свободного падения; r − теплота парообразования; l _к − длина стенки, по которой стекает конденсат (ширина ленты); t_s − температура насыщения; t_cт − средняя температура стенки.

Для интенсификации работы спиральных теплообменников и по­лучения в них коэффициентов теплоотдачи не ниже, чем в прямых трубах соответствующего диаметра, желательно работать при Re >> 15000.

Экспериментально установлено, что в стабилизированном турбулент­ном потоке уравнения для расчета падения давления в круглых тру­бах можно использовать и для расчета каналов некруглого сечения, если в качестве определяющего размера пользоваться эквивалентным диаметром, равным

d_экв= 4 f / П,                                           (8.5)

где  f − площадь проходного сечения канала; П − смоченный периметр сечения.

Гидравлические сопротивления спиральных щелевидных каналов при неизометрическом турбулентном движении, так же как и для прямых труб, подчиняются зависимости

.                                    (8.6)

Для определения потери напора при прохождении жидкости через канал спирального теплообменника с распорными штифтами известна формула

,              (8.7)

где В − величина, зависящая от шага штифтов и их зазоров; А − постоянная.

Величина А достаточно точно аппроксимируется выражением А =  28/( δ + 0,125), где δ − зазор (высота) канала, величина В = 1,5 для шага штифтов 70 мм и диаметра 8 мм.

Экспери­ментальные данные в виде зависимости Δp = f ( Re ) показаны на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Зависимость гидрав­лического сопротивления спи­рального теплообменника от Re

С достаточной для инженерных расчетов точностью в случае тур­булентного движения рабочей среды потерю давления в стандартном спиральном теплообменнике со штифтами в каналах, Па, можно определить по формуле

      .                               (8.8)

Коэффициент общего гидравлического сопротивления единицы от­носительной длины спирального теплообменника при Re > 2000 ÷ 100 000

.                                   (8.9)

При ламинарном режиме течения (Re < 2000)

ξ = 375 Re ⁻¹.                              (8.10)

Определение размеров спиральных каналов. Поверхность нагрева спирального теплообменника, полученная на основании теплового расчета, связана с размерами спиралей соотношением

F = 2Lb_c,                                       (8.11)

Рис. 8.2. Схема к расчету длины спирального канала теплообменника:

1 − наружный канал; 2 − внутренний канал

где  L − эффективная длина спирали от точек  т и  п до точек  М  и  N  (рис. 8.2); b _с − эффективная ширина спирали, равная ширине навиваемой ленты за вычетом толщины входящих внутрь спирали металлических лент или прокладок: b _с  ≈ b − 20 мм, здесь b − ширина ленты.

Эффективную длину спирали определяют с учетом того, что наружный виток спирали не участвует в передаче теплоты.

Каждый виток строится по двум радиусам, например, первый виток − по радиусам r ₁ = d /2; r ₂ = r ₁ + t, где  t = δ + δ_ст − шаг спирали; δ − высота канала (зазор между спиралями). Определяется высотой дистанционирующих штифтов; δ_ст − толщина ленты. Длина первого витка

l ₁ = 2π[( r ₁ + r ₂ )/2] = π( r ₁ + r ₂ + t ) = 2π r ₁ +2π t ∙0,5;

длина второго витка

l ₂ = 2π r ₂ +2π t ∙2,5;

длина  п-го витка

l_n = 2π r_n +2π t (2n – 1)

Суммируя, получаем длину одной спирали

L = l ₁ + l ₂ + … + l_n = 2π r ₁ + π t (2n – 1),          (8.12)

отсюда число витков, необходимое для получения эффективной длины, определяется по уравнению

     ,               (8.13)

где  d = 2r + t − внутренний диаметр спирального теплообменника.

Число витков обеих спиралей

 N = 2n.                                              (8.14)

Наружный диаметр спирали с учетом толщины листа определяет­ся по формуле

D = d + 2Nt + δ_ст,                               (8.15)

    Площадь поверхности теплообмена определяется из уравнения теплопередачи

.                                        (9.16)

    Из (9.11), длина листов спирали

.                                        (8.17)

Действительные длины листов спиралей (между точками m и m ' для первой спирали и между точками п и п' для второй спирали, рис. 8.2), определяются по соотношениям

L_I = L +(1/4) π D + a₁ ,                           (8.18)

L_II = L +(3/4) π D − b₁.                          (8.19)