Пластины с шевронными гофрами

Глубина и длина каналов являются двумя основными параметрами, изменение которых позволяет скорректировать тепловые характеристики теплообменников. Теоретически этот способ представляется очень эффективным, но на практике возникают некоторые проблемы:

Длина. Пластины разной длины нельзя монтировать в одной и той же раме разборного пластинчатого теплообменника. Для изготовления паяных ПТО, отличающихся длиной пластин, необходимо использовать иную оснастку, что повышает затраты на производство. Тем не менее, изменение длины является очень дешевым способом быстрого проектирования новых ПТО с требуемыми тепловыми характеристиками. Именно поэтому данный способ находит широкое применение.
Глубина. Для того чтобы пластина была прочной, глубина каналов должна быть как можно меньше. Так как теплообменник всегда работает при высоком давлении, разработчики стремятся применять по возможности мелкие каналы. Это означает, что диапазон изменения глубины очень ограничен. Глубину можно увеличить, но в ущерб сопротивлению давлению.

Рассмотрим пластины с шевронными — «в елочку» — гофрами. Обратимся к рисунку 13, где представлены типы пластин, и к рисунку 14, где представлены типы каналов. С помощью пластин двух типов, Н и L, можно получить каналы трех типов: L (используются две L-пластины), Н (используются две Н-пласти-ны) и М (используется одна L-пластина и одна М-пластина).

L-канал характеризуется низким перепадом давлений р, но и низкой теплопередачей — низким значением Q — для данного расхода воды на канал.
Н-канал характеризуется высоким перепадом давлений р, но и высокой теплопередачей — высоким значением Q — для данного расхода воды на канал.
М-канал характеризуется промежуточными значениями перепада давлений Dр и величины Q для данного расхода воды на канал.

"Добавить комментарий"

Влияние формы каналов

Теперь посмотрим, как можно изменять форму каналов для лучшего согласования теплообменника с нагрузкой. В случае а) нам понадобилось 8 каналов для получения требуемой температуры 8,2°С, однако для снижения перепада давления до заданного значения 35 кПа необходимо использовать 16 каналов. В этом случае теплообменник будет иметь избыточную тепловую мощность, и выходная температура воды будет равна 7,48°С.

Нам нужен канал пластинчатого теплообменника с меньшим гидравлическим сопротивлением, и мы готовы допустить меньший коэффициент теплопередачи. Проще всего использовать пластину с более глубокими каналами. Это снизит гидравлическое сопротивление и теплопередачу. Аналогично, в случае в) гидравлическое сопротивление очень мало. Уменьшая глубину каналов, мы увеличим гидравлическое сопротивление и теплопередачу, выраженную через параметр Q. Другими словами, изменение температуры охлаждаемой воды возрастет при той же разности температур двух сред.

Определенная глубина канала обеспечит требуемую теплопередачу при заданном падении давления. Число пластин в этом случае будет минимальным. Другой путь — это тот же рассмотренный выше случай г). Если в теплообменнике соединить последовательно по два канала, то получим просто теплообменник с удвоенной длиной каналов. В результате получим удвоенное значение параметра Q, т.е. термическая длина зависит от физической длины, поэтому для достижения заданных характеристик можно просто изменить длину пластин. Следовательно, для согласования тепловых и гидравлических характеристик ПТО мы можем варьировать глубину и длину каналов.

Увеличение длины — Повышение Q и р
Уменьшение глубины — Повышение Q и р

"Добавить комментарий"

Теплопередача в каналах

Выше мы видели, что выбранный теплообменник может не удовлетворять требуемому температурному режиму. В таком случае мы пытались менять режим работы, изменяя расход воды за счет избыточного запаса площади или снижения перепада давлений. Другим решением является изменение самого теплообменника. Для этого нам нужно знать свойства ПТО.

Обратимся снова к примеру, в котором вода с температурой 12°С охлаждается водой, имеющей температуру 2°С. Посмотрим, что произойдет в паре каналов с холодной и теплой водой при увеличении расхода. Изменения температуры воды на охлаждающей и охлаждаемой сторонах равны между собой. В дальнейшем будем вести речь только об охлаждаемой стороне, на охлаждающей стороне происходит аналогичный процесс. Мы будем рассматривать не теплообменник целиком, а только отдельный канал. В таблице 1 представлены некоторые данные для СВ76.

Величина Q обозначает термическую длину, т.е. снижение температуры, отнесенное к средней разности температур. Отметим, что нет смысла говорить об абсолютном значении снижения температуры, оно всегда должно быть отнесено к движущей силе процесса — средней разности температур.

а) Нам нужно охладить 16 000 кг/ч воды с12 до 8,2°С равным количеством воды, имеющей температуру 2°С. При расходе 2000 кг/ч на канал получаем 8,14°С, достаточно близко к требуемому значению. Для охлаждения необходимо 16 000/2000 = 8 каналов (двойных). Однако падение давления на охлаждаемой стороне будет весьма значительным, 129 кПа.

Что если мы можем допустить только 10 кПа? В случае расхода 500 кг/ч на канал перепад давлений составит 9,75 кПа, а выходная температура будет равна 6,86°С, но при этом потребуется 32 канала. На рисунках с 5 по 10°Соответствующая точка находится далеко на правом участке кривой. Число каналов определяется только допустимым падением давления.

б) Предположим, что требуется охладить 10 000 кг/ч воды от 16 до 8,8°С с помощью равного количества воды, имеющей температуру 2°С. Предположим также, что величина коэффициента теплопередачи К не изменяется при изменении температуры от 12 до 16°С. Допустимое падение давления равно Др = 10 кПа.Величина Q для такого режима равна (16 — 8,8)/(8,8-2) = 1,059. По таблице определяем, что Q, равная 1,056, соответствует расходу 500 кг/ч на канал. Это означает, что выходная температура равна 8,81°С, а перепад давлений Др = 9,75 кПа. Эти значения удовлетворяют поставленной задаче. Следовательно, нам потребуется 10 000/500 = 20 каналов.

в) Нам требуется охладить 20 350 кг/ч воды от 12 до 6,1°С при максимальном падении давления Dр = 70 кПа. Из таблицы находим, что расход 203,5 кг/ч на канал соответствует выходной температуре 6,14°С Следовательно, потребуется 20 350/203,5 = 100 каналов. Давление упадет всего лишь на 2,14 кПа, и на рисунках с 5-го по 10-й соответствующая точка будет находиться на левом участке кривой.

г) Есть другой путь. Предположим, что мы соединили два канала последовательно и пропускаем через них 1500 кг/ч на канал. Каждый канал будет характеризоваться значением Q, равным 0,707. Мы получим следующий температурный режим:

Канал 1 Канал 2
12 — 9,07 — 6,14°С
7,86 — 4,93 — 2°С

Это близко к тому, что мы хотели бы получить. Но теперь нам нужно только:

2 х 20 350/1500 = 27,1 ~ 28 каналов.

К сожалению, суммарное падение давления при последовательном соединении увеличится вдвое: 2х74,8 = 150 кПа. Для того чтобы падение давления было равно требуемому значению 70 кПа, на один канал должно приходиться 35 кПа. Это выполняется для расхода 1000 кг/ч на канал. Тогда получаем: 2 х 20 350/1000 = 40,7 ~ 41 канал. Это все-таки лучше, чем 100 каналов, которые мы получили вначале. Имеется еще одно дополнительное преимущество — выходная температура воды составит около 5,8°С вместо требуемых 6,1°С. Точка на графике расположится на этот раз справа.

"Добавить комментарий"

Разность температур

Как температурный режим влияет на оптимальные параметры? В нашем примере вода охлаждается с 12 до 7°С охлаждающей водой, имеющей температуру 2°С. Если увеличить температуру охлаждающей воды до 4°С, то площадь поверхности теплообмена, скорее всего, придется увеличивать. Но как изменится оптимальный расход воды, при котором получается минимальная площадь? Если входная температура охлаждаемой воды изменится с 12 до 10°С, как это повлияет на оптимальный расход?

Чтобы ответить на эти вопросы, нам следует приводить температурный режим к стандартному виду. Очевидно, что охлаждать воду с 12 до 7°С не то же самое, что с 8 до 7°С, даже если температура охлаждающей воды в обоих случаях 2°С. Введем понятие термической длины. Под этим понимается выраженное в кельвинах изменение температуры одной из сред, как правило, охлаждаемой, приходящееся на один кельвин СРТ. Смысл этой величины можно понять без углубления в детали вычислений. Если принять, что общий коэффициент теплопередачи остается неизменным, то охлаждение воды от 12 до 7°С с помощью воды, нагревающейся от 2 до 7°С, это то же самое, что и охлаждение воды от 120 до 70°С с помощью воды, нагревающейся от 20 до 70°С.

В первом случае мы охлаждаем воду на 5 К при СРТ, равной 5 К, во втором случае охлаждаем на 50 К при СРТ 50 К. В обоих случаях мы получаем 1 К/К. Термическая длина, обычно обозначаемая Q (тэта), равна в нашем случае просто 1,0 (безразмерная величина). Проблема заключается в том, что для расчета СРТ нам нужно знать все четыре конечные температуры. Однако мы не знаем выходную температуру охлаждающей воды, она зависит от расхода, а этот расход нам и предстоит определить.

Введем понятие конечной термической длины (КТД). Оно проиллюстрировано рис. 11. КТД представляет собой отношение изменения температуры охлаждаемой воды к разности между выходной температурой охлаждаемой воды и входной температурой охлаждающей воды. На рисунке показаны два температурных режима, которые на вид сильно отличаются друг от друга, однако расчет приводит к одинаковым значениям КТД. Выходная температура воды изменяется в обоих случаях между крайними значениями, соответствующими минимальному и бесконечному расходам, но не достигает их.

Итак, если мы изменим КТД, как это повлияет на оптимальный расход воды? Какие другие параметры влияют на оптимальный расход? Что произойдет с перепадом давлений? Мы приведем примеры нескольких расчетов:

а) Увеличим входную температуру охлаждающей воды до 4°С и определим оптимальные параметры:

Вода 10 кг/с 12 — 7°С
Вода 10,9 кг/с 9 — 4°С
Два аппарата (CB76-70H; 6,8 м2), М = 5%

При КТД = 5/3 = 1,67 расход возрастает до G2/G1 = 1,09.
б) Во втором примере уменьшим КТД до 0,5, изменив входную температуру воды до 9,5°С:
Вода 10 кг/с 9,5 — 7°С
Вода 4,54 кг/с 7,5 — 2°С
Два аппарата (CB76-30H; 2,8 м2), М = 5%

Комментарий. Давление на стороне 1 падает очень сильно, т.е. оптимальный режим, по-видимому, будет находиться на линейном отрезке, как на рис. 7. Оптимальный расход при КТД = 2,5/5 = 0,5 равен G2/G1 = 0,454.

Таким образом, мы можем составить таблицу:

КТД 0 0,5 1,0 1,67 ~
G2/G1 0 0,454 0,77 1,09 ~

Оптимальный расход получен. Оптимальный расход предельным переходом получен предельным переходом.

Обратимся к рис. 12, на котором показана зависимость оптимального расхода воды от КТД, а запас площади и перепад давлений являются параметрами. Направление изменения этих параметров можно определить из результатов предыдущего обсуждения.

Полученные выше результаты находятся в согласии со здравым смыслом. Когда разность температур двух сред очень мала и (или) температура охлаждаемой воды изменяется очень сильно, т.е. для больших КТД — случай а) здравый смысл подсказывает увеличить разность температур. Для того чтобы понизить выходную температуру охлаждающей воды, необходимо увеличить ее расход.

При небольшом изменении температуры охлаждаемой воды и (или) значительной разности температур двух сред, т.е. для малых КТД — случай в), требуется сравнительно небольшая площадь поверхности теплообмена и большой расход воды. Число каналов определяется допустимым перепадом давлений. Теплообменник, скорее всего, будет иметь очень большой запас площади поверхности теплообмена. Поэтому следует уменьшить расход воды и число пластин. Поскольку теплообменник имеет большой запас площади, это не повлияет на производительность.

"Добавить комментарий"

Изменение физических свойств жидкостей

Строго говоря, физические свойства не входят в число параметров оптимизации. Мы не можем оптимизировать теплообменник с помощью изменения вязкости, поскольку вязкость является свойством жидкости, а не аппарата. Тем не менее, иногда важно определить, как повлияет на характеристики теплообменника замена, например, воды на гликоль.

Коэффициент теплопередачи уменьшается при увеличении вязкости и уменьшении теплопроводности. Его зависимость от удельной теплоемкости и плотности не такая явная и, во всяком случае, она менее сильная. Коэффициент теплопередачи возрастает с увеличением этих параметров, но это означает, что потребуется меньше жидкости, т.е. меньший расход через каналы.

Во всяком случае, если мы будем применять жидкость с более высокой вязкостью и более низкой теплопроводностью, то площадь — т.е. число каналов — возрастет. Как правило, это означает, что расход жидкости может быть увеличен, что приведет к увеличению СРТ и полного коэффициента теплопередачи. Это, в свою очередь, позволит снижать площадь и число каналов до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Если же увеличение вязкости будет очень большим, то перепад давлений возрастет, и это может потребовать уменьшения расхода. Площадь будет увеличиваться, но оптимальный расход может быть как больше, так и меньше чем для первой жидкости. В качестве примера рассмотрим что произойдет, если в нашей системе заменить воду на 20% пропиленгликоль (ПГ). Параметры системы при сохранении оптимального температурного режима, найденного для воды, следующие (см. рис. 10):

Вода 10 кг/с 12 — 7°С р1: любое
20% ПГ 8 кг/с 8,5 — 2°С р2 = 45 кПа
Два аппарата (CB76-70H; 6,8 м2), М = 5%, р1/2 = 35/26 кПа

Площадь — и число каналов — возросли, поэтому перепад давлений снизился до 26 кПа. Запас площади равен заданному значению. Как показано на рис. 10, точка, соответствующая этому режиму, находится на левом участке кривой для гликоля. Расчет оптимального режима дает следующие результаты:

Вода 10 кг/с 12 — 7°С р1: любое
20% ПГ 8.82 кг/с 8,5 — 2°С р2 = 45 кПа
Два блока (CB76-56H; 5,4 м2), М = 5 1 р1/2 = 52/45 кПа

Последний теплообменник ненамного больше, чем оптимальный теплообменник для воды, однако, расход жидкости через него значительно увеличился. В заключение можно отметить, что если учет физических свойств жидкости приводит к увеличению ПТО, то оптимум сдвигается в сторону более высокого расхода и большей площади теплообменника.