ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛООБМЕННИКА И СПОСОБЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

При проектировании теплообменного аппарата конструктор выбирает форму рабочей поверхности, схему движения теплоносителей и их скорости, конструктивные параметры (диаметр трубок, расстояние между ними, расстояние между пластинами). При этом выполняется тепловой и гидравлический (а иногда и прочностной) расчеты нескольких вариантов аппарата, с тем чтобы выбрать из них наиболее эффективный. Разрабатываются и системы автоматизированного проектирования теплообменных аппаратов (САПР ТА), в которых оптимальные конструктивные параметры теплообменного аппарата находятся из условия экстремального значения функции цели (критерия эффективности) или оптимального сочетания критериев эффективности (многоцелевая оптимизация).

Эффективность теплообменника можно оценить различными способами. Важным критерием для оценки эффективности теплообменника являются затраты (в руб.), связанные с его изготовлением и эксплуатацией. Наиболее эффективным является теплообменник, для которого сумма годовых эксплуатационных расходов и амортизационных отчислений с капиталовложения (в год) будет наименьшей. Такой способ оценки эффективности теплообменника требует выполнения значительных по объему технико-экономических расчетов.

Затраты на сооружение теплообменника зависят, главным образом, от площади его рабочей поверхности, а затраты на эксплуатацию — от мощности для перемещения теплоносителей. Поэтому различные варианты теплообменников могут сравниваться по значениям F/Q и N/ ( — тепловой поток). При одинаковом значении одного из этих параметров наибольшей эффективностью обладает тот теплообменник, у которого меньше второй параметр.

Для сравнительной оценки различных схем теплообменных аппаратов академик М.В. Кирпичев предложил использовать критерий

,

где q — плотность теплового потока через рабочую поверхность теплообменника; I — работа сопротивления обоих теплоносителей на единицу рабочей поверхности в единицу времени.

Наилучшим будет теплообменник, для которого величина Е имеет максимальное значение.

Для транспортных теплообменников и особенно авиационных важное значение имеют масса и габариты аппаратов. В этом случае различные варианты теплообменника можно сравнивать по массе аппарата вместе с устройствами для перемещения теплоносителей и их приводами или по массе собственно теплообменника при одинаковой затрате энергии на перемещение теплоносителей.

Компактность теплообменника можно оценить удельной поверхностью нагрева , которая представляет собой площадь рабочей поверхности, приходящуюся на единицу объема аппарата. При сравнении теплообменников по их компактности величины должны сопоставляться при одинаковой работе, затрачиваемой на перемещение теплоносителей.

При выборе вида поверхности нагрева следует иметь в виду, что трубчатые поверхности позволяют создать жесткую конструкцию и более удобны в эксплуатации (для очистки). Пластинчатые теплообменники более компактны. Промышленные трубчатые теплообменники имеют =40...80 м²/м³, в то время как у пластинчатых эта величина доходит до 200...300 м²/м³.

Выбор скоростей теплоносителей должен обеспечить наибольшую эффективность работы теплообменника. Для получения высокой интенсивности теплообмена желательно, чтобы при течении жидкости в трубах и каналах реализовался турбулентный режим. Для газов и паров скорости движения можно ориентировочно выбирать в диапазоне 15...100 м/с, для жидкостей — 1...3 м/с.

Увеличение скоростей теплоносителей сопровождается уменьшением рабочей поверхности теплообменника (из-за увеличения коэффициента теплопередачи) и ростом гидравлических потерь. Существует оптимальное соотношение скоростей теплоносителей, которое характеризуется максимальным количеством передаваемой теплоты при затрате заданного количества энергии для перемещения теплоносителей.

Если теплоносители имеют резко отличающиеся коэффициенты теплоотдачи, то скорость теплоносителя с большим коэффициентом теплоотдачи слабо влияет на коэффициент теплопередачи и ее значение можно выбрать из условия получения приемлемой температуры на выходе для этого теплоносителя.

Диаметр труб и шаг трубного пучка также существенно влияют на компактность и массу теплообменника. При фиксированном относительном шаге рабочая поверхность пропорциональна диаметру, а объем — квадрату диаметра труб. Поэтому удельная поверхность нагрева обратно пропорциональна диаметру трубы. Например, уменьшение диаметра трубки от 19 до 2,4мм приводит к уменьшению объема теплообменника в 10 раз, а массы — в 8 раз. Однако использование мелких трубок увеличивает производственные затраты и затрудняет очистку теплообменника в процессе эксплуатации. Поэтому обычно применяются трубки диаметром больше 12мм.

Уменьшение шага трубного пучка также является средством уменьшения массы и размеров теплообменника. Уменьшение шага пучка ограничено технологическими возможностями. Относительный шаг пучка составляет обычно =1,25...1,6.

Для повышения компактности и снижения массы теплообменных аппаратов используются различные средства интенсификации теплообмена (см. § 15.6) и оребрение рабочих поверхностей, которое может использоваться как в пластинчатых, так и трубчатых теплообменных аппаратах.

В трубчатом теплообменнике ребра устанавливаются обычно только с наружной стороны, а в пластинчатом — с обеих сторон рабочей поверхности.

Ребра обычно выполняют из медных или алюминиевых тонких листов и надежно припаивают к основной поверхности. Они могут быть гладкими или рифлеными. Ребра могут выполняться в виде отдельных пластинок, которые располагаются в канале пластинчатого теплообменника в шахматном или коридорном порядке, а также в виде цилиндрических или конических шипов, которые припаяны к поверхности нагрева. Теплообменники с такими ребрами называются игольчатыми.