8. Пластинчато-ребристые теплообменники

Этот тип теплообменников относится к числу наиболее компактных аппаратов благодаря развитой поверхности теплообмена в ограниченном объеме ТА. Особенностью этих теплообменников является высокое отношение поверхности теплоотдачи к единице объема, которое может достигать 6000 м²/м³ и более. Для сравнения, компактность гладкотрубчатого ТА с трубами диаметром 6…12 мм составляет порядка 250 м²/м³. По этой причине пластинчато-ребристые теплообменники обычно называют «компактными теплообменниками». Пластинчато-ребристые поверхности особенно эффективны для теплообменников типа “газ-газ”, требующих сильно развитую поверхность со стороны обоих теплоносителей.

Наиболее употребительными конструкционными материалами являются алюминий и сталь. Алюминиевые конструкции обычно бывают полностью паяными, а в стальной может использоваться как пайка, так и сварка. На рис. 1.15 показаны основные элементы теплообменника с паяными оребренными пластинами. Он состоит из гофрированной ребристой пластины 1, соединенной с разделительной пластиной 2 и закрытой штампованными боковыми каналами 3.

Рис. 1.15. Элементы канала пластинчато-ребристого теплообменника:

1 – гофрированные ребра; 2 – пластины; 3 – боковые уплотнительные полосы

Типичные конфигурации ребристой пластины будут рассмотрены ниже. Сердечник теплообменника образован пакетом из множества слоев из ребристых и разделительных пластин. Пластинчато-ребристые теплообменники могут иметь большое разнообразие форм и размеров.

Конфигурации пластинчато-ребристых поверхностей

Любые две из этих поверхностей могут быть скомбинированы между собой, образуя «сложный» теплообменник типа сэндвича с перемежающимися каналами для теплоносителей. Пластинчато-ребристые поверхности в зависимости от типа ребра подразделяются на поверхности с гладкими, жалюзийными, пластинчатыми и волнистыми, а также со стерженьковыми и перфорированными ребрами.

Поверхности с гладкими ребрами отличаются длинными каналами с гладкими стенками с характеристиками, близкими к полученным для движения внутри длинных круглых труб (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Поверхность с непрерывными гладкими ребрами

Это самый простой тип поверхности, который имеет наименьшую теплоотдачу по сравнению с другими поверхностями и в то же время наименьшее гидросопротивление. Здесь отчетливо проявляется влияние длины канала на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление. Теплоотдача по длине таких поверхностей заметно уменьшается по тем же причинам, что и в прямых трубах – в результате образования вязкого слоя на поверхности. Поэтому такие поверхности редко используются.

Следует отметить, что пластинчато-ребристые поверхности теплообмена могут иметь каналы прямоугольного и треугольного сечений и каналы со скругленными углами как в поперечном сечении, так и на входе; поэтому существует большое разнообразие геометрических разновидностей таких поверхностей (рис. 1.17). Некоторые из поверхностей с каналами треугольного сечения представляют собой комбинацию двух систем с различными размерами ребер, что позволяет конструктору добиться нужного соотношения поверхностей на горячей и холодной сторонах.

Рис. 1.17. Гладкие непрерывные ребра: а) прямоугольные; б) трапецевидные; в) треугольные

Поверхности с волнистыми ребрами (рис. 1.18) более эффективны по сравнению с гладкими непрерывными. Изменения направления потока, вызванные ребрами, приводят к отрыву пограничного слоя. Такой тип поверхности имеет умеренное гидросопротивление.

Пластинчато-стерженьковые поверхности (рис. 1.19) являются примером развитой поверхности, в которой высокие значения коэффициента теплоотдачи обусловлены тонким пограничным слоем на ребрах.

Рис. 1.18. Поверхности с волнистыми ребрами

При изготовлении ребер из тонкой проволоки эффективная длина ребра равна половине окружности и потому очень мала. Однако пластинчато-стерженьковые поверхности характеризуются весьма высокими значениями коэффициента сопротивления, обусловленными главным образом отрывом пограничного слоя при поперечном обтекании стержней. Тем не менее, высокие значения коэффициента теплоотдачи часто дают выигрыш по сравнению с потерями, связанными с высоким значением коэффициента сопротивления, что и определяет целесообразность их применения.

Рис. 1.19. Стерженьковые ребра:

а, б – круглого сечения; в) овального сечения

Поверхности с перфорированными ребрами (рис. 1.20) имеют отверстия, вырезанные в ребрах, которые служат для разрушения пограничного слоя. Факторы трения для этой поверхности очень малы, вероятно, вследствие незначительного коэффициента сопротивления формы.

Рис. 1.20. Перфорированные ребра

Жалюзийные ребра (рис. 1.21) выполняются путем прорезания пластины и отгибания полоски материала в поток газа через определенные интервалы. Этим достигаются разрушения пограничного слоя и повышение интенсивности теплоотдачи по сравнению с наблюдающейся на поверхностях с гладкими ребрами при тех же условиях движения. Как правило, чем чаще происходит искусственное возмущение пограничного слоя, тем выше коэффициент теплоотдачи, хотя одновременно возрастает и коэффициент сопротивления.

Рис. 1.21. Поверхности с жалюзийными ребрами

Поверхности с короткими пластинчатыми ребрами (рис. 1.22) в принципе аналогичны поверхностям с жалюзийными ребрами, отличаясь только тем, что короткая сторона сечения ребра располагается в направлении потока. Используя такую поверхность, можно делать ребра короткими в направлении потока, достигая очень высоких значений коэффициента теплоотдачи, который является наибольшим по сравнению с другими поверхностями.

Рис. 1.22. Рассеченные поверхности:

а) треугольные; b) плоские прямоугольные каналы

Важным параметром рассеченных и других прерывистых ребер является длина гладкого ребра l' (см. рис. 1.22) в направлении потока. На полной длине l могут располагаться несколько гладких ребер, помещенных торец к торцу. При подборе оптимальных значений безразмерных определяющих геометрических параметров рассеченных поверхностей l'/d, /d и h/t (здесь d – эквивалентный гидравлический диаметр канала) рост теплоотдачи больше или равен росту гидросопротивления по сравнению с гладким каналом (например, для этого относительная длина ребра 0,5<l'/d<5). При значении параметра l'/d = const в диапазоне чисел Re<2000 с уменьшением относительной толщины ребра /d в диапазоне значений /d=0,114…0,020 существенно (до 60%) увеличивается рост теплоотдачи при практически неизменном росте гидравлического сопротивления. Однако, в диапазоне чисел Re>2000 при тех же условиях теплоотдача практически не растёт, а гидравлическое сопротивление существенно уменьшается (до 35%).

Паяные алюминиевые конструкции ограничены избыточными давлениями до 2000 Па (0,02 атм). Однако применение специальных ребер может позволить работу при несколько более высоких давлениях. Применение специальных конструкций со штампованными трубами позволяет работать при больших давлениях. Еще большие давления допускаются в конструкциях из нержавеющей стали. Вообще же в паяных теплообменниках с оребренными пластинами расчетные значения ниже, чем в кожухотрубных теплообменниках с круглыми трубами.

В отсутствие коррозионных жидкостей высокая теплопроводность алюминия обеспечивает самую низкую стоимость теплообменника. Алюминий целесообразно применять в диапазоне температур от криогенных до 250 °С, углеродистую сталь — от 250 до 480 °С, нержавеющую сталь – в диапазоне 250…650 °С. Для работы при высоких температурах в условиях коррозии предпочтительно использовать нержавеющие стали. Медь удобна для паяных конструкций и обеспечивает идеальные тепловые свойства. Тем не менее ее применяют только в коррозионной среде, где неприменим алюминий. В большинстве автомобильных радиаторов применяются медь или медные сплавы.

Для температур выше 650 °С компактные теплообменники можно делать из керамики или углеродистых материалов. Они изготавливаются специальными методами литья.