Применяя различные виды оребрения пластин, можно создать еще более компактные аппараты, чем теплообменники из волнистых пластин. Такими аппаратами являются пластинчато-ребристые теплообменники. Особенно это важно для установок, габаритные размеры и масса аппарата в которых являются определяющими, как, например, на различных видах транспорта, в том числе и железнодорожном, в криогенных системах, в аппаратах и системах по изучению космического пространства и так далее.
Уменьшая габаритные размеры теплообменника, экономят не только занимаемую им площадь и металл, но также и количество теплоты, которое в одних случаях передается стенками аппарата в окружающую среду, в других, наоборот, уменьшается поступление теплоты в аппарат извне.
Поверхность теплообмена в единице объема таких аппаратов составляет 800–1600 м2/м3 и более. Благодаря непрерывному внедрению новых способов штамповки, пайки и сварки уже можно создать компактные теплообменники с поверхностью 4500 м2/м3.
При конструировании штампованных пластинчатых и пластинчато-ребристых теплообменников представляется возможным комбинировать формы и размеры поверхностей с учетом специфических свойств каждого из теплоносителей, участвующих в переносе тепла.
Пластинчато-ребристые поверхности теплообменников в зависимости от типа ребер подразделяются на поверхности с гладкими, жалюзийными, короткими пластинчатыми, волнистыми и стерженьковыми ребрами.
Поверхности с гладкими ребрами образуют прямоугольной или треугольной формы каналы, пронизывающие пакет теплообменника (рис. 2.10, а). Как правило, подлине канала располагаются несколько гладких ребер, не соединенных между собой сваркой или пайкой. Следует иметь в виду, что теплообмен в каналах с прерывистыми (короткими) пластинчатыми ребрами более интенсивный, чем в длинных сплошных гладких каналах.
Жалюзийные ребра создаются путем прорезывания пластины и отгибания полоски материала в поток газа (воздуха) через определенные интервалы. Этим достигается разрушение пограничного слоя и повышение интенсивности теплоотдачи по сравнению с гладкими ребрами при тех же условиях движения рабочей среды. Чем чаще происходит искусственное возмущение пограничного слоя, тем выше коэффициент теплоотдачи. При достижении одинаковых коэффициентов теплоотдачи затраты энергии на преодоление гидравлического сопротивления в теплообменниках с жалюзийными ребрами меньше, чем в теплообменниках с гладкими ребрами.
Компоновка элементов пластинчато-ребристых теплообменников: а – двухпоточный с треугольной формой сплошного или прерывистого канала; б – с волнообразной непрерывной насадкой; в – с прерывистыми ∩-образными ребрами; г – пучок плоских труб со сплошными ребрами
В принципе можно создать поверхность теплообмена с короткими гладкими плоскими или петлевыми ребрами (рис. в), которая с одной стороны будет отличаться от поверхности с жалюзийными ребрами тем, что короткая сторона ребра располагается в направлении движения потока, с другой – такая поверхность будет близка по интенсивности теплообмена к поверхности с жалюзийными ребрами вследствие турбулизации движения при лобовой атаке потоком короткого ребра.
Поверхность с волнистыми прерывистыми или сплошными U-образными ребрами (рис. б) в некоторой степени является разновидностью волнисто-пластинчатых штампованных теплообменников с более развитой поверхностью теплообмена. По интенсивности теплообмена эта поверхность близка к поверхности с жалюзийными и короткими пластинчатыми ребрами. Изменение направления потока, вызванное волнистой формой ребра, приводит к отрыву пограничного слоя, то есть к тому же результату, что и жалюзийное оребрение.
Пучки из плоских или круглых труб, оребренных с наружной стороны сплошными тонкими пластинами (рис. г), расположенными одна от другой на расстоянии 2–5 мм, применяются для теплоносителей с существенно отличающимися физическими свойствами, а следовательно, и коэффициентами теплоотдачи на два и более порядков, (например конденсирующийся в трубках пар и газ (воздух) в межтрубном оребренном пространстве). Применение тонких сплошных пластин с минимальным расстоянием между ними позволяет создать большую ребристую поверхность в единице объема. Такие теплообменники работают по схеме перекрестного тока и, как правило, используются в транспортных установках.
В спиральных теплообменниках поверхность теплообмена образована двумя тонкими металлическими листами 1 и 2, приваренными к разделительной перегородке 3 и свернутыми в виде спиралей. В результате образуются два спиральных канала прямоугольного поперечного сечения, которые имеют боковые и осевые патрубки для подвода теплоносителей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные штифты 4. В стандартных теплообменниках зазор между пластинами равен 8 или 12 мм. Уплотнение спиральных каналов производится торцевыми крышками 5.
Спиральные теплообменники компактны, позволяют создавать высокие скорости движения теплоносителей (для жидкостей до 1–2 м/с) при достаточно низких гидравлических сопротивлениях.
Однако эти аппараты сложны в изготовлении, не могут работать при давлениях выше 1 МПа, так как герметизация спиралей вызывает определенные трудности.
Схемы змеевиковых теплообменников: а – погружного; б – оросительного; 1 – корпус; 2 – змеевик; 3 – внутренняя труба; 4 – крышка; 5 и 6 – патрубки; 7 – змеевик; 8 – распределительный желоб; 9 – сборный желоб
Схема спирального теплообменника: 1, 2 – металлические листы; 3 – перегородка; 4 – крышка; 5 – прокладка; 6 – фланец; 7 – дистанционная прокладка с одной стороны канала; 8 – сварка
Спиральные теплообменники изготавливают горизонтального или вертикального исполнения:
- одинарные (СТО);
- секционные (СТС);
- блочные (СТБ).
Одинарные теплообменники имеют площадь поверхности теплообмена 15–30 м2, ширину спирали 375 и 750 мм, рассчитывают их на условное давление соответственно 7·105 и 3,5·105 Па.
Достоинством спиральных теплообменников является их компактность и возможность работы при сравнительно больших скоростях рабочих сред: жидкостей до ω = 2 м/с, газов – до ρω = 20 кг/(м2·с). Благодаря отсутствию изменений живых сечений, а следовательно, и резких изменений скоростей теплоносителей гидравлическое сопротивление этих аппаратов меньше, чем кожухотрубчатых. Спиральные теплообменники подвержены меньшему загрязнению, чем теплообменники других типов.
В то же время необходимо отметить, что спиральные теплообменники весьма сложны в изготовлении и в ремонте, в них затруднительна герметизация каналов. Практически невозможно создать теплообменник, работающий при давлениях теплоносителей выше (10 – 12)·105Па.
