Использование коэффициента оребрения теплообменной поверхности для расчета рекуперативного теплообменника с пористыми вставками

ГАБДУЛВАЛИЕВА Е.И., КазНЦ РАН, г. Казань

Науч. рук. д-р техн. наук, профессор КИРСАНОВ Ю.А.

Рассматривается рекуперативный теплообменник пластинчатого типа, состоящий из чередующихся друг с другом пористых вставок 1 и 2 (рис. 1) призматической формы, разделенных непроницаемыми стенками 3 толщиной . Длина и ширина B пористых вставок в обоих трактах одинакова. В каналах толщины пористых вставок составляют соответственно и . Крайние каналы имеют толщину , если , или , если . Между пористыми вставками и стенками 3 возможны зазоры , создающие дополнительные термические сопротивления. Структура пористости вставок характеризуется объемной пористостью , диаметром сферических пор , эквивалентным диаметром каналов , эквивалентным диаметром перемычек каркаса , удельной поверхностью пористости , относительной площадью поперечного сечения каркаса [Кирсанов Ю.А., Назипов Р.А., Данилов В.А. Геометрические и теплофизические характеристики высокопористой структуры // Известия вузов. Авиационная техника. 2010. № 2. С. 49-52.].

Рис. 1. Схема теплообменного аппарата: 1 – пористые вставки горячего тракта;
2 – пористые вставки холодного тракта; 3 – разделительные пластины

Инженерная методика теплового расчета рекуперативного теплообменника с пористыми вставками базируется на известной формуле для тепловой нагрузки, передаваемой от горячей среды холодной среде:

,

где – температурный напор между теплоносителями, К; – площадь гладкой разделительной стенки, м2; – площадь полной поверхности теплообмена со стороны j -го (j = 1, 2) теплоносителя, м2; – толщина стенки, м; – теплопроводность стенки, Вт/(м·К); – термическое сопротивление загрязнения на j -й поверхности стенки, м·К/Вт; – коэффициент эффективности оребрения; индексы «1» и «2» относятся к трактам горячего и холодного теплоносителей, соответственно.

Коэффициент эффективности оребрения учитывает степень неоднородности температурных полей в пористой вставке. Для ребер правильной геометрической формы известна теоретическая формула [Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1991. 480 с.].

, (1)

где , м-1; u – периметр отдельного ребра, м; f – площадь поперечного сечения ребра, м²; – теплопроводность материала ребра, Вт/(м·К); – эффективная длина ребра, м.

Для теплообменника с пористыми вставками формула для тепловой нагрузки принимает вид:

. (2)

Коэффициенты эффективности оребрения разделительной стенки пористой вставкой могут быть рассчитаны по формуле

, (3)

где и – среднеобъемные температуры каркаса и теплоносителя, К; – средняя по длине температура поверхности каркаса, прилегающая к разделительной стенке, К.

Необходимая для расчета по формуле (3) информация о температурных полях в каркасе пористых вставок и потоках теплоносителей определена с помощью математической модели [Кирсанов Ю.А., Иванова Е.И. Методика теплового расчета пластинчатого теплообменника с пористыми вставками // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011»: Материалы VI Международной научно-технической конференции. Т. 2. Казань, 12-14 октября 2011 г. Казань: Изд. КГТУ. 2011. 732 с. / С. 511-517.].

Работа выполнена по программе совместных с Научным центром порошкового материаловедения (ПГТУ, г. Пермь) исследований.

УДК 621.182