CC BY
216
УДК 621.592
А. М. Корняков
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ СИЛЬФОННОГО ТИПА
Представлены различные варианты конструкций теплообменников сильфонного типа и критериальные зависимости для расчeта интенсивности теплообмена между стенкой сильфона и теплоносителем. Отмечены основные достоинства теплообменных аппаратов такого типа.
E-mail: shevich@power.BMSTU.ru Ключевые слова: теплообменный аппарат, сильфон.
Примерно в 2000 г. автором настоящей работы была предложена конструкция теплообменника сильфонного типа1. В этом аппарате поверхностью теплообмена является тонкостенный сильфон (рис. 1). Идея замены трубок на сильфон появилась при разработке и улучшении эффективности трубчатого теплообменника для системы охлаждения масла в мощном двигателе внутреннего сгорания, изготовляемом на Ярославском моторном заводе. Оригинальность конструкциии такого теплообменника подтверждена патентом и обеспечивает развитую поверхность теплообмена по обоим теплоносителям. При этом
Рис. 1. Конструкция сильфонного теплообменника с многоходовым поперечным течением теплоносителя по внешнему кольцевому каналу
1Корняков А. М., Шевич Ю. А., Н а з и м к о П. А. Разработка и исследование образца теплообменника сильфонного типа // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2008. - Спец. выпуск "Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения". -С. 160-165.
развитая поверхность является первичной т.е. не имеет оребрения и поэтому имеет низкое термическое сопротивление между теплоносителями. Одновременно такой аппарат работоспособен при повышенных давлениях теплоносителей и не испытывает температурных напряжений.
Заводские теплогидравлические испытания аппарата подтвердили его высокую эффективность. При тех же габаритных размерах, что и у трубчатого аппарата, сильфонный показал больший теплосъем примерно на 25 % (акт испытаний ТА от 5.10.2004).
Другим испытанием аппарата явилось его экспериментальное исследование в лаборатории кафедры "Холодильных и криогенных систем и установок" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Исследование проводилось на двух теплоносителях, один из которых — вода (протекала по внутреннему каналу сильфона), а другой — воздух. Сравнение с теплообменом в гладкой трубе на внешней стороне сильфона показало, что интенсивность теплообмена, когда поток воздуха протекал по изогнутым каналам между гофрами, в 1,5 раза выше, чем внутри трубы (рис. 2).
Для того чтобы обоснованно прогнозировать интенсивность теплообмена во внешнем канале сильфонного теплообменника, можно схематизировать течение теплоносителя двумя вариантами.
Первый вариант соответствует конструктивному решению, подобному тому, который приведен на рис. 1. В этом случае теплоноситель через патрубок 1 входит во внешний канал аппарата с поперечными перегородками и растекается по каналам между гофрами первой секции, затем через специальный канал перетока попадает во вторую секцию и аналогично растекается по изогнутым каналам этой секции. Далее поток движется в третью секцию и аналогично — во все остальные секции. В этом случае интенсивность теплообмена допустимо рассчитывать по зависимости для внутреннего течения в изогнутом канале:
Ш = (1 + 1,77Дэ/Я)0,023 Яе0'8 Рг0'33. (1)
Здесь Бэ — эквивалентный диаметр кольцевого канала между гофрами; Я — средний радиус кривизны этого канала (основные обозначения размеров гофров приведены на рис. 3).
Вторая схема течения в сильфоном аппарате показана на рис.3. В этом случае интенсивность теплообмена в первом приближении
Рис. 2. Конструкция пучка сильфонов для теплообменника
Рис.3. Конструкция сильфонного теплообменника с продольным течением теплоносителя по внешнему кольцевому каналу
может быть рассчитана по зависимости, полученной для аппарата типа труба в трубе с внешним оребрением внутренней трубки,
Ш = 0,039 Яе0'87 Рг0'4 (г/Бэ )0'4 (к/А )-0'19, (2)
где £ = £ — 6 — расстояние между гофрами (на просвет); Бэ = В1 — Бр — кольцевой зазор; к — высота ребра.
Третий вариант обтекания гофров сильфона возникает, когда силь-фоны располагаются в виде пучка с поперечным обтеканием поверхности каждого сильфона по аналогии с трубными пучками (см. рис. 2). В первом приближении интенсивность теплообмена в пучке может быть рассчитана по зависимостям для коридорного или шахматного пучков труб с оребрением.
Однако более точные зависимости для расчета теплогидравличе-ских характеристик сильфонных поверхностей для всех трех вариантов конструкций поверхностей могут быть определены после систематического экспериментального исследования рассматриваемых поверхностей.
Накопленный опыт позволяет предположить, что такое исследование может быть темой диссертационного исследования с большим практическим результатом, связанным с применеием этих аппаратов в различных энергетических системах и установках, включая холодильную технику.
Статья поступила в редакцию 1.07.2010
