8 Теплопередача через оребрені поверхні

8.1 Загальні відомості

Оребрення поверхонь (surface with rib) теплообміну застосовується як для зменшення габаритів теплообмінних апаратів, так і для вирівнювання термічних опорів та інтенсифікації процесів теплопередачі в цілому. Оребрення здійснюють з боку теплоносія з меншим значенням коефіцієнта тепловіддачі. Виготовляються оребрені поверхні різними способами. В одних випадках вони є суцільною відливкою з чавуну, в інших – ребра виготовляються окремо, а потім кріпляться до відповідної гладкої поверхні. В останньому випадку ребра можна виготовляти із більш легкого і теплопровідного матеріалу. Щільний контакт між стінкою і ребрами здійснюється шляхом насадження ребер у гарячому стані з наступним припаюванням. Площина ребра, як правило, має бути спрямована за рухом теплоносія, а в разі вільної конвекції – вертикально. Ребра можуть мати плоский або трапецієподібний профіль і бути круглої, квадратної, прямокутної або трикутної форми (рис. 8.1). Для пучків труб застосовують також суцільне пластинчасте оребрення (рис. 8.2).

Характеристики поверхонь з круглими ребрами на один погонний метр труби

Для круглих ребер використовують умовну висоту ребра

     .     (8.1)

Внутрішня поверхня труб

     .     (8.2)

Зовнішня поверхня без ребер

     .     (8.3)

Поверхня ребер

     .     (8.4)

Поверхня міжреберних ділянок

     .     (8.5)

Повна площа оребреної поверхні

     .     (8.6)

Коефіцієнт оребрення

     .     (8.7)

ступінь зовнішнього оребрення

     .     (8.8)

Ступінь зовнішнього оребрення, що віднесений до поверхні міжреберних ділянок

     .     (8.9)

Визначальний розмір в критеріях подібності

     .     (8.10)

Показник степеня критерію Рейнольдса

     .     (8.11)

Параметр

     .      (8.12)

Коефіцієнт ефективності ребра

     .      (8.13)

Для визначення гіперболічного тангенсу можна скористатись залежністю, що показана на рис. 8.3.

Коефіцієнт, який враховує нерівномірність тепловіддачі по висоті ребра

     .      (8.14)

Коефіцієнт тепловіддачі оребреного пучка труб, приведений до повної (зовнішньої) поверхні труби

     .     (8.15)

В формулах (8.12) і (8.15) α₀ – коефіцієнт тепловіддачі неоребреної (гладкої) поверхні.

Для прямокутних ребер площа їх поверхні складає

     ,     (8.16)

а умовна висота ребра дорівнює

     ,     (8.17)

де ;

А і В – більша і менша сторони прямокутника, відповідно.

Для суцільного пластинчастого оребрення пучків труб (рис. 8.2) умовною висотою ребра є величини

     ,     (8.18)

де .

Коефіцієнт оребрення (coefficient of ribbing)

     .     (8.19)

Еквівалентний діаметр для течії теплоносія

     .     (8.20)

Ступінь оребрення (degree ribbing)

     .     (8.21)

Площа внутрішньої поверхні

     ,     (8.22)

де n і z – кількість труб і пластин, відповідно.

Коефіцієнт ефективності оребреної поверхні

     .     (8.23)

Площа оребреної поверхні

     .     (8.24)

Для поверхонь із суцільнопластинчастим оребренням критеріальне рівняння теплообміну можна записати у вигляді [14]

     ,     (8.25)

де – характерний параметр оребрення.

Для визначення середнього коефіцієнта тепловіддачі в разі обтікання пучків оребрених труб застосовують узагальнене критеріальне рівняння [15]

     .     (8.26)

     Тут показник степеня n визначається за (8.11), а поправкові коефіцієнти С_s і C_z із таблиць 4.1 і 4.5.

Визначальним лінійним розміром в критеріях (8.26) є величина

     ,     (8.27)

де значення F_р, F_мр, F визначаються за формулами (8.3) – (8.5).

Контрольні запитання

1. Поясніть, які методи інтенсифікації теплопередачі Ви знаєте.

2. У чому полягає загальне правило інтенсифікації теплопередачі?

3. З якою метою застосовують оребрення поверхонь теплообміну і для яких теплоносіїв?

4. Поясніть, що розуміють під коефіцієнтом оребрення поверхонь і як ця величина впливає на інтенсивність теплопередачі.

5. Запишіть вираз коефіцієнта теплопередачі через оребрену стінку.

6. Як впливає збільшення кроку між ребрами на приведений коефіцієнт тепловіддачі?

7. Як впливає збільшення коефіцієнта оребрення на інтенсивність теплопередачі?