Малогабаритные теплообменники. Глава четвертая (стр. 1 )

Глава четвертая

Малогабаритные теплообменники.

Рис. 4-1. Малогабаритный теплообменник.

Определенная часть трансформаторов, в первую очередь трансформаторы предельной мощности, снабжаются занимающими мало места теплообменниками с большим теплосъемом, называемыми охладителями. В трансформаторостроении применяются масляно-водяные или масляно-воздушные охладители. Масляно-воздушные охладители обычно изготавливаются со встроенными вентиляторами. Такой охладитель для примера показан на рис. 4-1. Имеющиеся всасывающие воронки имеют два назначения: снижают входное сопротивление всасываемому воздуху, т. е. действуют как диффузор; предотвращают повторное всасывание нагретого воздуха после выхода его из охладителя.

При выборе вентилятора наряду с такими его техническими данными, как давление, расход, к. п. д., нагрузочная характеристика и частота вращения, решающее значение имеет также уровень звукового давления. Уровень звукового давления при увеличении окружной скорости, т. е. частоты вращения и диаметра лопастей, возрастает. Обычно вентиляторы с большим рабочим напором снабжаются разгонным устройством, а также устройством, расположенным за рабочим колесом и ускоряющим процесс прекращения вращения.

Большой теплосъем в малом рабочем объеме можно получить только при большой средней скорости теплоносителей и очень развитой поверхности труб. Для занимающих очень мало места компактных охладителей требуется большая мощность для обеспечения необходимой скорости циркуляции и расхода теплоносителей. Когда потери, которые должны быть отведены от трансформатора, превышают определенное значение, капитальные затраты и амортизационные отчисления для батарей радиаторов достигают такого большого размера, что применение радиаторной системы охлаждения, которая обладает самой высокой надежностью, а при естественном масляном охлаждении практически не требует эксплуатационных расходов, становится экономически нецелесообразным. В этом случае оказывается более выгодным применять охладители из-за более низких капитальных затрат и амортизационных отчислений(Имеются в виду удельные капитальные затраты и амортизационные отчисления, отнесенные к единице отводимых потерь (Прим. ред.)), несмотря на то что этот тип теплообменников требует определенных эксплуатационных расходов. Размеры трансформаторных площадок на подстанциях в некоторых случаях определяются размерами батарей радиаторов, работающих при естественной или принудительной циркуляции теплоносителей. Для охладителей, навешенных на бак, размер этих площадок будет меньше.

4-1. Теплотехнический расчет малогабаритных теплообменников

Расчет малогабаритного теплообменника проиллюстрируем на примерах.

Для расчета охладителя необходимо знать его технологические и гидравлические характеристики. Эти данные, как правило, отсутствуют или известны не полностью.

Ниже покажем, каким образом по результатам измерений могут быть найдены необходимые для расчетов данные. Для использования результатов эксперимента необходимо знать также КПД ребра (рис. 4-2):

(4-1)

Рис. 4-2. Эскиз оребренной трубы. Обозначения размеров и температур.

где – средняя температура ребра;– температура охлаждающего воздуха; – температура основания ребра.

Для иглообразного ребра конечной длины КПД ребра определяется по формуле, аналогичной формуле (3-86):

(4-2)

где l – длина иглообразного ребра;

(4-2a)

– коэффициент теплоотдачи ребра; – коэффициент теплопроводности материала ребра и –диаметр ребра.

Рис. 4-3. Труба со спирально-проволочным оребрением со стороны воздуха.

Рис. 4-4. Расчетные сечения оребрения.

а – продольное сечение оребренной трубы; б – то же с разрезанной и выпрямленной петлей спирали.

Пример 4-1. Пусть оребрение выполнено согласно рис. 4-3 и 4-4,а из медной проволоки в виде двухходовой спирали. Если спираль в самой удаленной от оси точке разрезать и дугу распрямить то получим эскиз ребра по рис. 4-46.

Определим КПД ребра. По указанным рисункам находим: м; м. Коэффициент теплопроводности меди Вт/(м 0С). Тогда согласно (4-2а)

Пусть

Тогда КПД ребра

Если , то

Как следует из приведенного расчета, с увеличением коэффициента теплоотдачи КПД ребра с заданными размерами уменьшается.

Коэффициент теплопередачи

Для гладкой внутри и оребренной снаружи трубы, а также в случае, когда с хорошим приближением можно принять, что площадь внутренней поверхности трубы равна площади поверхности , соответствующей среднему диаметру трубы по стенке, коэффициент теплопередачи , отнесенный к наружной оребренной поверхности площадью , определяется из уравнения(Здесь принято, что площадь наружной поверхности не оребренной трубы пренебрежимо мала по сравнению с площадью поверхности оребрения (Прим, ред.)):

(4-3)

где –толщина стенки; – коэффициент теплопроводности материала стенки; и – коэффициенты теплоотдачи для внутренней и наружной поверхностей трубы соответственно.

Коэффициент теплоотдачи при ламинарном течении определяется из следующего критериального уравнения:

(4-4)

т. е.

(4-5)

В этих уравнениях К=0,85 при вертикальном расположении труб и движении теплоносителя сверху вниз; К=1,15 при вертикальном расположении труб и движении теплоносителя7 снизу вверх; К=1,0 при горизонтальном расположении труб.

При турбулентном течении коэффициент теплоотдачи определяется из критериального уравнения, аналогичного уравнению (3-52):

(4-6)

т. е.

(4-7)

Коэффициент теплоотдачи определяется из следующего критериального уравнения:

(4-8)

где коэффициент С и показатель степени п определяются по данным эксперимента.

Рис. 4-5. Зависимость коэффициента теплопередачи kP2 охладителя со стороны воздуха от скорости воздуха

Пример 4-2. На рис. 4-5 изображена для воздушно-водяного охладителя, имеющего трубы с наружным двухходовым спиральным оребрением, зависимость коэффициента теплопередачи kP2 от скорости движения воздуха при скорости движения воды м/с и средней температуре воды. Трубы охладителя с внутренним диаметром d=10 мм к толщиной стенки мм расположены горизонтально, в шахматном порядке (см. рис. 4-8). Материал труб – латунь, материал спирального оребрения–медь. Необходимо определить значения , , исходя из данных эксперимента, проведенных при скорости движения воды м/с.