Как влияет теплопроводность материала ребра на коэффициент теплоотдачи оребренной трубы

Обновлено: 04.07.2024

Особенности расчета коэффициента теплоотдачи при поперечном омывании пучка оребренных труб

Существенным недостатком гладкотрубных теплообменников являются невысокие коэффициенты теплоотдачи в межтрубном пространстве, особенно при течении там газов и вязких жидкостей, что влечет за собой увеличение габаритных размеров и массы аппаратов для обеспечения требуемых тепловых потоков.

Компактные теплообменники можно сконструировать из пучков, скомпонованных из оребренных труб. Наиболее часто используют круглые и овальные трубы с прямоугольными поперечными (рис. 9.10, а) ребрами, с круглыми поперечными ребрами (рис. 9.10, 6), круглые, плоские или овальные трубы с коллективным оребрением пластинами (рис. 9.10, в). В последнем случае трубы пропускают через множество параллельных собирающих пластин, которые одновременно служат и ребрами. Места соединения пластин и труб для лучшего контакта лудят или оцинковывают.

Применяют также круглые трубы с непрерывным спиральным оребрением (рис. 9.10, Э), которое выполняют навивкой ленты с последующей пайкой или винтовой накаткой. В ряде теплообменных аппаратов применяют проволочное оребрение (рис. 9.10, г). Из медной или стальной проволоки диаметром 0,5—0,7 мм формируют петли, которые располагают по винтовой линии на наружной поверхности трубы. Положение петель фиксируется проволокой.

Рис. 9.10. Трубы с оребрением:

а — прямоугольное поперечное ребро; б — круглое поперечное ребро; в — сплошные поперечные ребра; г — проволочное оребрение; д — спиральные ребра; °°) теплопроводности ребер. Он зависит от большого числа факторов: типа оребре- ния, формы ребер, характеристик оребрения и пр.

Знаменатель в (9.28) характеризует эффективность полной поверхности теплообмена — средневзвешенное значение между Е_р и эффективностью неоребренной части трубы, которая принимается равной единице.

При расчете конкретных конструкций оребренных труб в (9.28) вводят ряд поправочных коэффициентов, учитывающих неоднородность температурного ноля ребер, их форму и г.д. Например, взаимосвязь конвективного ос_к и приведенного а_пр коэффициентов теплоотдачи труб с круглыми поперечными или спиральными ребрами выражается уравнением

где р' — коэффициент уширения ребра к основанию; для ребер одинаковой толщины по высоте р' = 1; для трапецеидальных ребер, которые обычно получаются при винтовой накатке,

где 5₂ — толщина ребра у вершины; 6( — толщина ребра у основания; т — безразмерный комплекс;

где а — рассчитанное значение коэффициента теплоотдачи; А,_р — теплопроводность материала ребра; 8_р — толщина ребра; /г'— уточненная высота ребра;

|/_ор— поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность теплоотдачи по поверхности ребра; для от/г' =0,14-3,7

Коэффициенты эффективности ребер Е_р определяют в зависимости от их формы. Для прямоугольных ограниченных ребер

Здесь th(mh_p) — гиперболический тангенс произведения mh'_r Формулу (9.30) часто используют для расчета эффективности труб, оре- бренных проволочной спиралью. В этом случае

где d_np — диаметр проволоки; и_р — ширина спирали, по которой навивается проволока.

Коэффициент эффективности винтовых ребер треугольного профиля описан в специальной литературе, но для его определения может быть использован график, приведенный на рис. 9.11.

Ниже приведены уравнения для расчета конвективных коэффициентов теплоотдачи в глубинных рядах пучков оребренных труб при поперечном омывании их потоком жидкости или газа. Эти уравнения получены в результате обобщения большого числа экспериментальных данных.

Шахматные пучки из труб, оребренных круглыми поперечными ребрами или винтовой накаткой: при Re_II()T 3

где (ф — параметр шаговых отношений;

Sj — поперечный шаг; ,v₂ — продольный шаг; d — наружный диаметр трубы; ф_ор— коэффициент оребрения;

где А_п — площадь полной поверхности оребренной трубы на единице ее длины; / — длина трубы, используемая и при определении А_п; с, — температурный фактор;

при Re_n0T = (2 • 10 3 )-(3,7 • 10 5 ) 10 3

Рис. 9.11. К расчету коэффициента эффективности круглых поперечных ребер трапецеидального или треугольного профиля

Определяющий линейный размер /, используемый в (9.32) и (9.33), рассчитывается но формуле

где Ар — площадь поверхности боковых сторон всех ребер на единице длины трубы без уче та поверхности торцов ребер; п_р — число ребер на единице длины трубы, использованной при расчете.

Уравнения (9.32) и (9.33) применимы при

Коридорные пучки из труб, оребренных круглыми поперечными ребрами ши винтовой накаткой:

где c_s — поправочный коэффициент, учитывающий влияние размещения труб в пучке;

где п — показатель степени; 238

Формула (9.35) применима при

В (9.32), (9.33) и (9.35) температурный фактор для жидкостей c_t = = (Pr_II0T / Рг_ст) 0 ’ 25 , для газов c_t = 1.

При расчете теплоотдачи в малорядных пучках (z_p 4 -=-(5 • 10 4 )

при Re_II()T > 5 • 10 4

Уравнения подобия для расчета конвективных коэффициентов теплоотдачи в пучках труб с коллективным оребрением, проволочным оребрением, продольным пластинчатым оребрением, со штыревыми ребрами круглого и эллиптического сечения, с плавниковыми ребрами, полизоиальными ребрами, гофрированным ленточным оребрением и т.д., а также для расчета пластинчато-ребристых поверхностей приведены в специальной литературе.

Коэффициент оребрения

где F_p.г - суммарная площадь оребренной поверхности стенки, м 2 .

В формуле (2.4) можно положить , тогда тепловой по­ток при теплопередаче через оребренную стенку

Где , или из графика рис. 2.2.

где и - избыточные температуры на конце ребра и у его осно­вания, К; =0,5 - косинус гиперболический.

2.2. Цилиндрическая стенка с круглым ребром постоянной толщины.

Коэффициент эффективности круглого ребра

где - коэффициент, определяемый по графику рис. 2.4 в зависимо­сти от и ; эффективная высота ребра, м; -отношение избыточных температур на конце и у основания ребра.

Параметр т определяется из выражения

2.3. Задачи

2.1. Найти коэффициент эффективности прямого ребра постоянного поперечного сечения толщиной 2 мм и длиной 20 мм на плоской стенке, если ребро выполнено: а) из титана, б) из чугуна, в) из меди. Условия теплообмена одинаковые, коэффициент теплоотдачи с поверх­ности ребра 100 Вт/(м 2 *К). Высота ребра 6 мм

2.3 Медное ребро постоянного сечения на плоской стенке имеет толщину 3 мм, высоту 40 мм и длину 1 м. Измерения показали: температура у основания t₀ =60°C, а на конце ребра t_к =59,5°С. Окружающий воздух находится при температуре 20°С. Определить коэффи­циент теплоотдачи от поверхности ребра.

2.4 Используя условие задачи 2.3, определить тепловой поток, передаваемы в окружающую среду четырьмя боковыми оребренными стенками холодильника. Каждая стенка размером 1x0,8 м имеет 40 ре­бер. Найти также тепловой поток, который переходил бы в окружаю­щую среду от неоребренных стенок, если считать коэффициенты тепло­отдачи от ребер и от поверхности стенки между ребрами одинаковыми.

2.7.Нагреватель выполнен в виде алюминиевой трубы диаметром
50x3 мм и длиной 1,5 м. Внутри трубы движется вода со средней температурой 90 °С, коэффициент теплоотдачи от воды к стенке 310 Вт/(м 2 *К). Труба снаружи имеет круглые ребра с постоянной толщиной 2 мм и диаметром 160 мм. На одном метре длины трубы расположено 50 ребер. Окружающий трубу воздух имеет температуру 10 °С, а коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности трубы к воздуху 10 Вт/(м 2 *К). Определить тепловой поток, передаваемый от воды к воздуху.

2.8.По условию задачи 2.7 определить передаваемый тепловой по­ток от воды к воздуху, если нагреватель выполнен в виде гладкой трубы без ребер. Во сколько раз уменьшится передача теплоты?

2.9.Алюминиевая труба длиной 1 м и диаметром 58x2 мм имеет поперечные круглые ребра толщиной 2 мм и диаметром 120 мм при шаге ребер 13 мм. Внутри трубы движется вода со скоростью 1,5 м/с при средней температуре 70 °С. Ребристые трубы собраны в шахматный пучок, который снаружи омывается поперечным потоком воздуха со скоростью в узком сечении 14 м/с и средней температурой 40 °С. Определить коэффициент теплопередачи для оребренной трубы (использовать формулы гл. 6).

2.10.Воздух в холодильной камере отдает теплоту охлаждающему устройству из горизонтальных труб с наружным диаметром 14 мм. Температура воздуха в камере - 5 °С, температура наружной поверхности трубы - 10 °С. Во сколько раз возрастет тепловой поток от воздуха к трубам, если трубы оребрить поперечными круглыми латунны­ми ребрами с постоянной толщиной 1 мм. Диаметр ребер 38 мм, шаг 12,5 мм. Средний коэффициент теплоотдачи к ребристой поверхности трубы принять 6 Вт/(м 2 *К).

2.11.Охладитель масла сделан из трех латунных труб диаметром 30х1 мм и длиной 500 мм каждая. Внутри труб, движется масло со средней температурой 80 °С. Снаружи на каждой трубе расположе­ны 40 круглых ребер с постоянной толщиной 1 мм и диаметром 50 мм, которые обдуваются воздухом, имеющим температуру 15°С. Коэффи­циенты теплоотдачи со стороны воздуха 22, со стороны масла 42 Вт/(м 2 *К). Определить коэффициент теплопередачи и тепловой по­ток через оребренные трубы.

2.12. Во сколько раз уменьшится тепловой поток, передаваемый от масла к воздуху, если в условиях задачи 2.11 трубы охладителя будут без оребрения? Определить температуру на конце ребра, если принять, что у основания ребра t₀ = 79°C.

2.13.Определить тепловой поток, передаваемый круглым ребром
окружающему воздуху, имеющему температуру 5 °С. Диаметр ребра 150 мм, толщина 2 мм, шаг 10 мм. Ребро находится на трубе диамет­ром 80X3 мм. Материал - медь. В трубе движется жидкость со сред­ней температурой 130 °С. Коэффициент теплоотдачи со стороны жидко­сти 170, со стороны воздуха 8 Вт/(м 2 *К).

2.14.Проанализировать зависимость теплового потока, передавае­мого через оребренную поверхность к воздуху, от эффективной высоты ребра по условию задачи 2.13. Для анализа принять наружный диа­метр трубы равным 20, 50, 120 мм, остальные условия оставить без изменений. Построить график зависимости Q=f(h_эф).

2.15.Во сколько раз увеличится отдаваемый тепловой поток, если на поверхности площадью 800x800 мм разместить 24 ребра прямоугольного сечения высотой 35 мм, толщиной 5 мм. Материал - латунь, температура окружающей среды 10 °С, температура поверхности у основания ребра 70 °С. Принять коэффициент теплоотдачи от глад­кой и ребристой поверхностей 8 Вт/(м 2 *К).

Передача теплоты через ребристую стенку

Ребристые поверхности применяют для выравнивания термичес­ких сопротивлений теплоотдачи с обеих сторон стенки, когда одна поверхность стенки омывается капельной жидкостью с большим коэффициентом теплоотдачи, а другая поверхность омывается газом с малым коэффициентом теплоотдачи, создающим большое терми­ческое сопротивление.

Оребрение стенки с большим термическим сопротивлением по­зволяет увеличить ее поверхность соприкосновения со средой, уменьшить общее тепловое сопротивление тепло­передачи и увеличить тепловой поток.

Температура изменяется по высоте ребер;у основа­ния ребра она равна температуре поверхности стенки t ´´ _ст, а темпе­ратура у вершины ребра будет значительно меньше t ´´ _ст (если принять t₁ > t₂). Поэтому участки поверхности ребра у основания будут передавать больше теплоты, чем участки ребра у вершины. Отношение количества теп­лоты, передаваемой поверхностью ребер в окружающую среду Q_p, к теплоте, которую эта поверхность могла бы передать при по­стоянной температуре, равной температуре у основания ребер Q _пp, называется коэффициентом эффективности ребер:

Коэффициент эффективности ребер всегда меньше единицы. Для коротких ребер, выполненных из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, коэффициент эффективности близок к единице.

Решая эти три уравнения относительно разности температур и складывая, получаем

откуда коэффициент теплопередачи для ребристой стенки равен

Вт/м 2 град. (7-23)

Если тепловой поток отнести к единице гладкой поверхности, то:

Если тепловой поток отнести к единице ребристой поверхности, то

Для круглой трубы с наружным оребрением, рассуждая аналогично, получаем:

где d₁ - внутренний диаметр трубы; d₂ - наружный диаметр трубы. Приведенные формулы справедливы для ребер небольшой высоты. Отношение площади оребренной поверхности F₂ к площади гладкой поверхности F₁ называется коэффициентом оребрения.

Точное значение коэффициента теплоотдачи для ребристых поверхностей может быть определено только экспериментальным путем.

Как влияет теплопроводность материала ребра на коэффициент теплоотдачи оребренной трубы

Оребрение поверхности нагрева производится с целью интенсификации теплопередачи. Если оребрение задано и значение коэффициента теплоотдачи для оребренной поверхности известно, то расчет теплопередачи через ребристую стенку никаких затруднений не составляет (см. § 6-5).

Другое дело, когда требуется рассчитать само оребрение, т. е. определить наиболее рациональную форму и размеры ребра. При этом в задачу расчета входит распределение температуры по ребру, количество снимаемой теплоты, гидравлическое сопротивление, масса и стоимость оребренной поверхности нагрева. Кроме того, в зависимости от назначения ребристых поверхностей к ним обычно предъявляется ряд дополнительных требований. В одних случаях требуется, чтобы габариты теплообменника были минимальными, в других, чтобы минимальной была масса, в третьих, чтобы использование материала было наиболее эффективным и т. д. В полном объеме такая задача может быть решена только на основе эксперимента и то лишь в том случае, если заданы конкретные условия работы поверхности нагрева и предъявляемые к ней требования. Вместе с этим имеются и математические решения задачи. Правда, эти решения очень сложны, и возможны они лишь при целом ряде упрощающих предпосылок. Но несмотря на это, они ценны и с успехом могут быть использованы, хотя бы в предварительных расчетах, тем более, что при решении технических задач методика расчета может быть значительно упрощена.

1. Прямое ребро постоянной толщины. Пусть имеется прямое ребро, толщина которого , высота h и длина l (рис. 10-10). Коэффициент теплопроводности материала Температуру окружающей среды условно примем равной нулю. Температура ребра изменяется лишь по высоте, т. е. , в основании и на конце ребра температуры соответственно и . Для боковой поверхности ребра коэффициент теплоотдачи а для торцевой .

Решение этой задачи тождественно решению предыдущей. Формулы, выведенные ранее для стержня конечной длины, справедливы и для прямого ребра постоянной толщины.

В соответствии с принятыми здесь обозначениями уравнения (10-32) и (10-33) принимают вид:

Рис. 10-10. Прямое ребро постоянного сечения.

Рис. 10-11. Прямое ребро трапециевидного сечения.

Здесь , ибо для плоских ребер .

Если теплоотдачей с торца пренебречь, то получим:

В практических расчетах вместо точных формул (10-37) и (10-38) можно пользоваться упрощенными — (10-39) и (10-40). Теплоотдача с торца при этом довольно точно учитывается путем условного увеличения высоты ребер на половину их толщины; поверхность торца как бы развертывается на боковые грани ребра.

2. Прямое ребро переменной толщины. Решая задачу о наивыгоднейшей форме ребра, Э. Шмидт пришел к выводу, что наиболее выгодным является ребро, ограниченное двумя параболами. Стремясь по возможности приблизиться к такой форме ребра, очень часто ребра изготовляют не постоянного сечения, а с утонением от основания к торцу, придавая им трапециевидное или треугольное сечение.

Пусть имеется ребро трапециевидного сечения. Условия работы те же, что и в предыдущем случае; размеры и обозначения приведены на рис. 10-11. За начало координат целесообразно принять вершину треугольника. В этом случае направление теплового потока противоположно направлению оси абсцисс.

При стационарном режиме изменение количества теплоты, проходящего через сечения , определяется теплоотдачей с боковой поверхности рассматриваемого элемента, поэтому

Имея в виду, что , и произведя дифференцирование, получим:

Если ввести новую переменную , то уравнение (б) принимает вид:

Общее решение уравнения (в) имеет вид:

где и — модифицированные функции Бесселя первого и второго рода нулевого порядка. Значения этих функций приведены в табл. П-14.

Окончательные интересующие нас расчетные формулы для и Q очень сложны. Но если теплоотдачей с торца пренебречь, они несколько упрощаются. Приведением этих упрощенных формул здесь мы и ограничимся:

где и — модифицированные функции Бесселя первого и второго рода первого порядка;

При пользовании этими формулами теплоотдача с торца учитывается увеличением высоты ребра на половину толщины его торца.

Если ребро имеет не трапециевидное, а треугольное сечение, то расчетные формулы принимают вид:

Теоретически сужение ребра должно сопровождаться увеличением количества снимаемой теплоты. Однако, как показывают сравнительные расчеты, это справедливо лишь для относительно высоких ребер, когда определяющим является термическое сопротивление самого ребра. Для относительно низких ребер термическое сопротивление ребра невелико и определяющим является термическое сопротивление теплоотдачи. В этом случае суженное сечение ребра оказывается хуже прямоугольного. При этом в качестве характеристики относительной высоты ребра следует брать величину где h — высота, а — средняя толщина ребра. В таком именно соотношении геометрические размеры входят в уравнения (10-39) и (10-40).

Рис. 10-12. — вспомогательный график для расчета ребер трапециевидного и треугольного сечений.

Рис. 10-13. Круглое ребро постоянного сечения.

Для практических расчетов формулы (10-43) — (10-47) слишком сложны. Но при помощи вспомогательных кривых рис. 10-12 расчет передачи теплоты через прямые ребра и трапециевидного и треугольного сечений может быть значительно упрощен и сведен к расчету по формулам (10-39) и (10-40) для ребра прямоугольного сечения постоянной толщины.

где — количество передаваемой теплоты в единицу времени; — поверхность охлаждения трапециевидного или треугольного ребра; q = Q/F — плотность теплового потока для прямоугольного ребра, длина, высота и толщина которого равны длине, высоте и средней толщине суженного ребра; — поправочный коэффициент на суженность ребра; его значение определяется по кривым рис. 10-12.

Здесь по оси абсцисс нанесено отношение температурных напоров по оси ординат — значение , а отношение выбрано в качестве параметра. Нижняя кривая на рисунке соответствует ребру постоянной толщины, ; верхняя — треугольному ребру, . Отношение определяется по формуле (10-39); теплоотдача с торца при этом учитывается путем увеличения высоты ребра h на половину толщины торца.

3. Круглое ребро постоянной толщины. Круглые ребра применяются при оребрении труб. Уравнение передачи теплоты через такое ребро выводится следующим образом.

Пусть имеется труба с круглым ребром постоянной толщины. Внутренний радиус ребра и внешний , толщина и коэффициент теплопроводности (рис. 10-13). Температуру окружающей среды условно принимаем равной нулю. Температура ребра изменяется лишь в направлении радиуса заданы коэффициент теплоотдачи а и температуры в основании и на конце ребра соответственно.

Для элементарного кольца с радиусами и при стационарном режиме можно написать:

Ho можно выразить и через коэффициент теплоотдачи, а именно:

Приравнивая друг другу правые части уравнений (г) и (д), произведя сокращение на , получаем:

Если положить , то

Подставляя эти значения в уравнение (е), окончательно имеем:

Общее решение этого уравнения имеет вид:

где — модифицированные функции Бесселя первого и второго рода нулевого порядка; — потоянные интегрирования, определяемые из граничных условий.

Если теплоотдачей с торца пренебречь, то расчетные формулы для и Q приобретают следующий вид:

При пользовании этими формулами теплоотдача с торца может быть учтена условным увеличением высоты ребра, т. е. , на половину толщины торца. Для относительно невысоких ребер теплоотдача торца имеет весьма существенное значение.

Для технических целей методика расчета круглых ребер может быть значительно упрощена и при помощи кривых на рис. 10-14 сводится к расчету прямого ребра постоянной толщины. В этом случае

где Q" — количество снимаемой теплоты; F" — поверхность охлаждения круглого ребра; q = Q/F — количество теплоты, передаваемое в единицу времени единицей поверхности прямого ребра, толщина которого равна толщине круглого, а длина равна — поправочный коэффициент, , и его значение находится по кривым на рис. 10-14. Здесь по оси абсцисс нанесено отношение температурных напоров для прямого ребра постоянной толщины, определяемое по уравнению (10-44), а по оси ординат — значение . Отношение выбрано в качестве параметра, верхняя предельная кривая соответствует прямому ребру .

Влияние сужения круглого ребра приближенно может быть оценено при помощи кривых на рис. 10-12.

Пример 10-3. Какое количество теплоты передается через железное ребро толщиной мм, высотой мм и длиной и каков температурный напор 02 на конце ребра, если коэффициент теплопроводности железа , коэффициент теплоотдачи и избыточная температура в основании ребра .

Сначала произведем расчет по упрощенным формулам, пренебрегая теплоотдачей с торца. В этом случае

Из табл. П-13 находим:

Далее согласно формуле (10-39) имеем:

и согласно формуле (10-40):

Если расчет произвести по точным формулам (10-37) и (10-38), то получим:

Если же расчет произвести по формулам (10-39) и (10-40), а теплоотдачу с торца учесть путем условного увеличения высоты ребра на половину его толщины, то получим:

В последнем случае результаты расчета получаются такими же, как и при расчете по точным формулам (10-37) и (10-38).

Рис. 10-14. — вспомогательный график для расчета круглых ребер постоянного сечения.

Пример 10-4. Определить количество теплоты, снимаемое с прямого ребра трапециевидного сечения длиной , высотой при коэффициенте теплоотдачи , коэффициент теплопроводности материала ребра .

При расчете по формулам (10-43) и (10-44) получим:

При расчете по упрощенному методу соответствующее ребро прямоугольного сечения должно иметь толщину . Производя расчет для этого ребра по формулам (10-39) и (10-40), получаем:

и из рис. 10-12 значение поправочного коэффициента .

Используя формулу (10-48), имеем:

т. е. в точности такое же количество теплоты, как и при расчете по формуле (10-44).

Пример 10-6. Рассчитать теплоотдачу круглого чугунного ребра постоянной толщины ; внутренний радиус ребра и наружный , коэффициент теплоотдачи , коэффициент теплопроводности чугуна .

При расчете по формулам (10-51) и (10-52) с учетом теплоотдачи с торца имеем:

При расчете по упрощенному методу получим: условная высота прямого ребра . Далее, по формулам (10-39) и .

Поверхность прямого ребра при равна . Следовательно, . Из рис. 10-14 при находим и так как , то, подставляя полученные значения в формулу (10-53), окончательно имеем: , т. е. то же значение, что и по формуле (10-52).

Как влияет теплопроводность материала ребра на коэффициент теплоотдачи оребренной трубы

Применение оребрения поверхности нагрева особенно эффективно в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи от одной среды существенно больше, чем коэффициент теплоотдачи к другой среде. Так, например, оребрение труб весьма эффективно, когда внутри трубы течет вода или жидкий металл, а с внешней стороны — газ. Применяется оребрение и со стороны жидкости и даже конденсирующихся паров, имеющих малые коэффициенты теплоотдачи (некоторые холодильные агенты).

Для односторонне оребренной поверхности можно составить систему уравнений:

Здесь F — основная поверхность теплообмена; — поверхность оребрения; Е — коэффициент эффективности оребрения.

Решая эту систему уравнений, получаем

Рис. 7.8. Коэффициент эффективности круглых ребер с цилиндрическим основанием где . Отсюда отчетливо видно, что при общий коэффициент теплопередачи можно существенно увеличить путем оребрения так, чтобы имело место условие .

Коэффициент эффективности оребрения Е всегда меньше единицы, поскольку средняя температура поверхности ребра меньше температуры у его основания. Поскольку температура у основания ребра совпадает с температурой основной поверхности теплообмена F, то количество тепла, переданное оребрением, будет равно

Рис. 7.9. Коэффициент эффективности квадратных ребер с цилиндрическим основанием и ребер с прямым основанием ( для прямых и поперечных ребер на овальной трубе; для поперечных ребер на круглых трубах)

Отсюда в соответствии с формулой (7.5.16) для прямого ребра постоянной толщины

На рис. 7.8 и 7.9 приведены составленные Э.С. Карасиной графики для определения круглых поперечных ребер, квадратных поперечных ребер и ребер с прямым основанием. На рис. 7.9 дан также график для определения коэффициента , на который следует умножить величину Е в случае трапециевидного сечения ребра.

Оребренные трубы: для чего и как

Трубы с металлическими ребрами были изобретены с целью увеличения площади наружной поверхности. Такая конструкция позволяет повысить теплопередачу в 1,5 раза. Эти изделия применяются в областях, где необходим быстрый теплообмен между жидкостью в трубе и окружающей средой. Эффективность зависит от правильности выбора конструкции и сырья применительно к конкретным условиям.

Конструкция

Независимо от материала, изделия этого вида по устройству одинаковы. Отличаются они только деталями – формой лепестков и коэффициентом оребрения. «Сооружение» собирается из двух составляющих:

1. Основа – это труба, изготовленная из материала с антикоррозийными свойствами. Ее задача – выдерживать давление и перепад температур. Используют стальные, чугунные и трубы из цветных металлов. В зависимости от решаемых задач по ним протекает хладо- или теплоноситель.
2. Ребра, закрепляемые на основе. Так как нагрев осуществляется по всей поверхности лепестков, его эффективность остается на одном уровне независимо от температуры носителя.

Коэффициент оребрения – это величина, получаемая от деления площади выступов и участков между ними на неоребренную поверхность. Чем он больше, тем выше эффективность.

Трубы из чугуна отливаются сразу с ребрами. Для изготовления изделий из других материалов применяют:

• высокочастотную приварку элементов;
• обжим шайб;
• поперечно-винтовую накатку;
• электродуговую и контактную сварку;
• навивку с натяжением металлической ленты на основу.

Некоторые производители для повышения эффективности теплопередачи делают ребра с прорезями. Трубы, изготовленные методом накатки алюминия, могут применяться при температуре до 350 ⁰C. Конструкции, сделанные по технологии навивки стальной ленты, способны выдержать более суровые условия.

Преимущества использования термостойких труб с оребрением

Для создания термостойкого слоя поверхности покрываются окисью магния. После отжига они получают:

• увеличение коэффициента теплопередачи;
• высокую сопротивляемость к коррозии;
• длительный срок службы;
• повышенную стойкость к перепаду температур;
• отсутствие необходимости в специальном уходе, они могут работать в любых условиях;
• возможность применения в агрессивных средах.

Благодаря приобретенным достоинствам оребренные термостойкие виды имеют следующие преимущества:

1. Высокая технологичность производства. Используемая контактная сварка потребляет мало энергии, для нее не нужны специальные расходные материалы и дорогостоящее оборудование.
2. В промежутках между ребрами возникают турбулентные завихрения воздуха, что увеличивает интенсивность теплообмена на всех участках.
3. За счет применения контактной сварки создается соединение между лепестками и основой с низким температурным сопротивлением.
4. Уменьшение толщины пленки конденсата. Это связано с применением термостойкого покрытия. В результате происходит снижение уровня конденсации паров носителя.

Разновидности труб и технические характеристики

Выпускается два типа оребренных изделий: монометаллические и биметаллические. Первые изготавливаются из одного материала, вторые – из разных сплавов. Характеристики нормируются ГОСТом:

Форма ребер может быть квадратной и круглой. Прямоугольный тип эффективнее, так как у него больше площадь. Расположение выступов бывает радиальным, спиральным, продольным.

Чугунные

Изделия из этого материала давно применяются для отопления больших производственных помещений, в экономайзерах котельных. В быту из-за большого веса они используются реже. В индивидуальных системах отопления нередко устанавливается стартовая чугунная труба, чтобы быстро прогревать помещение. К достоинствам относятся:

• высокая стойкость к коррозии;
• простота монтажа;
• хорошая теплопередача;
• компактность;
• использование в паровых отопительных системах с температурой до 150 ⁰C;
• давление до 24 атм;
• маленькая стоимость.

Недостатки тоже имеются:

• скапливание трудноудаляемой пыли в межреберном пространстве;
• большой вес;
• низкая механическая прочность.

Алюминиевые

Благодаря высокой стойкости к химически активным веществам эти трубы широко применяются в промышленности. Из достоинств следует отметить:

1. Неподверженность коррозии изделий, изготовленных из материала с содержанием алюминия выше 95 %. Трубы из сплавов с большим количеством добавок ржавеют, поэтому их необходимо защищать от воздействия влаги.
2. Малый вес – не создает проблем при перевозке и монтаже.
3. Возможность применения в агрессивных средах.
4. Низкая шероховатость внутренних стенок по сравнению со стальными и чугунными аналогами – обеспечивает хорошую пропускную способность.
5. Легкость механической обработки.

Алюминий высокой чистоты обладает канцерогенными свойствами, поэтому трубы из него нельзя использовать для бытовых нужд. При выборе следует учитывать, что изделия, не прошедшие обработку отжигом, закаливанием или нагартовкой, легко деформируются на холоде.

Нержавеющие

Эти трубы считаются лучшими для монтажа радиаторных отопительных систем любого типа. Они обладают следующими преимуществами:

• малым коэффициентом теплового расширения, поэтому даже длинную трубу не покоробит при сильном нагреве;
• высокой прочностью;
• долговечностью;
• хорошей сопротивляемостью к коррозии и химически активным веществам;
• жаростойкостью, что позволяет использовать нержавеющие трубы даже в высокотемпературных печах;
• сильной теплопроводностью.

Недостатков, кроме большой стоимости, не обнаружено.

Медные

Изделия из этого металла широко применяются в промышленности и быту. Их эксплуатационные преимущества обусловлены уникальными свойствами меди:

1. Выдерживание нагрева до нескольких сотен градусов. При температуре 600 ⁰C они отжигаются с незначительной потерей прочности, но становятся более пластичными. Точка плавления меди – 1000 ⁰C, что позволяет делать теплообменники, устанавливаемые в топках котлов.
2. Рабочее давление – до 30 атм.
3. Высокая стойкость к химически активным веществам и коррозии.
4. Небольшой коэффициент теплового расширения.
5. Малая шероховатость – обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление. Поэтому при равенстве условий эксплуатации допускается использование труб меньшего диаметра по сравнению со стальными аналогами. На гладких стенках не образуются отложения.
6. Благодаря специфике соединения медных труб на стыках проходное сечение не уменьшается.
7. Медь – экологически чистый материал с антимикробными свойствами.
8. Длительный срок службы (более 50 лет).

Из недостатков можно отметить самую высокую стоимость по сравнению с трубами из других материалов и сложность монтажа.

Биметаллические

Сочетание разнородных сплавов позволяет получать изделия с уникальными свойствами. Например, стальная труба, оребренная алюминием, обладает высокой прочностью и отличной теплоотдачей, что позволяет расширить сферу применения. Поскольку их начали выпускать сравнительно недавно, изучение свойств различных комбинаций до сих пор продолжается.

При изготовлении биметаллических изделий для теплообменников используются следующие сочетания материалов (труба + оребрение):

• сталь с алюминием;
• нержавейка с медью;
• латунь с алюминием;
• нержавейка с алюминием.

Совмещение разных металлов позволяет получить следующие преимущества:

• отличную теплоотдачу;
• большую механическую прочность;
• длительный срок службы;
• низкую стоимость;
• возможность использования в системах с высоким давлением теплоносителя.

Для решения конкретных задач требуются трубы с определенными свойствами, поэтому при выборе следует обращать внимание на их характеристики и производить вычисление эффективности.

Расчет коэффициента теплопередачи

Поскольку у металлов термическое сопротивление невелико, стенку трубы можно считать плоской. Тогда ее коэффициент теплопередачи от одной среды к другой находят по формулам:

В указанных формулах коэффициент теплопередачи (α_пр) и площадь выступов определяются:

где F_р – площадь одного ребра, а n – их количество.

Исходя из того, что следует принять

Предположим, что необходимо рассчитать плотность теплового потока (q, Вт/м2), передаваемого через стенку чугунной трубы с горячей водой (t = 70 ⁰C) окружающему воздуху (t = 20 ⁰С). Температуры внутренней и наружной ее плоскости – t1 и t2 соответственно.

Толщина изделия, коэффициент теплопроводности чугуна и степень черноты поверхности равны: δс = 3мм, λ = 63 Вт/м К, c = 0,9. Конвективный коэффициент теплоотдачи от воды к внутренней плоскости α1 = 3500 Вт/м2 К, от наружной стенки трубы к воздуху α2 = 6,5 Вт/м2 К.

Для расчета возьмем t2 = 69 ⁰C. Тогда

Используя полученный результат, определяем температуру t2:

Расхождением между принятым и вычисленным показателем, равным 0,77 ⁰C, пренебрегают, так как на точность расчета это существенно не влияет. Определяем значение t1:

Результат: q = 652 Вт/м², t1 = 69,8 °С, t2 = 69,77 °С.

О сфере применения

Везде, где требуется нагреть или охладить какую-либо среду за счет теплообмена, используются оребренные трубы. В кондиционерах с их помощью охлаждается воздух. На химических и нефтеперерабатывающих предприятиях оребренные трубы применяются для нагрева и остужения агрессивных газов и жидкостей в различных установках. В машиностроении они используются при изготовлении компрессоров, холодильников, электросушилок, маслоохладителей, воздухонагревателей и других теплообменных устройств. За счет высокой эффективности оребренных труб снижается металлоемкость систем отопления производственных и жилых помещений.

Как сделать оребрение своими руками

При самостоятельном изготовлении следует учитывать, что эффективность таких труб ниже по сравнению с заводскими образцами. В домашних условиях оребрение можно сделать на небольшом участке или короткой заготовке. В зависимости от имеющегося оборудования используют:

• сварку;
• намотку проволоки;
• насечку + сварку;
• нарезку резьбы глубокого профиля с помощью токарного станка;
• насечку + натяг.

Заключение

Благодаря небольшому весу и высокой эффективности оребренные трубы (кроме чугунных), объединенные в секции, все чаще применяются для отопления загородных домов. Их цена зависит от материала, толщины стенок, размера ребер. Стоимость изделий с термостойким покрытием больше, но они надежней. Лучшим вариантом по соотношению цена/эффективность будут биметаллические трубы.

Читайте также:

  
• Как варить газосваркой трубу
  
• Бурение скважин на воду переносными буровыми установками в верхнем уфалее
  
• Equation арматура для унитаза как установить
  
• Ремонт водонагревателя занусси 50 литров своими руками
  
• Душевая кабина по размерам