Теплообменники с ребристыми поверхностями нагрева применяются в тех случаях, когда теплообмен происходит между теплоносителями, из которых один имеет большой, а другой, наоборот, очень малый коэффициент теплоотдачи. Увеличивая поверхность теплообмена путем оребрения ее со стороны теплоносителя, тем самым увеличивают количество передаваемого тепла и со стороны неоребренной поверхности. В ребристых теплообменниках жидкость или конденсирующийся пар проходит внутри трубок, а воздух или дымовые газы, имеющие меньший коэффициент теплоотдачи по внешней ребристой поверхности (см. рис. 2.8).
Исходя из выражения коэффициента теплопередачи для плоской стенки и учитывая различие поверхностей теплообмена внутри и снаружи трубки, количество тепла, передаваемое за 1 ч через ребристую поверхность трубки, можно представить в виде
Вт или Дж/с. (2.72)
Коэффициент теплопередачи через ребристую стенку
, Вт/(м2×К), (2.73)
где 
- коэффициент теплоотдачи с гладкой стороны;
- приведенный коэффициент теплоотдачи со стороны ребристой поверхности;
- термическое сопротивление загрязнений ребристой поверхности, м2×К/Вт;
, 
- средние температуры теплоносителей, °С;
, 
- толщина и коэффициент теплопроводности материала стенки (плоской стенки или стенки трубки без ребер);
- площадь гладкой поверхности стенки;
- площадь ребристой поверхности стенки, равная площади ребер 
и площади стенки в промежутках между ребрами 
.
Термические сопротивления слоев загрязнений учитываются в зависимости т того, с какой стороны они находятся, величиной 
или 
или их суммой, если загрязнение имеется с обеих сторон.
При оребрении стремятся к выполнению условия
|
|
.
Отношение величин оребренной поверхности 
и гладкой называют коэффициентом оребрения и выбирают обычно в пределах конструктивных возможностей от 4 до 10.
Для тонких чистых поверхностей нагрева, когда можно принять 
, в ряде случаев можно считать, 
. Например, при 
= 46,5 Вт/(м2×К) и 
= 5810 Вт/(м2×К) коэффициент теплопередачи
Вт/(м2×К).
Если в предыдущем примере принять гладкую поверхность трубы, увеличенную путем оребрения в 10 раз, а коэффициенты теплоотдачи принять прежними, то коэффициент теплопередачи, определяемый по величине гладкой внутренней поверхности 
= 370 Вт/(м2×К), а отнесенный к ребристой поверхности (без учета неравномерности распределения температур по поверхности ребер) 
= 43 Вт/(м2×К). Поэтому при оценке эффективности теплообмена ребристых теплообменников следует знать, к какой поверхности относится коэффициент теплопередачи.
Р а с ч е т р е б р и с т ы х п о в е р х н о с т е й. По опытам ВТИ для определения коэффициентов теплопередачи в калориферах системы Госсантехстроя и Госсантехмонтажа могут быть рекомендованы следующие формулы:
а) при обогреве паром
, Вт/(м2×К), (2.74)
где 
= 10,5¸14 и 
= 0,5¸0,7 в зависимости от типа и качества изготовления аппарата; 
- массовая скорость воздуха, кг/(с×м2);
б) при обогреве горячей водой
, Вт/(м2×К), (2.75)
где 
11,6¸23,2, 
0,4¸0,5; 
0,1¸0,15; 
скорость воды в трубках, м/с.
В формулах (2.74) и (2.75) отнесен к внешней оребренной поверхности калорифера.
Расчет коэффициента теплоотдачи 
в пучках трубок с круглыми и квадратными ребрами, обтекаемых поперечным потоком газа, в области значений Rе = 3×103¸2×104 и 
3¸4,3 может быть произведен по формуле ВТИ
|
|
Nu = 
(2.76)
где Nu = 
;
шаг ребер, м;
- наружный диаметр трубы, м; 
высота ребра, м; 
коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К);
- кинематическая вязкость газа при средней температуре его 
м2/с;
- средняя температура стенки трубы;
- скорость газа в узком сечении пучка 
, вычисленная при температуре газа 
, м/с;
- 
узкое сечение пучка, м2;
- поперечный шаг трубок в пучке, м; 
средняя толщина ребра;
, 
- постоянные коэффициенты для коридорных пучков трубок: с круглыми ребрами 
, с квадратными ребрами 
; в обоих случаях 
; для шахматных пучков трубок с круглыми ребрами 
и с квадратными 
; в обоих случаях 
.
Расчетный или приведенный коэффициент теплоотдачи ребристой поверхности , отнесенный к внешней поверхности нагрева и учитывающий неравномерность теплообмена по поверхности ребра, определяют из уравнения
, (2.77)
где - коэффициент теплоотдачи к воздуху от поверхности свободной от ребер, определяемый по уравнению (2.76);
поверхность ребер на 1 м длины, м2;
- число ребер на 1 м;
- диаметр ребер, м;
- наружный диаметр трубы, м;
- внешняя поверхность трубы, не занятая ребрами, м2;
- толщина ребер, м;
- полная внешняя поверхность 1 м трубы, состоящая из поверхности ребер и поверхности трубы, не занятой ребрами, равная 
, м2;
- разность между температурами основной поверхности трубы и воздуха;
- разность между температурами поверхности ребер и воздуха меньшая, чем , вследствие изменения температуры на поверхности ребер.
|
|
Отношение 
можно найти из равенства
, (2.78)
где 
- коэффициент, определяемый по рис. 2.9;
; 
;
;
коэффициент теплопроводности материала ребра, Вт/(м×К);
толщина ребра, м; определяется по формуле (2.76).
После определения коэффициента теплоотдачи для внешней ребристой поверхности дальнейший расчет ведется по обычным формулам теплопередачи.
Коэффициент теплоотдачи для шахматных пучков, состоящих из трубок с проволочным оребрением, можно определить по формуле ВТИ
Nu = 
, (2.79)
где 
наружный диаметр трубки, м;
высота оребрения, м;
шаг оребрения по длине трубки, м;
шаг витков по окружности трубки, м;
число витков по окружности трубки.
Скорость газа определяется в сечении между ребрами.
Формула (2.79) получена на основании обобщения опытов при
