Основы расчета теплообменных аппаратов (ТА)
Классификация ТА. Теплообменным аппаратом называют устройство, в котором одна жидкость – горячая среда, передает теплоту другой жидкости – холодной среде. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур.
По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные.
В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.
В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей жидкости к холодной происходит при их непосредственном смешении.
Особенно широкое распространение во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку.
ТА могут иметь различное назначение: паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т. д.
| а) |
| б) |
| в) |
ТА в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по конструкции и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.
Движение теплоносителей в ТА осуществляется по трем основным схемам (см. рисунок).
Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называется прямотоком (рис.а).
Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется противотоком (рис.б). Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется перекрестным током (рис.в). Кроме этих основных схем движения жидкостей, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы.
Тепловой расчет теплообменных аппаратов. Тепловые расчеты ТА могут быть проектными и поверочными.
Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов, целью расчета является определение поверхности теплообмена. 
Поверочные тепловые расчеты выполняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей.
Тепловой расчет ТА сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета.
Уравнение теплового баланса устанавливает связь между количеством теплоты отданной горячим теплоносителем и теплотой воспринятой холодным теплоносителем. Без учета потерь теплоты это уравнение имеет вид:
,
где М1, М2 – массовый расход горячего и холодного теплоносителя;
Ср1, Ср2 – изобарная массовая теплоемкость горячего и холодного теплоносителя;
– температура горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменника;
– температура холодного теплоносителя на входе и выходе из теплообменника.
Произведение МСр обозначают W и называют полной теплоемкостью массового расхода или водяным эквивалентом. Тогда из уравнения теплового баланса следует 
, т.е. изменение температуры теплоносителей обратно пропорционально их водяным эквивалентам. Если один из теплоносителей изменяет агрегатное состояние (t = const), то W = ¥.
Уравнение теплопередачи имеет вид
,
где k – коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, для примерных расчетов допустимо использовать формулу для плоской однослойной стенки 
;
a1, a2 – соответственно коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю;
d, l – соответственно толщина и коэффициент теплопроводности материала стенки;
Dt – средний температурный напор между теплоносителями;
F – поверхность теплообмена.
| F |
| F |
| t |
| t |
| t’1 |
| t’2 |
| t»1 |
| t»2 |
| W1 > W2 |
| W1 W2 |
W1 0,6 средний температурный напор можно рассчитывать как среднеарифметический  .Средний температурный напор при прямотоке всегда меньше, чем при противотоке. Поэтому, поверхность нагрева противоточного ТА меньше чем прямоточного. Основы гидродинамического расчета теплообменных аппаратов. При движении рабочих сред в аппарате возникают гидравлические сопротивления, вследствие чего давление среды на входе в аппарат отличается от давления на выходе из него (Dр).На преодоление сопротивлений затрачивается механическая энергия, пропорциональная Dр. Задача гидродинамического расчета аппаратов – определение гидравлических сопротивлений, или (что то же самое) потерь давления, возникающих при движении горячей и холодной сред. Знание этих величин необходимо для расчета мощности вентиляторов или насосов, а также для выбора рациональной конструкции и оптимального режима работы аппарата. Величина гидравлических сопротивлений зависит от конструкции аппарата, условий движения среды, ее теплофизических свойств. Возникающие сопротивления в зависимости от их природы можно разделить на несколько составляющих: сопротивление трения (Dртр); местные сопротивления (Dрм); сопротивления, связанные с ускорением потока вследствие его неизотермичности (Dрус); сопротивления самотяги (Dрс); обусловленные различным направлением вынужденного и свободного движения. Гидравлическое сопротивление трения возникает из-за наличия сил вязкости на участке безотрывного течениями для несжимаемой жидкости, движущейся в каналах, рассчитывается по уравнению где x – коэффициент сопротивления трения; l – полная длина канала; d – гидравлический (эквивалентный) диаметр канала, м; r и w – плотность и скорость рабочей среды. Местные сопротивления возникают из-за вихреобразования при резком изменении направления движения или формы потока (изменение сечения канала, повороты и т. п.). Местные сопротивления определяются по формуле где z – коэффициент местного сопротивления – безразмерная величина (зависит от характера препятствий, которые приходится преодолевать потоку). Сопротивления, связанные с ускорением потока, вызываются изменением плотности среды и соответствующим изменением ее скорости по длине канала. При движении в канале постоянного сечения величину этих потерь рассчитывают по формуле Очевидно, что потери на ускорение возникают только при неизотермическом течении, причем при нагревании ониположительны, при охлаждении – отрицательны. Сопротивление самотяги возникает в вертикальных или наклонных каналах при наличии теплообмена между рабочей средой и средой, окружающей канал. Подъемная сила самотяги и равное ей сопротивление определяются по формуле где g – ускорение свободного падения; r и r0 – средние плотности среды внутри канала (например, дымовых газов) и окружающей канал среды (воздух); h – расстояние по вертикали между входом и выходом рабочей среды. При восходящем потоке Dрс > 0, при нисходящем Dрс Дата добавления: 2018-11-25 ; просмотров: 1008 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ Основные уравнения для расчета теплообменниковТепловой расчет теплообменника может быть конструкторским, целью которого является определение площади поверхности теплообмена, и поверочным, когда при известной поверхности нагрева определяется количество передаваемой теплоты и конечные температуры теплоносителей. Основными уравнениями для расчета теплообменников являются: · уравнение теплового баланса; · уравнение массового расхода теплоносителей. Уравнение теплового баланса при условии отсутствия тепловых потерь имеет вид
где G, кг/с – массовый расход теплоносителя; h, Дж/кг – энтальпия. Здесь и далее индексы 1, 2 относятся соответственно к горячему и холодному теплоносителям, один штрих (¢ ) и два штриха (¢¢ ) – к параметрам на входе в теплообменник и на выходе из него. При отсутствии кипения или конденсации теплоносителей уравнение теплового баланса можно записать в виде
где
где С=G Из уравнения (9.3) следует, что отношение расходных теплоемкостей обратно пропорционально отношению их изменений температур:
Уравнение теплового баланса с учетом тепловых потерь запишется в виде
где Эксергетический КПД теплообменника
учитывает потери эксергии в составе потерь тепла и потери эксергии от необратимого теплообмена между горячим и холодным теплоносителем при конечной разности средних температур ( Уравнение теплопередачи имеет вид
где к – коэффициент теплопередачи; F, м 2 – площадь поверхности; и используется для нахождения площади поверхности теплообмена F.
где
В рекуперативных теплообменниках для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводностью (меди, латуни, сплавов алюминия, стали), и в этом случае для стенок любой формы (например труб) коэффициент теплопередачи с достаточной точностью рассчитывается по формуле для плоской стенки
где a1, a2, Вт/м 2 ×К – средние коэффициенты теплоотдачи между стенкой и теплоносителями; d, м, l, Вт/м×К – толщина и коэффициент теплопроводности стенки. В рекуперативных теплообменниках в зависимости от направления потоков горячего и холодного теплоносителей различают три основные схемы движения: 1. Если оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении, то схема называется прямотоком. 2. Если теплоносители движутся параллельно, но в противоположных направлениях, то схема движения называется противотоком. 3. Если один теплоноситель движется в направлении, перпендикулярном к направлению движения другого теплоносителя, то схема движения называется перекрестным током. Кроме указанных, существуют более сложные схемы движения, являющиеся различными комбинациями рассмотренных основных схем.
На рис. 9.1 представлены графики изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена F для прямотока (а) и противотока (б). При прямотоке Dt¢=t1¢-t2¢ — температурный напор на входе в теплообменник, Dt¢¢=t1¢¢-t2¢¢ — температурный напор на выходе из теплообменника, Dt – текущий температурный напор при Fх. Обратите внимание, что при прямотоке температура холодного теплоносителя на выходе теплообменника (t2¢¢) всегда меньше температуры горячего теплоносителя (t1¢¢):
|
,
,
.
,
, 
, Дж/кг×К – средние теплоемкости теплоносителей,
Дж/с×К – расходная теплоемкость теплоносителя.
КПД теплообменника, учитывающий потери тепла в окружающую среду.
).
— средние температуры теплоносителей;
— средний температурный напор, то уравнение теплопередачи запишется в виде
.
по формуле осреднения
и 
производится так: сравнивают изменения температур Dt1=t1¢-t2¢¢ и Dt2= t2¢¢-t2¢ ; среднюю температуру теплоносителя с меньшим изменением температуры (с бóльшей расходной теплоемкостью) вычисляют как среднюю арифметическую. Среднюю температуру другого теплоносителя определяют по формуле (9.6).
подразумевается энтальпия веществ, которые входит в агрегат и выходят из него.
.
.
.
. В отличие от прямоточного потока, при противоточном движении рабочих сред необходимая площадь теплообменной поверхности должна быть меньше. Если в одном и том же ходу теплообменника используется и прямоточный, и противоточный потоки, разность температур определяется, исходя из соотношения 
.