Тепловой расчет теплообменных аппаратов
Здравствуйте! Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями либо между теплоносителями и твердыми телами (насадкой, стенкой). Роль теплоносителя может выполнять и среда, окружающая аппарат. По своему назначению и конструктивному оформлению теплообменники могут быть самыми различными, начиная от простейшего (радиатор) и кончая наиболее совершенным (котельный агрегат). По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.
Рекуперативными называют аппараты, в которых одновременно протекают горячий и холодный теплоносители, разделенные между собой твердой стенкой. К числу таких аппаратов относятся подогреватели, котельные агрегаты, конденсаторы, выпарные аппараты и др.
Регенеративными называют аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева попеременно омывается то горячей, то холодной жидкостью. При этом теплота, аккумулированная стенками аппарата при их взаимодействии с горячей жидкостью, отдается холодной жидкости. Примером регенеративных аппаратов являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей, отопительные печи и др. В регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные аппараты большей частью работают при стационарном режиме.
Рекуперативные и регенеративные аппараты называют также поверхностными, так как процесс передачи теплоты в них неизбежно связан с поверхностью твердого тела.
Смесительными являются аппараты, в которых передача теплоты осуществляется при непосредственном смешивании горячей и холодной жидкости.
Взаимное движение теплоносителей в теплообменных аппаратах может быть различным (рис. 1.).
В зависимости от этого различают аппараты с прямоточным движением, противоточным движением, перекрестным током и со сложным направлением движения теплоносителей (смешанного тока). Если теплоносители протекают параллельно в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (рис. 1.). При противотоке теплоносители движутся параллельно, но навстречу друг другу. Если направления движения жидкостей пересекаются, то схема движения называется перекрестным током. Кроме названных схем, на практике применяются и более сложные: одновременно прямоток и противоток , многократно перекрестный ток и др.
В зависимости от технологического назначения и конструктивных особенностей теплообменные аппараты подразделяются на водоподогреватели, конденсаторы, котельные агрегаты, испарители и др. Но общим является то, что все они служат для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому, поэтому и основные положения теплового расчета для них одинаковы. Разница может состоять только в конечной цели расчета. При проектировании нового теплообменного аппарата задачей расчета является определение поверхности нагрева; при поверочном тепловом расчете имеющегося теплообменника требуется найти количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей.
В основу теплового расчета в обоих случаях положены уравнения теплового баланса и уравнение теплопередачи.
Уравнение теплового баланса теплообменного аппарата имеет вид:
где М — массовый расход теплоносителя, кг/с; cpm — удельная массовая изобарная средняя теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг*°С).
Здесь и в дальнейшем индексом «1» обозначаются величины, относящиеся к горячей жидкости (первичный теплоноситель), а индексом «2» — к холодной жидкости (вторичный теплоноситель); штрих соответствует температуре жидкости на входе в аппарат, а два штриха — на выходе.
При расчете теплообменников часто пользуются понятием полной теплоемкости массового расхода теплоносителя (водяного эквивалента), равной С = Мср Вт/°С. Из выражения (1) следует, что
то есть отношение изменений температур однофазных теплоносителей обратно пропорционально отношению их полных расходных теплоемкостей (водяных эквивалентов).
Уравнение теплопередачи записывается так: Q=k*F*(t1—t2), где t1, t2— температуры первичного и вторичного теплоносителей; F — площадь поверхности теплопередачи.
При теплообмене в большинстве случаев изменяются температуры обоих теплоносителей и, следовательно, изменяется температурный напор Δt = t1—t2. Коэффициент теплопередачи по поверхности теплообмена также будет иметь переменную величину, поэтому в уравнение теплопередачи следует подставлять средние значения температурного напора Δtср и коэффициента теплопередачи kсp, то есть
Площадь теплообмена F рассчитывается по формуле (3), тепловая производительность Q при этом задается. Для решения задачи необходимо вычислить средний по всей поверхности коэффициент теплопередачи kсp и температурный напор Δtср.
При вычислении среднего температурного напора необходимо учитывать характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена. Из теории теплопроводности известно, что в пластине или цилиндрическом стержне при наличии разности температур на торцах (боковые поверхности изолированы) распределение температур по длине линейное. Если же на боковой поверхности имеет место теплообмен или система располагает внутренними источниками теплоты, то распределение температур является криволинейным. При равномерном распределении источников теплоты изменение температур по длине будет параболическим.
Таким образом, в теплообменных аппаратах характер изменения температур теплоносителей отличается от линейного и определяется полными теплоемкостями С1 и С2 массовых расходов теплоносителей и направлением их взаимного движения (рис. 2).
Из графиков видно, что изменение температуры вдоль поверхности F неодинаково. В соответствии с уравнением (2) большее изменение температуры будет у теплоносителя с меньшей теплоемкостью массового расхода. Если же теплоносители одинаковы, например, в водоводяном теплообменнике, то характер изменения температур теплоносителей будет всецело определяться их расходами, причем при меньшем расходе изменение температур будет большим. При прямотоке конечная температура t»2 нагреваемой среды всегда меньше температуры t»1 греющей среды на выходе из аппарата, а при противотоке конечная температура t»2 может быть выше температуры t»1 (см. для противотока случай, когда C1 > C2). Следовательно, при одинаковой начальной температуре нагреваемую среду при противотоке можно нагреть до более высокой температуры, чем при прямотоке.
При прямотоке температурный напор вдоль поверхности нагрева изменяется в большей степени, чем при противотоке. Вместе с тем среднее его значение в последнем случае больше, вследствие чего поверхность нагрева аппарата с противотоком будет меньшей. Таким образом, при равных условиях в этом случае будет передано большее количество теплоты. Исходя из этого, предпочтение следует отдавать аппаратам с противотоком.
В результате аналитического исследования теплообменного аппарата, работающего по схеме прямотока, установлено, что температурный напор вдоль поверхности теплообмена изменяется по экспоненциальному закону, поэтому средний температурный напор может быть вычислен по формуле:
где Δtб — большая разность температур между горячим и холодным теплоносителем (с одного края теплообменника); Δtм — меньшая разность температур (с другого края теплообменника).
При прямотоке Δtб = t’1 — t’2 и Δtм = t»1 — t»2 (рис. 2.). Эта формула справедлива также и для противотока с той лишь разницей, что для случая, когда С1 С2 Δtб = t»1 — t’2 и Δtм = t’1 — t»2.
Средняя разность температур между двумя средами, вычисляемая по формуле (4), называется среднелогарифмическим. температурным напором. Вид выражения обусловлен характером изменения температур вдоль поверхности нагрева (криволинейная зависимость). Если бы зависимость была линейной, то следовало бы определять температурный напор как среднеарифметический (рис. 3.). Значение среднеарифметического напора Δtа.ср всегда больше среднелогарифмического Δtл.ср. Однако в тех случаях, когда температурный напор по длине теплообменника изменяется незначительно, то есть выполняется условие Δtб/ Δtм
Осреднение температурного напора для аппаратов с перекрестным и смешанным током отличается сложностью расчетов, поэтому для ряда наиболее употребительных схем результаты решений обычно приводятся в виде графиков. Исп. литература: 1) Основы теплоэнергетики, А.М. Литвин, Госэнергоиздат, 1958. 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976. 3) Теплотехника, изд.2, под общей ред. И.Н.Сушкина, Москва «Металлургия», 1973.
4 комментарий на « Тепловой расчет теплообменных аппаратов »
столкнулся с такой практической задачей: в комнате 4 радиатора отопления, подключены по двухтрубной системе. Оплата за тепло по квартирному теплосчетчику.
Если включить все четыре батареи на полную мощность, то будет слишком жарко. Практика показывает, что для оптимальной температуры надо включить или 2 батареи на полную, а 2 выключить; или включить все четыре на минимальный обогрев.
Как вы думаете, в каком случае затраты на обогрев будут меньше?
Игорь, сведите все к простой математике. Чем больше теплосъем, тем больше оплата за отопление. И наоборот, чем меньше теплосъем, тем меньше оплата за отопление. Формула потребленного тепла выглядит как Q=G*c*(T1-T2), где Q=ккал/сек, с- это теплоемкость воды = 1 ккал/(кг*градус), Т1 — температура в подаче в градусах, Т2 — температура в обратке в градусах, G — количество теплоносителя в кг/сек. Если умножить результат на 3600, то получите результат в часах. По своему теплосчетчику вы можете узнать количество теплоносителя, который прошел через ваши батареи, а так же температуру прямой и обратной трубы. Путем регулирования своих 4х батарей вы можете по количеству теплоносителя регулировать стоимость потребленного тепла. Как-то так.
Подскажите пожалуйста, если в частном доме с центральным отоплением поставить теплообменник, то за отопление придется платить столько же сколько без него? Прибора учета нет.
Если прибора учета нет, то будете платить столько же, сколько и до установки теплообменника
Базовые понятия теплообмена для расчета теплообменников
Когда проводится расчет теплообменников, используются базовые знания о законах теплообмена, открытые на сегодняшний день.
В частности используются такие понятия как удельная теплоемкость и теплосодержание (энтальпия), а также удельная теплота химических превращений (и фазовых превращений).
Под удельной теплоемкость понимается количество тепла, которое необходимо для нагрева одного килограмма вещества ровно на один градус. На основании данных о теплоемкости можно судить об интенсивности аккумулирования тепла.
При тепловых расчетах используются средняя теплоемкость, исчисляемую в заданном температурном интервале.
Под понятием удельной энтальпии понимается количество тепла, которое потребуется для нагрева одного килограмма от нуля до заданной температуры.
Под удельной теплотой химических превращений понимается то количество тепла, которое будет выделяться при химической трансформации одной единицы массы данного вещества.
Под удельной теплотой фазовых превращений понимается то количество тепла, которое будет поглощаться или выделяться при изменении агрегатного состояния единицы массы данного вещества.
Расчет теплообменников и различные методы составления теплового баланса
При расчете теплообменников могут использоваться внутренний и внешний методы составления теплового баланса. При внутреннем методе используются величины теплоемкостей. При внешнем методе используются величины удельных энтальпий.
При применении внутреннего метода тепловая нагрузка рассчитывается по разным формулам, в зависимости от характера протекания теплообменных процессов.
Если теплообмен происходит без каких-либо химических и фазовых превращений, а соответственно и без выделений или поглощений тепла.
Соответственно тепловая нагрузка рассчитывается по формуле
Если в процессе теплообмена происходит конденсация пара или испарение жидкости, протекают какие-либо химические реакции, то используется другая форму для вычисления теплового баланса.
При использовании внешнего метода расчет теплового баланса ведется на основании того, что в теплообменный аппарат за какую-то единицу времени поступает и выходит равное количество тепла.
Если при внутреннем методе используются данные о теплообменных процессах в самом агрегате, то при внешнем методе используются данные внешних показателей.
Для расчета теплового баланса по внешнему методу используется формула
.
Под Q1 подразумевается то количество тепла, которое поступает в агрегат и ходит из него за единицу времени.
Под 
подразумевается энтальпия веществ, которые входит в агрегат и выходят из него.
Можно также вычислить разность энтальпий для того, чтобы установить то количество тепла, которое было передано между разными средами. Для этого используется формула 
.
Если же в процессе теплообмена происходили какие-либо химические или фазовые превращения, используется формула.
Механизмы теплопередачи в расчете теплообменников
Теплообмен осуществляется посредством трех основных видов теплопередачи. Это конвекция, теплопроводность и излучение.
При теплообменных процессах, которые протекают по принципам механизма теплопроводности передача тепла происходит как перенос энергии упругих колебаний молекул и атомов. Данная энергия переходит от одних атомов к другим в направлении уменьшения.
При проведении расчетов параметров передачи тепла по принципу теплопроводности используется закон Фурье:.
Для вычисления количества тепла используются данные о времени прохождения потока, площади поверхности, градиенте температуры, а также о коэффициенте теплопроводности. Под градиентом температуры понимается ее изменение в направлении теплопередачи на одну единицу длины.
Под коэффициентом теплопроводности понимается скорость теплообмена, то есть то количество тепла, которое проходит через одну единицу поверхности в единицу времени.
При любых тепловых расчетах учитывается, что самый большой коэффициент теплопроводности имеют металлы. Различные твердые тела имеют гораздо меньший коэффициент. А у жидкостей этот показатель, как правило, ниже, чем у любого из твердых тел.
При расчете теплообменников, где передача тепла от одной среды к другой идет через стенку, также используется уравнение Фурье для получения данных о количестве передаваемого тепла. Оно вычисляется как количество тепла, которое проходит через плоскость с бесконечно малой толщиной: 
.
Если проинтегрировать показатели температурных изменений по толщине стенки, получится 
Исход из этого получается, что температура внутри стенки падает по закону прямой линии.
Конвекционный механизм передачи тепла: расчеты
Еще один механизм передачи тепла – конвекция. Это передача тепла объемами среды посредством их взаимного перемещения. При этом передача тепла от среды к стенке и наоборот, от стенке к рабочей среде называется теплоотдачей. Чтобы определить количество тепла, которое передается, используется закон Ньютона
В данной формуле a — это коэффициент теплоотдачи. При турбулентном движении рабочей среды этот коэффициент зависит от многих дополнительных величин:
- физических параметров текучей среды, в частности теплоемкости, теплопроводности, плотности, вязкости;
- условий омывания газом или жидкостью теплоотдающей поверхности, в частности скорости текучей среды, ее направления;
- пространственных условий, которые ограничивают поток (длина, диаметр, форма поверхности, ее шероховатости).
Следовательно, коэффициент теплоотдачи — функция многих величин, что показано в формуле
Метод анализа размерностей позволяет вывести функциональную связь критериев подобия, которые характеризуют теплоотдачу при турбулентном характере движения потока в гладких, прямых и длинных трубах.
Это вычисляется по формуле
.
Коэффициент теплоотдачи в расчете теплообменников
В химической технологии нередко встречаются случаи обмена тепловой энергией между двумя текучими средами через разделяющую стенку. Теплообменный процесс проходит три стадии. Тепловой поток для установившегося процесса остается неизменным.
Проводится расчет теплового потока, проходящего от первой рабочей среды к стенке, затем через стенку теплопередающей поверхности и затем от стенки ко второй рабочей среде.
Соответственно для проведения расчетов используется три формулы:
В результате совместного решения уравнений получаем
Величина
и есть коэффициент теплопередачи.
Расчет средней разности температур
Когда при помощи теплового баланса определено необходимое количество тепла, необходимо провести расчет поверхности теплообмена (F).
При расчете необходимой теплообменной поверхности используется то же уравнение, что и при предыдущих расчетах:
В большинстве случаев температура рабочих сред будет меняться в процессе протекания теплообменных процессов. Значит вдоль теплообменной поверхности будет меняться разность температур. Поэтому проводится расчет средней разности температур. А в связи с тем, что изменение температур не линейно, рассчитывают логарифмическую разность 
. 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 
.
Основные уравнения для расчета теплообменников
Тепловой 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
 | (9.1) |
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
 | (9.2) |
где 
, 
, Дж/кг×К – средние теплоемкости теплоносителей,
 | (9.3) |
где С=G 
Дж/с×К – расходная теплоемкость теплоносителя.
Из уравнения (9.3) следует, что отношение расходных теплоемкостей обратно пропорционально отношению их изменений температур:
 | (9.4) |
Уравнение теплового баланса с учетом тепловых потерь запишется в виде
 |
где 
КПД теплообменника, учитывающий потери тепла в окружающую среду.
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
 | (9.5) |
где 
— средние температуры теплоносителей;
к – коэффициент теплопередачи;
F, м 2 – площадь поверхности;
и используется для нахождения площади поверхности теплообмена F.
 | (9.6) |
где 
— средний температурный напор, то уравнение теплопередачи запишется в виде
 . | (9.7) |
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
 | (9.8) |
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¢¢):
t2¢¢
Это дает основание заключить, что противоточная схема предпочтительнее прямоточной. Получим формулу для расчета среднего температурного напора припрямотоке. Запишем уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи для элемента поверхности dF (рис.9.1,а):
в (9.10) и получим
Проинтегрируем (9.11) от Dt¢ до текущего температурного напора Dt и от 0 до Fx (рис. 9.1, а), получим
Последняя формула описывает закон изменения текущего температурного напора вдоль поверхности теплообмена. Проинтегрируем (9.11) от Dt¢ до Dt¢¢ и от 0 до F, где F – площадь поверхности теплообменника.
Зная закон изменения температурного напора вдоль поверхности теплообмена (9.12), можно найти средний температурный напор
Совместное решение (9.15), (9.12) – (9.14) дает расчетную формулу для среднего температурного напора при прямотоке
При противотоке
Аналогичные рассуждения и математические преобразования дают расчетную формулу для
Учитывая, что для прямотока Δt¢ является бóльшим температурным напором, а Δt¢¢ — меньшим, можно утверждать, что формула (9.17) справедлива и для прямотока. Для других схем движения теплоносителей средний температурный напор рассчитывается по формуле
где eDt=f (R, P) – поправочный коэффициент, определяемый по номограммам, которые приведены в справочниках.
Расчет средних температур теплоносителей Уравнение массового расхода теплоносителя имеет вид
где w, м/с – скорость движения теплоносителя, f, м 2 – площадь поперечного сечения потока теплоносителя, r, кг/м 3 – плотность теплоносителя. При движении теплоносителя по трубам пучка площадь поперечного сечения всех труб источники: http://specnhm.ru/bazovye-ponyatiya-teploobmena-dlya-rascheta-teploobmennikov/ http://megaobuchalka.ru/8/46154.html |
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).