Виды теплообменных аппаратов основные расчетные уравнения

Виды теплообменных аппаратов. Основные расчетные уравнения.

Теплообменным аппаратом – называется устройство в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

По принципу действия теплообменники подразделяются:

Рекуперативными – называются такие теплообменники в которых теплота переходит от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

Регенеративными – теплообменник в котором теплота переходит от одной среды к другой путём периодического контакта поверхности аппарата поочерёдно с горячими и холодными средами.

Смесителями – называются такие теплообменники в которых теплота от одной среды к другой передаётся за счёт смешения этих сред.

Наибольшее распространение в промышленности получили рекуперативные теплообменники. Они в свою очередь подразделяются на: прямоточные, противоточные, с перекрёстным током, со смешанным током. В качестве теплоносителей в таких теплообменниках широко используются различные смеси, газы и пары. Конструктивно рекуперативные теплообменники подразделяются на: кожухо–трубчатые, спиральные, труба в трубе, змеевиковая.

Кожухо-трубчатый теплообменник состоит из металлического кожуха и расположенного в нём пучка труб, закреплённых в решётках. В таком теплообменнике имеется 2 проточных канала. 1). Образован межтрубным пространством и предназначен для нейтральных жидкостей. 2). Образован из продолговатого сечения труб и предназначен для жидкостей которые могут загрязнят внутренние поверхности труб. По внутренней трубе теплообменника труба в трубе обычно движется среда, отдающая тепло в межтрубном пространстве циркулирует нагреваемая среда.

G1, G2 – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей.

«’» — вход теплоносителей в теплообменник,

«”» — выход параметра в теплообменнике.

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи в теплообменниках с остальной поверхностью теплообменника следующее:

Воздух – воздух к = 5…25

Воздух – вода к = 10…40

Воздух – конд.пар к = 15…50

Вода – вода к = 150…1000

Гор.вода – конд.пар к = 1000…2000

Конд.пар – кип.вода к = 1500…3000

Средний температурный напор ∆Т.

32. Конструктивный поверочный расчёт теплообменников.

Конструктивный и поверочный.

Целью конструктивного расчёта является разработка нового варианта теплообменного аппарата. Такой расчёт включает в себя: тепловой, гидравлический, металлический, теплико-экономический расчёты. В результате определяется: геометрические размеры и теплико-экономические характеристики теплообменника. Задачей теплового расчёта является определения поверхности теплообмена из уравнения теплового баланса.

Средний температурный напор ∆Т.

Для перекрёстных и смешанных токов средний температурный напор найденный для случая противотока должен быть умножен на поправочный коэффициент выбираемый по справочным материалам. Противоток обычно даёт большее значение средних температурного напора по сравнению с любой другой схемой движения теплоносителей. Наименьшее значение даёт прямоточная схема, поскольку при равных условиях при противотоке, теплоты отдается больше чем при прямотоке, поэтому на практике рекомендуется применять противоточную схему теплоносителей.

Поверочный расчёт выполняется для выявления возможности использования типового теплообменного аппарата и ставит целью расчёт параметров теплоносителей при заданных тепловой нагрузке и поверхности теплообмена. Он основан на совместном решении уравнений теплопередачи и теплового баланса.

Дата добавления: 2015-04-16 ; просмотров: 17 ; Нарушение авторских прав

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

Читайте также:
  1. I. Вспомните основные модальные глаголы и их эквиваленты. Чем они отличаются? Как спрягаются? (Заполните табличку).
  2. I. Основные положения
  3. I. Основные термины и определения
  4. I. Функции государства — это основные направления его деятельности, в которых выражаются сущность и социальное назначение государства в обществе.
  5. II. Основные параметры магнитного поля.
  6. II. Основные правила черной риторики
  7. II. Основные принципы и правила служебного поведения государственных гражданских служащих Федеральной налоговой службы
  8. II. Основные цели и задачи Программы, срок и этапы ее реализации, целевые индикаторы и показатели
  9. II. Основные цели, задачи и сроки реализации Программы
  10. II. Основные этапы развития физики Становление физики (до 17 в.).
(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¢¢
t2¢¢ > t1¢¢.

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):

d Q=-С1dt1=С2 dt2 ,(9.9)
d Q=к(t1— t2) dF.(9.10)
d (t1— t2)=-т dQ.

в (9.10) и получим

(9.11)

Проинтегрируем (9.11) от Dt¢ до текущего температурного напора Dt и от 0 до Fx (рис. 9.1, а), получим

(9.12)

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.

(9.13)
(9.14)

Зная закон изменения температурного напора вдоль поверхности теплообмена (9.12), можно найти средний температурный напор по формуле осреднения

(9.15)

Совместное решение (9.15), (9.12) – (9.14) дает расчетную формулу для среднего температурного напора при прямотоке

(9.16)

При противотоке

Аналогичные рассуждения и математические преобразования дают расчетную формулу для в виде

(9.17)

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

(9.18)

где eDt=f (R, P) – поправочный коэффициент, определяемый по номограммам, которые приведены в справочниках.

Расчет средних температур теплоносителей 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).

Уравнение массового расхода теплоносителя имеет вид

G=w f r, кг/с,(9.19)

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

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: 1002 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


источники:

http://megaobuchalka.ru/8/46154.html

http://helpiks.org/9-53336.html

© 2023 Русский язык. Привила написания. Наш первый проект тут и тут