Классификация теплообменных аппаратов и 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Классификация теплообменных аппаратов и



Уравнения теплового расчета

Теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителя, способа передачи теплоты. В соответствии с последним показателем их можно классифицировать на поверхностные (рекуперативные), смесительные (контактные), регенеративные и с внутренними источниками энергии.

Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее распространенную и важную группу теплообменных аппаратов, используемых в химической технологии. В поверхностных теплообменниках теплота передается через разделяющую теплоносители стенку. Если поверхность теплообмена в таких теплообменниках формируется из труб, то их называют трубчатыми (трубными). В другой группе поверхностных теплообменников поверхностью теплообмена являются стенка аппарата или металлические плоские листы. Такие теплообменники называются пластинчатыми. Примерами таких аппаратов являются котлы, подогреватели, конденсаторы и др.

В смесительных (или контактных) теплообменниках при непосредственном соприкосновении теплоносителей не требующих дальнейшего разделения протекают одновременно тепло- и массообмен. К смесительным теплообменникам относятся, например, градирни. В градирнях благодаря использованию форсунок горячая вода интенсивно контактирует с атмосферным воздухом, вследствие чего охлаждается. При этом происходит частичное испарение воды.

В регенеративных теплообменниках процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки. Вначале продукты горения топлива направляют в камеру, где они нагревают насадку, после чего через аппарат пропускают холодный воздух или газ, который отнимает аккумулированную в стенках насадки теплоту. Таким образом, здесь происходит периодическое поочередное омывание поверхности горячим и холодным теплоносителем. Теплообменники этого типа чаще всего применяются для регенерации теплоты отходящих газов. Примерами таких аппаратов являются воздухоподогреватели: Юнгстрема, доменных и мартеновских печей.

В теплообменниках с внутренними источниками энергии применяются не два, как обычно, а один теплоноситель, который отводит теплоту, выделенную в самом аппарате. Примером таких аппаратов могут служить ядерные реакторы, электронагреватели и другие устройства.

При расчете теплообменных аппаратов используются уравнения теплового баланса:

(8.8)

и теплопередачи:

(8.9)

В этих уравнениях индекс 1 относится к горячему теплоносителю, а индекс 2 – к холодному; Q – тепловой поток, полученный в теплообменнике при охлаждении горячего теплоносителя от температуры до , Вт; G 1, G 2 – массовые расходы теплоносителей, кг/с; - удельные теплоемкости теплоносителей, Дж/(кг∙град); , - температуры теплоносителей на входе в аппарат, °С; , - температуры теплоносителей на выходе из аппарата, °С; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙град); F – площадь поверхности теплообмена, м2; ∆ tcp – средний температурный напор, °С.

Согласно уравнению теплового баланса количество тепла, отданное горячим теплоносителем, равно количеству тепла, принятому холодным теплоносителем.

Уравнение теплового баланса справедливо при условии отсутствия тепловых потерь и фазовых переходов. Обычно тепловые потери через стенки теплообменника в окружающий воздух доходят до 10 %.

Наиболее простой конструктивный расчет теплообменника заключается в определении поверхности теплообмена по известным начальным и конечным параметрам теплоносителей. С этой целью часто используется уравнение теплопередачи (8.9).

Средний температурный напор ∆ tcp зависит от схемы взаимного движения теплоносителей (рис. 8.1) и рассчитывается:

(8.10)

где ∆ tб и ∆ tм – большая и меньшая разность температур на концах теплообменника. Для прямотока ∆ tб = - , ∆ tм = - ; для противотока ∆ tм = - , ∆ tб = - .

а б

Рис. 8.1. Схема движения теплоносителей в теплообменниках:

а – противоток, б – прямоток

 

Если ∆ tб /∆ tм < 2, то можно вместо среднелогарифмического использовать среднеарифметическое значение температурного напора:

tср = 0,5∙(∆ tб + ∆ tм). (8.11)

При расчете теплообменных аппаратов особое место занимает определение коэффициента теплопередачи k. Поверхностные теплообменные аппараты обычно изготавливают из труб, отношение внутреннего диаметра которых к наружному dвн / dн ≥ 0,5. В таких случаях с достаточной точностью коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле (8.4) для плоской стенки.

Площадь поверхности теплопередачи для трубчатых аппаратов определяется по формуле:

F = π∙dср∙n∙l, (8.12)

где dср= 0,5∙(dн + dвн) – средний диаметр трубы, м; n – число труб; l – длина труб, м.

Расчет теплового баланса теплообменного аппарата позволяет определить потери тепла в окружающую среду и принять соответствующие меры. Тепловой коэффициент полезного действия (КПД) теплообменника определяется:

, (8.13)

где Qпол – теплота, получаемая холодным теплоносителем,

Qотд – теплота, отдаваемая горячим теплоносителем.

 

 

Контрольные задания

Задача 1. Определить тепловой КПД теплообменника предварительного подогрева 312,5 т/ч нефти с t1 до t2. Нагревающая среда – керосин со скоростью циркуляции 92,2 т/ч и температурой 193 °С на входе и 85 °С на выходе. Плотности нефти и керосина при их средних температурах в теплообменнике равны соответственно 0,8535 и 0,791 г/см3, удельные теплоемкости – 1,884 и 2,219 кДж/(кг∙град).

Таблица 8.1

Вариант            
схема теплообмена противоток прямоток
t1, °С            
t2, °С   51,5     45,5  

 

Задача 2. Плоская чугунная стенка толщиной δс омывается с одной стороны горячими газами с температурой t1, а с другой стороны – водой с температурой t2. Определить плотность теплового потока и температуру обеих поверхностей стенки, если коэффициент теплоотдачи от газа к стенке α1 и от стенки к воде α2.

Таблица 8.2

Вариант            
δс, мм            
α1, Вт/(м2∙K)            
α2, Вт/(м2∙K)            
t1, °С            
t2, °С            

 

Задача 3. Определить площадь поверхности нагрева рекуперативного воздушного теплообменника при прямоточном и противоточном движении теплоносителей. Массовый расход воды Gв, коэффициент теплопередачи k, температура воздуха , и температура воды , соответственно на входе и выходе из теплообменного аппарата.

Таблица 8.3

Вариант            
Gв, кг/с 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9
k, Вт/(м2∙K)            
, °С            
, °С            
, °С            
, °С            

Вопросы

1. Определение теплопередачи, коэффициента теплопередачи.

2. Описать теплопередачу через плоскую стенку.

3. Активные и пассивные методы интенсификации теплообмена.

4. Виды теплообменников в зависимости от способа передачи теплоты.

5. Основное уравнение теплопередачи и теплового баланса.

6. Определение теплового КПД теплообменного аппарата.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Описание установки

Экспериментальная установка позволяет исследовать процесс теплопередачи в кожухозмеевиковом теплообменном аппарате. Схема установки представлена на рис. 8.2.

Основным элементом установки является кожухозмеевиковый теплообменный аппарат 1, выполненный из стекла, что позволяет визуально наблюдать за экспериментом. В трубном пространстве (змеевике) 2 циркулирует горячая окрашенная вода, в межтрубном - противотоком холодная вода.

Диаметр трубки змеевика d = 8x1 мм; длина трубки змеевика L =1500 мм.

 

 

Рис. 8.2. Схема экспериментальной установки

 

Измерение температур осуществляется при помощи хромель-копелевых термопар. Переключение термопар производится термопарным переключателем ПТ 4,который последовательно соединяет термопары с измерительным прибором 3.

Измеряются:

, – температуры горячей воды на входе в теплообменный аппарат и выходе из него;

, – температуры холодной воды на входе в теплообменный аппарат и выходе из него.

Для измерения температур используется прибор марки А - 565, который работает в паре с термоэлектрическими преобразователями. Данный прибор обеспечивает измерение температуры в цифровой форме. Диапазон измерения от -50 до 800 °С. Класс точности ±0,1 K.

Расход холодной воды, проходящей через теплообменник, определяется уровнем поплавка ротаметра 9.

Горячая вода в теплообменник поступает из термостата 5 марки U-4. Термостат состоит из: датчика температуры 6, нагревательного элемента, насоса 7, емкости объемом четыре литра, термометра 8 для визуального контроля за температурой в емкости.

Замеры производятся при стационарном режиме, то есть при постоянных измеряемых показателях. Практически стационарным режимом можно считать такой режим, когда измеряемые температуры колеблются в пределах ± 0,5 K.

 

Порядок проведения опытов

Перед началом работы подсоединить входной шланг системы к водопроводному крану и закрепить хомутом.

Включить прибор для измерения температуры А-565 и термостат U-4 в сеть, предварительно убедившись, что емкость термостата заполнена водой.

Затем открыть вентиль водопроводного крана для подачи холодной воды и установить определенный расход (30 делений по ротаметру).

Задать при помощи датчика необходимую температуру воды в термо­стате (t1 =80 °С).

Контролировать показания термопар с 1 по 4 установкой в со­ответствующие положения термопарного переключателя ПТ. После установления стационарного режима измерить температуры в точках 1-4 и результаты измерений занести в таблицу опытных данных (табл. 8.4).

В случае I режима провести эксперименты, установив расход холодной воды на 60 делений, а затем на 90 делений по ротаметру при постоянной заданной температуре воды в термостате.

В случае II режима провести эксперименты при постоянном расходе холодной воды (70 делений по ротаметру), установив следующую температуру горячей воды в термостате 60 °С, затем 40 °С.

 

 

Таблица 8.4

Режим № экспер. Н, делений V 2, м3 Температура, °С
               
             
             
               
             
             

 

Здесь V 2 – объемный расход холодной воды, который определяется по показаниям ротаметра с использованием градуировочного графика расходомера (рис. 8.3).

Рис. 8.3. График зависимости объемного расхода холодной воды

от шкалы деления ротаметра

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-05; просмотров: 889; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 54.173.43.215 (0.133 с.)