Основы расчета теплообменных аппаратов

 

Теплообменный аппарат (теплообменник) – это устройство, предназначенное для нагревания или охлаждения теплоносителя.

Чаще всего в теплообменниках нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.

Теплообменники с двумя теплоносителями в зависимости от способа передачи теплоты от одного теплоносителя к другому можно разделить на несколько типов: смесительные, рекуперативные, регенеративные, с промежуточным теплоносителем.

Наиболее простые – смесительные, в которых смешиваются теплоносители, не требующие дальнейшего разделения, например, при подогреве воды паром (рис. 65).

Для увеличения поверхности контакта теплоносителей их тщательно перемешивают, жидкости разбрызгивают или разбивают на мелкие струи, твердые материалы используют в раздробленном виде.

 

 

Рис. 65

 

 

В рекуперативных теплообменниках теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стену. Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводностью (медь, латунь, сплавы алюминия). Наиболее распространенные трубчатые теплообменники. В них один теплоноситель движется в трубах, а другой – в межтрубном пространстве (рис. 66).

 

Рис. 66

В теплообменниках регенеративных теплоотдача от одного теплоносителя к другому переносится с помощью какого-то третьего, вспомогательного вещества (промежуточного). В качестве такого используется твердый, достаточно массивный материал – листы металла, кирпичи, засыпки.

 

Они незаменимы для высокотемпературного подогрева газов (t >1000 °C), поскольку жаростойкость металлов ограничена, а засыпка из огнеупорных кирпичей может работать при высоких температурах (рис. 67).

 

Рис. 67

 

 

В теплообменниках спромежуточным теплоносителем тепло от греющей среды к нагреваемой переносится потоком мелкодисперсного материала или жидкости.

 

Фактически такой теплообменник состоит из двух. Например, в установках разделения воздуха на азот и кислород используют теплообменники, состоящие из двух водяных скрубберов, в одном вода охлаждается отбросным азотом, а во втором, нагреваясь, охлаждает воздух (рис. 68).

		Рис. 68
	.

Общим уравнением при расчете теплообменника любого типа являются уравнение теплового баланса – уравнение сохранения энергии.

Тепловой поток Q ₁, полученный в теплообменнике при охлаждении горячего теплоносителя (индекс 1) от температуры t ^'₁ до t ^"₁, равен разности энтальпий потока на входе в теплообменник I^'₁ и выходе I^"₁:

 

Q ₁ = I' ₁ – I^" ₁ = M ₁ (C^'_{p 1} t' ₁ – C"_{p 1} t" ₁ ),

 

где М – массовый расход теплоносителя.

Несколько процентов Q ₁ теряется в окружающую среду (1-10 %), а основная часть передается второму теплоносителю

Q ₂ = η Q ₁.

Тепловой поток Q ₂ рассчитывается аналогично:

 

Q ₂ =I ₂ ^"– I ₂ ^' = M ₂ (C^"_{p 2} t^" ₂ – C'_{p 2} t' ₂ ) = η Q ₁ = η M ₁ (C^'_{p 1} t^' ₁- C^"_{p 1} t^" ₁ )

Это уравнение теплового баланса позволяет найти один неизвестный параметр, либо расход одного из теплоносителей, либо одну из температур. Остальные параметры должны быть известны.

Рассмотрим рекуперативный теплообменник. Для него тонкие стенки трубок практически всегда считают плоскими, поэтому поверхность F, необходимая для передачи потока Q ₂, определяется из известного уравнения:

Q ₂= kF (k ₁ – k ₂) = kF ∆ t,

 

где k – коэффициент теплопередачи.

Рис. 69

Ранее предполагалось, что температуры теплоносителей t ₁ и t ₂ постоянны, в теплообменниках же эти температуры изменяются (рис. 69), поэтому в расчете нужно использовать среднеинтегральную по длине теплообменника разность температур теплоносителей.

Q ₂= kF ∆ t.

 

Если принять температуру греющего теплоносителя неизменной и рассчитать тепловой поток через дифферинциально малую площадь теплообменника, и проинтегрировать по F от 0 до F, и по ∆ t от ∆ t _м до ∆ t _б, то можно получить следующее выражение для t:

∆ t=(∆ t _б-∆ t _м)/(ln(∆ t _б/∆ t _м)),

 

где ∆ t _б, ∆ t _м - это перепады температур между теплоносителями на концах теплообменника.

На практике чаще используются противоточные схемы движения, поскольку, при одинаковых температурах входящих и выходящих теплоносителей t при противотоке всегда больше, чем при прямотоке. Согласно формуле это означает, что для передачи одного и того же теплового потока Q при противоточной схеме потребуется теплообменники меньшей площади. Еще одно преимущество противоточного теплообменника заключается в том, что холодный теплоноситель в нем можно нагреть до температуры более высокой, чем температура греющего теплоносителя на выходе t ^”₂ > t ^”₁ (см. рис. 69). В прямоточном это невозможно.

Наиболее простым является конструктивный расчет теплообменника, при котором известны начальные и конечные параметры теплоносителей, и необходимо рассчитать поверхность теплообменника.

Порядок выполнения такого расчета следующий:

1. Из балансового уравнения определяют мощность теплового потока Q _2, которую нужно передать от горячего теплоносителя к холодному.

2. Пользуясь рекомендациями спец. литературы, задаются скоростями течения теплоносителей и конструктивными особенностями теплообменника (диаметрами трубок, проходными сечениями).

3. Рассчитывают коэффициенты теплоотдачи и коэффициент теплопередачи k.

4. Определяют значение t.

5. Из уравнения теплопередачи находят площадь F.

6. По площади F рассчитывают длину трубы.

 

При поверочном расчете известны конструкция теплообменника и начальные параметры теплоносителей. Необходимо рассчитать конечные параметры, т. е. проверить пригодность теплообменника для имеющихся условий. Сложность заключается в том, что уже в самом начале расчета необходимо знать конечные температуры теплоносителей, поскольку они входят как в уравнение теплового баланса, так и в уравнение теплопередачи.

Одним из методов поверочного расчета является метод последовательных приближений. Для этого задаются конечной температурой одного из теплоносителей, по уравнению теплового баланса рассчитывают конечную температуру второго и проводят конструктивный расчет. Если полученная в результате площадь F не совпадает с площадью поверхности теплообменника, расчет повторяют вновь, задаваясь другим значением температуры.

 

 

Библиографический список????????

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение 3

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Основные понятия и определения 6

Основные термодинамические параметры состояния 7

Уравнение состояния 10

Уравнение состояния идеальных газов 11

Реальные газы 13

Смеси рабочих тел 14

Теплоемкость 17

Сущность и аналитическое выражение первого закона

термодинамики 20

Энтальпия 26

Энтропия 28

Второй закон термодинамики 29

Изменение энтропии в необратимых процессах 32

Цикл Карно 34

Обратный цикл Карно 36

Термодинамические газовые процессы 38

Термодинамические процессы в реальных газах

и парах 45

Диаграммы водяного пара 47

ТЕРМОДИНАМИКА ПОТОКА

Первый закон термодинамики для потока 53

Сопла и диффузоры 56

Истечение из суживающего сопла 57

Массовый расход газа 58

Расчет процесса истечения с помощью Т-s диаграмм 61

Смешение газовых потоков 63

Сопло Лаваля 64

Дросселирование газов и паров 66

ЦИКЛЫ ТЕПЛОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Цикл ДВС 69

Циклы ГТУ 72

Циклы ПСУ 75

Термодинамические основы компрессора 78

Турбины 86

Эжектирование 91

ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ

Влагосодержание, абсолютная и относительная

влажность 97

Теплоемкость и энтальпия влажного воздуха 99

I-d диаграмма влажного воздуха 100

ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА

Теплопроводгость 104

Конвективный теплообмен 117

Теплообмнн излучением 128

Теплопередача 139

Основы расчета таплообменных аппаратов 145

 

Учебное издание

 

 

Толстов Сергей Анатольевич

Шитов Виктор Васильевич

 

ТЕПЛОТЕХНИКА

 

 

Подписано в печать.09.2009.

Формат 60´84 1/16. Усл. печ. л. 6,5. Тираж 250 экз. Заказ

 

ГОУВПО «Воронежская государственная технологическая академия» (ГОУВПО «ВГТА»)

Адрес академии: 394000 Воронеж, пр. Революции, 19