15.Охлаждающие агенты и методы их использования.

Охлаждение до обыкновенных температур (примерно до 10-30 ⁰С) наиболее широко используют доступные и дешевые охлаждающие агента- воздух и воду. По сравнению с воздухом вода отличается большой теплоемкостью,более высокими коэф-ми теплоотдачи и позволяет проводить охлаждение до более низких температур. В кач-ве охлажд. Агента используют речную,озерную, прудовую или артезианскую воду.если по местным условиям вода дефицитна или ее транспортирование связано со значительными расходами,то охлаждение проводят оборотной водой- отработанной охлаждающей водой теплообменных устроиств. Достигаемая температура охлаждения зависит от начальной температура воды. Речная,озерная и прудовая вода в зависимости от времени года имеет температуру 4-25⁰С, артезианская 8-15⁰С и оборотная ≈30 (в летних условиях).при проектировании теплообменников следует принимать в кач-ве расчетной нач-ную температуру воды для наиболее неблогоприятных условий (летних). Температура воды, выходящей из теплообменников, не должна превышать 40-50⁰С. Вода используется для охлаждения главным образом в поверхностных теплообменниках(холодильниках). Когда температура охлаждаемой среды превышает температуру кипения воды при атмосферном давлении, охлаждение проводят при частичном испарении воды, что позволяет снизить расход воды на охлаждение. Такое ИСПАРИТЕЛЬНОЕ охлаждение явл-ся по существу не только теплообменным,но и массообменным процессом.

Атмосферный воздух находит в последнее время все большее распространение в кач-ве охлаждающего агента.для улучшения теплообмена отвод тепла воздухом осуществляется при его принудительной циркуляции с помощью вентиляторов и увеличение пов-ти теплообмена со стороны воздуха(прим.-оребрение).

Для достижения температур более низких, чем можно получить с помощью воды или воздуха (напр. 0⁰С), при условии, что допустимо расбавление среды водой, охлаждение проводят путем введение льда или холодной воды непосредственно в охлаждаемую жидкость.

Для охлаждения до значительно более низких темп-р, чем 0⁰С, применяют холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей(напр. Аммиак), сжиженные газы(СО2, этан и др.) или холодильные рассолы.

16. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Различают проектный и поверочный расчеты теплообменников. Целью проектного расчета является определение необходимой поверхности теплообмена и режима работы теплообменника для обеспечения заданного переноса теплоты от одного теплоносителя к другому. Задачей поверочного расчета является определение коли­чества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносите­лей в данном теплообменнике с известной поверхностью теплообме­на при заданных условиях его работы. Эти расчеты основываются на использовании уравнений теплопередачи и тепловых балансов. Проектный расчет теплообменника

При проектном расчете теплообменного аппарата обычно заданы расход одного из теплоносителей, его начальная и конечная темпе­ратуры, а также начальная температура другого теплоносителя.

Поверхность теплообмена определяют из основного уравнения теплопередачи [см. уравнение (11.80)1:

В этом уравнении величину Q определяют из уравнения теплово­го баланса в соответствии с заданными технологическими условия­ми. Тепловой баланс теплообменника можно записать следующим о бразом [см. уравнение (11.3)]:

где G_l, <3₂-расходы теплоносителей; Н_1и, 'Н_1х—начальная и конечная энтальпии более нагретого теплоносителя; Н_2к, Н_2а-конечная и начальная энтальпии мепоо нагретого теплоносителя.

Значения энтальпий зависят от агрегатного состояния теплои<> сителей, их температуры и теплоемкостей [уравнение (11.4)]; щ обычно находят по справочникам.

Уравнение (11.3) при условии, что температура теплоносители! заметно изменяется, будет содержать две неизвестные величины: 0 , или С₂~и конечную температуру одного из теплоносителей. По этому для такого случая теплообмена, широко распространенно! о в технике, уравнение (11.3) является неопределенным и решаем » методом последовательных приближений. При этом вначале зади ются значениями параметров конструкции теплообменника (напри мер, для кожухотрубчатого теплообменника принимают значении диаметра и длины труб, скорости теплоносителя), а затем расчетом проверяют правильность этого выбора.

Среднюю движущую силу At_cp определяют по уравнению (11.7'))

с учетом относительного движения теплоносителей. Если при теп ловых расчетах теплообменников нужно знать среднюю темпера i \ ру теплоносителя, то в общем случае ее можно определить и I следующего выражения:

Если температура вдольповерхности меняется несильно, то (кч существенной ошибки среднюю температуру теплоносителя можно определять как среднеарифметическую между начальной и конеЧ ной температурами этого теплоносителя.

Для определения коэффициента теплопередачи К необходим. ■ предварительно рассчитать коэффициенты теплоотдачи а₁ и а₂ но обе стороны стенки, разделяющей теплоносители, а также термин ские сопротивления стенки и загрязнений, которые обычно обра I) ются на ней. Расчет всех этих величин рассмотрен ранее-в гл. II

Определив все эти величины, по выражению (11.72) находя! значение коэффициента теплопередачи:

Найдя величину К,п о уравнению (11.80) определяют значит поверхности теплопередачи F.

Поскольку в ходе расчета теплообменника по рассмотренном схеме были произвольно приняты некоторые конструктивные и той нологические параметры, то после выбора по величине F норманн зеванного теплообменника эти выбранные величины проверяю!

Чтобы сократить продолжительность расчета теплообменника, часто проводят предварительный его выбор, задавшись ориентиро­вочным значением К (см. разд. 11.10). Затем по справочникам подбирают теплообменник и далее проводят расчет поверхности теплопередачи по рассмотренной схеме. При достаточно удовлетво­рительном совпадении результатов определения F на этом тепловой расчет теплообменника заканчивают и переходят к его гидравличе­скому расчету, целью которого является определение гидравличе­ского сопротивления рассчитанного теплообменника.

При расчете поверхности теплопередачи в теплообменнике для конденсации перегретого пара следует общую поверхность тепло­передачи разбить как минимум на две зоны (если не требуется охлаждать конденсат): первая зона с поверхностью теплопередачи F_t должна обеспечить охлаждение пара до температуры его конден­сации, а вторая зона с поверхностью F₂ - конденсацию насыщенно­го пара. Поскольку механизм процессов охлаждения и конденсации принципиально различен, расчет поверхностей теплопередачи F₁ и F₂ проводят с учетом специфики этих процессов. Определяя величину поверхности теплопередачи по общему уравнению тепло­передачи F = Q/(KAt_cv), коэффициенты теплоотдачи а_г и а₂ и дви­жущую силу процесса At_cp рассчитывают по соответствующим уравнениям (см. разд. 11.7, 11.10 и 11.11). Общая поверхность теплопередачи в этом случае будет F = Fj + F₂ .

Если необходимо конденсат еще и охладить до заданной темпе­ратуры в этом же теплообменнике, то к общей поверхности тепло­передачи следует добавить F₃ - поверхность теплопередачи третьей зоны - необходимой для охлаждения конденсата от температуры конденсации до заданной. Тогда поверхность теплопередачи тепло­обменника F = F_x + F₂ + F₃ • Отметим, что температурами охлаж­дающего теплоносителя по зонам приходится задаваться с после­дующей их проверкой.

Поверочный расчет теплообменника

Поверочный расчет теплообменника с известной поверхностью теплопередачи заключается, как правило, в определении количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей при их заданных начальных значениях и заданных расходах. Необходи­мость в таком расчете может возникнуть, например, если в резуль­тате проектного расчета был выбран нормализованный аппарат со значительным запасом поверхности, а также при проектировании сложных последовательно-параллельных схем соединения стан­дартных теплообменников. Поверочные расчеты могут понадобить­ся также для выявления возможностей имеющегося аппарата при переходе к проектным режимам работы. Предварительно введем понятие о числе единиц переноса для процессов теплообмена.

Число единиц переноса N энергии (теплоты) характеризует отно шение разности температур на входе в теплообменник и выходе и I него для данного теплоносителя на единицу движущей силы Л/,,, процесса, т. е. для охлаждаемого теплоносителя

Т огда для менее нагретого теплоносителя с учетом уравнения теплового баланса и уравнения теплопередачи

(13.8)

а для более нагретого теплоносителя

(1I /I

Поскольку среднюю движущую силу при двух неизвестных температурах заранее определить нельзя, поверочные расчеты удоб нее проводить, преобразовав систему уравнений теплового бала i и g и теплоотдачи в зависимость между эффективностью теплопереда­чи и числом единиц переноса.

Э ффективность теплопередачи представляет собой безразмерное изменение температуры холодного или горячего теплоноситсл ч отнесеннок к максимальному температурному перепаду в теплой* > меннике:

(11.8)

О бозначив правую часть выражения (13.8) через Р, для более нагретого теплоносителя получим:

(13.9)

где

(13.10)

В теплообменнике при противотоке теплоносителей, не меняю­щих агрегатное состояние, зависимость (13.8) с учетом выражении (13.6), (13.7) и (13.10) имеет вид: (13.11)(13.12)При прямотоке

(13.ll

К онечные температуры теплоносителей определяют из выраже­ний (13.8) и (13.9):

Расчеты выполняют, предполагая, что коэффициент теплопере­дачи известен из проектного расчета и его возможное изменение вследствие изменения температур незначительно.

Расчет усложняется, если в теплообменнике имеет место сме­шанный ток (как в многоходовых кожухотрубчатых теплообменни­ках или в пластинчатых с несимметричной компоновкой пластин), а также при перекрестном токе. В этих случаях среднюю движущую силу рассчитывают, вводя поправку е._А, к среднелогарифмической. Тогда

(13.14)

Поскольку в_д, зависит от искомых конечных температур (см. разд. 11.12), эффективность Е₂ приходится рассчитывать прибли­женно итерационным методом. Чтобы избежать итерационных расчетов, можно воспользоваться графиками зависимостей Е₂ (R, N₂) для различных схем движения теплоносителей, приведен­ных в справочной литературе.

Эффективность конденсаторов насыщенных паров, в которых температуру горячего теплоносителя t_x можно считать постоянной, не зависящей от направления движения хладоагента; можно выра­зить так:

(13.15) откуда

По этим же уравнениям можно выполнить поверочный расчет теплообменника с идеальным перемешиванием горячего теплоноси­теля, или когда G₁c_l » G₂c₂, поскольку в том и другом случаях t_x ж const. Бхли постоянна температура холодного теплоносителя, то

Кроме рассмотренных выше, возможны и другие варианты поверочного расчета выходных параметров теплообменников, которые рассматриваются в специальной литерату