Книги / Теплотехника. Троян Е.Н. 2005 г

кие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости тепло воспринимается стенками аппарата и в них аккумулируется, при протекании холодной

Рисунок 10.3. – Схемы движения нагревающейся и нагреваемой жидкостей в теплообменных аппаратах.

На этом рисунке направления движения жидкостей показаны стрелками. Так, схема на рисунке 10.3 а относится к случаю, когда нагревающая и нагреваемая жидкости движутся в одном направлении. Такое движение жидкости называется прямотокам. На рисунке 10.3 б показан противоток, когда нагревающая и нагреваемая жидкости движутся в противоположных направлениях. В некоторых аппаратах одна из жидкостей движется по трубкам, омываемым поперечным потоком другой жидкости. Такое движение называется перекрестным током (рисунок 10.3 в).

Несмотря на различия в принципе действия и конструктивном устройстве, основы теплового расчета одинаковы для всех теплообменных аппаратов.

2 Тепловой расчет теплообменных аппаратов. Тепловой расчет тепло-

обменного аппарата может быть конструкторским, целью которого является определение поверхности теплообмена, и поверочным, при котором устанавливается режим работы аппарата и определяются конечные температуры теплоносителей.

В основу теплового расчета поверхностного теплообменного аппарата положены: 1) уравнение теплового баланса и 2) уравнение теплопередачи.

Тепловой поток в теплообменном аппарате может быть определен из уравнения теплового баланса как поток теплоты, отданный нагревающей жидко-

ников являются башенные охладители (градирни), скрубберы и др.

В поверхностных теплообменных аппаратах нагревающая и нагреваемая жидкости могут двигаться по различным схемам, показанным на рисунке 10.3.

Следовательно, уравнение теплового баланса для теплообменного аппарата при отсутствии тепловых потерь наружу имеет вид:

Q = m1*cp1 (t1' − t1" ) = m2*cp2 (t2" − t2' ), (10.10)

или

Q = m1* (h1' − h1" ) = m2* (h2" − h2' ), (10.11)

где m1* и m2* – массовые расходы нагревающей и нагреваемой жидкостей, кг/с; t1' и t1" – начальная и конечная температуры нагревающей жидкости, ˚С; t2' и t2"

– начальная и конечная температуры нагреваемой жидкости, ˚С; ср1 и ср2 – удельные изобарные теплоемкости нагревающей и нагреваемой жидкостей в интервалах температур t1' − t1" и t2' − t2" соответст-

венно, Дж/(кг·К); h1' и h1" –начальная и конечная удельные энтальпии нагревающей жидкости, Дж/кг; h2' и h2" – начальная и конечная удельные энтальпии нагреваемой жидкости, Дж/кг.

Уравнение теплопередачи для теплообменного аппарата имеет вид:

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); F – площадь поверхности на-

грева теплообменного аппарата, м2, t – средняя разность температур нагревающей и нагреваемой жидкостей, зависящая в основном от их начальных и конечных температур и схемы теплообмена (прямоточной, противоточной, перекрестной, смешанной и др.), ˚С.

Средняя разность температур.

Если бы в теплообменном аппарате на всем пути движения нагревающей и нагреваемой жидкости разность температур

стью:

или как поток теплоты, воспринятый нагреваемой жидкостью:

различна. Обратимся к рисунку 10.4, на котором в координатной системе температура (по оси ординат) – площадь поверхности нагрева аппарата (по оси абсцисс) графически представлен характер изменения температур – нагревающей и нагреваемой жидкостей кривыми A1В1 и А2В2 соответственно. На рисунке 10.4 а показаны кривые для противотока, а на рисунке 10.4 б – для прямотока.

Рисунок 10.4. – Изменение температур нагревающей и нагреваемой жидкостей при противотоке (а) и при прямотоке (б) в осях t – F.

Ha рисунке видно, что как при противотоке, так и прямотоке разность температур tвх > tвых . Поэтому в расче-

ты, относящиеся к теплообмену, приходится вводить некоторую среднюю разность температур (средний перепад температур).

В тех случаях, когда соотношения температур при теплообмене для нагревающего и нагреваемого потоков жидкостей невелики (когда t1' /t1" < 2 и t2" /t2' < 2), линии A1В1 и А2В2 можно считать прямыми и в этом случае среднюю разность температур жидкостей, участвующих в теплообмене, можно вычислять как среднюю арифметическую разность температур:

t = 0,5(t1' + t1" ) − 0,5(t2' + t2" ).

была одинаковой (что могло бы быть только при прямотоке), то в уравнении

(10.12) вместо t можно было подставить величину t . Однако, в практических условиях так бывает только в отдельных, редких случаях, а как правило, разность температур t вдоль потоков жидкостей, участвующих в теплообмене

костей определяют как среднюю логарифмическую разность температур по формуле:

2,3lg( tвх / tвых )

для противотока

tвх = t1' − t2" ; tвых = t1" − t2' . (10.13 б)

Втепловых расчетах важное значение имеет понятие о так называемом

определяет собой количество воды, которое по теплоемкости пропорционально теплоемкости массового расхода рассматриваемого теплоносителя в единицу времени:

где m* = ρ wF – массовый расход теп-

лоносителя; с – плотность теплоносителя; w – скорость теплоносителя; F – сечение канала.

Если водяной эквивалент ввести в

уравнение теплового баланса (10.10), то оно принимает вид:

откуда

В тех же случаях, когда приведенные выше соотношения температур больше 2, то для прямоточной и противоточной схем среднюю разность температур нагревающей и нагреваемой жид-

Последнее означает, что отношение изменения температур рабочих жидкостей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов.

Теплоснабжение промышленных предприятий – снабжение теплотой с помощью теплоносителя систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения промышленных зданий и технологических потребителей.

Система теплоснабжения – совокупность устройств, являющихся источниками теплоты, тепловых сетей, систем распределения и использования (абонентских вводов и потребителей теплоты).

лых кварталов) и индивидуальные котельные.

В зависимости от рода теплоносителя системы теплоснабжения делят на водяные (преимущественно для теплоснабжения сезонных потребителей теплоты и горячей воды) и паровые (в основном для технологического теплоснабжения, когда необходим высокотемпературный теплоноситель).

Практика теплоснабжения показала ряд преимуществ воды, как теплоносителя, по сравнению с паром: температура воды в системах теплоснабжения изменяется в широких пределах (300 – 470 К), более полно используется теплота на ТЭЦ, отсутствуют потери конденсата, меньше потери теплоты в сетях, теплоноситель обладает теплоаккумулирующей способностью. Вместе с тем водяные системы теплоснабжения имею следующие недостатки: требуется значительный расход электроэнергии на перекачку воды; имеется возможность утечки воды из системы при аварии; большая плотность теплоносителя и жесткая гидравлическая связь между участками системы обусловливают возможность появления механических повреждений системы в случае превышения допустимого давления; температура воды может оказаться ниже заданной по технологическим условиям.

Пар имеет постоянное давление 0,2 – 4 МПа и соответствующую (для насыщенного пара) температуру, а также

Системы теплоснабжения создают с учетом вида и параметров теплоносителя, максимального часового расхода теплоты, изменения потребления теплоты во времени (в течение суток, года), а также с учетом способа использования теплоносителя потребителями.

В системах теплоснабжения используются следующие источники теплоты: ТЭЦ, КЭС (см. п.6.4.5), районные котельные (централизованные системы); групповые (для группы предприятий, жи-

трат по сравнению с водяными системами теплоснабжения.

Внародном хозяйстве страны используется значительное количество различных типов систем теплоснабжения. По способу подачи теплоносителя системы теплоснабжения подразделяют на закрытые, в которых теплоноситель не расходуется и не отбирается из сети, а используется только для транспортирования теплоты, и открытые, в которых теплоноситель полностью или частично отбирается из сети потребителями.

Закрытые водяные системы характеризуются стабильностью качества теплоносителя, поступающего к потребителю (качество воды как теплоносителя соответствует в этих системах качеству водопроводной воды); простотой санитарного контроля установок горячего водоснабжения и контроля герметичности системы. К недостаткам таких систем относятся сложность оборудования и эксплуатации вводов к потребителям; коррозия труб из-за поступления недеаэрированной водопроводной воды, возможность выпадения накипи в трубах.

Воткрытых водяных системах теплоснабжения можно применять однотрубные схемы с низкопотенциальными тепловыми ресурсами; они имеют более высокую долговечность оборудования вводов к потребителям. К недостаткам открытых водяных систем следует отнести необходимость увеличения мощ-

большую (в несколько раз), по сравнению с водой, удельную энтальпию. При выборе в качестве теплоносителя пара или воды учитывается следующее. При транспортировании пара имеют место большие потери давления и теплоты, поэтому паровые системы, целесообразны в радиусе 6 – 15 км, а водяные системы теплоснабжения имеют радиус действия 30 – 60 км. Эксплуатация протяженных паропроводов очень сложна (необходимость сбора и перекачки конденсата, и др.). Кроме того, паровые системы имеют более высокую удельную стоимость сооружений паропроводов, паровых котлов, коммуникаций и эксплуатационных за-

Пo числу параллельно проложенных паропроводов паровые системы бывают однотрубные и двухтрубные. В первом случае пар при одинаковом давлении к потребителям подается по общему паропроводу, что позволяет осуществлять теплоснабжение, если тепловая нагрузка остается постоянной в течение года и допустимы перерывы в подаче пара. При двухтрубных системах необходимо бесперебойное снабжение абонентов паром различного давления при переменных тепловых нагрузках,

По способу обеспечения тепловой энергией системы могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми (рисунок 11.1).

Рисунок 11.1. – Схемы системы теплоснабжения: а – одноступенчатая; б – двухступенчатая; 1 – тепловая сеть; 2 – сетевой насос; 3 – теплофикационный подогреватель; 4 – пиковый котел; 5 –

ности водоподготовительных установок, рассчитываемых на компенсацию расходов воды, отбираемой из системы; нестабильность санитарных показателей воды, усложнение санитарного контроля и контроля герметичности системы.

В зависимости от числа трубопроводов (теплопроводов), передающих теплоноситель в одном направлении, различают однотрубные и многотрубные системы теплоснабжения. В частности, водяные системы теплоснабжения делятся на одно- двух-, трех- и многотрубные, причем по минимальному числу труб могут быть открытая однотрубная система и закрытая двухтрубная.

ми. Они оборудуются подогревателями, насосами, арматурой, контрольно-изме- рительными приборами. Кроме того, на таких пунктах иногда осуществляются очистка и перекачка конденсата. Предпочтение отдают схемам с центральными тепловыми пунктами 1, обслуживающими группы зданий (рисунок 11.2.).

Рисунок 11.2. – Схема системы теплоснабжения с центральным тепловым пунктом: 1 – центральный тепловой пункт; 2 – неподвижная опора; 3 – тепловая сеть; 4 – П-образный конденсатор; 5 – здание.

При многоступенчатых системах теплоснабжения существенно снижаются затраты на их сооружение, эксплуатацию и обслуживание в связи с уменьшением (по сравнению с одноступенчатыми системами) числа местных подогревателей, насосов, регуляторов температуры и пр.

Системы теплоснабжения играют значительную роль в нормальном функционировании предприятий промышленности. Они имеют ряд специфических особенностей. Двухтрубные закрытые во-

Рисунок 11.3. – Двухтрубная водяная система горячего водоснабжения: а

– закрытая с подогревателем воды; б – открытая.

Впаровой схеме теплоснабжения

свозвратом конденсата (рисунок 11.4.) пар от ТЭЦ или котельной поступает по паропроводу 2 к потребителям теплоты 3 и конденсируется. Конденсат через спеТепловые схемы систем теплоснабжения разрабатываются с учетом требований технологии производства, при условии наиболее полного использования теплоты и обеспечения охраны ок-

ружающей среды.

Основные расчетные формулы

Тепловой поток, передаваемый по водяному теплопроводу:

а) при закрытой схеме теплоснаб-

жения

Q = m*cp(ф1 – ф2), кВт; (11.1)

б) при открытой схеме теплоснаб-

жения

Q = m1* cp(ф1 – tx) – m2* cp(ф2 – tx), кВт.(11.2)

этот же бак из паропровода 1 через вентиль 6 поступает пар, что обеспечивает дополнительный подогрев воды при барботаже пара. Из бака 4 вода направляется к потребителям теплоты 5.

Рисунок 11.5. – Схема теплоснабжения с эжектором.

Тепловой поток, передаваемый по паропроводу при неполном возврате конденсата:

Q = m* (h – cptx) – mк* cp(tк – tx), кВт.(11.3)

здесь m* – расход теплоносителя, кг/с; m1* , m2* – расходы воды в подающем и обратном (при движении воды в сторону ТЭЦ) трубопроводах, кг/с; mк* – количество возвращаемого конденсата, кг/с; cp – массовая изобарная теплоемкость воды, кДж/(кг·К); ф1, ф2 – температура сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах, ˚С; h – энтальпия пара, кДж/кг; tx – температура холодной воды, ˚С; tк – температура конденсата, ˚С.

Термическое сопротивление теплопроводов. Транспортные потери теп-

ла зависят от конструкции тепловой изоляции и способов прокладки теплопроводов. Полное термическое сопротивление изолированного теплопровода, уложенного в канале, складывается из термиче-

При прокладке теплопроводов на открытой площадке или в закрытом помещении полное термическое сопротивление теплопередачи от теплоносителя к окружающему воздуху определяется суммой: