Индекс противоточности р определяется как отношение водяного эквивалента поверхности теплообмена, где осуществляется противоточная схема движения теплоносителей (kF)прот, и водяного эквивалента поверхности теплообмена всего ТА (kF)
p = |
( kF )прот |
= |
( kF )прот |
||
( kF ) |
[( kF ) |
+( kF ) ] |
|||
|
|
||||
|
|
|
прот |
прям |
|
Для прямоточной схемы индекс противоточности равен p = 0, а при противотоке p = 1 и в этом случае уравнение уравнение Белоконя совпадает с уравнением Грасгофа.
Тепловой расчет теплообменных аппаратов
Устройства, в которых происходит передача теплоты между
теплоносителями (средами), называются теплообменными аппаратами (ТА).
По принципу действия теплообменные аппараты делятся на
рекуперативные, регенеративные и смесительные.
а – рекуперативный; б – регенеративный; в - смесительный
Врекуперативных ТА горячий и холодный теплоносители одновременно подаются в аппараты, омывая с разных сторон поверхность теплообмена, а тепловой поток передается от горячего к холодному теплоносителю через разделяющую их стенку.
Врегенеративных ТА горячий и холодный теплоносители омывают одну и ту же поверхность теплообмена последовательно. При омывании поверхности теплообмена горячий теплоноситель отдает ей теплоту, а затем ту же
поверхность омывает холодная теплоноситель, который, получая теплоту, нагревается. Примером регенеративных ТА могут служить аппараты насадочного типа.
В рекуперативных и регенеративных ТА в процессе теплопередачи между теплоносителями участвует поверхность теплообмена, поэтому эти аппараты называются
поверхностными.
В смесительных ТА теплопередача между теплоносителями осуществляется путем их непосредственного смешения. Эти ТА называются контактными. Примером таких ТА могут быть градирни, в которых оборотная вода охлаждается атмосферным воздухом.
По назначению теплообменные аппараты делятся на
конвективные (нагреватели и холодильники), испарители, конденсаторы и кристаллизаторы.
Вконвективных ТА не происходит агрегатного превращения теплоносителей.
Виспарителях происходит испарение холодного теплоносителя или компоненты холодного теплоносителя.
Вконденсаторах конденсируется горячий теплоноситель или компонент горячего теплоносителя.
Кристаллизаторы используются для охлаждения потока горячего теплоносителя до температуры, обеспечивающей образование кристаллов некоторых компонент горячего теплоносителя.
Основы теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов
В зависимости от постановки задачи тепловой расчет теплообменных аппаратов может быть конструктивным (расчеты первого рода) или поверочными (расчеты второго рода).
При конструкторском тепловом расчете известны: вид теплоносителя, температура теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата, а также расходы теплоносителей. Определяют тепловую мощность и площадь поверхности теплообменного аппарата (ТА), с дальнейшим конструированием нового или выбором стандартного аппарата.
При поверочный тепловом расчете известны: тип, характеристика и геометрические размеры ТА, вид и расходы теплоносителей, а также температуры теплоносителей на входе в теплообменник. Необходимо определить мощность теплообменного аппарата и температуры теплоносителей на выходе из теплообменника.
В основу теплового расчета рекуперативных ТА положены:
уравнение теплового баланса и обобщенное уравнение теплопередачи при переменных температурах
Q = h×Q1 = Q2 |
Q = kF × Qm |
На первом этапе определяется мощность теплообменного аппарата из теплового баланса.
Рассчитывается коэффициент теплопередачи К
k = |
|
|
1 |
|
|
|
, |
|
|
1 |
+ å di |
+ 1 |
|
||||
|
|
|
i=n |
|
|
|
|
|
|
|
a1 |
i=1 li |
|
a2 |
|
|
|
коэффициенты теплоотдачи, а также значения термических сопротивлений загрязнений и стенки теплообменной трубы находятся по справочной литературе.
Конструируемый или выбираемый стандартный теплообменный аппарат способен обеспечить заданные температурные режимы теплоносителей, если его индекс противоточности при заданных температурных режимах и водяных эквивалентах теплоносителей больше или равен минимальному индексу противоточности pmin
|
¢ |
¢ |
¢¢ |
¢¢ |
|
|
pmin = |
( t1 |
- t2 |
)×( t2 |
- t1 ) |
|
|
¢ |
¢¢ |
¢¢ |
|
|||
|
¢ |
) |
||||
|
( t1 |
- t1 )×( t2 |
- t2 |
|||
Определяется средняя разность температур для выбранной схемы
Qm = |
QI - QII ; |
||
|
ln |
QI |
|
|
QII |
|
|
определяется расчетная площадь поверхности теплообмена
Fр = |
Q |
|
K × Qm |
||
|
Затем оцениваются площади проходных сечений трубного и межтрубного пространства (при условии достижения оптимальных скоростей движения теплоносителей)
f = rGw
На базе полученных расчетных значениях площади теплообмена и проходных сечений либо определяются расчетным путем геометрические характеристики теплообменного аппарата (число ходов, диаметр, длина, количество , схема расположения трубок, число сегментных перегородок и т. д.) либо из каталога выбирается
стандартный теплообменный аппарат
Конечным этапом конструктивного расчета является поверочный расчет целью которого является проверка соответствия выбранного (сконструированного) теплообменного аппарата с необходимым (конечные температуры теплоносителей).
Действительная тепловая мощность теплообменного аппарата рассчитывается по формуле Н.И. Белоконя
|
|
|
|
|
|
|
¢ |
¢ |
|
|||
QТА = |
|
|
|
|
|
2(t1 |
- t2 ) |
|||||
|
1 + |
1 |
|
× ek ×FТА Wm +1 |
||||||||
1 + |
|
|||||||||||
|
|
W1 |
|
|
W2 |
|
|
Wm |
|
ek ×FТА Wm -1 |
|
|
Действительные характеристики теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата определяются из уравнения теплового баланса
Q =W1 × Dt1 =W × Dt2