Теоретическая часть

Основы

Теплообменным аппаратом называется любое устройство, в котором осуществляется процесс передачи тепла от одной среды (горячего теплоносителя) к другой (холодному теплоносителю). В качестве теплоно сителей в теплообменных аппаратах (теплообменниках) используются разнообразные жидкости, газы, пары в широком диапазоне давлений и температур. Теплообменные аппараты классифицирую по следующим признакам:

1.По принципу действия:

1.1.Поверхностные (передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твёрдой стенки);

1.1.1.Рекуперативные (тепло от одного теплоносителя к другому передаётся через разделяющую их стенку);

• Примеры: паровые котлы, подогреватели, конденсаторы.

1.1.2.Р е г е н е р ат и в н ы е (т е п л о н о с и т е л и п о п е р е м е н н о соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, тем самым сначала аккумулируя тепло горячего теплоносителя, а затем отдавая тепло холодному теплоносителю).

• Примеры: регенераторы мартеновских и сталеплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей.

1.2.С м е с и т е л ь н ы е (т е п л о о б м е н о с у щ е с т в л я е т с я п у т ё м непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных теплоносителей).

• Примеры: башенные охладители (градирни), скрубберы.

2.По движению теплоносителей:

2.1.Прямоток (направление горячего и холодного теплоносителей совпадает);

2.2.Противоток (направление их движения противоположно);

2.3.Поперечный ток (направления движений пересекаются).

7

Наиболее распространённым типом являются кожухотрубные теплообменники. Они имеют большую поверхность нагрева и применяются для нагревания или охлаждения жидкостей и газов. Тем не менее простейшим теплообменным аппаратом считается теплообменник типа "трубе в трубе": в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра (рисунок 1). Внутренние трубы могут быть гладкими или, в зависимости от назначения, иметь продольные рёбра на внешней стороне. Теплообменники типа "труба в трубе" обычно составляются из нескольких секций и используются преимущественно при невысоких скоростях потоков и высоких температурах и давлениях из-за сравнительно небольших диаметров труб.

Рис. 1. Схемы теплообменников типа: кожухотрубчатый (слева) и труба в трубе (справа).

8

Расчет

Продолжая искать различия, только теперь в расчете, заметим, что есть два типа теплового расчета ТА:

• 1 рода - конструктивный (заданы температуры теплоносителей 1, τ1

на входе и 2, τ2 на выходе ТА, водяные эквиваленты теплоносителей

W1, W2, определяются мощность, поверхность теплообмена и тип ТА)

• 2 рода - проверочный (заданы входные температуры теплоносителей

1, τ1 водяные эквиваленты теплоносителей W1, W2 и теплопередающей поверхности kF , тип и геометрические размеры ТА, определяются мощность ТА и конечные температуры 2, τ2).

Задача данной курсовой работы заключается в получении количества секций ТА. Из исходных данных будет видно, что сначала будет произведен расчет 2-рода, для нахождения температуры выхода холодного теплоносителя, а потом расчет 1 рода для определения количества секций.

Далее приступим к тепловому расчету. Первая задача - найти температуру холодного теплоносителя на выходе. Для этого составим уравнение теплового балалнса:

• Количество теплоты, отданное горячей водой, (Вт):

9

Х а р а к т е р и з м е н е н и я т е м п е р ат у р т е п л о н о с и т е л е й вд о л ь теплопередающей поверхности показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при прямотоке (слева) и противотоке (справа).

В противоточной схеме среднелогарифмическая разность температур

греющей жидкости на выходе, что в прямоточной схеме невозможно. Таким

Определяющим критерием подобия при вынужденной конвекции является критерий Рейнольдса:

где, - скорость движения теплоносителя, м/с; d - определяющий линейный размер, м;

- коэффициент кинематической вязкости, м2/сек.

10

Критерий Рейнольдса определяет один из 3-х режимов течения теплоносителя:

1.Re < 2300 - ламинарным;

2.2300 ≤ Re ≤ 104 - переходным;

3.Re > 104 - турбулентным.

Исходя из режима течения выбирается формула для расчета числа Нуссельта:

2. При переходном режиме:

где, C, y- коэффициент, который зависит от числа Re (см. таблицу 1)

t - поправка, учитывающая изменение физических свойств среды в зависимости от температуры (см. уравнение 7);

l - поправка, учитывающий влияние на теплоотдачу процесса гидродинамической стабилизации потока на начальном участке теплообмена (см. таблицу 2).

Таблица 1. Значения коэффициентов в уравнении.

11

Таблица 2. Поправка учитывающая гидродинамическую стабилизацию на начальном участке теплообмена.

εt = (Pr )

0,25 (7)

Prc

где, Pr - число Прандтля. Принимают по справочным данным для текучей среды при температуре теплоносителя;

Prc - число Прандтля. Принимают по справочным данным для текучей среды при температуре стенки.

3. При турбулентном режиме:

t l

Коэффициенты C, j, y, i , как говорилось ранее, определяются из таблицы 1.

При вычислении числа Нуссельта теплофизические свойства теплоносителей выбирают при средней температуре потока:

12

где, 1 2 - коэффициенты теплоотдачи от «горячего» теплоносителя к внутренней поверхности трубы и от внешней поверхности трубы к «холодному» теплоносителю соответственно, Вт/(м2*К);

∑N δ - термическое сопротивление теплопроводности стенки трубы с

i=1 λ

учетом загрязнений где,

- толщина стенки трубки, м;

- теплопроводность материала теплообменника, Вт/(м*К).

Выбираем подходящий вариант по заданию. Для двух схем движения теплоносителей – прямоточной (↑↑) и противоточной (↑↓), θm:

ln θ1

θ2

где θ1 , θ2 - разности температур между «горячим» и «холодным» теплоносителями на входе и выходе ТА, .

Для схемы «прямоток»:

13

Для схемы «противоток»

Определяем площадь теплообмена, м2:

Находим число секций, шт:

После нахождения количества секций округляем в большую сторону до целых чисел.

14