книги из ГПНТБ / Основы теплотехники и гидрогазодинамики учеб. пособие

лей изменяются в одном направлении. По мере перемещения го­ лодного теплоносителя вдоль поверхности нагрева его температч;>а

прямоточные. Поэтому с теплотехнической точки зрения протчзотоку чаще всего отдается предпочтение.

Поперечный ток занимает промежуточное положение между рассмотренными схемами и применяется в случаях, когда проти­ воток не удается осуществить конструктивно, например, в летотракторных радиаторах.

Расчет теплообменных аппаратов

Целью расчета теплообменных аппаратов чаще всего является определение поверхности нагрева (охлаждения).

Основным расчетным уравнением для этого является уравнение теплопередачи через твердую стенку в виде

Кроме этого выражения приходится учитывать уравнения, опи­ сывающие нагрев и охлаждение теплоносителей:

360

12.21).

Произведение расхода жидкости G на ее теплоемкость ср пред­

ставляет собой по существу количество тепловой энергии, отводи­ мой или подводимой с теплоносителем при разнице температур на входе и выходе из теплообменного аппарата в один градус. Эта ве­ личина является удельным параметром теплообменного аппарата и получила название водяного эквивалента W:

сителя W

Поэтому теплоносители, имеющие различные физические свой­ ства, удобно выражать через водяные эквиваленты, использование которых упрощает расчеты теплообменных аппаратов.

Так как при установившемся режиме количество теплоты, от­ данное горячим теплоносителем, равно количеству теплоты, вос­ принятому холодным рабочим телом, то приравнивая уравнения М2.144) и (12.145), получим

(*', — t'\) = Wt (Г2 — Г2).

Отсюда

Выражение (12.147) указывает на важное свойство W, заклю­ чающееся в том, что отношение изменения температур теплоноси­ телей обратно пропорционально их водяным эквивалентам.

361

Для расчета поверхности теплообмена необходимо знать тем­ пературы горячего t\ п холодного t-г теплоносителей. Однако, как видно пз графиков на рнс. 12.20,6 и 12.21,6, эти температуры и пе­ репад между ними не остаются постоянными.

Если изменение температуры теплоносителей невелико, то для определения общего температурного напора можно воспользовать­ ся его средним арифметическим значением:

— для прямотока

Однако при заметном изменении температур теплоносителей использование этих формул приводит к большой погрешности. В этом случае средний температурный напор должен определяться решением рассмотренной системы уравнений, взятых в дифферен­ циальной форме.

Элементарное количество теплоты, отданное одним п восприня­ тое другим теплоносителем, равно

Но, с другой стороны, элементарная теплота dQ передается через стенку dF, что выражается уравнением теплопередачи

-362

Решая совместно уравнения (12.156) и (12.157), получим

Таким образом, уточненное решение приведенной системы урав­ нении показывает, что для расчета теплообменных аппаратов необ­

363

ходимо пользоваться среднелогарифмическнм температурным на­ пором.

Величина среднелогарифмического температурного напора зсег-

д t"

да меньше среднеарифметического. Однако при —р >0,6 они отли­

чаются друг от друга не более чем на 3%. Поэтому при небольших изменениях температурного напора можно пользоваться его сред­ неарифметическим значением.

Подобным методом можно вывести уравнение среднелогарпфмического напора п для противотока, которое имеет вид

В случае перекрестного тока среднелогарифмнческнй напор так­ же вычисляется по уравнению (12.166), но полученное значение умножается на поправочный коэффициент, определяемый по спе­ циальным графикам.

Пользуясь системой уравнений (12.143), (12.144) н (12.145), молено решать задачи, встречающиеся в практике проектнрон.:нпя теплообменных аппаратов.

В наиболее распространенных вариантах расчета обычне бы­ вают заданы количество теплоты Q, которое должно передазаться от одного теплоносителя другому и начальные температурь; теп­ лоносителей t'\, t'o.

Так как в начале проектирования конечные температуры г'Т, t"-2. неизвестны, то расчет приходится проводить методом последова­ тельного приближения. Сначала задаются ориентировочными не­ достающими параметрами, находят основные величины, определя­ ющие теплообмен, и проверяют их соответствие принятым в начале расчета.

В качестве примера ниже приводится один пз возможных п;ряд­ ков расчета рекуперацнонного теплообменного аппарата типа ав­ томобильного радиатора системы охлаждения.

1. На основе известных начальных температур f \ и V*, возмож­ ных скоростей движения теплоносителей и, ориентируясь на пара­ метры выполненных аналогичных теплообменных устройств, зада­ ются коэффициентом теплопередачи k п средним температурным напором А 4Р.

2. Из уравнения (12.143) определяют потребную поверхность охлаждения

3. Конструируют сердцевину теплообменного аппарата и опре-

364

деляют ее размеры из условия обеспечения полученной величины поверхности охлаждения F. В результате этого находят суммарные проходные сечения каналов для горячего ft и холодного /д тепло­ носителей.

4.Задаются скоростью движения теплоносителей w\, w2. При этом необходимо учитывать, что рост скорости увеличивает теплоотдачу, но в то же время резко повышает газодинамические или гидравлические потери при движении теплоносителей.

5.Определяют расходы теплоносителей

лять по их начальным температурам с ориентировочным учетом

7. Определяются числа Рейнольдса и, если требуется, Прандтля, из критериальных уравнений, подходящих для проектируемого теплообменника, определяются критерий Нуссельта и коэффициен­ ты теплоотдачи

л, I

а = Nи у .

Находят уточненный коэффициент теплопередачи

365

Глава 13. ТОПЛИВО И ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

ТОПЛИВО И ЕГО СОСТАВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Топливом называются горючие вещества, пригодные для по­ лучения тепловой энергии. По физическому состоянию топливо раз­ деляют на твердое, жидкое и газообразное, а по происхождению — на естественное, добываемое из окружающей природы, и искусст­ венное, получаемое химической пли механической переработкой естественного топлива.

Твердые п жидкие топлива в общем случае могут включать в себя в качестве компонентов углерод, водород, кислород, азот, се­ ру, зольные вещества н влагу. Основными горючими составляю­ щими топлив являются углерод и водород. Сера сгорает частично, только так называемая ее летучая часть, включающая в себя орга­ нические и колчеданные соединения серы. Остальные компоненты топлива в горении не участвуют и составляют балласт.

Различается балласт внутренний и внешний. Внутренний бал­ ласт составляют азот п кислород, которые образуют обычно с го­ рючими компонентами сложные химические соединения и условно относятся к горючей части топлива. Внешний балласт — это золь­ ные вещества п влага.

Газообразные топлива, так же как твердые и жидкие, представ­ ляют собой смеси различных химических соединений и могут быть естественными и искусственными. В состав естественных (природ­ ных) газов чаще всего входят метан CH.f, этан С2Н6, пропан С.зН8, бутан C.jH jo, углеводороды высших порядков метанового ряда С/1Н2/1ч-2. углекислый газ С02 н азот N2. Основными компонента­ ми искусственных газообразных топлив являются: окись углерода СО, водород Н2, метан CH.t, углекислый газ С 02> азот N2.

Как природные, так и искусственные газообразные топлива мо­ гут содержать водяные пары и другие соединения.

Если компоненты топлива выразить в процентах, то примени­ тельно к 1 кг массы топлива элементарный состав его можно выра­ зить уравнением

Состав газообразного топлива задается в процентах по объему и расчеты относятся к 1 м3 сухого газа при нормальных физиче­ ских условиях.

Основные данные некоторых топлив приведены в таблице 13.1.

367

ТЕП Л О ТА СГОРАНИЯ ТО ПЛИВА И УСЛОВНОЕ ТОПЛИВО

Теплота сгорания топлива есть количество тепла в килокало­ риях пли килоджоулях, выделяемое при полном сгорании 1 кг твердого, жидкого пли 1 м3 газообразного топлива.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Выс­ шая теплота сгорания рабочей массы топлива Qp включает в се­

бя количество тепла, которое может быть выделено при конденса­ ции водяных паров, находящихся в продуктах сгорания. Низшая теплота сгорания рабочей массы топлива Qp не включает тепло­

При известном элементарном составе низшую теплоту сгора­ ния твердых и жидких топлив можно определить по эмпирической формуле Д. И. Менделеева

а при выражении компонентов в массовых долях

Qp„ = 8100СР + 30 000Нр + 2600 (S^ — Ор) — 600 (9НР - f Wp)

Пересчеты в систему единиц СИ производятся по соотношению

Теплота сгорания газообразного топлива определяется для нор­ мальных условий при 0° и 760 мм рт. ст. по формуле

<?р„ = 30,2 СО + 25,8Н2 -j- 85,ЗСН4 + 143СлНт — . (13.6)

м о

Для сопоставления между собой расхода и сравнения тепловой ценности различных топлив используется так называемое условное топливо, под которым подразумевается топливо, низшая теплота