две |
схемы взаимного тока теплоносителей равноценны при |
- |
малых |
и больших |
отношениях _ WtJ w • |
- |
малых |
значениях |
отношения кР0/ щ . |
Малые и большие значения ^ * / щ соответствуют слу |
чаю, когда изменение температуры одного из теплоноси-
телей мало. Малые значения kF° |
—-или kF° |
соот- |
ветствуют случаю, когда температурный напор ftt |
ве |
лик по сравнению с изменением температуры одной из ра бочих сред. Это ясно видно из рассмотрения зависимо
стей |
г о . = |
_ А |
|
иг, at я |
W& At |
Рис. 10.4. Сравнение прямотока и противотока
Во всех остальных случаях при прямотоке тепла пе редается меньше, чем при противотоке, поэтому пред почтительнее противоточные сх *ы.
§ 60. Гидродинамический расчет теплообменных аппаратов
Мевду теплопередачей и потерей давления прг движении рабочих сред в теплообменном аппарате существует тесная связь. Чем больше скорость движения рабочих сред, тем больше коэффициент теплопередачи и меньше поверхность теплообмена, т .е . тем компактнее теплообменный аппарат. Однако при увеличении скорости рабочих сред увеличи ваются гидравлические сопротивления и возрастает мощ ность, затрачиваемая на прокачку рабочих сред через теплообменный аппарат.
Взаимосвязь между гидравлическими сопротивлениями и теплопередачей рассмотрим на примере продольного об
текания поверхности нагрева турбулентным потоком тепло носителя. Коэффициент теплоотдачи в этом случае опреде ляется критериальной формулой
Ни = 0,021Re^Pz^3. |
( 1 0 . 4 3 ) |
Поправку на направление теплового потока не учитываем. Гидравлические сопротивления трения
0 , Ш е (ил/)2
После подстановки значений критериев формулы (10.43) и (10.44) запишутся в виде»
cL - |
Са Л |
0,8 |
(10.45) |
W |
|
ы аг |
Г |
|
|
й р -
|
|
(10.46) |
Исключая из зависимостей (10.45) и (10.46) |
иЯр, по |
лучим |
|
|
& Р - А |
’ |
(10.47) |
где |
|
|
Из (10.47) видно, что между коэффициентом теплоотда чи и гидравлическими сопротивлениями трения при заданных геометрических размерах канала существует однозначная связь. При увеличении скорости движения теплоносителя коэффициент теплоотдачи oL возрастает, что приводит
к некоторому уменьшению длины поверхности теплообмена Однако результирующее гидравлическое сопротивление с увеличением ы. возрастет примерно в квадрате, что
необходимо учитывать при расчете теплообыенных аппара тов. При проектировании расчет теплообмена и гидрав лических сопротивлений производится совместно, что позволяет находить оптимальные характеристики тепло обменного аппарата.
Основной задачей гидравлического расчета является определение потерь давления теплоносителя при прохож дении его через теплообменный аппарат. Гидравличес кие сопротивления теплообменного аппарата определяют ся особенностями его конструкции и условиями движения теплоносителя. Данные гидравлического расчета тепло обменного аппарата - важный фактор в оценке рациональ ности его конструкции.
Потеря давления при движении теплоносителя через геплообменный аппарат определяется формулой
/±р = |
|
|
|
' (10.48) |
|
|
/ |
к * |
е |
где |
- |
суммарные |
сопротивления |
трения,' |
• 2 |
- |
сумма потерь напора на |
преодоление |
* |
местных сопротивлений; |
|
|
|
|
|
- |
сумма потерь напора на ускорение по - |
|
|
тока; |
|
|
|
- |
нивелирный напор. |
|
Гидравлические сопротивления, рассчитанные по формуле (10.48), определяют величину мощности насоса, необхо димой для прокачки теплоносителя через теплообменный аппарат.
При выборе оптимальной формы и размеров теплообмен ного аппарата принимают наивыгоднейшее соотношение меж ду поверхностью теплообмена и расходом энергии на про качку теплоносителя.
§ 61. Влияние эксплуатационных Факторов на работу теплообменных аппаратов
В процессе эксплуатации теплообменных аппаратов ус ловия теплообмена мевду рабочими средами могут изме няться. На интенсивность теплообмена и количество пере даваемого в процессе эксплуатации тепла будут влиять следующие факторы:
-загрязнение поверхнос'ей нагрева;
-изменение расходов рабочих сред вследствие изме нения производительности насосов, засорения Фильтров,
клапанов и д р .; - изменение входных температур рабочих сред;
- изменение величины поверхности нагрева ^например, вследствие глушения дефектных трубок теплообменного аппарата).
Рассмотрим качественное влияние перечисленных выше
факторов на интенсивность теплообмена. |
|
В л и я н и е |
з а г р я з н е н и я |
п о в е р |
х н о с т и |
н а г р е в а . |
Рассмотрим для упрощения |
плоскую стенку, коэффициент |
теплопередачи |
которой опре |
деляется по |
формуле |
|
|
|
/
к =
J- + 1L + 1- oLt Л
При загрязнении поверхности нагрева (например, при по явлении слоя накипи) формула для расчета к запишется как
* |
- |
i |
# ' |
+ |
&Н |
i |
|
|
— |
+ — |
Ан |
+ — |
|
|
rJ4 |
Л |
|
|
где |
- |
толщина |
слоя |
накипи, |
д- коэффициент теплопроводности слоя накипи, вт /м тр ад .
Ввиду низкой теплопроводности слоя накипи (или дру гого загрязнения) его влияние на снижение коэффициента теплопередачи к даже при малой толщине будет сущест венным, причем относительное влияние термического со противления слоя накипи будет тем значительнее, чем выше значения U { и оС2 . Уменьшение величины коэф фициента теплопередачи при заданной величине поверх ности теплообмена приводит к снижению теплопроизводительности аппарата, что, в свою очередь, может вызвать существенное отклонение температур рабочих сред от их спецификационных значений.
В л и я н и е |
и з м е н е н и я |
р а с х о д о в |
т е п л о н о с и т е л е й . Изменение |
расходов тепло |
носителей вызывает изменение коэффициентов теплоотдачи и, как следствие этого, коэффициента теплопередачи, а также водяных эквивалентов теплоносителей. Это в свою очередь, вызовет изменение среднего температурного на пора At, теплопроизводительности аппарата и конечных
температур рабочих |
сред. |
|
В л и я н и е |
и з м е н е н и я |
в х о д н ы х |
т е м п е р а т у р |
р а б о ч и х |
с р е д . В прак |
тике эксплуатации теплотехнического оборудования часто встречаются случаи, когда входная температура одной из рабочих сред (например, охлаждающей воды) изменяется.
Изменение температуры одного из теплоносителей вызовет изменение температурного напора, что приведет к изме нению теплопроизводительности аппарата и выходных тем
ператур рабочих |
сред. |
|
|
В л и я н и е |
и з м е н е н и я |
в е л и ч и н ы |
п о в е р х н о с т и |
н а г р е в а . |
При глуиении |
части трубек теплообыенного аппарата уменьшается поверх ность теплообмена, кроме того, уменьшается расход однего из теплоносителей, что вызовет уменьшение тепло производительности аппарата и изменение выходных темпе ратур рабочих сред.
При изменении условий эксплуатации теплообменник аппаратов обслуживающему персоналу обычно известны (или могут быть рассчитаны) площадь поверхности тепло обмена, входные температуры рабочих сред и их весовые расходы. Этих данных достаточно для определения коэф фициента теплопередачи и выполнения поверочного тепло вого расчета теплообменного аппарата, который позволяет определить теплопроизводительность аппарата и выходные температуры рабочих сред (см. § 58). Наибольшие затруд-
нения при проведении проверочного теплового расчета могут возникнуть при расчетной оценке влияния на рабо ту теплообменного аппарата загрязнения поверхностей нагрева, когда толщина слоя накипи (или другого вида загрязнения) и ее коэффициент теплопроводности точно не известны. В этом случае проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата может дать значительные погреш ности.
§ 62. Применение ЭВМ пои расчете теплообменных аппаратов
Обычно расчеты теплообменных аппаратов производятся методом последовательных приближений, и в результате выполнения вариантных проработок выбирается оптималь ный вариант.
Недостатками ручных методов счета являются их дли тельность и большая затрата времени высококвалифици рованных специалистов. Необходимость проведения ручно го счета заставила использовать для расчетов простые уравнения. Эти уравнения выводились с использованием ряда упрощающих допущений и поэтому являются прибли женными. Например, при расчете теплообменннх аппара тов с использованием ручных методов счета производят усреднение физических свойств рабочих сред по длине и объему теплообменного аппарата. Формула для вычисле ния среднелогарифмического температурного напора (см. § 57) также была получена при допущении постоянства теплоемкостей рабочих сред и коэффициента теплопере дачи. Точные и сложные методики расчета теплообмен ных аппаратов при ручном счете не используются ввиду
их трудоемкости. Ручной расчет теплообменных аппаратов в большинстве слз'чаев недостаточно эффективен, а при вариантном проектировании не гарантирует выбора опти-
мальвой конструкции и размеров теплообменного аппарата. Применение ЭВМ открывает качественно новые возможно сти перед теорией и практикой проектирования теплообмен
ник аппаратов. Особенно важное значение для расчета теплообменных аппаратов имеют ЭЦВМ, так как с их помо щью можно быстро и точно реализовать практически любые теплотехнические и гидродинамические расчеты.
Применение ЭЦВМ позволяет:
- освободить расчетчиков от утомительных и громозд ких, однообразных расчетов;
- просчитать за короткий промежуток времени большое количество вариантов и выбрать оптимальные параметры процесса теплообмена и оптимальные конструктивные ха рактеристики теплообменного аппарата;
- использовать для расчетов уточненные и, следова тельно, более сложные }равнения;
- значительно сократить время проектирования тепло обменных аппаратов и уменьшить издержки проектирования.
Для выполнения динамических расчетов теплообменных аппаратов могут использоваться как ЭЦВМ, так и ЭАВМ. Рассмотрим методику теплового расчета теплообменного аппарата на ЭЦВМ.
Тепловой расчет при проектировании теплообменного аппарата должен однозначно приводить к получению ко нечного результата - площади поверхности теплообмена, теплопроизводительности и конечных температур рабочих сред. Наиболее простым методом теплового расчета тепло обменного аппарата на ЭЦВМ является метод поинтервальной линеаризации.
Этот метод позволяет учесть влияние на теплопереда чу переменности теплоемкостей рабочих сред и перемен ности коэффициентов теплоотдачи вдоль поверхности теп лообмена.
Расчету предшествует предварительный выбор размеров труб теплообменных поверхностей, количества труб в по перечном сечении теплообменного аппарата, их расположения, размеров и расположения перегородок и т .д .
Рассмотрим последовательность расчета теплообменного аппарата.
I . Температурный перепад вдоль одного из потоков рабочих сред разбивается на равные интервалы. Допу стим, что на равные температурные интервалы разбивает
ся температурный перепад в теплоносителе, |
отдающем теп |
ло, и число выбранных интервалов равно т |
. Тогда |
каждый температурный интервал $tr будет |
равен |
где trH и tгк - температура теплоносителя, отда ющего тепло, соответственно на входе и выходе из тепло обменного аппарата.
2. Определяется температура конца г -го участка теплоносителя, отдающего тепло:
3 . |
Рассчитывается |
средняя |
теплоемкость |
теплоноси |
теля, |
отдающего тепло, |
для |
г |
-г о участка |
тепло |
обменного аппарата: |
|
|
|
|
4. Определяется количество тепла, переданного в i -м интервале:
