Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет рекуперативных теплообменных аппаратов. Практикум (часть II) по дисциплине «Термодинамическая эффективность теплового оборудования и тепломассо
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция»
РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Практикум (часть II) по дисциплине
«Термодинамическая эффективность теплового оборудования
и тепломассоперенос в нем»
Ростов-на-Дону
ДГТУ
2019
УДК 621.183, 697.32
Составители: В.В. Василенко, Н.В. Букаров
Расчет рекуперативных теплообменных аппаратов: практикум
(часть II) по дисциплине «Термодинамическая эффективность
теплового оборудования и тепломассоперенос в нем» − Ростов-на-
Дону: Донской гос. техн. ун-т, 2019. – 24 с.
Содержат описания устройств и работы наиболее распространенных видов теплообменных аппаратов, а также методики их конструктивного и поверочного расчетов. Приведены примеры расчетов различных типов теплообменников.
Предназначены для бакалавров всех форм обучения по направлению
08.03.01 «Строительство», профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция».
УДК 621.183, 697.32
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Донского государственного технического университета
Научный редактор канд. техн. наук, доцент Е.К. Глазунова
Ответственный за выпуск зав. кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция»
канд. техн. наук, доцент С.А. Тихомиров
_____________________________________________________
В печать 22.02.2019 г.
Формат 60×84/16. Объем 1,5 усл. п. л.
Тираж 50 экз. Заказ № 286.
_____________________________________________________
Издательский центр ДГТУ
Адрес университета и полиграфического предприятия:
344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
© Донской государственный
технический университет, 2019
1 Основные положения теплового расчета теплообменных аппаратов
В инженерных расчетах рассматривают два основных вида теплового
расчета теплообменных аппаратов: тепловой конструктивный и тепловой по-
верочный расчеты.
Тепловой конструктивный расчет выполняют при проектировании новых
аппаратов в целях определения площади поверхности теплообмена и количества переданной теплоты.
Тепловой поверочный расчет выполняют, если известна конструкция теплообменного аппарата и соответственно площадь поверхности теплообмена, а
необходимо определить конечные температуры теплоносителей и количество
переданной теплоты.
В обоих случаях тепловой расчет основан на совместном решении урав-
нений теплопередачи и теплового баланса [1].
1.1 Уравнение теплопередачи
Уравнение теплопередачи в рекуперативном теплообменном аппарате
имеет вид
Q = k·F·(t1−t2),
где Q – тепловая мощность теплообменника, Вт;
k – средний коэффициент теплопередачи через разделяющую теплоносители стенку, Вт/(м2∙K);
F – площадь поверхности теплообмена, м2;
t1 и t2 – соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей, °С.
Тепловую мощность теплообменного аппарата рассчитывают по уравнению теплового баланса. При тепловом поверочном расчете площадь теплообмена известна, а при конструктивном расчете площадь поверхности теплообмена F находят из уравнения теплопередачи
Q
F
.
)(
ttk
21
(1.1)
(1.2)
Из последнего выражения следует, что при расчете площади поверхности
теплообмена задача сводится к вычислению коэффициента теплопередачи и
средней разности температур теплоносителей.
При выводе основного уравнения теплопередачи принималось, что температуры горячего и холодного теплоносителей в теплообменном аппарате не
изменяются. В действительности температуры рабочих жидкостей при прохождении через аппарат изменяются, причем на изменение температур большое
3
влияние оказывают схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов.
Если по оси абсцисс откладывать значения поверхности аппарата, а по
оси ординат − значения температур в различных точках поверхности, то для
аппаратов c прямотоком можно дать температурные графики, представленные
на рисунке 1.1.
Для аппаратов с противотоком (рисунок 1.2) верхние кривые показывают
изменение температуры горячего теплоносителя, нижние − холодного.
Как видно из рисунка 1.1, при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя.
Рисунок 1.1
Рисунок 1.2
При противотоке (рисунок 1.2) конечная температура холодного теплоносителя может быть значительно выше конечной температуры горячего теплоносителя. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодный
теплоноситель, при одинаковых начальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температур, между рабочими жидкостями, или температурный напор t.
Величины t и k можно принять постоянным только в пределах элементарной поверхности теплообмена dF. Поэтому уравнение теплопередачи для
4
элемента поверхности теплообмена dF справедливо лишь в дифференциальной
t
t
W
ссV
форме:
dQ = kdFt.
(1.3)
Тепловой поток, переданный через всю поверхность F, при постоянном
среднем коэффициенте теплопередачи k, определяется интегрированием уравнения (1.3):
F
,
0
tkFtkdFQ
ср
(1.4)
где tср − средний, логарифмический температурный напор по всей поверхности нагрева.
Для случаев, когда коэффициент теплопередачи на отдельных участках
поверхности теплообмена значительно изменяется, его усредняют:
...
.
Тогда при k
ср
k
ср
= const уравнение (1.4) примет вид
2211
...
21
kFkFkF
nn
FFF
n
(1.5)
F
tdFkQ
ср
0
, или Q = k
ср
tсрF.
(1.6)
1.2 Уравнение теплового баланса
Уравнение теплового баланса при условии отсутствия тепловых потерь и
фазовых переходов
Q = m1·i1 = m2·i2,
(1.7)
или
'
''
'
1
1p111
''
ttссVttссV = Q ,
2
2p222
(1.8)
где V11 и V22 − массовые расходы теплоносителей, кг/сек;
cp1 и cp2 − средние массовые теплоемкости жидкостей в интервале температур
от
'
t и
1
''
t и
1
'
''
до
t − температуры жидкостей при входе в аппарат;
t − температуры жидкостей при выходе из аппарата.
;
'
2
''
2
Величину произведения
называют водяным, или условным эквивалентом.
5
(1.9)
С учетом последнего уравнение теплового баланса может быть представ-
лено в следующем виде:
'
1
1
tttt
2
2
,//
WW
12
(1.10)
'
''
''
где W2, W1 − условные эквиваленты горячей и холодной жидкостей.
В тепловом аппарате температуры горячего и холодного теплоносителей
изменяются обратно пропорционально их условным эквивалентам. Это соотношение сохраняется и для каждого элемента поверхности аппарата:
dt1/ dt2 = W2/ W1,
(1.11)
где dt1 и dt
−изменения температуры горячего и холодного теплоносителей
2
на элементе поверхности аппарата.
Соотношение между величинами условных эквивалентов горячего и холодного теплоносителей определяет наклон температурных кривых на графиках изменения температур. Например, если W1= 2W2, то изменение температуры холодного теплоносителя будет вдвое больше, изменения температуры горячего теплоносителя.
1.3 Расчет среднего температурного напора
Если температура теплоносителей изменяется по закону прямой линии
(рисунок 1.3, пунктирные линии), то средний температурный напор в аппарате
равен разности среднеарифметических величин:
''
''
t
ср
'
1
1
'
2
2/2/
tttt
2
(1.12)
Однако температуры рабочих жидкостей меняются не по линейному закону. Поэтому уравнение (1.11) будет только приближенным и может
применяться при небольших изменениях температуры обеих жидкостей.
Рисунок 1.3
6
Однако температуры рабочих жидкостей меняются не по линейному за-
212
1
кону. Поэтому уравнение (1.11) будет только приближенным и может применяться при небольших изменениях температуры обеих жидкостей.
Определим величину tср для аппарата с прямотоком при нелинейном изменении температур рабочих жидкостей (рисунок 1.3).
.
Величина ∆t
температурным напором. Здесь τ1 – разность температур теплоносителей на
одном конце аппарата, а τ2 – на другом конце аппарата.
Для аппаратов с прямотоком:
Для аппаратов с противотоком:
Численное значение ∆t
ловиях всегда больше ∆t
в уравнении (1.12) называется среднелогарифмическим
ср
t
ср
для аппаратов с прямотоком, поэтому аппараты с
ср
срt
t
ср
ср
для аппарата с прямотоком при одинаковых ус-
21
/ln
21
/lg3,2 tttt
21
/lg3,2 tttt
tttt
2121
.
1
tttt
2121
2
.
(1.13)
(1.14)
(1.15)
противотоком имеют меньшие размеры.
Если принять изменение температуры каждого из теплоносителей в аппарате по линейному закону (пунктирный температурный график на рисунке 1.3),
то среднеарифметическая разность температур будет несколько больше среднелогарифмической.
2 Виды рекуперативных теплообменных аппаратов
1) Кожухотрубные теплообменники. Основными элементами кожухот-
рубчатых теплообменных аппаратов являются пучки труб, трубные решётки,
корпус, крышки, патрубки. Среду обычно направляют противотоком друг к
другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, – в противоположном направлении. Такое направление движения
каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная
среда под влиянием изменения её плотности при нагревании и охлаждении. Для
увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как в трубном, так и в межтруб-
7
ном пространствах. В случае необходимости, конструкция аппарата должна
предусматривать его очистку.
2) Элементные теплообменники. Каждый элемент такого аппарата
представляет собой простейший кожухотрубный теплообменник без перегородок. Такие аппараты допускают при этом более высокое давление. Однако такая конструкция получается более громоздкой и тяжелой, чем кожухотрубный
аппарат.
3) Теплообменники типа «труба в трубе». Отдельные элементы соединены между собой патрубками и калачами, образуя цельный аппарат необходимого размера. Эти теплообменники находят себе применение при небольших
расходах теплоносителей и при высоких давлениях.
4) Теплообменники пластинчатые. Такие теплообменники состоят из
набора пластин, в которых отштампованы волнистые поверхности и каналы для
протока жидкости. Пластины уплотняются между собой резиновыми прокладками и стяжками. Такой теплообменник прост в изготовлении, легко модифицируется (добавляются или убираются пластины), его легко чистить, у него высокий коэффициент теплопередачи, но его нельзя применять при высоких давлениях.
5) Пластинчато-ребристый теплообменник. Теплообменник такого типа в отличие от пластинчатого теплообменника состоит из системы разделительных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности − насадки, присоединенные к пластинам методом пайки в вакууме. С боков каналы ограничиваются брусками, поддерживающими пластины и образующие закрытые
каналы. Таким образом, в основу оребренного пластинчатого теплообменника
положена жесткая и прочная цельнопаянная теплообменная матрица, построенная по сотовому принципу и работоспособная (даже в исполнении из алюминиевых сплавов) до давления 100 атм. и выше.
6) Оребренно-пластинчатые теплообменники. Такой теплообменник
состоит из тонкостенных оребренных панелей, изготовленных методом высокочастотной сварки, соединенные поочередно с поворотом на 90 градусов. За
счет конструкции, а также многообразия используемых материалов достигаются высокие температуры теплоносителей, небольшие гидравлические сопротивления, высокие показатели отношения передающей площади к массе теплообменника, длительный срок службы, низкая стоимость и др. Часто используются
для утилизации тепла отходящих газов.
7) Теплообменники спиральные. Теплообменник представляет собой
два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной
разделительной перегородки − керна, среды движутся по каналам. Одно из на-
8
значений спиральных теплообменников − нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей.
При выборе между пластинчатыми и кожухотрубными теплообменни-
ками предпочтительными являются пластинчатые, коэффициент теплопередачи
которых более чем в три раза больше, чем у традиционных кожухотрубных.
Кроме того, у пластинчатых теплообменников занимаемая площадь в 3-4 раза
меньше, чем у кожухотрубных. В то же время иностранные пластинчатые теплообменники, оснащенные средствами автоматики, регулирования и надежной арматурой, позволяют снизить количество теплоносителя, идущего на нагрев воды. А значит, и диаметры трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры, снизить нагрузки на сетевые насосы и, соответственно, уменьшить потребление электроэнергии.
В последнее время стали появляться современные отечественные кожухотрубные теплообменники, оснащенные трубками, профилированными таким
образом, чтобы рост гидравлического сопротивления ненамного превышал рост
теплоотдачи вследствие применения турбулизаторов потока. Это достигается
накаткой на внешней поверхности трубы кольцевых или винтообразных канавок, вследствие образования которых на внутренней поверхности трубы образуются плавно очерченные выступы небольшой высоты, интенсифицирующие
теплоотдачу в трубах (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 – Способы интен-
сификации теплообмена
9
Следствием интенсификации процессов теплообмена является увеличение коэффициента теплопередачи, который при чистых поверхностях теплообмена определяется коэффициентами теплоотдачи со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей. Во многих случаях физико-химические свойства
применяемых теплоносителей существенно различаются, не одинаковы их давление и температура, коэффициенты теплоотдачи. Так, значение коэффициента
теплоотдачи со стороны воды α = 2 000 ÷ 7 000 Вт/(м2 ∙К), со стороны газового теплоносителя α ≤ 200 Вт/(м2 ∙К), для вязких жидкостей α = 100 ÷ 600
Вт/(м2 ∙К).
Рассмотрим кожухотрубный и пластинчатый теплообменные аппараты,
которые наиболее часто встречаются в системах теплоснабжения.
Кожухотрубный теплообменный аппарат
В кожухотрубчатом теплообменнике (рисунок 2.1) одна из обменивающихся теплом сред 1 движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая
2 – в межтрубном пространстве.
Трубы в решетках обычно равномерно размещают по периметрам правильных шестиугольников, т. е. по вершинам равносторонних треугольников
(рисунок 2.2а), реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям (рисунок 2.2б). В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить
удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам
прямоугольников (рисунок 2.2в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель – обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев
наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам
правильных шестиугольников.
Рисунок 2.1− Схемы
кожухотрубчатых теплообменных аппаратов:
а) одноходового, б) многоходового
1 – корпус (обечайка); 2 – трубные
решетки; 3 – трубы; 4 – крышки;
5 – перегородки в крышках; 6 –
перегородки в межтрубном
пространстве.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]