Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы теплотехники. Учебно-методическое пособие.pdf
3. ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Теплообменные аппараты (теплообменники) — это такие устройства, в которых теплота
переходит от одной среды к другой.
Теплоноситель — вещество, снимающее и отводящее тепло с источника тепла и передающее его менее нагретому телу в парогенераторах или теплообменниках.
В качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах используют горячую воду, пар,
газообразные тела.
К теплообменным аппаратам могут относиться: паровые котлы, паро- и водоперегреватели, паропреобразователи, конденсаторы и всевозможные нагревательные приборы центрального отопления.
Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга
как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на
большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета
для них остаются общими.
По конструкции и принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на следующие:
– регенеративные;
– рекуперативные;
– смесительные.
В регенеративных теплообменниках теплота сначала аккумулируется в специальных
насадках, а затем уже отдается нагреваемому теплоносителю. Процесс теплообмена происходит при нестационарном режиме.
В рекуперативных теплообменниках процесс происходит при стационарном режиме, а
теплообмен между теплоносителями — через разделяющую стенку за счет конвекции и теплопроводности.
И регенеративный, и рекуперативный теплообменники называются поверхностными.
В смесительных теплообменниках теплопередача осуществляется при смешении горячей
и холодной жидкостей (например градирни тепловых электрических станций).
В смесительном теплообменнике процесс протекает при тепло- и массообмене, и называется такой процесс контактным.
В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей теплообменники
подразделяются на следующие:
– прямоточные (прямоток);
– противоточные (противоток);
– перекрестный ток.
Прямоточная схема движения потока жидкостей в теплообменных аппаратах. Если
греющая и нагреваемая жидкости перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном направлении, то такой ток движения жидкостей называется параллельным током, или прямотоком:
горячий теплоноситель
холодный теплоноситель
41
Встречное параллельное движение жидкостей называется противотоком:
(43)
горячий теплоноситель
холодный теплоноситель
Если оба теплоносителя перемещаются во взаимно перпендикулярных плоскостях, то
такой ток их движения называется перекрестным:
горячий теплоноситель
холодный теплоноситель
3.1. Основные положения теплового расчета
Расчет теплообменника может быть или поверочным, или конструктивным. При этом, в
зависимости от поставленных задач, определяются тепловая мощность теплообменника, расходы теплоносителей, начальные и конечные температуры греющей и нагреваемой сред, поверхность нагрева теплообменника.
Методика теплового расчета теплообменника базируется на решении уравнений теплового баланса и уравнения теплопередачи. Первые из них связывают тепловую мощность теплообменника с расходами теплоносителей, второе — тепловую мощность теплообменника с
поверхностью нагрева.
Уравнение теплопередачи включает в себя также коэффициент теплопередачи и средний
температурный напор в теплообменнике. Следует освоить методы расчета среднего температурного напора, величина которого находится в зависимости от принятой схемы движения
теплоносителей в теплообменном аппарате.
Расчет заключается в определении поверхности теплообменного аппарата, м2:
где — тепловой поток через поверхность теплообмена, Вт;
— коэффициент теплопередачи (принимается по справочнику в зависимости от теплоносителя);
— средний температурный напор.
42
Прямоток
(движение теплоносителей в одном направлении)
Для расчета поверхности теплообменного аппарата необходимо сначала определить
т.е. средний температурный напор.
Температурный напор — это разница температур разных сред, взятых по одному и тому
же сечению (либо на входе, либо на выходе).
Для того чтобы определить средний температурный напор
диаграмме найти
и
— максимальную и минимальню разности температурного
, необходимо на t–F-
напора (теплоносителей).
На t–F-диаграмме рассмотрим движение теплоносителей в одном направлении: движение теплоносителей при прямотоке (рис. 20).
,
Рис. 20. Прямоток
Предположим:
— греющая среда на входе;
— греющая среда на выходе;
— нагреваемая среда на входе;
— нагреваемая среда на выходе;
— максимальная разница температурного напора;
— минимальная разница температурного напора.
Разность температур — это разность температур входа и выхода одной среды. Например:
.
Средний температурный напор можно определить между температурными напорами на
входе и на выходе (в сечении F1 и F2).
Если отношение
, то средний температурный напор считают как среднеариф-
метический:
Если величина отношения
≥ 1,7, то средний температурный напор считают как
среднелогарифмический:
При прямотоке никогда температура выхода нагреваемой среды
только больше, но и равной температуре выхода греющей среды
не может быть не
за счет потерь.
43
Противоток
(движение теплоносителей в противоположном направлении)
При противотоке (рис. 21), в отличие от прямотока, можно добиться, чтобы температура
выхода нагреваемой среды
была выше, чем температура выхода греющей среды
с этим величину среднего температурного напора
при противотоке можно получить
больше, чем при прямотоке.
, в связи
Рис. 21. Противоток
Температурный напор в сечении
Температурный напор в сечении
(для данной схемы):
(для данной схемы):
Основная формула расчетов теплообменных аппаратов, Вт, определяется из уравнения
теплопередачи:
,
где — коэффициент теплопередачи, Вт/(м
— средний температурный напор, °C.
2
С);
Тепловой поток , Вт, определяется из уравнения теплового баланса:
где — массовый расход воздуха, кг/ч;
— изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(кгС);
— разность температур одной среды.
2
, определяется как
Поверхность теплообменного аппарата , м
Если сравнить передачу одного и того же количества теплоты при противотоке, перекрестном токе и прямотоке, то наименьшая поверхность потребуется при противотоке, затем
перекрестном токе и наибольшая поверхность — при прямотоке.
Так как для передачи одного и того же количества теплоты при противотоке потребуется
меньшая поверхность теплообменного аппарата, следовательно, он будет экономичнее.
44
Задание
Цифра
в зачетной
книжке
L, м3/ч
k, Вт/м2С
, °C
, °C
, °C
0
10 000
14
180
450
250
1
15 000
15
200
510
320
2
20 000
16
160
475
270
3
25 000
17
190
450
260
4
30 000
18
200
550
290
5
35 000
19
150
520
250
6
40 000
20
200
480
280
7
45 000
21
250
500
280
8
50 000
22
170
600
300
9
60 000
23
190
480
220
Необходимо рассчитать поверхность нагрева рекуперативного теплообменного аппарата,
в котором происходит нагрев воздуха дымовыми газами, при противоточном движении потоков греющей и нагреваемой сред. Температуру воздуха, поступающего в воздухоподогреватель, принять 25 С.
Показать графики изменения температур теплообменивающих сред по длине теплообменного аппарата при противоточном и прямоточном движениях потоков.
Решить задание с теми же параметрами, но движение теплоносителей принять при прямотоке.
1. Площадь воздухоподогревателя определить из уравнения теплопередачи:
, Вт.
2. Количество теплоты, получаемое от газов воздухом, определяется из уравнения тепло-
вого баланса:
Вт,
где — массовый расход воздуха, кг/ч;
здесь L — количество подогреваемого воздуха, м
3
/ч;
— плотность внутреннего воздуха,
кг/м3;
Таблица 12
Варианты задания
Примечания. Значения количества подогреваемого воздуха L, м3/ч, и коэффициента теплопередачи от
дымовых газов к воздуху k, Вт/(м2С), принять по предпоследней цифре зачетной книжки.
Температура воздуха за воздухоподогревателем
и за ним
, °C, принять по последней цифре зачетной книжки.
Изобарную теплоемкость воздуха Cр принимаем по Приложению.
, °C, дымовых газов перед воздухоподогревателем
, °C,
45
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Определение теплообменного аппарата.
2. Классификация теплообменных аппаратов.
3. На чем базируется методика теплового расчета?
4. Что такое теплоноситель?
5. Что используют в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах?
6. Какие устройства относятся к теплообменным аппаратам?
7. Что такое регенеративный теплообменник?
8. Что такое рекуперативный теплообменник?
9. Как определить количество секций рекуперативного теплообменного аппарата?
10. Что такое смесительный теплообменник?
11. Что такое прямоточное движение теплоносителя?
12. Что такое противоточное движение теплоносителя?
13. Как осуществляется движение теплоносителя перекрестным током?
14. Что такое температурный напор?
15. Как определить поверхность теплообменного аппарата?
16. Что такое максимальная разница температурного напора?
17. Что такое минимальная разница температурного напора?
18. Как определить средний температурный напор?
19. Как подобрать диаметр трубы по расходу теплоносителя?
20. Уравнение теплового баланса.
21. Уравнение теплопередачи.
22. Расскажите основные положения теплового расчета.
23. По каким основным схемам осуществляется движение жидкости в теплообменных
аппаратах?
24. Как производится усреднение коэффициента теплопередачи?
25. Как определяются конечные температуры теплоносителей в теплообменных аппара-
тах с поперечным током?
Библиографический список
Белов Г.В. Термодинамика : учебник и практикум для академического бакалавриата. —
Москва : Юрайт, 2016. — 509 с. — ISBN 978-5-9916-5636-8.
Дементий Л.В. Краткий курс лекций по дисциплине «Теоретические основы теплотехники» :
Лариков Н.Н. Теплотехника : учебник для вузов / Н.Н. Лариков. — 3-е изд., перераб. и доп. —
Мирам А.О. Теплообменные аппараты : учебное пособие / А.О. Мирам, В.А. Павленко. —
Москва : МГСУ, 2011.
Мирам А.О. Техническая термодинамика. Тепломассообмен : учебник / А.О. Мирам,
В.А. Павленко. — Москва : АСВ, 2011. — 352 с. — ISBN 978-5-93093-841-8.
Москва : Стройиздат, 1985. — 432 с.
Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача : учебное пособие / В.В. Нащокин.
— 3-е изд., испр. и доп. — Москва : Высшая школа, 1980 : учебное пособие / Л.В. Дементий,
А.П. Авдеенко. — Краматорск : ДГМА, 2000. — 180 с. — ISBN 5-7763-2051-8.
46
ПРИЛОЖЕНИЕ
t, °C
25
150
160
180
190
200
250
Cр , кДж/кгС
1,005
1,015
1,017
1,022
1,024
1,026
1,038