TOA_studentam / Лекции / 5

5.0. Основы теплового расчета теплообменных аппаратов. Типы теплообменных аппаратов.

ТОА - устройство, предназначенное для нагревания теплоноси­теля. ТОА с двумя теплоносителями в зависимости от способа пере­дачи теплоты от одного теплоносителя другому можно разделить на несколько типов:

1. смесительные (теплоносители смешиваются – например, подог­рев воды паром),

2. рекуперативные (теплота передается через разделяющую теплоносители стенку). Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводностью: ме­ди, латуни, алюминия и т.д. Наиболее распространены трубчатые те­плообменники,

3. регенеративные теплообменники и теплообменники с промежу­точным теплоносителем – работают по принципу, заключающемуся в том, что теплота от одного теплоносителя к другому переносится с помощью какого-то третьего – вспомогательного вещества. Это веще­ство (промежуточный теплоноситель) нагревается в потоке горячего теплоносителя, а затем отдает аккумулированное тепло холодному теплоносителю.

Иногда промежуточный теплоноситель переносит теплоту на большое расстояние. Например, для обогрева зданий используют во­ду, так как транспортировать горячий воздух экономически нецеле­сообразно из-за его большого удельного объема.

В ряде случаев промежуточный теплоноситель при работе меня­ет агрегатное состояние. Например, при небольших расстояниях от потребителя теплоту выгодно передавать ему в виде пара, а возвра­щать конденсат, что позволяет иметь компактную установку и компактные теплообменники, поскольку при конденсации теплота пере­дается интенсивно.

Одним из оригинальных устройств, использующих в качестве промежуточного теплоносителя пар и его конденсат, является герметичная труба, заполненная частично паром, а частич­но жидкостью. Такое устройство, назы­ваемое тепловой трубой, способно передавать большие тепловые мощности. На горячем конце тепловой трубы за счет подвода тепло­ты испаряется жидкость, а на холодном - конденсируется пар, отда­вая выделившуюся теплоту. Конденсат возвращается в зону испаре­ния либо самотеком, если холодный конец можно разместить выше горячего, либо за счет использования специальных фитилей, по кото­рым жидкость движется под действием капиллярных сил в любом на­правлении, даже против сил тяжести.

Широкое распространение тепловых труб с фитилями началось недавно в связи с необходимостью отвода больших тепловых потоков от мощных, но малогабаритных полупроводниковых устройств. Прак­тически незаменимы эти устройства в космосе. Для охлаждения уст­ройств в условиях земли используют конвекцию! В космосе ее нет. Отсутствует сила тяжести и нужны другие способы отвода теплоты. Тепловые трубы с фитилями можно использовать в космосе. Они ма­логабаритны, не требуют затрат энергии на перекачку теплоносите­лей и при подборе рабочего тела работают в широком интервале тем­ператур.

Тепловой расчет теплообменника.

Общим уравнением при расчете ТОА любого типа является уравнение теплового баланса – уравнение сохранения энергии, тепловой поток Q₁, полученный в теплообменнике при охлаждении горяче­го теплоносителя от температуры до , равен разности энтальпий потока теплоносителя на входе и выходе теплообменника:

,

где М - массовый расход теплоносителя.

Несколько процентов (1...10 %) тепла теряется в окружающую среду через стенки теплообменника, а основная часть Q₂ = ηQ₁ пере­дается второму теплоносителю (индекс 2). Тепловой поток также можно рассчитать через разность энтальпий:

Уравнение теплового баланса позволяет найти один неизвест­ный параметр: либо расход одного из теплоносителей, либо одну из температур. Все остальные параметры должны быть заданы.

Тонкие стенки трубок рекуперативных теплообменников прак­тически всегда считаются плоскими. Поэтому поверхность теплооб­мена F, необходимая для передачи теплового потока определяется по уравнению:

В этом уравнении считается, что температуры теплоносителей постоянны, на самом деле эти температуры переменные в теплооб­менниках. В расчете, очевидно, нужно использовать среднеинтегральную по длине теплообменника разность температур:

.

Пользоваться среднеарифметическим значением:

.

можно только в том случае, когда < 2 погрешность не превышает 4 %.

Определим более точное значение среднего перепада температуры для простейшего случая, когда температура греющего теплоносителя неизменна. Через площадь dF передается тепловой поток:

,

за счет которого температура нагреваемого теплоносителя изменяет­ся на dt₂, а температурный напор на d(∆t), причем при t₁ = const dt₂ = d(∆t). Тогда:

Приравняем правые части этих уравнений:

Разделим переменные и проинтегрируем по F от 0 до F и по ∆t от ∆t_min до ∆t_max.

С учетом рисунка получаем:

Отсюда видно:

Аналогично получается и выра­жение для среднего логарифмическо­го напора и при других схемах движе­ния теплоносителей, см. рис. На прак­тике чаще используются противоточные схемы движения, поскольку при одинаковых входящих и выхо­дящих температурах напор при противотоке всегда больше, чем при прямотоке. Следовательно, при противотоке требуется теплообмен­ник меньшей площади.

Кроме этих двух схем часто встречаются перекрестные с раз­личным числом ходов. Средний напор при перекрестном токе, мень­ше чем при противотоке, но больше, чем при прямотоке. При расчете напора для сложных схем движения вначале определяют напор в предположении, что теплообменник - противоточный, а затем вводят поправки (значения которых берут из справочников). При числе хо­дов более трех схему движения можно считать чисто противоточной или прямоточной.

Виды теплового расчета теплообменников.

Наиболее простым является конструктивный расчет теплооб­менников, при котором известны начальные и конечные параметры теплоносителей, и необходимо рассчитать поверхность теплообмена, т.е. фактически сконструировать теплообменник.

Порядок расчета:

1. Из уравнения теплового баланса определяют мощность теплового потока,

2. Пользуясь справочниками, задаются скоростями течения и конст­руктивными особенностями (диаметры трубок),

3. По изученному нами материалу определяют коэффициенты тепло­отдачи, а затем и коэффициент теплопередачи,

4. Определяется средний температурный напор,

5. Из уравнения теплопередачи находят площадь теплообмена,

6. Компоновка геометрии теплообменника.

Поверочный расчет. При этом расчете известна конструкция те­плообменника и начальные параметры теплоносителей. Необходимо рассчитать конечные параметры, т.е. проверить пригодность тепло­обменника для заданных условий. Сложность расчета заключается в том, что уже в самом начале необходимо знать конечные температу­ры теплоносителей, поскольку они входят как в уравнение теплового баланса, так и в уравнение теплопередачи. При средней температуре, которую не найти без знания конечных температур, берутся парамет­ры теплоносителей.

Выполняют несколько последовательных расчетов. Для этого задаются конечной температурой одного из теплоносителей и далее выполняют конструктивный расчет. Если площадь в результате рас­чета не совпадает с площадью имеющегося теплообменника. Расчет проводят вновь, задаваясь другим значением температуры теплоноси­теля на выходе.