Россия во второй половине XIX в.; реформы и контрреформы

Лекция 8 РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ План лекции. 1.Типы теплообменных аппаратов. 2.Основные положения теплового расчёта теплообменных аппаратов. 3.Определение среднего температурного напора теплообменного аппарата. 7.1. Типы теплообменных аппаратов Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором горячий теплоноситель передаёт теплоту холодному теплоносителю. Этот процесс может преследовать различные технические цели: нагревание или охлаждение жидкости или газа, превращение жидкости в пар, выпаривание раствора, конденсацию пара, радиатор в системе смазки и охлаждения и т.д. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и газообразные жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур. По способу передачи теплоты аппараты делятся на регенеративные, смесительные и рекуперативные. В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдаёт свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдаёт теплоту холодному теплоносителю (аккумуляторы – насадки из керамических тел, металлической стружки, гофрированной ленты). В период контакта с горячим теплоносителем происходит разогрев насадки, которая затем в период контакта с холодным теплоносителем отдает ему аккумулированную теплоту. Регенеративные теплообменники применяются на металлургических, коксовых и других заводах, где по характеру технологического процесса требуется подогретый воздух и в то же время имеется большое количество отходящих газов с высокой температурой. На электростанциях принцип регенеративной передачи тепла используется в воздухоподогревателях. Аккумулирующая насадка в них выполняется из профильных стальных листов с узкими щелями для прохода газов и воздуха и может вращаться (5…6 об/мин), постоянно перемещаясь от горячих газов к холодному воздуху, который непрерывно нагревается. В смесительных аппаратах передача теплоты от горячего к холодному теплоносителю происходит в процессе их смешивания. Эти аппараты просты, компактны и используются в том случае, если не требуется дальнейшее разделение теплоносителей (нагрев воды водяным паром или горячей водой – при обогреве теплиц, в системе водяного отопления зданий горячую воду из котельной или от ТЭЦ смешивают с охлажденной обратной водой, поступающей от потребителя). В рекуперативных аппаратах теплота от горячего к холодному теплоносителю передаётся через разделительную стенку. Такими аппаратами являются паровые котлы, поверхностные подогреватели, конденсаторы и др. Простейшим рекуперативным теплообменником является теплообменник типа «труба в трубе». Поверхностью теплообмена в нем является боковая поверхность трубы. Достоинство аппарата – простота конструкции, недостаток – громоздкость при больших поверхностях теплообмена, поэтому аппарат применяют при небольших поверхностях теплообмена. Следующим видом рекуперативного теплообменного аппарата является кожухотрубный теплообменник. В наружную трубу (кожух) помещена уже не одна труба, а пучок труб малого диаметра, концы которых герметично закреплены в трубных решетках. Теплообменник имеет штуцера для входа и выхода теплоносителей, один из которых движется по межтрубному пространству, а другой – по трубам. Достоинства: компактность, возможность развивать большие поверхности теплообмена в одном аппарате, удобство в эксплуатации. Недостаток: затруднена очистка межтрубного пространства. Широкое применение получили пластинчатые рекуперативные аппараты, которые отличаются компактностью, низким гидравлическим сопротивлением и удобством очистки поверхности теплообмена. Расположенные параллельно друг другу пластины образуют систему волнистых каналов шириной 3…6 мм, по которым с обеих сторон каждой пластины движутся теплоносители. Движение в рекуперативных теплообменных аппаратах осуществляется по трём основным схемам – прямоток, противоток и поперечный ток. Если направление движения горячего 1 и холодного 2 теплоносителей совпадают, то такое движение называют прямотоком. 1 2 Если направление движения горячего теплоносителя 1 противоположно движению холодного теплоносителя 2, то такое движение называется противотоком. 1 2 Если горячий теплоноситель 1 движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя 2, то такое движение называется поперечным током. 2 1 Кроме этих основных схем движения жидкостей в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающих три основных схемы. 7.2. Основные положения теплового расчёта теплообменных аппаратов При расчете теплообменников могут встретиться следующие задачи: • определение площади поверхности нагрева , обеспечивающей передачу заданного количества теплоты от горячего теплоносителя к холодному; • определение количества теплоты , которое может быть передано от горячей жидкости к холодной при известной площади поверхности ; • определение конечных температур теплоносителей при известных значениях и . Основными расчётными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Уравнение теплопередачи , (8.1) где: – тепловой поток, ; – средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); – поверхность теплообмена, ; и – температуры горячего и холодного теплоносителей, . Уравнение теплового баланса , (8.2) где: и – массовые расходы теплоносителей, кг/с; и – средние массовые теплоёмкости жидкостей в интервале изменения температур, Дж/(кгК); и - температуры жидкостей при входе в теплообменный аппарат, ; и - температуры жидкостей при выходе из теплообменного аппарата, . Величину произведения массового расхода на теплоемкость называют водяным или условным эквивалентом. . (8.3) С учётом последнего уравнение теплового баланса может быть представлено в следующем виде , (8.4) где: W1 и W2 – условные эквиваленты горячей и холодной жидкостей. При выводе уравнения теплопередачи мы принимали, что температуры горячего и холодного теплоносителей в теплообменном аппарате не изменяются. В действительности при прохождении через аппарат температуры рабочих жидкостей изменяются, причём на изменение температуры большое влияние оказывает схема движения жидкости и величины условных эквивалентов. Это наглядно видно из представленных температурных графиков (рис.7.1). Как видно из графиков при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя. При противотоке 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. Из графиков видно, что наряду с изменениями температур изменяется также и разность температур между рабочими жидкостями, или температурный напор . Величины и можно принять постоянными только в пределах элементарной поверхности теплообмена . Поэтому уравнение теплопередачи для элементарной поверхности теплообмена справедливо лишь в дифференциальной форме . (8.5) Тепловой поток, переданный через всю поверхность при постоянном среднем коэффициенте теплопередачи k, определяется интегрированием уравнения (7.5): , (8.6) где: – средний логарифмический напор по всей поверхности нагрева. 7.3. Определение среднего температурного напора теплообменного аппарата Изобразим температурный график прямоточного теплообменного аппарата. Определим величину для аппарата с прямотоком при нелинейном изменении температур рабочих жидкостей. В произвольном сечении А выделим элементарную поверхность , температура горячего теплоносителя , холодного . Обозначим разность между ними . . (8.7) Продифференцируем уравнение (7.7). . (8.8) Количество теплоты, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному через элементарную поверхность теплообмена , определим из уравнения теплопередачи . (8.9) При передаче теплоты температура горячего теплоносителя понизится на , а температура холодного теплоносителя повысится на , тогда . (8.10) Откуда (8.11) Или (8.12) Подставим из уравнения (7.9) . (8.13) Разделим переменные на и проинтегрируем . (8.14) . (8.15) Но из уравнения теплового баланса (7.2) (8.16) Подставим в уравнение (7.15) и получим (8.17) Но , а Тогда тепловой поток (8.18) Сравнивая уравнение(7.18) с ранее полученным уравнением (7.6), следует (8.19) Если , средний температурный напор определяют . (8.20) Ошибка в этом случае составит не более 1%. Контрольные вопросы: 1. Что называют теплообменным аппаратом? 2. Какие теплообменные аппараты называются регенеративными, смесительными, рекуперативными? 3. Запишите уравнение теплового баланса для теплообменного аппарата. 4. Что называют водяным эквивалентом? 5. Почему противоточные теплообменные аппараты эффективнее прямоточных? 6. Почему уравнение теплопередачи в теплообменном аппарате справедливо только в дифференциальной форме? Литература: 3.1.1. Раздел II Гл.13 с.144-151 3.1.2. Раздел II Гл.16 с.285-294 3.2.1. Часть II Гл.13 с.586-599