Тепловой расчет теплообменников

ТЕПЛООБМЕННИКОВ

ОСНОВЫ РАСЧЕТА РЕКУПЕРАТИВНЫХ

Лекция №23

Поверхностные теплообменники, в которых теплота от одного теплоносителя передается к другому через разделяющую их стенку из теплопроводного материала, называются рекуперативными. По виду взаимного направления потоков теплоносителей различают теплообменники прямоточные (оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении), противоточные (оба теплоносителя движутся в противо­положных направлениях), с перекрестным током одно- и многократным (оба теплоносителя движутся во взаимно перпендикулярных направлениях) и со сложными схемами движения. Окончательная схема теплообменника выбирается после теплового и гидромеханического расчетов различных вариантов и их сравнительной оценки с уче­том всех требований.

Различают конструктивный и поверочный расчеты теплообменника. В первом случае целью расчета является определение поверхности теплообмена и основных размеров теплообменника. Во втором случае определяют тепловой поток и конечные температуры (энтальпии) теп­лоносителей для теплообменника с заданной поверхностью теплообмена и размерами.

А. Уравнение теплового баланса теплообменника выражает равенство теплоты, отданной греющим теплоносителем, и теплоты, воспринятой нагреваемой средой, с учетом тепловых потерь в окружающую среду коэффициентом .

Для теплообменников без изменения агрегатного состояния теплоносителей

, (260)где Q — тепловой поток, Вт; т — массовый расход теплоносителя, кг/с; с-удельная теплоемкость теплоносителя, ; и — тем­пературы теплоносителя соответственно на входе и выходе из теплообменника.

При изменении агрегатного состояния одного из теплоносителей

, (261) где и — энтальпии теплоносителя на входе и выходе из тепло­обменника, Дж/кг.

Для испарителей, где греющий насыщенный пар превращается при охлаждении в конденсат, а нагреваемая жидкость входит с тем­пературой и доводится до состояния сухого насыщенного пара (без учета потерь тепла с продувкой),

, (262) где , — энтальпия греющего пара и его конденсата (находятся по табл. 4 и 3 приложения); и r— температура насыщения и теплота парообразования нагреваемой жидкости.

Для конденсаторов, где перегретый пар, охлаждаясь, переходит в состояние насыщения с последующим охлаждением конденсата до температуры на выходе, а охлаждающая жидкость (например, вода) не меняет своего агрегатного состояния,

, (263) где и — удельные теплоемкости перегретого пара и его конденсата; и — температуры перегретого пара и насыщения при данном давлении; — удельная теплоемкость охлаждающей жидкости, нагревающейся в конденсаторе от до .

Б. Уравнение теплопередачи:

через плоскую стенку с площадью поверхности теплообмена F

; (264)

через цилиндрическую стенку длиной l

; (265)

через шаровую стенку

. (266)

Коэффициенты теплопередачи , , определяются соответственно по формулам (12), (20), (28).

Средний температурный напор между двумя теплоносителям по поверхности теплообмена определяется следующими способами.

Среднелогарифмический напор

, (267) где , — большая и меньшая разности температур двух теплоносителей на концах теплообменника (рис. 19); можно определить по номограмме рис. П.13 приложения.

Среднеарифметический напор — при малом изменении разности температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена (при )

. (268)

Для перекрестного тока и сложного движения теплоносителей

, (269) где — среднелогарифмический температурный напор, определенный для противотока; —коэффициент, определяемый по рис. П. 14 приложения в зависимости от параметров Pи Rи схемы движения теплоносителей; при этом

(270)

В. Уравнение массового расхода теплоносителя

, (271) где — скорость движения теплоносителя, м/с; — плотность тепло­носителя, кг/м³; f — площадь живого сечения потока, м².

Площадь живого сечения потока при движении теплоносителя в трубах

, (272) где и n— внутренний диаметр труб и их общее количество в теплообменнике; z — число ходов теплоносителя в теплообменнике.

87 , (273) где — поперечный шаг труб, в среднем можно принимать ; и l — наружный диаметр и длина трубы.

Г. Поверочный расчет теплообменников осуществляется следующим образом: при малом изменении разности температур вдоль поверхности теплообмена (при ) в приближении линейного распределения температур по длине и при известных величинах F, , , , используется формула

, (274) где , — полные массовые расходные теплоемкости теплоносителей (водяные эквиваленты), Вт/К, .

При экспоненциальном изменении температурного напора по длине теплообменника разность температур определяется с учетом схемы движения теплоносителей.

При прямоточной схеме:

для горячего теплоносителя

для холодного теплоносителя (275) где определяется по графику рис. П.15 прило­жения; количество передаваемой теплоты при прямотоке

. (276)

При противоточной схеме

(277) где определяется по графику рис. П.16 приложения;

. (278)

Эффективность (КПД) теплообменника

, (279) где Q — фактически переданное количество теплоты; — максимальное количество теплоты, которое возможно передать в идеальном противоточном теплообменнике; - минимальный из и водяной эквивалент.

Метод расчета теплообменников с помощью числа единиц переноса теплоты (ЧЕП)

(280) осуществляется следующим образом: при конструктивном расчете определяется

, если ,

или , если . По графику рис. П.12 приложения находится ЧЕП в зависимости от E, и схемы движения теплоносителей. Поверхность теплообмена Fвычисляется по формуле (280) при известном коэффициенте теплопередачи.

При поверочном расчете вычисляется ЧЕП по формуле (280) и затем находится Е по графику рис. П. 12 приложения в зависимости от и схемы движения теплоносителей. Определяются и конечные температуры теплоносителей и .

Дата добавления: 2014-11-08