Общие определения и зависимости

Цель работы

Тема 3. ПРАКТИКА ТЕПЛОВЫХ РАСЧЕТОВ ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ

Углубление навыков пользования с практическими аспектами тепловых расчетов и некоторыми методами повышения точности.результатов расчета.

8.2. Основные сведения о методах теплового и гидравлического расчёта теплообменных аппаратов

8.2.1. Классификация расчётов. Все тепловые и гидравлические расчёты теплообменников можно разделить на следующие виды:

8.2.1.1. Термодинамические расчёты. Этот вид расчётов имеет целью
выявление термодинамической эффективности процессов переноса теплоты,
тепловых потерь, эксергетического к.п.д. и др.

8.2.1.2. Конструкторские расчёты. Этот вид расчётов выполняется на базе
определённой технологической программы специализированного предприятия
(отдела) и разработанных каталогов основных деталей. В соответствии с этими
документами и заданным типом аппарата проводят конструктивные
(компоновочные) и прочностные расчёты.

8.2.1.3. Проектные расчёты. Этот вид расчётов выполняется для
определения: площади необходимой теплопередающей поверхности, числа
секций, схемы соединения секций или аппаратов между собой, габаритных,
массовых, гидравлических, экономических и других показателей.

8.2.1.4. Проектно - конструкторские расчёты. Это главным образом
расчёты, ориентированные на нестандартные аппараты.

8.2.1.5. Проверочные расчеты. Этот вид расчётов необходим для
определения неизвестных граничных (начальных или конечных) температур
или требуемых режимных параметров (расход, давление, энтальпия и др.) для
заданных конструкций и схем движения теплоносителей. В итоге, по
найденным результатам можно определять показатели эффективности
теплообменной аппаратуры.

8.2.1.6. Проектно - проверочные расчёты. Этот вид расчётов объединяет в
одном расчётном цикле проектный (проектно - конструкторский) и
проверочный расчёты. Он необходим, когда площадь требуемой рабочей

поверхности теплопередачи, определённую в проектном расчёте, увеличивают с целью резервирования или создание запаса, а также в случае округления рассчитанных конструктивных размеров до значений, установленных нормативами. Результаты, полученные при этом виде расчётов, могут привести к пересмотру размеров площади, как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения.

8.2.1.7. Исследовательские расчёты. Этот вид расчётов выполняется на основе проектных или проверочных расчётов для оптимизации термодинамических, энергетических, конструктивных или экономических показателей аппаратов. Сюда же можно отнести расчёты по определению степени влияния различных физических величин или условий эксплуатации на показатели эффективности, как теплообменной аппаратуры, так и звеньев технологического процесса или установки (объекта) в целом.

Основными уравнениями теплового расчёта аппаратов теплообмена являются уравнение теплового баланса (уравнение сохранения энергии) и уравнение теплопередачи. Оба эти уравнения должны решаться совместно.

Тепловой поток (Q), полученный в теплообменнике, в результате охлаждения горячего теплоносителя от температурыдо, равен разности теплосодержаний (энтальпий) потока теплоносителя на входе в теплообменник и выходе из него.

где Cji - массовый расход греющего теплоносителя;

- удельная массовая теплоёмкость греющего теплоносителя при температурах на входе (), выходе (), и средней температуре; и- энтальпия греющего теплоносителя при входе и выходе.

Некоторая часть(обычно от 1,0 до 10%) теряется в окружающую среду. Следовательно, теплота полученная нагреваемым теплоносителем, будет соответственно меньше на величину тепловых потерь. Поэтому должно быть:

Отношение полученной и располагаемой теплот, т.е. 'будет выражать

долю переданной теплоты.

Поэтому, обозначив это отношение символом , назовём его коэффициентом тепловых потерь, который будет характеризовать совершенство аппаратов в смысле тепловых потерь.

где- коэффициент, учитывающий тепловые потери,

=0,9... 0,99(90... 99%). Тепловой поток, полученный в аппарате нагреваемым теплоносителем, можно рассчитать в соответствии с уравнением (8.5):

где- массовый расход нагреваемого теплоносителя;

- удельная массовая теплоёмкость нагреваемого теплоносителя при температурах на входе t'₂, выходе t2", и средней температуре t₁:

Уравнение (8.5) - уравнение теплового баланса. Оно позволяет найти один неизвестный параметр: либо расход одного из теплоносителей, либо одну из температур. Все остальные параметры должны быть известны.

Обозначим

где W1, W₂ - полные расходные теплоёмкости греющего и нагреваемого теплоносителей,

Примечание:

В некоторых источниках параметрыи - можно встретить под названием «водяные эквиваленты теплоносителей» и под символами -,, соответственно.

Введём обозначения:

где к - коэффициент теплопередачи,;

F - размер рабочей поверхности, м;

- средняя логарифмическая разность температур теплоносителей,

°С.

где , - наибольшая и наименьшая разности температур

теплоносителей в аппарате.

Величинаопределяется при известной схеме течения теплоносителей

в теплообменнике. Простейшими схемами теплообменника являются прямоток и противоток. На рис. 8.1 представлен случай, когда температура греющего теплоносителя неизменна. Характер распределения температур при конденсации греющего теплоносителя зависит от его состояния при входе в теплообменник и условий отведения образовавшегося конденсата.

Рис. 8.1. Распределение температур в теплообменнике при прямоточном

движении теплоносителей

Рис. 8.2. Распределение температур в теплообменнике при противоточной

схеме движения теплоносителей

Рис. 8.3. Распределение температур в горизонтальном теплообменнике при конденсации греющего теплоносителя (насыщенного водяного пара)

На рис. 8.4. показан характер распределения температур, когда греющим теплоносителем является перегретый пар; расположение теплообменника — вертикальное; в нижней части поддерживается определённый- уровень конденсата. В данном случае рабочая поверхность теплообменника по высоте делится на три зоны: Верхняя — зона охлаждения перегретого пара до температуры конденсации; средняя - зона конденсации насыщенного пара; нижняя - зона охлаждения образовавшегося конденсата.

Рис. 8.4. Распределение температур в вертикальном теплообменнике. Греющий теплоноситель — перегретый пар:

I — зона охлаждения перегретого пара;

II —зона конденсации;

III - зона охлаждения конденсата.

Как очевидно из рассмотрения представленных схем, температуры теплоносителей изменяются по мере того, как теплота передаётся от горячего теплоносителя к холодному. Поэтому даже при постоянном термическом сопротивлении плотность теплового потока будет изменяться по ходу потока жидкости в теплообменнике, поскольку её значение зависит от разности температур между теплоносителями. Расстояния между линиями распределения температур пропорциональны разностям температур между теплоносителями.

8.4. Некоторые аспекты уточненного расчёта по методике проф. Белоконя Н.И.

Наиболее строгим методом расчёта средней разности температур теплоносителей и приемным для любой схемы движения теплоносителей является метод проф. Белоконя Н.И.

Основной характеристикой схемы течения теплоносителей в этом методе является индекс противоточности:

где — водяной эквивалент поверхности нагрева противоточной части теплообменного аппарата;

- водяной эквивалент прямоточной части теплообменника. Из этого определения можно установить индекс противоточности для простейших схем теплообмена:

для прямотока П=0; для противотока П=1,0;

для U-образного симметричного элемента П=0,5.

В табл. 8.1 приведены средние значения эквивалентного индекса противоточности для различных схем теплообмена, отличающихся от элементарных схем.

При известном индексе противоточности средняя разность температур рассчитывается следующим образом.

Сначала определяется средняя арифметическая разность температур теплоносителей:

Затем определяется характеристическая разность температур:

Разности температур при входе горячего теплоносителя в₁ и выходе его из теплообменника <9₂ можно определить по формулам:

Средняя разность температур теплоносителейопределяется по формуле (8.12).

Введение индекса противоточности даёт возможность не только рассчитывать среднюю длину температур для различных схем течения теплоносителей, но и осуществить надёжный её выбор, так как при известных температурах теплоносителей схема течения выбирается из условия достижения минимального индекса противоточности.

При П < П_min не может быть реализован заданный температурный режим. Следовательно, основным условием получения заданных температур теплоносителей при выборе схемы теплообменного аппарата является превышение индекса противоточности над минимальным значением, то есть соблюдение условия П>П_min.

где поправочный коэффициент, определяемый как функция вспомогательных величин Р и R.

При затруднениях, возникающих при определении индекса противоточности (П) теплообменников со сложными схемами движения и обычных требованиях к точности получаемых результатов логарифмическую разность температур теплоносителей можно определить по формуле:

где Р — степень нагрева холодного теплоносителя, отнесённая к максимально возможной разности температур теплоносителей;

R - отношение степени охлаждения греющего теплоносителя к степени нагрева холодного.

Таблица 8.1

Средние значения эквивалентного индекса противоточности для различных схем теплообмена

Продолжение табл. 8.1

Рис. 8.5. Различные схемы движения теплоносителей в теплообменных

аппаратах

Значения коэффициента, для часто применяемых схем движения теплоносителей, приведены в справочной и учебной литературе.

Для простых схем движения теплоносителей («прямоток», «противоток») среднюю разность температур теплоносителейможно определять по

формуле:

гдеи At_M — соответственно большая и меньшая разности температур теплоносителей на входе и выходе теплообменника,

Формула (8.22) при<1,7 может быть с погрешностью менее 2%

заменена формулой:

Дата добавления: 2013-12-13