Теплообменники. Тепл. Литература 25 Классификация теплообменных аппаратов

• Название: Литература 25 Классификация теплообменных аппаратов
• Анкор: Теплообменники
• Дата: 12.02.2020
• Размер: 2.63 Mb.
• Имя файла: Тепл.docx
• Тип: Литература; #108130
• страница: 3 из 4

Средний температурный напор.

Возможное изменение температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена и расчет t_a и t_b в зависимости от относительного движения теплоносителей и при изменении фазового состояния горячего теплоносителя показано на рисунке 1.5

Рисунок 1.5 – Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена F (м²) и расчет входной (t_a) и выходной (t_b) разностей температур на концах аппарата при противотоке (а, b), прямотоке (с) и при изменении фазового состояния горячего теплоносителя (d; t_s – температура конденсации; t₁₁=t₁₂=t_s)
В аппаратах с прямоточным движением теплоносителей среднелогарифмический температурный напор определяется выражением:



В аппаратах с противоточным движением теплоносителей среднелогарифмический температурный напор определяется выражением:

В многоходовых теплообменниках с простым смешанным током (один ход в межтрубном пространстве и четное число ходов в трубном) среднюю разность температур можно рассчитать по формуле [2]

, (13)

где t_б и t_м – бóльшая и меньшая разности температур на концах теплообменника при противотоке с теми же начальными и конечными температурами теплоносителей; ; Т = t_н1 – t_к1 – изменение температуры горячего теплоносителя; t = t_к2 – t_н2 – изменение температуры холодного теплоносителя.
Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи
Коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплообмена определяется по формуле

, Вт/(м^2град), (14)

где ₁ и ₂ – коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м^2град); r_ст – сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, (м^2град)/Вт.

Это уравнение с достаточной степенью точности можно применять для расчета теплопередачи через цилиндрическую стенку, если d_н/d_вн<2 (d_н,d_вн – соответственно наружный и внутренний диаметры цилиндра), что имеет место в теплообменных аппаратах.

Для предварительных расчетов площади поверхности теплообмена можно использовать ориентировочные значения коэффициента теплопередачи К, которые приведены в таблице 1.3.

Сумма термических сопротивлений стенки определяется выражением

, (15)

где _ст – толщина стенки трубы, м;

_ст – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м^.град);

 r_загр – сумма термических сопротивлений загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей.
Тепловая проводимость загрязнений на стенках (1/r_загр) зависит от рода теплоносителя, его температуры и скорости, а также от материала стенки, температуры нагревающей среды и длительности работы аппарата без очистки, т.е. в конечном счете от рода осадка или продукта коррозии. Точные данные о r_загр можно получить только опытным путем.

Ориентировочные значения тепловой проводимости загрязнений приведены в таблице 4.

При редких чистках аппарата или сильной коррозии значение 1/r_загр может уменьшаться до 500 Вт/(м^2.град) и ниже.

Для расчета коэффициента теплопередачи К по уравнению (1.14) необходимо определить коэффициенты теплоотдачи ₁ и ₂.
Таблица 3 – Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи К, Вт/(м^2.град)

Вид теплообмена	Вынужденное движение теплоносителя	Свободное движение теплоносителя
От газа к газу (при невысоких давлениях) От газа к жидкости (газовые холодильники) От конденсирующего пара к газу (воздухоподогреватели) От жидкости к жидкости (вода) От жидкости к жидкости (углеводороды, масла) От конденсирующего водяного пара к воде (конденсаторы, подогреватели) От конденсирующего пара органических веществ жидкостям (подогреватели) От конденсирующегося пара органических веществ к воде (конденсаторы) От конденсирующегося пара к кипящей жидкости (испарители)	10–40 10–60 10–60 800–1700 120–270 800–3500 120–340 300–800 –	4–12 6–20 6–12 140–340 30–60 300–1200 60–460 230–460 300–2500

Таблица 4 – Тепловая проводимость загрязнений 1/r_загр, Вт/(м^2.град)

Теплоносители

1/rзагр

Вода: загрязненная среднего качества хорошего качества дистиллированная Конденсат Раствор: аммиачный солей щелочей Кислота: уксусная соляная, фосфорная, серная Водяной пар (с содержанием масла) Нефтепродукты чистые, масла, пары хладагентов Сероуглерод Углеводороды низкокипящие Ацетон, растворители Аммиак Органические жидкости, рассолы, жидкие хладагенты Органические пары Углеводороды ароматические Полимеризующиеся вещества Воздух Дымовые газы

1 400–1 800 1 860–2 900 2 900–5 800 11 600 25 000 6 670 5 000 2 500 2 000 2 000 5 800 2 900 5 000 5 000 10 000 4 000 5 800 11 600 5 560 2 200 2 800 1 700

Выбор уравнений для расчета коэффициентов теплоотдачи зависит от характера теплообмена, вида выбранной поверхности теплообмена, режима движения теплоносителей. Основные виды теплоотдачи в теплообменных аппаратах приведены в таблице 5.

Таблица 5 –Возможные виды теплоотдачи в теплообменных аппаратах

Вид теплоотдачи

А 1 2 3 4 5 Б 1 2 В

Конвективная теплоотдача, не сопровождающаяся изменением агрегатного состояния I. Вынужденное движение Течение в трубах и каналах: а) развитое турбулентное течение (Re > 10 000) б) Re < 10 000 Поперечное обтекание пучков труб: а) гладких б) оребренных Течение вдоль плоской поверхности Стекание жидкости пленкой по вертикальной поверхности Перемешивание жидкостей мешалками II. Свободное движение (естественная конвекция) Теплоотдача при изменении агрегатного состояния Пленочная конденсация пара Кипение жидкостей Теплоотдача при тепловом излучении твердых тел

В общем виде критериальная зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи имеет вид

Nu = f(Re; Pr; Gr; Г₁; Г₂; …), (16)

где – критерий Нуссельта;

– критерий Рейнольдса;

– критерий Прандтля;

Г₁, Г₂, … – симплексы геометрического подобия.

Кроме указанных в критериальные уравнения могут входить

– критерий Галилея ;

– критерий Грасгофа ;

– критерий Пекле .

Эти критерии учитывают, соответственно, влияние физических свойств теплоносителя и особенностей гидромеханики его движения на интенсивность теплоотдачи.

Величины, входящие в выражения для критериев подобия, и их единицы измерения приведены в таблице 6.

Физико-химические свойства жидкости (газа), входящие в критериальные уравнения, необходимо брать при так называемой определяющей температуре. Какая температура принимается за определяющую, указывается для каждого частного случая теплоотдачи.
Таблица 6 – Величины, входящие в критериальные уравнения конвективного теплообмена

Величина	Наименование	Единица измерения в СИ
      а=/(с) с g r t 	Коэффициент теплоотдачи Коэффициент объемного расширения Коэффициент теплопроводности Динамический коэффициент вязкости Кинематический коэффициент вязкости Плотность Коэффициент температуропроводности Удельная теплоемкость ( при постоянном давлении) Ускорение свободного падения Определяющий геометрический размер (для каждой формулы указывается, какой размер является определяющим) Теплота парообразования (испарения) удельная Разность температур стенки и жидкости (или наоборот) Скорость	Вт/м2.град град-1 Вт/(м.град) Па.с м2/с кг/м3 м2/с Дж/(кг.град) м/с2 м Дж/кг Град м/с

Параметры эффективности рекуперативных теплообменных аппаратов.

Многообразие как реализованных, так и разрабатываемых конструктивных схем рекуперативных ТА требует сравнительной оценки их эффективности передачи тепла от одного теплоносителя к другому. Для этой оценки введен параметр тепловой эффективности (exchangerefficiency) h_t, который по определению

(1.1)

характеризует отношение теплового потока Qв рассматриваемом аппарате к теоретически максимальному тепловому потоку Q_id, который может быть передан в идеальных условиях, т.е. при бесконечном значении коэффициента теплопередачи или бесконечной площади поверхности теплообмена при тех же температурах теплоносителей на входе в аппарат.

Характеристика величины теплового потока Q_id позволяет выделить функциональную задачу, которую может в идеальном случае решить ТА: максимально возможно нагреть «холодный» теплоноситель или максимально возможно охладить «горячий» теплоноситель, другими словами, обеспечить максимально возможное изменение температуры любого из двух теплоносителей, а именно: реализовать предельную разность между температурами «горячего» и «холодного» теплоносителей (Т₁₁ - Т₂₁) на входе в ТА.

Величина тепловой мощности Qдля охладителя и нагревателясоответственно выражается как Q=G₁×c_p1×(Т₁₁ - Т₁₂) и Q=G₂×c_p2×(Т₂₂ - Т₂₁), а величину Q_id можно выразить как Q_id = (G×c_p)_min × (Т₁₁ - Т₂₁) (индекс «min» определяет вышеуказанную функциональную задачу ТА обеспечить максимально возможное изменение температуры теплоносителя). Тогда параметр h_tможновыразить через значения температур соответственно «горячего» и «холодного» теплоносителей на входе в ТА Т₁₁, Т₂₁ и на его выходе Т₁₂, Т₂₂ следующим образом [5,6]:

для нагревателя и для охладителя. (1.1)

Выделяя функцию ТА, авторы [3] даже вводят разные обозначения функции тепловой эффективности: h_t=Zдля нагревателя или h_t=Fдляохладителя.

Следует отметить, что параметр h_t позволяет оценивать термодинамическую эффективность ТА как некого теплопередающего устройства, в котором при возможном потенциале изменения температуры каждого из теплоносителей (T₁₁ - T₂₁) реальнодостигается изменение (T₁₁ - T₁₂) или (T₂₂ - T₂₁).

Но инженерная практика требует оценок эффективности рекуперативного ТА как технического объекта, обеспечивающего передачу тепла за счет затрат механической энергии на прокачку теплоносителей при конечных величинах площади поверхности теплообмена, т.е. при конечных габаритных размерах и массе конструкции. Следовательно, одного значения параметра h_t для оценки эффективности ТА в реальных условиях его выбора недостаточно. Очевидно, что чем интенсивнее обеспечивается перенос теплоты в единице объема ТА, тем меньше потребная площадь поверхности теплообмена при заданной тепловой мощности ТА и тем компактнее сам аппарат. В текстовой трактовке авторов [3] одним из важнейших параметров, характеризующих интенсивность переноса теплоты в ТА, является число единиц переноса теплоты, обозначаемое в международной терминологии как NTU -numberofheattransferunits[4], илиS [3].Данный параметр определяется как:

, (1.2)

где k – коэффициент теплопередачи; F – площадь поверхности теплообмена; С - полная расходная теплоемкость теплоносителя, вычисляемая как произведение расхода теплоносителя на его удельную теплоемкость (C = G×c_p). При функциональном рассмотрении ТА параметр NTUопределяется соответственно:

для охладителя как и для нагревателя как .

Параметр NTU, характеризуя соотношение между интенсивностью теплопередачи в ТА и расходом одного из теплоносителей, величина которого обеспечивается определенной мощностью на прокачку, фактически выражает габариты ТА. Параметр NTUхарактеризует термическую длину ТА.

Параметр тепловой эффективности h_tможно выразить как функцию параметра NTU. Для идеальных прямоточной и противоточной схем течения в ТА данная функция имеет следующий вид:

для прямоточной схемы

; (1.3)

для противоточной схемы

, (1.4)

где параметр y определяет в свою очередь отношение полных расходных теплоемкостей теплоносителей: y = C_min / C_max, например, для нагревателя:

y = C₂ /C₁,а для охладителя - y = C₁ /C₂.
Отношение зависимостей (1.3) и (1.4) можно представить графически как зависимость отношения теплового потока, передаваемого при прямоточной схеме прокачки теплоносителей Q_прям, к тепловому потоку, передаваемого при противоточной схеме Q_прот (рис. 1.10).

Рис. 1.10 Сравнение тепловой эффективности прямоточной и противоточной схем течения теплоносителей в рекуперативном ТА.
Из приведенного сравнения видно, что схемы равноценны только при очень больших и очень малых значениях аргумента y (практически при y <0.05 и y >10) или при очень малых значениях числа единиц переноса тепла NTU (при NTU<0.1). Первое условие соответствует малому изменению температуры одного из теплоносителей; во втором случае температурный напор значительно больше изменения температуры теплоносителя. Во всех остальных случаях при прочих равных условиях при противоточной схеме течения передается больший тепловой поток. Следует обратить внимание на то, что только при противоточной схеме можно реализовать условие T₂₂ > T₁₂; при прямоточной схеме это в принципе невозможно.

В [3] приведены соотношения h_t = h_t(NTU) для различных схем течения теплоносителей в ТА, включая схемы многократного перекрестного течения. Выделяются следующие универсальные зависимости:

Г.Е. Каневца-

,

где ; p_e – индекс противоточности;

и Ф. Трефни –

,

где j_j- коэффициент схемы тока.

Приведенные в [3] значения параметров p_e и j_jдля различных рассмотренных схем получены итерационными расчетами. Диапазон изменения значений данных параметров определяется p_e =0 и j_j=0 для одноходовых прямоточной и p_e =1 и j_j=1 для противоточной схем. Следует отметить, что зависимости (1.5) и (1.6) преобразовываются к виду зависимостей (1.3) или (1.4) при подстановке соответствующих значений p_e и j_j. Но в [3] допущена ошибка в табл. 1.1: для прямоточной схемы течения теплоносителей указаны значения p_e =1 и j_j=1, а для противоточной схемы, наоборот, p_e =0 и j_j=0.