Учебное пособие по Теплотехнике. УП ТЕПЛОТЕХНИКА (2 вар, 07). Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических
 Скачать 6.53 Mb.
|
|
17.2.2. Тепловые балансы теплообменных аппаратов Тепловой расчет начинается с определения тепловой нагрузки аппарата и расхода одного из теплоносителей. Тепловая нагрузка – это количество тепловой энергии, переданное от одного теплоносителя к другому. Тепловая нагрузка без учета тепловых потерь . Тепловая нагрузка с учетом тепловых потерь возникает за счет потерь, тепловой энергии в окружающую среду, которые составляют обычно 2÷3 %. Соответственно коэффициент потерь тепла составляет . Для нагревателей (бойлеров, воздухоподогревателей и т. д.) используются уравнения теплового баланса: ; , где , – расходы теплоносителей; , – их теплоемкости; , , , – начальные и конечные температуры теплоносителей. В этом случае можно найти расход греющего теплоносителя . Если нагрев теплоносителя происходит за счет конденсации пара, то , , где D – расход греющего пара; – энтальпия пара на входе в аппарат ; – энтальпия конденсата . Если в аппарате (испарителе) происходит процесс испарения, то , складывается из энергии нагрева теплоносителя и энергии его испарения: . При этом энергия нагрева теплоносителя . Энергия испарения теплоносителя , где – температура насыщения; – скрытая теплота парообразования. Тогда количество греющего пара определяется . Некоторые аппараты (конденсаторы) предназначены для конденсации пара: ; . Количество тепловой энергии, отведенной от перегретого пара . Количество тепловой энергии, отведенной при конденсации . Количество тепловой энергии, отведенной при переохлаждении конденсата . Для холодильников: ; ; . 17.2.3. Уравнение теплопередачи рекуперативного теплообменника Для расчета поверхности нагрева теплообменного аппарата используется уравнение теплопередачи: где k – коэффициент теплопередачи в теплообменнике; – средний температурный напор в теплообменнике. Зная величину из уравнения теплового баланса, можно получить . 17.2.4. Определение среднего температурного напора Приступая к определению среднего температурного напора необходимо определить характер изменения температуры теплоносителей (рис. 17.1, 17.2), выбрать схему их движения так, чтобы получить максимальную среднюю разность температур. Если температура обоих теплоносителей изменяется вдоль поверхности теплообмена, то при противотоке и прямотоке где – большая разность температур между двумя теплоносителями; – меньшая разность температур. Полученное значение называется среднелогарифмическим температурным напором. В тех случаях, когда температура теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно (если ), средняя разность температур вычисляется по упрощенной формуле .
Для сложных процессов движения теплоносителей вводится поправка (противоток). При известном температурном напоре и коэффициенте теплопередачи kможно рассчитать средние значения температур поверхности нагрева. Так как , тогда , . Если аппарат имеет несколько зон нагрева или охлаждения, то среднюю разность температур подсчитывают для каждой из зон отдельно. 17.2.5. Определение коэффициента теплопередачи в теплообменном аппарате Известно, что для плоской стенки коэффициент теплоотдачи определяется по формуле . При расчете kв первую очередь необходимо выполнить анализ частных термических сопротивлений и если возможно, следует произвести упрощение расчетной формулы. В большинстве случаев термическое сопротивление стенки (поверхности теплопередачи) значительно меньше термического сопротивления процессов конвективного теплообмена и им можно пренебрегать. Если , тогда . Необходимо учитывать влияние на коэффициент теплоотдачи температуры теплоносителей, которая меняется на поверхности теплообмена. Средняя температура теплоносителя для расчета k берется по зависимостям – для веществ, если (если ). Иногда рассчитывают коэффициенты теплопередачи по температурам теплоносителей в начале и конце поверхности нагрева. Если получение величины и отличаются друг от друга не очень значительно, то . В большинстве случаев такое осреднение является достаточным. Для более точного определения k поверхность нагрева разделяют на отдельные участки, в пределах которых коэффициент теплопередачи изменяется незначительно и для каждого участка расчет производится отдельно , где – площадь каждого рассчитываемого участка поверхности теплопередачи. 17.3. Особенности расчета теплообменного аппарата смешивающего типа В теплообменных аппаратах смешивающего типа (рис. 17.3) могут быть два случая теплообмена: если смешиваются теплоносители с одинаковым фазовым состоянием; если смешивающиеся среды находятся в различных фазовых состояниях. Во втором случае обязательно происходят процессы фазового перехода – испарение, конденсация, плавление, кристаллизация и т. д. Рис. 17.3. Принципиальная схема теплообменного аппарата смешивающего типа В случае смешения однородных сред расчет аппарата сводится к решению уравнений материального и теплового баланса теплообменника. Уравнения материального баланса теплообменника: ; ; ; ; . Уравнения теплового баланса теплообменника: ; . Массовые характеристики также могут быть связаны с долевым показателем . Конструкция теплообменного аппарата должна обеспечивать максимально возможный контакт смешивающихся сред, поэтому смешивающиеся потоки обычно движутся вихреобразно или проходят через специальные смесительные насадки. Смешивающие теплообменники применяют в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, системах водяного отопления, скруберы применяются для очистки газов и воздуха от пыли, конденсаторы и смешивающие подогреватели для нагрева различных сред. Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала Для чего предназначены теплообменные аппараты? Рассмотрите классификацию теплообменных аппаратов. Какие теплоносители используются в теплообменных аппаратах? Какими качествами должны обладать теплоносители? В каких случаях применяются высокотемпературные теплоносители? В каких случаях применяют низкотемпературные теплоносители? В чем особенность конструкторского расчета теплообменного аппарата? В чем особенность поверочного расчета теплообменного аппарата? Дайте характеристику тепловой нагрузке теплообменного аппарата? Как рассчитать коэффициент потерь теплоты в теплообменнике? Какие величины можно определить при расчете поверхностного теплообменника? Какие данные необходимы для конструкторского расчета теплообменника? Запишите уравнения теплового баланса рекуперативного теплообменника. Запишите уравнение теплопередачи рекуперативного теплообменника. Как определить средний температурный напор в поверхностном теплообменнике? Изобразите графики изменения температуры сред при прямотоке и противотоке. Как рассчитать коэффициент теплопередачи в поверхностном теплообменнике? Объясните принцип действия контактного смешивающего теплообменника. Какие величины определяются при расчете теплообменников-смесителей? Приведите примеры использования теплообменных аппаратов на практике.
Таблица П.3 Молекулярные массы, плотности и объёмы киломолей при нормальных условиях и газовые постоянные важнейших газов
Таблица П.4 Плотность ρ, теплопроводность λ, теплоёмкость ср металлов и сплавов (p=0,1 МПа, t=20 C)
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||