Перекрестный ток это в теплообменнике

Прямоток, противоток, перекрестный ток

Прямоток, противоток, перекрестный ток

• Направьте, противоток, перекрестный ток В предыдущем «параграфе» мы рассмотрели проблему теплообмена между двумя газами или жидкостями при условии, что температура с обеих сторон перегородки постоянна по всей поверхности A. In факт、 В результате процесса, описанного в предыдущем пункте, температура 2 жидкостей при движении вдоль ом Поверхность, которую можно очистить, изменит передачу тепла. Поэтому в Формуле fa необходимо использовать значение средней температуры напора. Рассчитайте эту среднюю температуру головы.

Прежде всего, необходимо рассмотреть случаи, когда обе жидкости, омывающие стенки, текут параллельно в одном направлении (рис.1-4).Такая схема движения называется прямым потоком. На рис. 1-4 также показан график изменения температуры при движении обеих жидкостей вдоль очищаемой поверхности. A. выберите элемент поверхности dA. Обе температуры Температура жидкости / Рис. 1-4.Передача тепла прямого потока. Сторонами A и H этого элемента-разница жидкости равна/.И затем… Номер отделяется от обозначения： Д / = L_ /₂. (1-19） Формула (1-17) частичного dA-опосредованного теплообмена dQ йд = КнАМ. (В20） Коэффициент теплопередачи, k, предполагается постоянным на всей поверхности. cleaned. By теплообмен, горячая жидкость охлажен ДТ.

Коэффициент t₁c₁-это водный эквивалент или теплоемкость жидкости, протекающей по поверхности в единицу времени. Людмила Фирмаль

Таким образом, выполняется следующее уравнение: =(1-21） Где 7 ^ — масса (массовый расход текучей среды) текучей среды, протекающей по очищаемой поверхности в единицу времени, а а-теплоемкость текучей среды. Из уравнения йд = / nₐ6yZ/ₐ、 (1-22） Где tn₂ и с₂-весовой расход и теплоемкость 2-й жидкости, соответственно, охлаждающая жидкость нагревается DT2.Дифференциал уравнения(1-19) имеет вид: Д ^ т) = dtₜ-dt₂. (1-23） Если подставить в эту формулу формулу разности температур (1-21) и (1-22), то получим вид: д(н0 =-(я + Я)Д -ML. (1-27） Таким образом, температурный напор в конце поверхности нагрева можно определить по формуле: D / e = D / ^ — болезнь. (1-28）.

Количество тепла, передаваемого на всю моющую поверхность а, можно рассчитать по формуле, полученной путем замены H в Формуле (1-25) на значение, полученное из Формулы. — ми. М = М (В29)） Доля справа от последнего уравнения — это просто средняя температура интереса Руководитель д / М. Таким образом, количество тепла, переданного может быть вычислен по формуле: .2. температурный напор в начальной точке пути движения жидкости для промывки поверхности нагрева, формула Где T <. — Начальная температура горячей жидкости. — Начальная температура холодной жидкости О ’ 3） Где t [ₑ средняя конечная температура теплоносителя. — Средняя конечная температура жидкости, которая получает тепло.

Конечная температура напора определяется по формуле. Людмила Фирмаль

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Классификация теплообменников по принципу действия

По принципу действия теплообменники подразделяют на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативные теплообменники

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Рекуперативные теплообменники подразделяют в зависимости от направления движения теплоносителей. Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным, а при противоположном направлении движения – противоточным. В теплообменнике с перекрестным током теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможен однократный и многократный перекрестный ток. Встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей.

Конструктивно рекуперативные теплообменники могут выполняться с трубчатыми (кожухотрубный теплообменник) и пластинчатыми (пластинчатый теплообменник) рабочими поверхностями.

Возможны также рекуперативные теплообменники с рабочей поверхностью в виде вращающейся трубы. В таких аппаратах можно получить значительное увеличение коэффициента теплопередачи.

Рекуперативные теплообменники, предназначенные для утилизации теплоты в газотурбинных установках, называют регенераторами; теплообменники для рассеивания теплоты горячей воды в окружающее пространство называют радиаторами. Назначением определяются также названия: воздухоподогреватели, маслоохладители, пароперегреватели и т.п.

Регенеративные теплообменники

В регенеративном теплообменнике одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю. Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стенки должны обладать значительной теплоемкостью.

Характерная особенность регенеративного теплообменника – нестационарный режим теплообмена. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.

Внутренняя полость регенеративного теплообменника заполняется насадкой, которая делается из кирпича, металла или другого материала.

Смесительные теплообменники

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена сопровождается перемешиванием теплоносителей, т.е. они непосредственно соприкасаются друг с другом. Поэтому смесительные теплообменники называются также контактными. Процесс теплообмена в таком аппарате имеет стационарный характер и сопровождается испарением жидкости.

Смесительный теплообменник целесообразно использовать для таких теплоносителей, которые легко разделить после теплообменного аппарата. Например, такой парой теплоносителей является вода и воздух.

Наиболее важным фактором в рабочем процессе смесительного теплообменного аппарата является величина поверхности соприкосновения теплоносителей, которая зависит от степени дробления жидкости.

Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей можно разместить насадку, которая представляет собой слой кускового материала (например, куски керамики, кокса и т.п.), или деревянные решетки. Пленка жидкости на поверхности насадки представляет собой дополнительную поверхность контакта, которая иногда может быть основной поверхностью теплообмена.

Из трех рассмотренных выше видов теплообменников наиболее широкое и разностороннее применение находят рекуперативные теплообменники.

Основные виды теплообменных аппаратов

По принципу действия теплообменники подразделяются на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплом. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. На рис. 1 показаны примеры рекуперативных теплообменников, в которых один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Рекуперативные теплообменники подразделяются в зависимости от направления движения теплоносителей (рис. 2). Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным (а), при противоположном направлении движения – противоточным (б). В теплообменнике с перекрестным током теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях (в). Помимо таких простых схем движения на практике осуществляются и более сложные: одновременно прямоток и противоток (рис. 2, г), многократно перекрестный ток (рис. 2, д) и др.

Рекуперативные теплообменники, предназначенные для утилизации тепла (например, в газотурбинных установках), называют регенераторами; теплообменники для рассеивания тепла горячей воды в окружающее пространство (например, в системе охлаждения автомобильного двигателя) называют радиаторами.

		г)
е) ж)	д)
а) – типа «труба в трубе», прямоток; б) – кожухотрубный противоток; в), г) и д) – многократный перекрестный ток; е) и ж)–трубчатый и пластинчато-ребристый перекрестный ток; 1 – горячий поток; 2 – холодный поток Рис. 1. Схемы рекуперативных теплообменных аппаратов:

Назначением определяются также специальные их названия: воздухоподогреватели, маслоохладители, испарители, пароперегреватели, конденсаторы и т. п.

Рис. 2. Схемы движения теплоносителей

В регенеративном теплообменнике одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует тепло, а затем отдает его холодному теплоносителю. Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стенки должны обладать значительной теплоемкостью.

Характерная особенность регенеративного теплообменника – нестационарный режим теплообмена. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периодов нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.

Внутренняя полость теплообменника заполняется насадкой, которая делается из кирпича, металла или другого материала.

Разработана также конструкция регенеративного теплообменника с вращающейся насадкой. Возможны две схемы такого теплообменника. Первая из них – аппарат с дисковым ротором и осевым движением теплоносителей; вторая – теплообменник с барабанным ротором и радиальным движением теплоносителей.

На рис. 3 показан теплообменник с барабанным ротором. Ротор 1 разделен на секции, в каждой из которых размещается пакет из проволочной сетки. Эквивалентный диаметр отверстия в проволочной насадке составляет десятые доли миллиметра.

Рис. 3. Регенеративный теплообменник

Объем теплообменника с помощью стенок и уплотняющих устройств 6 и 7 разделен на две полости, через одну из которых протекает горячий теплоноситель, через другую – холодный. Уплотнения имеются также и на торцовой части ротора. Во время работы теплообменника ротор его вращается, и потому нагретые элементы насадки непрерывно переходят из полости горячего в полость холодного газа, а охладившиеся элементы – наоборот. Скорость вращения ротора составляет обычно 6 –15 об/мин.

Вращающийся регенеративный теплообменник обладает высокой компактностью, но при неодинаковых давлениях теплоносителей перетекание газа из одной полости в другую в местах уплотнения существенно снижает его эффективность. Поэтому при разном давлении теплоносителей целесообразность использования теплообменника этой схемы во многом зависит от возможности создания эффективного уплотнения между его полостями.

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена сопровождается перемешиванием теплоносителей, т. е. они непосредственно соприкасаются друг с другом. Поэтому смесительные теплообменники называются также контактными. Процесс теплообмена в таком аппарате имеет стационарный характер и сопровождается испарением жидкости.

Рис. 4. Контактный теплообменник

Наиболее важным фактором в рабочем процессе смесительного теплообменного аппарата является поверхность соприкосновения теплоносителей, которая зависит от степени дробления жидкости.

Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей можно разместить насадку 1 (рис. 4), которая представляет собой слой кускового материала (например, куски керамики, кокса, кольца Рашига и т. п.) или деревянные решетки. Пленка жидкости на поверхности насадки представляет собой дополнительную поверхность контакта, которая иногда может быть основной поверхностью теплообмена. Пример такого теплообменника с насадкой показан на рис. 4. Аппарат предназначен для охлаждения воды воздухом. В верхней части теплообменника располагается сепаратор 2, предназначенный для отделения от воздуха мелких капелек воды перед выходом его из теплообменника.

Таким образом, существующие теплообменные аппаратуры отличаются друг от друга конструкцией, формой, размерами, назначением, видами теплоносителей и другими особенностями. Несмотря на большое разнообразие конструкций, основные положения теплового расчета теплообменных аппаратов остаются общими, поэтому целесообразно рассмотреть методику теплового расчета лишь одного, рекуперативного теплообменника, который находит наиболее широкое и разностороннее применение.

Информационный портал

16-4. Вычисление средней разности температур (температурного напора)

Различают несколько видов взаимного движения теплоносителей. Основные из них: прямоток (рис. 16-1,А), противоток (рис. 16-1,6) и однократно перекрестный ток (рис. 16-1,в). Кроме того, применяются многократно перекрестный, параллельно-смешанный и последовательно-смешанный ток.

Рис. 16-1. Основные виды взаимного движения теплоносителей: а —прямоток; б — противоток; В —однократно перекрестный ток

При прямотоке температура нагреваемой среды не может превысить низшего значения температуры греющей среды (рис. 16-2).

При противотоке нагреваемая среда может достигнуть температуры, близкой к наивысшей температуре греющей среды* (рис. 16-3).

Все остальные схемы находятся между этими двумя случаями. При прямотоке или противотоке, а также при постоянной температуре одной из сред

При величине отношения jrsSl.? среднелогарифмическую разность по формуле (16-6) можно заменить с погрешностью до 2у. среднеарифметической разностью:

При перекрестном токе индексы 21 и 22 в выражениях для определения вспомогательных параметров всегда присваиваются среде с меиьшей степенью перемешивания. При параллельно-смешанном токе, вследствие симметричности функции, индексы 21 и 22 в этих выражениях присваиваются среде с меиьшим перепадом температур, что позволяет ограничиваться значениями 1.

Ниже даются указания по определению температурного напора прн различных схемах взаимного течения теплоносителей.

А) Перекрестный ток. Теплообменники с перекрестным током различаются по условиям перемешивания каждой нз теплообмениваю-щихся сред в пределах ходов и между ними (под перемешиванием в пределах хода понимается перемешивание среды в направлении, параллельном направлению движения второй среды); при многократно перекрестном токе должны также учитываться: число ходов, общая схема взаимного движения обеих сред—противоток или прямоток—и схема соединения ходов.

Общий противоток при многократно перекрестном токе соответствует такой схеме взаимного движения сред, при которой греющая среда встречает сначала последний ход обогреваемой среды, а в конце-—первый. Общий прямоток—наоборот.

Условия перемешивания каждой из сред в пределах ходов н между ними сказываются иа величине температурного напора при одно — и двукратно перекрестном токе:! всякое перемешивание в пределах ходов снижает величину ф, перемешивание между ходами увеличивает ф. При увеличении числа ходов влияние условий перемешивания на величину заметно ослабевает.

Для однократно перекрестного тока имеются решения по всём возможным сочетаниям условий перемешивания обеих сред (рис. 16-4а, Б и в). Для двукратно перекрестного тока решения даны для ряда случаев (рис. 16-4,г, Д, е и Ж рис. 16-5, линия 2), но не для всех возможных сочетаний. Для трехкратно перекрестного тока решение дано для двух схем (рис. 16-4,з, рис. 16-5, линия 3), а для четырехкратно перекрестного—для одной схемы (рис. 16-5, линия 4).

В общем случае уже при трех ходах коэффициент ф для теплообменников с перекрестным током близок к единице, и при числе ходов больше трех поправка на перекрестный ток ие учитывается. Однако при высоких степенях нагрева Р, когда PR.-* 1, и значениях параметра R, близких к единице, что встречается, например, в регенераторах газовых турбин, коэффициент ф Ддя теплообменников с числом ходов П много больше трех может заметно отличаться от единицы.

Существуют способы определения величины ф для схем многократно перекрестного тока, по которым не даны общие решения.

Первый способ применим для тех случаев, когда каждая из сред перемешивается хотя бы между ходами; этот способ пригоден при любом числе ходов [Л. 16-9].

По подсчитанным для всего теплообменника значениям параметров Р и R рассчитывается степень нагрева для каждого хода Р, по формулам:

При общем противотоке

По значению Р, и значению R, подсчитанному для всего теплообменника, из соответствующего графика для однократно перекрестного тока (рис. 16-4,а, Б или в) определяется величина ф. Эта

Величина равна значению ф для всего теплообменника при заданных значениях Р и R.

На основании этого метода разработана [JI. 16-7] общая формула для определения величины ф всего теплообменника при любом числе ходов П, в случае перемешивания одной из сред по всей длине, другой—только между ходами. По этой формуле, преобразованной в зависимости от принятых параметров:

Второй способ, графоаналитический (JI. 16-15), заключается в том, что каждый ход разбивается на несколько ра вных параллелепипедов. Делается допущение, что температура среды в пределах каждого параллелепипеда в направлении, нормальном к направлению ее движения, остается постоянной. При этом допущении, по заданным значениям определяющих параметров, рассчитываются температуры обеих сред за каждым параллелепипедом, вплоть до конечных температур. Результато1 такого расчета для трех количеств „элементарных» параллелепипедов можно, графически экстраполировать на случай бесконечного их коли4ества, при котором определяется действительное значение ф для данного теплообменника.

Графоаналитический способ разработан для схем одно — и двукратно перекрестного тока. Он не только позволяет определить величину ф для условий, когда среды не перемешиваются, но используется и для решения других задач исследования распределения температур при перекргстно’м токе, например эффективности регенератора с перекрестном током [Л. 16-14].

Графический метод приближенного определения величины ф при п^>2 заключается в следующем.

В координатах ^ / наносятся значения ф при заданных

R и Р для одно — и двукратно перекрестного тока и П = со, т. е. для чистого противотока (Ф=1,0) или прямотока

“ соответственно’равны 1, 0,5 и 0,

Путем графической интерполяции находится значение для заданной величины — ; прн проведении кривой следует учитывать, что

Величина ф асимптотически приближается к своему значению при П = со.

На рис. 16-4 и 16-5 приведены значения ф для различных схем перекрестного тока. Рис. 16-5 представляет собой сводный график для теплообменников с одной из широко распространенных схем, применяемый при расчете поверхностей нагрева котельных агрегатов [Л. 16-6]. При пользовании этим графиком индексы 21 и 22 в формулах (16-8) и (16-9) всегда присваиваются среде с меньшим перепадом температур, IM.

Все приведенные решения для схем с многократно перекрестным током, кроме рис. 16-4,Ж, даны для случая общего противотока. Коэффициент Ф для включенных по общему прямотоку теплообменников с многократно перекрестным током и с условиями перемешивания, отличными от рис. 16-4,Ж, рассчитывается с помощью формулы (16-10а) или графоаналитическим методом.

В теплообменниках с многократно перекрестным током н общим противотоком почти исключительно применяется так называемая обратная схема соединения ходов—во втором и последующих ходах более нагретые слои обогреваемой среды пересекаются охлажденным в начале хода потоком греющей среды. Для этой схемы даны все расчетные графики. Температурный напор в теплообменниках с прямой схемой включения несколько выше, чем при обратной, но конструктивное осуществление этой схемы очень сложно. График для определения If в теплообменнике прямой схемы соединения ходов с двукратно перекрестным током при одной перемешивающейся н одной неперемешивающейся средах приведен в [Л. 16-10].

Б) Параллельно-смешанный ток. Теплообменники с параллельносмешанным током различаются по числу ходов внешней межтрубной среды (т. е. среды, имеющей меньшее число ходов), по числу ходов внутритрубной среды на один ход внешней и по направлению движения одной среды относительно другой в пределах одного хода внешней среды. Эти теплообменники обозначаются как теплообменники XY, где X — общее число ходов внешней среды, У — общее число ходов внутритрубиой среды.

На рис. 16-6 приведены графики для определения коэффициента ф при числах ходов внешней среды, равных 1, 2, 3, 4 и 6, и любом четном числе ходов (из них половина прямо — и половина противоточных) внутритрубной среды на один ход внешней. При других числах ходов внешней среды или других соотношениях между количествами ходоа внешней и внутригрубной среды, а также при общем прямоточном вклкленнл отдельных ходов внешней среды, поправочный коэффициент может определяться с помощью формулы (16 10) или (16 Ыа) и графика с одним ходом внешней среды и заданным количество.! ходов внутритрубиой среды на одлн ход внешней.

На рис. 16-6 даны также графики для определения коэффициента ф теплообменников 1—2 с внешними перепусками и теплообменников 1—3 при разном соотношении количеств прямо — и противогоч-ных ходов. Поправочный коэ-р^ВД^ент для теплообменников с одним ходом внешней среды и любым четным числом ходов внутритрубной

Принимается таким же, как для соответствующего теплообменника 1-2. Поправочный коэффициент для теплообменников с одним ходом внешней среды и любым нечетным, числом ходов внутритрубной имеет промежуточное значение между значениями ф для обычного теплообменника 1-2 и одного из теплообменников 1-3, в зависимости от того, каких ходов больше в рассчитываемом теплообменнике— прямо — или противоточных.

При отсутствии перемешивания внешней среды между ходами внутритрубной среды, например при установке продольной перегородки в пределах хода внешней среды, температурный напор несколько повышается [Л. 16-8, 16-12]. Это повышение становится заметным только при ф«с: 0,85. На рис. 16-7 приведены графики для определения значений ф при неперемешиваиии внешней среды между ходами внутритрубной в теплообменниках 1-2 и 2-4.

При относительном увеличении поверхности нагрева или коэффициента теплопередачи в противоточных ходах температурный напор в теплообменниках с параллельно-смешаиным током повышается.

F k ‘ прт прт

При 0,7 sc; В «SI 1,5 и значении ф для теплообменника с В=1, не меньшем 0,85, погрешность от неучета неравномерности не превышает 3—4%.

На рис. 16-8 приведены графики значений ф для теплообменника 1-2 с разными степенями неравномерности. При неравномерной разбивке увеличение количества ходов вызывает снижение температурного напора.

В) Последовательно-смешанный ток. Теплообменники с последовательно-смешанным током различаются взаимным расположением обоих пакетов и соотношением их поверхностей. На рис. 16-9 приведен график значений для некоторых схем включения пакетов, показанных на рисунке. Для других схем последовательно смешанного тока график не применим; его не следует также применять при значениях определяющих параметров, выходящих за указанные на нем пределы. Коэффициент ф зависит от параметров Р и R, а также от величины

Где FnpMM и F — поверхности нагрева пакета с прямотоком и всего теплообменника.

Конечные температуры следует подставлять в расчетные формулы (16-7)—(16-9) в соответствии с их обозначениями на схемах.

Г) Горизонтальные теплообменники оросительного (пленочного) типа. Эти теплообменники представляют собой ряды расположенных друг над другом горизонтальных труб, по всей длине которых стекает пленка охлаждающей среды.

Схемы таких теплообменников с U-образным и спиральным включением труб при общем противотоке показаны на рис. 16-10. Коэффициент ф для теплообменников с U-образным включением определяется по графику для двукратно перекрестного тока, в котором одна среда перемешивается, другая нет (рис. 16-4,Г), для теплообменников со спиральным включением—по рис. 16-11.

Д) Многокорпусные теплообменники со сложными схемами включения. Здесь рассматриваются группы, состоящие из одинаковых теплообменников, для которых заданы только температуры обеих сред на входе в группу и на выходе из нее.

При групповом соединении любых одинаковых теплообменников, в которых температура каждой среды непрерывно изменяется от начального значения до конечного, общее решение дано в [Л. 16-13]. Оно очень сложно и поэтому приводятся решения для отдельных схем.

При противоточном включении по обеим средам (рис. 16-12,а) решение получается с помощью формулы (16-10) или По-10а).

При параллельном включении по одной из сред (рис. 16-12,6) П Теплообменников, по заданным конечным температурам и соответствующим значениям Р и R [см. формулы (16-8) и (16-9)], также подсчитываются определяющие параметры для одного теплообменника:

р Ф, R — n ^ 1 — PR

Коэффициент Ф Для всей группы связан с коэффициентом для одного теплообменника зависимостью:

Ф — П R — 1 | R — n , ПГ

G |_tf(l — PR)x‘n Я J

V— п 1 — Р , Г 1 —п V

При параллельно-последовательном включении четырех теплообменников по одной из сред (рис. 16-12,в)

Если по противоточной схеме (рис. 16-12,а) включено П теплообменников, в которых только одна среда постепенно изменяет температуру, в то время как температура второй среды в пределах каждого теплообменника остается практически постоянной (например, обогрев больших резервуаров змеевикши при перемешивании обогреваемой жидкости), температурный напор для всей группы определяется [Л. 16-10] по формуле:

Здесь и Tl2—температуры среды, протекающей по змеевикам.

Выражение Рх через Р очень сложно; поэтому записывается обратная зависимость, которая решается подбором или графически:

Коэффициент ф для всей группы связан с коэффициентом для одного теплообменника зависимостью:

Е) Учет, изменения коэффициента теплопередачи. Изложенная методика расчета температурного напора применима для теплообменников, в которых водяные эквиваленты (т. е. произведения расхода среды на ее теплоемкость) обеих сред и коэффициент теплопередачи сохраняются практически постоянным. При значительном изменении водяного эквивалента одной из сред теплообменник обычно приходится рассчитывать по участкам, для которых величину его можно принять постоянной. То же приходится делать при больших изменениях коэффициента теплопередачи, за исключением изложенных ниже случаев.

В противо — или прямоточных теплообменниках, в которых коэффициент теплопередачи линейно зависит от температуры, среднее

У =-YTt—[ккал! мг’Час]. (16-14)

Удельное тепловосприятие поверхности нагрева определяется по формуле:

Здесь индексы 1 и 2 относятся к разным концам теплообменника. При расхождении конечных значений коэффициентов теплопередачи до 25% погрешность расчета по средней его величине не превышает 4—5%.

Для теплообмеников 1-2 с параллельно-смешанным током при равномерном изменении коэффициентов теплопередачи в обоих ходах среднее удельное тепловосприятие поверхности нагрева приближенно определяется по аналогичной формуле:

Q , KlAt2 k2htx

Способ учета неравенства коэффициентов теплопередачи в разных ходах теплообменников с параллельно-смешанным током описан выше.

Неравенство коэффициентов теплопередачи в прямо — и противо-точном участках теплообменников с последовательно-смешанным током приближенно учитывается расчетом величины А (16-13) по формуле:

Где Kcp — средневзвешенное по поверхности нагрева значение коэффициента теплопередачи для всего теплообменника.

1. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Василий Круковецкий 4 лет назад Просмотров:

1 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА План лекции: 1. Теплообменные аппараты. Общие сведения.. Классификация теплообменных аппаратов 3. Тепловой расчёт рекуперативных теплообменных аппаратов 4. Тепловой расчёт регенеративных теплообменных аппаратов 5. Гидравлический расчёт теплообменных аппаратов Лекция ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Необходимость передачи теплоты от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники. Теплообменники применяют в системах охлаждения, кондиционирования, теплосиловых установках летательных аппаратов, в энергетических установках (в циклах ГТУ с регенерацией тепла).. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ По принципу действия теплообменники подразделяют на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рекуперативные теплообменники представляют собой два изолированных друг от друга канала, разделённых поверхностью теплообмена (рабочей поверхностью теплообменника). Теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. Рекуперативные теплообменники подразделяют: (в зависимости от направления движения теплоносителей) Прямоточные (а) — теплоносители движутся параллельно в одном направлении. Противоточные (б) — теплоносители движутся параллельно в противоположных направлениях.

2 Теплообменники с перекрестным током — теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможен однократный (в) и многократный (г) перекрестный ток. Возможны также сложные схемы движения теплоносителей (д) и (е). (в зависимости от формы рабочей поверхности) Трубчатые один из теплоносителей движется внутри труб, другой омывает эти трубы снаружи. Пластинчатые рабочая поверхность таких теплообменников образована набором параллельных плоских пластин. Каналы между пластинами объединены через один общими коллекторами и образуют, таким образом, полости для каждого из теплоносителей. (по способу использования) Регенераторы — теплообменники, предназначенные для утилизации теплоты в газотурбинных установках. Радиаторы — теплообменники для рассеивания теплоты горячей воды в окружающее пространство (например, в системе охлаждения автомобильного двигателя). Воздухоподогреватели. Маслоохладители. Пароперегреватели. И т.д. Регенеративные теплообменники состоят из теплообменной поверхности, которая поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю. Рабочие стенки таких теплообменников должны обладать значительной теплоемкостью. В регенеративных теплообменниках реализуется нестационарный режим теплообмена. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции. Смесительные теплообменники (контактные) конструктивно выполняются таким образом, что процесс теплообмена сопровождается перемешиванием теплоносителей, т. е. они непосредственно соприкасаются друг с другом. Процесс теплообмена в таком аппарате имеет стационарный характер и может сопровождаться испарением жидкости. Смесительный теплообменник целесообразно использовать для таких теплоносителей, которые легко разделить после теплообменного аппарата. Например, такой парой теплоносителей является вода и воздух. 3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Различают конструктивный и проверочный тепловой расчет теплообменного аппарата.

3 Конструктивный расчет необходим для определения величины рабочей поверхности теплообменника, которая является исходным параметром при его проектировании. При этом должно быть известно количество передаваемой теплоты или массовые расходы теплоносителей и изменение их температуры. Проверочный расчет выполняется для теплообменника с известной величиной поверхности. Цель расчета состоит в определении температур теплоносителя на выходе из теплообменника и количества передаваемой теплоты. Рабочий процесс рекуперативного теплообменника описывается двумя уравнениями: уравнением теплового баланса и уравнением теплопередачи. Уравнение теплового баланса идеального теплообменника (без потерь тепла в окружающую среду) записывается следующим образом: Q = G1cp1 T1 = Gcp T, (1) где: G 1, G — массовые расходы теплоносителя в каналах теплообменника, c p1,c p — средние значения теплоёмкостей теплоносителей в каналах теплообменника для диапазонов температур T 1, T соответственно. T1 = T1вх T, T = Tвых Tвх — перепады температур теплоносителя на входе и выходе из каналов теплообменника. Уравнение теплопередачи имеет вид: F Q = k(f ) T(f )df = kf T, () 0 где: k(f ), T(f ) — локальное значение коэффициента теплопередачи и температурного напора в каждой точке поверхности теплообмена k, T — средний по всей площади канала коэффициент теплопередачи и температурный напор, F — площадь поверхности теплообмена. Формулу для определения среднего температурного напора можно получить, используя балансовые соотношения () и (1): T T T = T1 T 1 — эта формула выражает среднелогарифмический температурный напор. T1 Если = , то формула (3) упрощается: T T + T (3) 1 T = (4) — эта формула выражает среднеарифметический температурный напор. Для прямоточных и противоточных рекуперативных теплообменников формулы (3) и (4) выполняются точно. Для теплообменников с перекрёстным током в формулы вносится поправка, значение которой можно найти в справочной литературе: T = ε T (5) перекр.

4 Если в пределах аппарата условия теплообмена на отдельных участках рабочей поверхности различны, то коэффициенты теплообмена и теплопередачи подсчитываются для каждого участка в отдельности, и затем определяется среднее для всей поверхности значение коэффициента теплопередачи по формуле: k F n i = ki (6) i= 1 F Конструктивный расчёт заканчивается определением площади поверхности теплообмена: Q F = (7) k T Проверочный расчёт состоит в определении температуры теплоносителей на выходе из теплообменника. Соотношения, позволяющие определить входную температуру теплоносителей, также могут быть получены из уравнения баланса тепла (1) и уравнения теплопередачи (). При этом для различных схем течения теплоносителей итоговые соотношения будут разными. Например, для прямоточного теплообменника температура на выходе из первого канала может быть определена, как: на выходе из второго, как: ( ) T = T T T 1вх 1вх вх G c + G1cp1 1+ G c kf 1 p1 1 exp 1 G c p G 1 c p1 p П ( ) T = T + T T П (9) вых вх 1вх вх Для сложных схем течения существует справочный набор функций, позволяющих проводить проверочный расчёт. (8) 4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Тепловой расчёт регенеративных теплообменных аппаратов отличается от расчёта рекуперативных теплообменников тем, что количество теплоты передаваемого горячим теплоносителем холодному будет зависеть от времени нагрева и охлаждения поверхностей теплообмена. Так уравнение баланса теплоты (1) будет записано следующим образом: Q = G1cp1 T1 τ 1 = Gcp Tτ. (10) Здесь: τ1, τ — время нагрева поверхности теплообмена горячим теплоносителем и охлаждения холодным соответственно, T1 = T1вх T, T = Tвых Tвх ; T,T вых — среднее по времени значение температуры горячего и холодного теплоносителя на выходе из теплообменника.

5 T T T T T T ; T T К Н К Н вых вых = 1вх Н вых = вх + Н T1вх T Tвх Tвых К К T1вх T Tвх Tвых, (11) где: индексы К и Н — означают в начале и в конце процесса нагрева или охлаждения соответственно. Среднелогарифмический температурный напор за время цикла теплообмена τ 1 + τ можно определить по формуле: T = T + вх ( T1вх Tвых ) ( T Tвх ) T T 1вх T T Площадь поверхности теплообмена, как и для рекуперативного теплообменника, определяется по формуле: вых вх (1) Q F = (13) k T 5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Гидравлический расчет теплообменника необходим для определения затрат механической энергии на перемещение теплоносителей в аппарате. При гидравлическом расчете теплообменника необходимо учитывать сопротивление трения, местные сопротивления и тепловое сопротивление. Сопротивление трения определяется по известной формуле: x L ρw pтр. = ξ, (14) d где: L, d — длина и эквивалентный диаметр канала, ρ — плотность теплоносителя, среднерасходная скорость теплоносителя. w x — Коэффициент сопротивления трения ξ в зависимости от режима течения теплоносителя можно определить по формулам: 64 Pr ст ξ = Re Pr Pr 0.33 ст ξ = 0.5 Re Pr ламинарный режим (15) — турбулентный режим (16) ρw xd Число Рейнольдса Re = — определяется по среднерасходной скорости течения µ теплоносителя и по эквивалентному диаметру канала. Местные сопротивления определяются формулой:

6 x ρw pм = ς (17) Коэффициент местного сопротивления для каждой особенности течения в канале определяется по справочным данным: — на входе в трубу ς = на выходе из трубы ς = 1 — поворот потока на 180 градусов ς = 1 Тепловое сопротивление связано с ускорением потока за счёт расширения при нагреве газа и с торможением при охлаждении. тепл. x вх x вых p = ρw ρ w (18) Общие гидравлические потери в канале теплообменника складываются из всех видов сопротивлений: тр. м тепл. (19) p = p + p + p Мощность насоса (вентилятора) необходимая для прокачки теплоносителя можно определить по формуле: η — КПД насоса или вентилятора. [ ] N квт pg = 1000ρη, (0)

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ, ОСНОВЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ, ОСНОВЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ План лекции: 1. Теплообменные аппараты. Общие сведения. Классификация теплообменных аппаратов 3. Тепловой расчёт рекуперативных