Расчет теплообменных аппаратов

Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость — горячая среда, передает теплоту другой жидкости — холодной среде. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур. По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные.
В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту второй жидкости — холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.
В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей к холодной жидкости происходит при непосредственном смешении обеих жидкостей, например смешивающие конденсаторы.
Особенно широкое развитие во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку. Только такие аппараты будут рассмотрены в дальнейшем.
Теплообменные аппараты могут иметь самые разнообразные назначения — паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т. д. Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам.
Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.
Целью теплового расчета является определение поверхности теплообмена, а если последняя известна, то целью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей. Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.

Уравнение теплопередачи:
Q = k•F•(t1 – t2 ) ,
где Q — тепловой поток, Вт,
F — поверхность теплообмена в аппарате, м2,
t1 и t2 — соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей.

Уравнение теплового баланса при условии отсутствия тепловых потерь и фазовых переходов:
Q = = m1 •Dt1 = m2•Dt2 ,
или
Q = V1 r1•cр1•(t/1 — t//1) = V2 r2•cр2 •(t//2 — t/2),
где V1•r1, V2•r2 — массовые расходы теплоносителей, кг/с,
cр1 и cр2 — средние массовые теплоемкости жидкостей в интервале температур от t// до t//,
t/1 и t/2 — температуры жидкостей при входе в аппарат;
t//1 и t//2 — температуры жидкостей при выходе из аппарата.

Величину произведения V•r•cр = W, Вт/К называют водяным, или условным, эквивалентом.
С учетом последнего уравнение теплового баланса может быть представлено в следующем виде:
(t/1 — t//1) / (t//2 — tґ2) = W2 / W1
W2 , W1 — условные эквиваленты горячей и холодной жидкостей.
При прохождении через теплообменный аппарат рабочих жидкостей изменяются температуры горячих и холодных жидкостей. На изменение температур большое влияние оказывают схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов. На рис.1 представлены температурные графики для аппаратов с прямотоком, а на рис.12.5 для аппаратов с противотоком.

Рис.1
Как видно из рис. 1, при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя. При противотоке (рис.2) конечная температура холодной жидкости может быть значительно выше конечной температуры горячей жидкости. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду, при одинаковых начальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температуря между рабочими жидкостями, или температурный напор Dt.

Рис.2
Величины Dt и k можно принять постоянными только в пределах элементарной поверхности теплообмена dF. Поэтому уравнение теплопередачи для элемента поверхности теплообмена dF справедливо лишь в дифференциальной форме:
dQ=k•dF•Dt
Для случаев, когда коэффициент теплопередачи на отдельных участках поверхности теплообмена значительно изменяется, его усредняют:
kср = (F1•k1 + F2•k2 + … + Fn•kn) / (F1 + F2 + … + Fn).
Тогда при kср = const уравнение примет вид
Q = kср Dt •dF = kср •Dtср •F
Если температура теплоносителей изменяется по закону прямой линии (рис.3, пунктирные линии), то средний температурный напор в аппарате равен разности среднеарифметических величин:
Dtср = (t/1 + t//1)/2 — (t//2 + t/2)/2

Рис.3
Однако температуры рабочих жидкостей меняются по криволинейному закону. Поэтому уравнение будет только приближенным и может применяться при небольших изменениях температуры обеих жидкостей. При криволинейном изменении температуры величину Dtср называют среднелогарифмическим температурным напором и определяется по формулам:
для аппаратов с прямотоком
Dtср = [(t/1 — t/2) — (t//1 — t//2)] / ln[(t/1 — t/2)/(t//1 — t//2)]
для аппаратов с противотоком
Dtср = [(t/1 — t//2) — (t//1 — t/2)] / ln[(t/1 — t//2)/(t//1 — t/2)]
Численные значения Dtср для аппаратов с противотоком при одинаковых условиях всегда больше Dtср для аппаратов с прямотоком, поэтому аппараты с противотоком имеют меньшие размеры.

Рассказать друзьям

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий

Найти готовую работу