41167

Теплообменные аппараты

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

По истечении определенного промежутка времени осуществляется переключение потоков теплоносителей. Регенераторы выполняются исключительно для газовых теплоносителей. В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей различают такие схемы движения теплоносителей: а прямоточная схема прямоток когда горячий и холодный теплоноситель движутся вдоль поверхности теплообмена в одном направлении б противоточная схема противоток когда горячий и холодный теплоноситель движутся вдоль поверхности теплообмена в противоположных...

Русский

2013-10-23

688 KB

218 чел.

PAGE  17

Лекция 5. Теплообменные аппараты

 1. Общая характеристика теплообменных аппаратов

Теплообменными аппаратами или теплообменниками наказываются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому.

Теплоноситель с большей температурой называется горячим или первичным, а с меньшей температурой – холодным или вторичным.

В зависимости от способа передачи теплоты между теплоносителями теплообменные аппараты разделяются на поверхностные и контактные.

В поверхностных теплообменных аппаратах теплообмен между теплоносителями осуществляются с участием теплообменной поверхности.

В контактных теплообменниках теплообменная поверхность отсутствует, и перенос тепла между теплоносителями осуществляется при их смешении.

Типичным примером таких теплообменников являются градирни тепловых электрических стаций. Здесь вода охлаждается атмосферным воздухом при их непосредственном соприкосновении.

Поверхностные теплообменники разделяются на:

  1.  Рекуперативные (рекуператоры);
  2.  Регенеративные (регенераторы).

(recuperatio – лат. обратное получение);

(regeneration – восстановление, возобновление, возрождение).

В рекуперативных теплообменниках по одну сторону разделяющей поверхности постоянно движется горячий теплоноситель, а по другую – холодный. При этом через разделяющую поверхность осуществляется непрерывная передача тепла от горячего теплоносителя к холодному.

Рекуператоры, как правило, действуют в стационарном режиме.

Схема рекуперативного теплообменника

В регенеративных теплообменниках одна и та же поверхность теплообмена попеременно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. В этом случае аккумулирующая способность поверхности теплообмена должна быть достаточно большой. Обычно для этой цели используются заполнения (насадки) в виде фарфоровых колец, кусочков каменного угля, гофрированных металлических лент, металлических опилок и т.д.

а) В период нагрева, когда теплообменная поверхность омывается горячим теплоносителем, она аккумулирует определенное количество теплоты.

   

                                                                                         

б) В период охлаждения, когда теплообменная поверхность омывается холодным теплоносителем, количество теплоты, ранее аккумулированное насадкой, отдается холодному теплоносителю.

   

                                                                                        

Режим работы регенеративных аппаратов является нестационарным. Учитывая периодичность действия, для непрерывной передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному, регенераторы обычно компонуются из двух аппаратов. При этом в первом аппарате насадка омывается горячим теплоносителем, во втором – холодным теплоносителем. По истечении определенного промежутка времени осуществляется переключение потоков теплоносителей.

Непрерывный теплообмен между теплоносителями можно осуществить в одном регенераторе специальной конструкции, например, в регенераторе системы Юнгстрема.

Принципиальная схема этого регенератора заключается в следующем. Насадка регенератора выполнена в виде гофрированных металлических листов. Конструктивно регенератор Юнгстрема выполнен в виде периодически вращающегося барабана с перегородкой.

Регенераторы выполняются исключительно для газовых теплоносителей. Примерами регенеративных аппаратов могут служить воздухоподогреватели доменных печей.

Особо отметим, что нельзя путать термин «регенеративный теплообменный аппарат» с термином «регенератор», употребляемым, например, в ГТУ. В последнем случае под регенератором понимается элемент ГТУ, где воздух, поступающий в камеру сгорания, предварительно подогревается газами из турбины. Регенератор газовой турбины по способу действия как теплообменный аппарат может быть как рекуперативным, так и регенеративным.

Помимо указанных теплообменных аппаратов существуют также теплообменники с внутренними источниками энергии. Здесь применяются не два, как обычно, а один теплоноситель, который отводит тепло, выделяемое в самом аппарате. Примерами таких аппаратов могут служить ядерные реакторы, электронагреватели и другие устройства.   

В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей различают такие схемы движения теплоносителей:

а) прямоточная схема (прямоток), когда горячий и холодный теплоноситель движутся вдоль поверхности теплообмена в одном направлении

б) противоточная схема (противоток), когда горячий и холодный теплоноситель движутся вдоль поверхности теплообмена в противоположных направлениях

в) перекрестный ток, когда горячий и холодный теплоноситель движутся в перекрещивающихся направлениях

г) смешанный ток, представляющий собой комбинации 3-х предыдущих схем. Например:

 

Одновременно прямоток                     Многократно перекрестный

и противоток                                                ток

Рекуперативных теплообменники с точки зрения признаков, существенных для теплового расчета, можно классифицировать следующим образом:

а) по роду теплоносителей:

   - жидкостно- жидкостные;

   - парожидкостные;

   - газожидкостные;

   - газогазовые;

   - парогазовые.

б) По конструктивным особенностям теплообменных поверхностей:

   - трубчатые аппараты с прямыми трубами;

   - трубчатые аппараты с U-образным трубным пучком;

   - змеевиковые;

   - спиральные;

   - ребристые;

   - пластинчатые.

в) По наличию или отсутствию изменения агрегатного состояния теплоносителей:

     - теплообменники без изменения агрегатного состояния  теплоносителей;

     - теплообменники с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей;

     - теплообменники с изменения агрегатного состояния обоих теплоносителей.

Вопросы к разделу 15.1. «Общая характеристика теплообменных аппаратов»

1. Дать определение теплообменных аппаратов.

2. Что такое горячий и холодный теплоноситель?

3. Дать определение поверхностных и контактных (смесительных) аппаратов.

4. На какие два типа разделяются поверхностные теплообменные аппараты?

5. Что такое рекуперативные теплообменные аппараты?

6. Что такое регенеративные теплообменные аппараты?

7. Что такое рекуперативные теплообменные аппараты?

8. В каком режиме обычно действуют регенеративные теплообменники?

9. В каком виде используются заполнения (насадки) в регенеративных теплообменниках?

10. Почему регенераторы обычно компонуют из двух аппаратов?

11. Описать принципиальную схему регенератора системы Юнгстрема.

12. В чем отличие терминов «регенеративный теплообменный аппарат» и «регенератор»?

13. Что такое теплообменники с внутренним источником тепла?

14. Привести схему, отражающую общую классификацию теплообменных аппаратов.

15. Какие схемы движения теплоносителей реализуются в теплообменных аппаратах?

16. Как классифицируются рекуперативные теплообменники по роду теплоносителей?

17. Как классифицируются рекуперативные теплообменники по конструктивным особенностям теплообменных поверхностей?

18. Как классифицируются рекуперативные теплообменники по наличию или отсутствию изменения агрегатного состояния теплоносителей?

15. 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА РЕКУПЕРАТИВНЫХ АППАРАТОВ

Тепловой расчет рекуператоров основывается на совместном использовании 2-х уравнений:

  1.  уравнение теплового баланса;
  2.  уравнение теплопередачи.

В самом общем виде уравнение теплового баланса при отсутствии тепловых потерь записывается следующим образом.

          .                                     (15-1)

Здесь и ниже подстрочный индекс «1» означает, что данная величина относится к горячему теплоносителю, а индекс «2» – к холодному. Обозначение () – соответствует  данной величине на входе в теплообменник, а () – на выходе из теплообменника.

В соответствии с этим ,  массовый расход горячего и холодного теплоносителя.

,  – энтальпия на входе в теплообменник горячего и холодного теплоносителя.

,  – энтальпия на выходе из теплообменника горячего и холодного теплоносителя.

Левая часть уравнения теплового баланса – есть тепловой поток, отдаваемый горячим теплоносителем, а правая – тепловой поток, воспринимаемый холодным теплоносителем. При отсутствии тепловых потерь указанные тепловые потоки равны между собой.

Если теплоносители не изменяют свое агрегатное состояние, то уравнение теплового баланса можно записать в виде

         ,                           (15-2)

где , - удельные массовые теплоемкости для горячего и холодного теплоносителей. Из значения принимают по средним температурам соответствующих теплоносителей между входом и выходом из теплообменника.

При необходимости массовые расходы теплоносителей могут быть определены по зависимости

                                      (15-3)

Введем понятие расходной теплоемкости С.

                                                                                      (15-4)

                                  [C] = .

Расходную теплоемкость называют еще водяным эквивалентом.

Используя понятие расходных теплоемкостей, уравнение   (15-2) запишем в виде

            = ,                                        (15-5)

где , - изменение температур горячего и холодного теплоносителей, взятые по модулю.

        .                                                       (15-6)

Таким образом, отношение изменения температур теплоносителей обратно пропорционально отношению расходных теплоемкостей этих теплоносителей. Т.е. чем больше расходная теплоемкость теплоносителя, тем в меньшей степени изменяется его температура при прохождении через теплообменный аппарат.

Перейдем к рассмотрению уравнения теплопередачи.

Для случая, когда температуры теплоносителей не изменяются вдоль поверхности теплообмена, уравнение теплопередачи представимо в виде

      .                                             (15-7)

В большинстве случаев температуры теплоносителей изменяются вдоль поверхности теплообмена. В этой ситуации можно записать уравнение теплопередачи для элементарного участка теплообменной поверхности .

      .                                                 (15-8)

=  - значение температурного напора на данном участке.

Тепловой поток, передаваемый через всю поверхность теплообмена

.

Коэффициент теплопередачи в большинстве случаев изменяется незначительно по поверхности и его можно принять постоянным

 Q = ;

           

=,

тогда          

,                                                        (15-9)

где - средний температурный напор по всей поверхности.

На основе приведенных выше уравнений теплового баланса и теплопередачи выполняются проектный и поверочный расчеты теплообменников.

Проектные (конструкторские) расчеты выполняются при проектировании новых теплообменных аппаратов.

Целью проектного расчета является определение необходимой поверхности теплообмена при заданных начальных и конечных температурах теплоносителей и при заданном количестве передаваемой теплоты.

.                                                        (15-10)

В общем случае тепловая нагрузка  может быть заранее заданной или же ее значение определяется на основе уравнения теплового баланса.

Коэффициент теплопередачи определяется по известным зависимостям, различным для разных типов теплообменников. Например, в случае плоской стенки коэффициент теплопередачи К выражается формулой

,

где , - коэффициенты теплоотдачи, определяемые по различным формулам в зависимости от процессов теплоотдачи, протекающих на поверхности теплообмена.

Поверочный расчет выполняется для существующего теплообменника либо для уже спроектированного теплообменного аппарата. Здесь площадь теплообменной поверхности является заданной. Целью такого расчета является определение выходных температур теплоносителей и количество передаваемой теплоты.

Вопросы к разделу 15.2

«Основные положения теплового расчета рекуперативных  аппаратов»

  1.  На каких двух основных уравнениях основывается тепловой расчет рекуперативных теплообменников?
  2.  Привести уравнения теплового баланса для теплообменных аппаратов (для общего случая, когда агрегатное состояние теплоносителей не изменяется).
  3.  Что такое расходная теплоемкость (водяной эквивалент)?
  4.  Как связаны изменения температур теплоносителей в теплообменных аппаратах с расходными теплоемкостями этих теплоносителей?
  5.  Каким образом изменяется уравнение теплопередачи  в случае теплового расчета теплообменных аппаратов?   
  6.  Что такое проектный (конструкторский) расчет теплообменных аппаратов?
  7.  Что такое поверочный расчет теплообменных аппаратов?

15. 3. ОПРЕДЕЛЕНИНЕ СРЕДНЕГО ТЕМПЕРАТУРНОГО НАПОРА.

15.3.1. Прямоточная и противоточная  схемы движения теплоносителей

Покажем на графике характер изменения температур  теплоносителей вдоль теплообменной поверхности для двух схем  движения теплоносителей, а именно прямотока и противотока.

- текущая теплообменная поверхность аппарата;

- полная теплообменная поверхность аппарата.

Прямоток

Противоток

,- значение температурных напоров соответственно на входе и выходе из теплообменного аппарата

,- значение температурных напоров со стороны входа и  выхода горячего теплоносителя

– текущий температурный напор;

dt1, dt2 – изменение температур горячего и холодного теплоносителей на участке поверхности ):

         Прямоток                                                   Противоток

                           (15-11)

В уравнениях (15-11) знак «–» проставляется тогда, когда температура в направлении отсчета теплообменной поверхности уменьшается.

   ;                                                           ;

   ;                                                                ;

.

Получим общее соотношение, определяющее  как для прямотока, так и для противотока

        ;                                                               (15-12)

                                                                                     (15-13)     

       Знак «+» - отвечает прямотоку; знак «–» - противотоку. Независимо от схемы движения теплоносителя можно записать уравнение теплопередачи  для элемента теплообменной поверхности .

                     

Если данное выражение подставить в (5-12), то получим

      

                        .                                                   (15-14)

Выполним интегрирование (15-14)

               .

После интегрирования получим

               .                                                             (15-15)                                     

          – как уже отмечалось, текущая теплообменная поверхность.

Выражение (15-15) можно записать следующим образом

                   .                                                       (15-16)

Из соотношения (15-16) следует, что текущий температурный напор для прямоточной и противоточной схем движения теплоносителя вдоль теплообменной поверхности изменяется по экспоненциальному закону.

Для определения среднего температурного напора вдоль всей поверхности теплообмена воспользуемся теоремой о среднем

.

Учитывая  (15-16), получим

   

         

         ,

          .                                                         (15-17)

Рассмотрим выражение (15-15) и (15-16), когда  и .

          ,                                                                 (15-18)  

 

           .                                                                      (15-19)

Подставляя  (15-18) и (15-19) в (15-17) получим                                                     

           .                                                 (15-20)

Зависимость (15-20), определяющая средний по поверхности температурный напор, справедлива как для прямотока так и для противотока.

В случае прямотока

             

                > ,

а в случае противотока

              может быть как больше так и меньше.

Для того, чтобы не иметь дело с отрицательными значениями  числителя, формулу (15-20) можно записать в виде

                                                                            (15-21)

, - больший и меньший из крайних температурный напор. Под крайними  понимаются напоры на входе в аппарат и на выходе  из него.

В случае прямотока =, а =. В случае же противотока  и определяются по результатам расчетов. Температурный напор, определяемый по (15-21), называется средним логарифмическим температурным напором. На основе расчетов установлено, что при < 2 с погрешностью, не превышающей 4%, средний температурный напор можно определить по формуле  

     

           .                                                                  (15-22)

Формула (15-22) определяет среднеарифметический температурный напор. Среднеарифметический температурный напор всегда больше среднелогарифмического.

Противоточная схема движения теплоносителей по сравнению с прямоточной, обладает такими преимуществами:

1. При одинаковых  входных и выходных температурах теплоносителей согласно формуле (15-20)

                  > .

Отсюда следует, в соответствии  с уравнением теплопередачи,

                  ,

что <

при прочих равных условиях.

Таким образом, в случае противотока теплообменник оказывается менее металлоемким.

2. В случае  противотока конечная температура холодной среды может быть больше, чем конечная температура горячего теплоносителя.

         >.     (см. график)

При прямотоке такое соотношение температур невозможно.

К недостаткам противотока необходимо отнести следующее. Поскольку>, то температурное поле конструкции теплообменника будет более неравномерным в случае противотока, что приводит к повышенным термическим напряжениям. Указанный недостаток проявляется только в случае достаточно высокого уровня   температур теплоносителей. (Например, пароперегреватели котельных установок).

Таким образом, с теплотехнической точки зрения всегда следует отдавать предпочтение противотоку перед прямотоком.

3.2 Другие схемы движения теплоносителя

При расчете среднего температурного напора для сложных схем движения теплоносителя поступают следующим образом.

  1.  При известных температурах , , и  вычисляют среднелогарифмический температурный напор для противотока по формуле (15-21).
  2.  Вычисляют вспомогательные величины  и  по формулам

           =,                                                      (15-23)

где – это разность между входными температурами горячего и холодного теплоносителя.

           =.                                                             (15-24)

Из формул (15-23) (15-23) и (15-24) видно, что P <1, а R может быть как больше, так и меньше единицы в зависимости от соотношения расходных теплоемкостей теплоносителей.

3. По полученным значениям P и R находим поправку , используя соответствующие номограммы.

Указанные номограммы не являются универсальными и справедливы только для определенной схемы движения теплоносителей.

(Задачник. Определение  P и R по приложениям П-1, П-2,…П-11, стр.281-284).

4. Температурный напор для данной схемы теплоносителя определяется по зависимости

               =.                                (15-25)

      Вопросы к разделу 15.3

«ОПРЕДЕЛЕНИНЕ  СРЕДНЕГО ТЕМПЕРАТУРНОГО НАПОРА»

1. Привести зависимость, описывающую изменение текущего температурного напора вдоль теплообменной поверхности при прямоточной и противоточной схемах движения теплоносителей.

2. Вывести зависимость, описывающую изменение текущего температурного напора вдоль теплообменной поверхности при прямоточной и противоточной схемах движения теплоносителей.

  1.  Вывести зависимость, определяющую средний по поверхности температурный напор при прямоточной и противоточной схемах движения теплоносителей.
  2.  При каких условиях и с какой погрешностью средний по поверхности температурный напор можно определить как среднеарифметический при прямоточной  и противоточной схемах движения теплоносителей?
  3.  Какой температурный напор среднелогарифмический или среднеарифметический больше?
  4.  Какими преимуществами обладает  противоточная схема движения теплоносителей по сравнению с прямоточной?
  5.  Какой недостаток является характерным для противоточной схемы движения теплоносителей, и в каких условиях он проявляется?
  6.  Какая методика используется при определении среднего по поверхности температурного напора при других схемах (кроме  прямоточной и противоточной).       


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49075. Крупные детали (коленчатые валы, муфты, промежуточные валы и др. детали должны иметь повышенную твёрдость 260-300 НВ) 242 KB
  Конструкционные стали Улучшаемые стали. Конструкционные стали применяемые для изготовления валов Термическая обработка сталей. Выбор термической обработки стали марки 40ХНМА.
49076. Расчет термической обработки стали марки 5ХНМ 275.5 KB
  Если обрабатывается мягкий материал (дерево, пластмассы, цветные металлы) или при обработке стали и чугуна применяются малые скорости резания и стружка имеет малое сечение, то в единицу времени на процесс резания затрачивается мало энергии. Если обработка происходит при больших скоростях резания, обрабатываются твердые металлы и стружка имеет большое сечение
49077. ИССЛЕДОВАНИЕ ОРГАНА КОНТРОЛЯ ПОГАСАНИЯ ДУГИ 136.5 KB
  Исследуемая модель линии При угле передачи 0 и переходном сопротивлении Rпер=30 Ом напряжение на зажимах реактора относительно земли в фазе А где первый график модуль напряжения а второй угол. Используя значения напряжения после t=0.02 с изменяя место короткого замыкания а также значение угла передачи можно получить зависимости: Рисунок 2 Зависимость напряжения на реакторе от места повреждения при угле передачи 30 Рисунок 3 Зависимость напряжения на реакторе от места повреждения при...
49080. ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ 248.5 KB
  Описание физической величины Описание и выбор метода измерения влажности Метод высушивания Дистилляционный метод Экстракционные методы Химический метод Метод СВЧ-влагометрии Нейтронный метод Инфракрасные влагомеры Кондуктометрические датчики Выбор метода Выбор и описание датчика Влагомер ВП4 Влагомер для порошкообразных материалов Датчик влажности для формовочной смеси Датчик влажности для зерна Автоматическая...
49081. Разработка рациональной системы применения удобрений в конкретных почвенно-климатических условиях хозяйства 1.06 MB
  Производственные показатели для составления системы применения удобрений Выход навоза заготовка хранение и технология внесения органических удобрений Составление системы применения удобрений в расчете на планируемый урожай при освоении севооборота Составление системы применения удобрений на планируемый урожай в освоенном севообороте
49083. Шестипольный полевой севооборот в отделении совхоза Калининской области 1.31 MB
  Производственные показатели для составления системы применения удобрений. Выход навоза заготовка хранение и технология внесения органических удобрений. Технология внесения органических удобрений на примере одного поля. Составление системы применения удобрений на планируемый урожай при освоении севооборота18 4.