Расчёт рекуперативного теплообменного аппарата - ABCD42.RU

Расчёт рекуперативного теплообменного аппарата

Блог об энергетике

энергетика простыми словами

Конструкторский расчет рекуперативного теплообменника

При его проведении ставится задача сконструировать теплообменник. Для этого предварительно приходится производить тепловой и гидравлический расчет проектируемого изделия, в качестве которого для конкретности рассмотрим рекуперативный теплообменный аппарат. Исходной информацией для этого расчета являются величины расходов теплоносителей М1 и М2 , значения температуры одной из движущихся сред на входе в аппарат Тf1,1, и на выходе из него Тf1,2, температура Тf2,1, второй среды на входе в аппарат и теплофизические свойства теплоносителей.

Предварительно по формуле (1)

определяется тепловая нагрузка Q, под которой понимается количество теплоты, передаваемое за единицу времени от одной среды к другой.

Очевидно, что количество теплоты, отданного первым теплоносителем, равно количеству теплоты, воспринятого вторым теплоносителем, так что имеем равенство (2)

где сp1 и сp2 — изобарная теплоемкость первого и второго теплоноси¬телей соответственно.

Из формулы (2) находим величину Тf2,2 и при известных Тf1,1, Тf1,2, Тf2,1 и задаваемой схеме взаимного движения теплоносителей в аппарате вычисляем среднелогарифмическую разность температур между теплообменивающимися средами по формуле

Тепловая нагрузка Q, вычисляемая по формуле (1), передается от одной движущейся среды к другой и может быть вычислена еще и по формулам (3)

k l и k — линейный коэффициент теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике и коэффициент теплопередачи в пластинчатом теплообменнике соответственно; L и F — искомая длина труб в кожухотрубчатом теплообменнике и площадь теплообменной поверхности пластинчатого теплообменника.

Величины L и F определяются как (4)

так что естественным образом возникает проблема предварительного определения коэффициентов теплопередачи kl и k в (3).

Для этих целей, основываясь на предыдущем опыте аппаратостроения, приходится предварительно задаваться конструкцией проектируемого теплообменника, т.е. выбирать его тип (кожухотрубчатый или пластинчатый), направление взаимного движения теплоносителей, геометрические размеры теплообменных элементов (труб, пластин) и их расположение в поперечном сечении аппарата. Последнее необходимо знать, чтобы при задаваемых тем самым площадях поперечных сечений f1, и f2 для прохода теплоносителей, известных расходах M1 и М2 и плотностях ρ1 и ρ 2 вычислить скорости движения (5)

значения соответствующих критериев Рейнольдса (6)

чисел Нуссельта из уравнений подобия вида (7)

и коэффициентов теплоотдачи α1 и α2.

В формулах (6), (7) обозначены: d э1 , v1, λf1 и dэ2, v2, λf2 — эквивалентный диаметр поперечного сечения, кинематическая вязкость, коэффициент теплопроводности для первого и второго теплоносителей.

Рис. 1. Поперечное сечение кожухотрубчатого теплообменного аппарата:
а — трубки расположены с шагом s по сторонам правильного шестиугольника;
б — трубки с шагом s расположены по окружностям

При расчете теплоотдачи и гидравлического сопротивления в качестве определяющего размера для прохода теплоносителя внутри цилиндрических трубок кожухотрубчатого теплообменника выбирается их внутренний диаметр: dэ1 =dвн =d1 (рис. 1). Эквивалентный диаметр для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, определяется по формуле

где f и Р, Dвн, dн и N — площадь поперечного сечения для прохода теплоносителя в межтрубном пространстве и смоченный им периметр, внутренний диаметр кожуха (обечайки), наружный диаметр трубок и их количество.

Для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления пластинчатых теплообменников рекомендуется находить эквивалентный диаметр при течении между пластинами, например, по формуле:

где V — объем между пластинами; F — площадь смоченной поверхности.

Поскольку индивидуальные характеристики пластин изменяются в широких пределах, то для определения интенсивности теплоотдачи можно рекомендовать формулы (Справочник по теплообменникам. Т.2. М.: Энергоатомиздат, 1987. — 352 с.):

а) для ламинарного режима течения (при Re 1000) (9)

В формуле (8) величина Н соответствует высоте пластины.

Рассмотрение областей применения формул (8) и (9) свидетельствует о том, что течение между профилированными пластинами приводит к турбулизации потока, так что область ламинарного режима ограничена сверху Re N = L/l,

так что при выбранном поперечном сечении полностью определена конструкция этого теплообменника.

Выбор габаритов одной пластины, т. е. задание площади ее поверхности F1, дает следующее количество пластин в пластинчатом теплообменнике:

Расчеты производятся итерационно до получения приемлемых для технического использования габаритов теплообменного аппарата и допустимых падений давления в нем.

Следует иметь в виду, что при проектировании испарителей и конденсаторов коэффициенты теплоотдачи со стороны сред, претерпевающих изменение агрегатного состояния, приходится определять по соответствующим зависимостям для процессов кипения и конденсации.

Поверочный расчет рекуперативного теплообменника.

Известна конструкция теплообменника, и следует выяснить, обеспечивает ли он требуемую при его использовании теплопроизводительность Q, равную согласно (2)

В качестве исходной информации для расчета располагаем величинами расходов теплоносителей М1 и М2, значениями температуры одной из движущихся сред на входе в аппарат Tf1,1 и на выходе из него Tf1,2, температуры Tf2,1, второй среды на входе в аппарат и их теплофизическими свойствами, длиной одной трубки l и их количеством N кожухотрубчатого теплообменника, площадью теплообменной поверхности F1 одной пластины и их количеством N в пластинчатом теплообменнике, площадями f1, и f2 поперечных сечений для прохода теплоносителей и направлением их взаимного течения.

Тепловой расчет производится согласно зависимостей, приведенных в настоящей статье. Однако, не требуется делать итерации, вызванные необходимостью достижения приемлемых скоростей w1 и w2 теплоносителей в теплообменнике.

Полученные в результате такого расчета величины Lр или Fp сравнивают с их действительными значениями L или F в имеющемся теплообменнике. Если оказывается, что расчетные величины Lp или Fp меньше, чем действительные L или F, то поступивший теплообменный аппарат пригоден для использования. В противном случае надо выбрать другой теплообменник.

При проведении и конструкторского, и поверочного расчета следует иметь в виду, что на практике нужен запас величины тепло-обменной поверхности, так как она в процессе эксплуатации, как правило, загрязняется: на ней откладывается накипь, кокс, зола и др.

Источник: Теория и прикладные задачи тепломассопереноса: учебное пособие / Н. М. Цирельман. — М.: Машиностроение, 2011. — 503 с.

Тепловой расчет рекуперативного теплообменника

Тепловой расчет рекуперативного теплообменника

  • Различают структурный расчет и проверочный тепловой расчет теплообменников. Целью конструктивного расчета является определение величины рабочей поверхности теплообменника. Это начальный параметр design. In в этом случае необходимо понимать массовый расход передаваемого тепла или теплоносителя и изменение его температуры. Выполнен проверочный расчет теплообменника с известными значениями поверхности. Целью расчета является определение температуры теплоносителя на выходе из теплообменника и количества передаваемого тепла. Рисунок 15.3 На рис. 15.3 показано температурное поле прямоточного (рис.15.3, а) и противоточного (рис. 15.3, б) теплообменников.

Индексы 1 и 2 соответственно указывают температуру и другие параметры горячего и холодного теплоносителя. На 1 и 2 тактах отмечают параметры теплоносителя на входе и выходе теплообменника. Если сравнить температурное поле теплообменника постоянного тока и противоточного теплообменника, то можно увидеть, что в противоточном контуре температура теплоносителя в устройстве, скорее всего, изменится. Например, если необходимо нагреть холодный теплоноситель до максимальной температуры при заданной начальной температуре высокотемпературного теплоносителя ( | | , то с увеличением поверхности нагрева теплообменника постоянного тока температура/ 5 приближается к температуре обратного потока.

Из этого примера видно, что величина коэффициента теплообмена значительно возрастает, когда пограничный слой становится турбулентным. Людмила Фирмаль

Рабочий процесс теплоаккумулирующего теплообменника описывается двумя уравнениями: уравнением теплового равновесия и уравнением теплопередачи. Тепловой баланс теплообменника представляет собой уравнение Где O-массовый расход теплоносителя. g / cot-коэффициент теплопотерь в окружающую среду, 0,97-0,995. Покажите Число = Сер. (15-2)) Учитывая это обозначение, уравнение теплового равновесия задается в виде: Э =(; — ОП» от = О — (15-3) формула (15.3) / / ₀Т = 1 может быть переписана в следующем виде: Следовательно, чем больше параметр С7,тем меньше изменение температуры хладагента в теплообменнике. Теперь рассмотрим уравнение теплопередачи.

Разница Поскольку температура между теплоносителями изменяется по длине теплообменника, уравнение теплопередачи принимает вид: 2 = Где k и D / — коэффициент теплопередачи всего теплообменника и среднее значение температурного напора. Уравнение теплового равновесия Рисунок 15.4 Конструктивный. Тестировать В конструктивном расчете Пик определяется из уравнения А теплопередача является основой для расчета рабочей поверхности теплообменника, теплопередача-теплопередача (15.5) Если тепловой поток неизвестен, то он определяется по формуле (15.3). Получаем формулу для средней температуры головки.

Напишите уравнение теплопередачи и уравнение теплового равновесия элементов рабочей поверхности прямоточного теплообменника (рис. 15.4). Англия-КЛР, 22 (15.6) Из последнего уравнения Если вычесть правую и левую части этих уравнений、 1М =- (15.7) После замены этого уравнения на уравнение(15.6) и разделения переменных、 Если мы интегрируем эту формулу из входной секции теплообменника в выходную секцию, то получим: кр.. (15.8) используя уравнение [r] (15.3), пот = 1 Один Подставляя это выражение в выражение (15.8) и заменяя его величину kP из выражения (15.5), получаем конечное выражение S. (15.9)) Эта формула называется формулой для средней логарифмической температуры head.

Читайте также  Сапега, Лев Иванович

Одинаково подходит для теплообменников постоянного и противоточного тока (значения D / ’ и AG указаны на рисунке 15.3). Аналитическая оценка средних температурных напоров для поперечных теплообменников и других более сложных моделей движения приводит к громоздкой формуле. Таким образом, средняя температура головки кинетической схемы такого теплоносителя определяется по формуле Д / = У / Д? С (15.10)) Где u-поправка, зависящая от 2 вспомогательных величин. К = (15.11) Зависимость Эд / = /( / ?, Р) рассчитан для различных кинетических схем теплоносителя и описан в справочной литературе.

Полученная формула позволяет сравнивать средние температурные напоры различных режимов течения теплоносителя. Сравнение показывает, что на входе и выходе теплообменника имеется теплоноситель с одинаковой температурой в противотоке. В теплообменном аппарате, головка температуры будет самой высокой, и в прямом потоке головка температуры будет smallest. In другая схема перемещения теплоносителя, она имеет значение между D (D (прямая линия и D (прот. Например, q = 130°C, C = _100°C,2 = 67,5°C и/или= 92,5° C, D получается (rrrym = 26°и D / prot = 35°.

  • При однократном пересечении тока в этих условиях D / = 33,5°. Благодаря большому значению средней температуры головки, рабочая поверхность с одинаковым противоточным рисунком жидкости и другими условиями минимизируется. Поэтому, если причины конструктивного характера не ограничивают выбор схемы течения теплоносителя, необходимо отдать предпочтение противоточному теплообменнику по сравнению с прямоточным теплообменником. Заметим, однако, что схема противотока теплоносителя не обязательно имеет большее преимущество по сравнению с однократным прохождением. Расчет показывает большое значение 1 / C7 IV. Ke Из параметров IV 10), а также-как » ■0, обе схемы будут равны.

Первое условие соответствует незначительному изменению температуры теплоносителя(например, при изменении состояния агрегата). — >0, средняя температура головы значительно превысит изменение температуры любой жидкости. При сравнении картины противотока с картиной поперечного движения необходимо учитывать не только изменение среднего температурного напора, но и изменение теплопередачи conditions.

При температуре стенки, которая изменяется вдоль поверхности, теплообмен можно вычислить при помощи метода, описанного в разделе 7-4, при условии, что известно соотношение, описывающее теплообмен при ступенчатом изменении температуры поверхности. Людмила Фирмаль

При одинаковом сопротивлении давлению воды и условиях p ’ ^d11

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

Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Введение

Теплообменный аппарат – это устройство, обеспечивающее передачу тепла между средами, разнящимися по температуре. Для обеспечения тепловых потоков различного количества конструируются разные теплообменные устройства. Они могут иметь разные формы и размеры в зависимости от требуемой производительности, но основным критерием выбора агрегата является площадь его рабочей поверхности. Она определяется с помощью теплового расчета теплообменника при его создании или эксплуатации.

Расчет может нести в себе проектный (конструкторский) или проверочный характер.

Конечным результатом конструкторского расчета является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для обеспечения заданных тепловых потоков.

Проверочный расчет, напротив, служит для установления конечных температур рабочих теплоносителей, то есть тепловых потоков при имеющейся площади поверхности теплообмена.

Соответственно, при создании устройства проводится конструкторский расчет, а при эксплуатации – проверочный. Оба расчета идентичны и, по сути, являются взаимообратными.

Основы теплового расчета теплообменных аппаратов

Основой для расчета теплообменников являются уравнения теплопередачи и теплового баланса.

Уравнение теплопередачи имеет следующий вид:

  • Q – размер теплового потока, Вт;
  • F – площадь рабочей поверхности, м2;
  • k – коэффициент передачи тепла;
  • Δt – разница между температурами носителей на выходе в аппарат и на выходе из него. Также величина называется температурным напором.

Как можно заметить, величина F, являющаяся целью расчета, определяется именно через уравнение теплопередачи. Выведем формулу определения F:

Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию самого аппарата. Рассматривая его можно определить значения t1 и t2 для дальнейшего вычисления F. Уравнение выглядит следующим образом:

  • G1 и G2 – расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
  • cp1 и cp2 – удельные теплоемкости (принимаются по нормативным данным), кДж/кг‧ ºС.

В процессе обмена тепловой энергией носители изменяют свои температуры, то есть в устройство каждый из них входит с одной температурой, а выходит – с другой. Эти величины (t1 вх ;t1 вых и t2 вх ;t2 вых ) являются результатом проверочного расчета, с которым сравниваются фактические температурные показатели теплоносителей.

Вместе с тем большое значение имеют коэффициенты теплоотдачи несущих сред, а также особенности конструкции агрегата. При детальных конструкторских расчетах составляются схемы теплообменных аппаратов, отдельным элементом которых являются схемы движения теплоносителей. Сложность расчета зависит от изменения коэффициентов теплопередачи k на рабочей поверхности.

Для учета этих изменений уравнение теплопередачи принимает дифференциальный вид:

Такие данные, как коэффициенты теплоотдачи носителей, а также типовые размеры элементов при конструировании аппарата или при проверочном расчете, учитываются в соответствующих нормативных документах (ГОСТ 27590).

Пример расчета

Для большей наглядности представим пример конструкторского расчета теплообмена. Этот расчет имеет упрощенный вид, и не учитывает потерь теплоты и особенностей конструкции теплообменного аппарата.

  • Температура греющего носителя при входе t1 вх = 14 ºС;
  • Температура греющего носителя при выходе t1 вых = 9 ºС;
  • Температура нагреваемого носителя при входе t2 вх = 8 ºС;
  • Температура нагреваемого носителя при выходе t2 вых = 12 ºС;
  • Расход массы греющего носителя G1 = 14000 кг/ч;
  • Расход массы нагреваемого носителя G2 = 17500 кг/ч;
  • Нормативное значение удельной теплоемкости ср =4,2 кДж/кг‧ ºС;
  • Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м 2 .

1) Определим мощность теплообменного аппарата с помощью уравнения теплового баланса:

Q вх = 14000‧4,2‧(14 – 9) = 294000 кДж/ч

Q вых = 17500‧4,2‧(12 – 8) = 294000 кДж/ч

Qвх = Qвых. Условия теплового баланса выполняются. Переведем полученную величину в единицу измерения Вт. При условии, что 1 Вт = 3,6 кДж/ч, Q = Qвх = Qвых = 294000/3,6 = 81666,7 Вт = 81,7 кВт.

2) Определим значение напора t. Он определяется по формуле:

3) Определим площадь поверхности теплообмена с помощью уравнения теплопередачи:

F = 81,7/6,3‧1,4 = 9,26 м2.

Как правило, при проведении расчета не все идет гладко, ведь необходимо учитывать всевозможные внешние и внутренние факторы, влияющие на процесс обмена теплом:

  • особенности конструкции и работы аппарата;
  • потери энергии при работе устройства;
  • коэффициенты теплоотдачи тепловых носителей;
  • различия в работе на разных участках поверхности (дифференциальный характер) и т.д.

Вы можете самостоятельно провести тепловой расчет на основе уравнений выше и получить результат в pdf-формате (в полях «Допустимые потери», «Давление расч.» и «Tmax» можно указать произвольные данные, единственное ограничение: Tmax > t1).

ВАЖНО: Для наиболее точного и достоверного расчета инженер должен понимать сущность процесса передачи тепла от одного тела к другому. Также он должен быть максимально обеспечен необходимой нормативной и научной литературой, поскольку в расчете на множество величин составлены соответствующие нормы, которых специалист обязан придерживаться.

Выводы

Что мы получаем в результате расчета и в чем его конкретное применение?

Допустим, что на предприятие поступил заказ. Необходимо изготовить тепловой аппарат с заданной поверхностью теплообмена и производительностью. То есть перед предприятием не стоит вопрос размеров аппарата, но стоит вопрос материалов, которые обеспечат нужную производительность с заданной рабочей площадью.

Для решения данного вопроса производится тепловой расчет, то есть определяются температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Исходя из этих данных выбираются материалы для изготовления элементов устройства.

В конечном итоге, можно сказать, что рабочая площадь и температура носителей на входе и выходе из аппарата – основные взаимосвязанные показатели качества работы теплообменника. Определив их путем теплового расчета инженер сможет разработать основные решения для конструирования, ремонта, контроля и поддержания работы теплообменников.

В следующей статье мы рассмотрим назначение и особенности механического расчета теплообменника, поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить анонс.

Рекуперативные теплообменники

  1. Устройство и принцип работы
  2. Какими бывают?
  3. Популярные производители
  4. Расчёт
Читайте также  Понятие исковой давности

Рекуперативный теплообменник – устройство, в котором происходит обмен теплом между газом и жидкостью через перегородку. По сравнению, например, с регенеративными теплообменниками, в рекуператорах пути следования потоков-теплоносителей неизменны.

Устройство и принцип работы

Рекуперативные теплообменники строятся по методу передачи тепла по поверхностной схеме. По схеме исполнения они бывают прямо- и противоточными, перекрёстными, по конструкции – с трубками, с пластинами, ребристые, ребристо-пластинчатые. Материал изготовления – пластик, металл, а также конструкция с применением мембран. По поставленной мастером задаче подогреватели производятся как газовые, воздушные и жидкостные, испарители, конденсирующие пары устройства и так далее.

Образцом для рассмотрения в данном случае послужит разбираемый агрегат с пластинами. Он является аппаратом, вытеснившим устройства предыдущих поколений. Также рассматриваются устройства с кожухом и трубками.

Пластиночный теплообменник обладает двумя главными пластинами – стационарной и подвижной прижимными платформами. В каждой из этих плит просверлено несколько отверстий.

Эти отверстия, по которым потоки среды входят и выходят, зафиксированы прокладочным материалом и упрочнёнными кольцами с обеих сторон.

Установка агрегата предусматривает подключение трубоотводящих элементов к втяжным и вытяжным отверстиям. Диаметр патрубков и шаг резьбы жёстко не заданы. Однако тип резьбы зависит от назначения и вида теплообменника.

Между прижимающими платформами у пластиночного устройства имеются десятки (больше сотни) пластин. Они выполнены из листовой стали или алюминия толщиной не более 0,6 мм. Изготавливают такие пластины из титансодержащих сплавов (если это сталь), используя производство методом холодного штампования; в ход идут также нержавеющие сплавы.

Слои пластин стыкованы между собой тонким полимерным уплотнителем, толерантным к значительным термонагрузкам. Благодаря этим уплотнительным слоям рабочие каналы остаются герметичными. В качестве полимера применяется, например, термостойкая резина.

Спрямлённые направляющие, расположенные с нижней и с верхней стороны, фиксируют группы пластин, а также обеспечивают относительную лёгкость сборки теплообменника. Сжатие пластин до нужных габаритов осуществляется посредством болтов (или шпилек) с гайками и шайбами.

Располагаются эти пластины друг по отношению к другу под развёрнутым углом. Устройство теплообменника позволяет входному отверстию работать со сдвоенным уплотнителем.

Работа агрегата заключается в следующем. Передняя и задняя плиты обладают отверстиями, подключёнными к трубам. По ним принимающая и передающая тепло среды поступают в сам аппарат.

Расположенный рядом со стенкой слой с волнообразным исполнением (гофра), обладая потоком среды с повышенной скоростью, приобретает турбулентное свойство. По обе стороны от пластины каждая из сред движется встречно-параллельно относительно второй – это не позволяет им перемешаться. Пластины, расположившиеся параллельно, создают рабочие потоки. Передвигаясь по этим каналам, обе среды обмениваются теплом, при этом каждая из них покидает внутреннее пространство аппарата. Этот факт указывает на важность присутствия пластин в системе агрегата.

Поточные каналы проходят по одно- или многоходовому лабиринту – эта особенность строения теплообменника определяется поставленной перед устройством целью и способами её достижения. Теплообмен происходит с применением теплопроводности, перемешивания слоёв среды или путём лучевого переноса энергии.

Какими бывают?

Независимо от вида исполнения, теплообменники производятся на основании нормативов ГОСТ 15518-1987, которых в первую очередь придерживаются пластиночные устройства. Рекуператоры, как известно, эффективнее регенераторов. Классификация по исполнению подразумевает матричные, пластиночные, смесительные и спиральные агрегаты.

Матричные выполняют теплообмен между жидкостью и газом путём взаимодействия этих сред между собой. Пластиночная модель передаёт тепло через металлические или графитовые пластины. Смесительное устройство осуществляет теплообмен между средами, который происходит благодаря их соприкосновению и смешиванию.

Например, температура воды понижается при помощи воздуха, а газы остывают с использованием той же воды.

По виду теплопереносчиков рекуператоры выпускаются как газовоздушные, газожидкостные и устройства, обеспечивающие обмен тепла только между жидкостями.

У прямоточных теплообменные среды движутся в одну сторону, у противоточных – навстречу друг другу, у перекрёстных – под углом в 90 градусов друг относительно друга.

По режиму работы теплообменники выпускаются как аппараты периодического (запускаются и останавливаются по расписанию) и непрерывного действия.

Популярные производители

GEA Heat Exchangers выпускает агрегаты для химзаводов, котельных и ТЭЦ, в которых применяется катализ для сжигания энергоносителя. Основные элементы производятся из стали и чугуна, некоторые части сварены. Обмен теплом – через поверхности, с возможностью высокоэффективного возврата тепла. Работают с газообразными или дымовыми средами, влажность которых может достигать 100%. Расходы среды – до 2 млн куб. метров ежечасно. Способны работать с температурами до 550˚С. Давление – до 40 мегапаскалей, КПД достигает 97%.

«МашИмпэкс» – компания, выпускающая кассетные обогреватели сварного исполнения. Используются они в теплосетях. Теплоноситель – техническая вода или масло. Изготавливаются с применением точечной сварки. Прочищаются через канал протяжённостью до полуметра. Исполнены преимущественно из стали или никелесодержащих сплавов. Способны обогреть объект площадью до 600 м2. Работают со средой при температуре до 450˚С, давление допускается не более 3,5 МПа. Эффективность – до 95% тепла используется «по второму кругу». Ширина трубок – до 4 см.

Компания «Техноконсалтинг» производит воздушно-водяные теплообменники для котельных. Материалы – чугун и сталь. Агрегаты производятся сварными и сборными. Отличие от предыдущих образцов в том, что некоторые устройства требуют установки охлаждающих вентиляторов. Изделия работают с газообразными, парообразными и жидкостными теплоносителями. Рабочая температура может достигать 240 градусов, давление – не более 25 атмосфер, эффективность – до 98%, срок службы агрегатов – до 30 лет.

Расчёт

Проектно-расчётные решения опираются главным образом на гидравлические и тепловые просчёты. Обогрев жилых строений и многоэтажных домов производится за счёт систем, в которых работают воздух и вода. Но обе среды могут являться воздушными. Метод циркуляции сред – перекрёстно-проходной.

Трубопроводы используются с диаметром 12… 38 мм. Толщина стенок трубопроводов – 0,8… 2,5 мм. Расчётный перепад давления – не более 100 атмосфер между средами, участвующими в теплообмене.

Немалое значение имеет и загрязнение стенок трубопроводов всевозможными отложениями, так как для циркуляции в системе вряд ли будет использоваться дистиллированная вода.

Например, кожухотрубный рекуператор может иметь следующие исходные данные. Охлаждение газодымового теплоносителя – с 204 до 48 градусов. Расход – 357 куб. дм в час. Расход нагреваемой воды – 300 м3/ч. Теплоёмкость греющей среды – 1001 ДЖ/кг при нагреве на один градус. Теплоёмкость нагреваемой воды – 4,2 кДж/кг на один градус. Начальная температура воды составляет +8. Скорость водотока – 76 см/с.

Не вдаваясь в описании данного примера теплообменника в сами формулы, путём расчётов по ним же получают нагрев воды до +44 по Цельсию. Теплонагрузка равна 46 кВт. КПД – 95%, потребуется мощность по теплу порядка 48 кВт (три киловатта составляют потери). Теплоотдача дыма – 56 кВт. Коэффициенты теплопередачи – 13060 Вт/ (м2/К) и 11930 Вт/ (м2К). Термосопротиление стальных стенок трубопроводов и отложений на них равно 194.554 единиц. Удельная теплонагрузка – 9457 Вт/м2. Площадь поверхностей теплопередачи составила бы 5.895 м2, но реальный показатель на 12,5% больше вычисленного: 6,484 м2.

В качестве примера конструктивного расчёта – горизонтальная кожухотрубка. При диаметре труб в 2,3 см количество отрезков трубопроводов равно 30, шаг между ними – 3 см. Внутренняя площадь кожуха – 33,1 см, площадь внутренних стенок – порядка 6 м2. Расчёт показал, что пример такого устройства – работоспособный агрегат с КПД не ниже 95%.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Здравствуйте! Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями либо между теплоносителями и твердыми телами (насадкой, стенкой). Роль теплоносителя может выполнять и среда, окружающая аппарат. По своему назначению и конструктивному оформлению теплообменники могут быть самыми различными, начиная от простейшего (радиатор) и кончая наиболее совершенным (котельный агрегат). По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называют аппараты, в которых одновременно протекают горячий и холодный теплоносители, разделенные между собой твердой стенкой. К числу таких аппаратов относятся подогреватели, котельные агрегаты, конденсаторы, выпарные аппараты и др.

Регенеративными называют аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева попеременно омывается то горячей, то холодной жидкостью. При этом теплота, аккумулированная стенками аппарата при их взаимодействии с горячей жидкостью, отдается холодной жидкости. Примером регенеративных аппаратов являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей, отопительные печи и др. В регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные аппараты большей частью работают при стационарном режиме.

Рекуперативные и регенеративные аппараты называют также поверхностными, так как процесс передачи теплоты в них неизбежно связан с поверхностью твердого тела.

Смесительными являются аппараты, в которых передача теплоты осуществляется при непосредственном смешивании горячей и холодной жидкости.

Взаимное движение теплоносителей в теплообменных аппаратах может быть различным (рис. 1.).

В зависимости от этого различают аппараты с прямоточным движением, противоточным движением, перекрестным током и со сложным направлением движения теплоносителей (смешанного тока). Если теплоносители протекают параллельно в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (рис. 1.). При противотоке теплоносители движутся параллельно, но навстречу друг другу. Если направления движения жидкостей пересекаются, то схема движения называется перекрестным током. Кроме названных схем, на практике применяются и более сложные: одновременно прямоток и противоток , многократно перекрестный ток и др.

В зависимости от технологического назначения и конструктивных особенностей теплообменные аппараты подразделяются на водоподогреватели, конденсаторы, котельные агрегаты, испарители и др. Но общим является то, что все они служат для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому, поэтому и основные положения теплового расчета для них одинаковы. Разница может состоять только в конечной цели расчета. При проектировании нового теплообменного аппарата задачей расчета является определение поверхности нагрева; при поверочном тепловом расчете имеющегося теплообменника требуется найти количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей.

В основу теплового расчета в обоих случаях положены уравнения теплового баланса и уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса теплообменного аппарата имеет вид:

где М — массовый расход теплоносителя, кг/с; cpm — удельная массовая изобарная средняя теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг*°С).

Здесь и в дальнейшем индексом «1» обозначаются величины, относящиеся к горячей жидкости (первичный теплоноситель), а индексом «2» — к холодной жидкости (вторичный теплоноситель); штрих соответствует температуре жидкости на входе в аппарат, а два штриха — на выходе.

При расчете теплообменников часто пользуются понятием полной теплоемкости массового расхода теплоносителя (водяного эквивалента), равной С = Мср Вт/°С. Из выражения (1) следует, что

то есть отношение изменений температур однофазных теплоносителей обратно пропорционально отношению их полных расходных теплоемкостей (водяных эквивалентов).

Уравнение теплопередачи записывается так: Q=k*F*(t1—t2), где t1, t2— температуры первичного и вторичного теплоносителей; F — площадь поверхности теплопередачи.

При теплообмене в большинстве случаев изменяются температуры обоих теплоносителей и, следовательно, изменяется температурный напор Δt = t1—t2. Коэффициент теплопередачи по поверхности теплообмена также будет иметь переменную величину, поэтому в уравнение теплопередачи следует подставлять средние значения температурного напора Δtср и коэффициента теплопередачи kсp, то есть

Площадь теплообмена F рассчитывается по формуле (3), тепловая производительность Q при этом задается. Для решения задачи необходимо вычислить средний по всей поверхности коэффициент теплопередачи kсp и температурный напор Δtср.

При вычислении среднего температурного напора необходимо учитывать характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена. Из теории теплопроводности известно, что в пластине или цилиндрическом стержне при наличии разности температур на торцах (боковые поверхности изолированы) распределение температур по длине линейное. Если же на боковой поверхности имеет место теплообмен или система располагает внутренними источниками теплоты, то распределение температур является криволинейным. При равномерном распределении источников теплоты изменение температур по длине будет параболическим.

Таким образом, в теплообменных аппаратах характер изменения температур теплоносителей отличается от линейного и определяется полными теплоемкостями С1 и С2 массовых расходов теплоносителей и направлением их взаимного движения (рис. 2).

Из графиков видно, что изменение температуры вдоль поверхности F неодинаково. В соответствии с уравнением (2) большее изменение температуры будет у теплоносителя с меньшей теплоемкостью массового расхода. Если же теплоносители одинаковы, например, в водоводяном теплообменнике, то характер изменения температур теплоносителей будет всецело определяться их расходами, причем при меньшем расходе изменение температур будет большим. При прямотоке конечная температура t»2 нагреваемой среды всегда меньше температуры t»1 греющей среды на выходе из аппарата, а при противотоке конечная температура t»2 может быть выше температуры t»1 (см. для противотока случай, когда C1 > C2). Следовательно, при одинаковой начальной температуре нагреваемую среду при противотоке можно нагреть до более высокой температуры, чем при прямотоке.

При прямотоке температурный напор вдоль поверхности нагрева изменяется в большей степени, чем при противотоке. Вместе с тем среднее его значение в последнем случае больше, вследствие чего поверхность нагрева аппарата с противотоком будет меньшей. Таким образом, при равных условиях в этом случае будет передано большее количество теплоты. Исходя из этого, предпочтение следует отдавать аппаратам с противотоком.

В результате аналитического исследования теплообменного аппарата, работающего по схеме прямотока, установлено, что температурный напор вдоль поверхности теплообмена изменяется по экспоненциальному закону, поэтому средний температурный напор может быть вычислен по формуле:

где Δtб — большая разность температур между горячим и холодным теплоносителем (с одного края теплообменника); Δtм — меньшая разность температур (с другого края теплообменника).

При прямотоке Δtб = t’1 — t’2 и Δtм = t»1 — t»2 (рис. 2.). Эта формула справедлива также и для противотока с той лишь разницей, что для случая, когда С1 С2 Δtб = t»1 — t’2 и Δtм = t’1 — t»2.

Средняя разность температур между двумя средами, вычисляемая по формуле (4), называется среднелогарифмическим. температурным напором. Вид выражения обусловлен характером изменения температур вдоль поверхности нагрева (криволинейная зависимость). Если бы зависимость была линейной, то следовало бы определять температурный напор как среднеарифметический (рис. 3.). Значение среднеарифметического напора Δtа.ср всегда больше среднелогарифмического Δtл.ср. Однако в тех случаях, когда температурный напор по длине теплообменника изменяется незначительно, то есть выполняется условие Δtб/ Δtм

Осреднение температурного напора для аппаратов с перекрестным и смешанным током отличается сложностью расчетов, поэтому для ряда наиболее употребительных схем результаты решений обычно приводятся в виде графиков. Исп. литература: 1) Основы теплоэнергетики, А.М. Литвин, Госэнергоиздат, 1958. 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976. 3) Теплотехника, изд.2, под общей ред. И.Н.Сушкина, Москва «Металлургия», 1973.

4 комментарий на « Тепловой расчет теплообменных аппаратов »

столкнулся с такой практической задачей: в комнате 4 радиатора отопления, подключены по двухтрубной системе. Оплата за тепло по квартирному теплосчетчику.

Читайте также  Определение санитарно–защитной зоны предприятия

Если включить все четыре батареи на полную мощность, то будет слишком жарко. Практика показывает, что для оптимальной температуры надо включить или 2 батареи на полную, а 2 выключить; или включить все четыре на минимальный обогрев.

Как вы думаете, в каком случае затраты на обогрев будут меньше?

Игорь, сведите все к простой математике. Чем больше теплосъем, тем больше оплата за отопление. И наоборот, чем меньше теплосъем, тем меньше оплата за отопление. Формула потребленного тепла выглядит как Q=G*c*(T1-T2), где Q=ккал/сек, с- это теплоемкость воды = 1 ккал/(кг*градус), Т1 — температура в подаче в градусах, Т2 — температура в обратке в градусах, G — количество теплоносителя в кг/сек. Если умножить результат на 3600, то получите результат в часах. По своему теплосчетчику вы можете узнать количество теплоносителя, который прошел через ваши батареи, а так же температуру прямой и обратной трубы. Путем регулирования своих 4х батарей вы можете по количеству теплоносителя регулировать стоимость потребленного тепла. Как-то так.

Подскажите пожалуйста, если в частном доме с центральным отоплением поставить теплообменник, то за отопление придется платить столько же сколько без него? Прибора учета нет.

Если прибора учета нет, то будете платить столько же, сколько и до установки теплообменника

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: