Расчёт теплообменных аппаратов 1. Классификация теплообменных аппаратов 2. Уравнение теплового баланса 3. Уравнение теплопередачи 3. Коэффициент теплопередачи 4. Средний температурный напор 5. Поверочный расчёт 6. Сравнение прямотока с противотоком
Классификация теплообменных аппаратов Теплообменные аппараты (теплообменники) - это устройства, в которых теплота переходит от одной среды к другой. Классификация: Поверхностного типа Рекуперативные Регенераторы Смесительного типа Теплообменники с внутренними источниками энергии. Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки. Регенераторы - такие теплообменные аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. Так как в регенеративных и рекуперативных аппаратах процесс передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела, то их называют поверхностными.
Классификация теплообменных аппаратов В смесительных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей. Типичным примером таких теплообменников являются градирни электрических станций. В градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом. Воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды. В теплообменниках с внутренними источниками энергии применяются не два, как обычно, а один теплоноситель, который отводит теплоту, выделенную в самом аппарате. Примером таких аппаратов могут служить ядерные реакторы, электронагреватели и другие устройства. При рассмотрении теплообменных аппаратов с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей следует различать аппараты: 1) По направлению движения теплоносителей: а) Прямоточные - теплоносители движутся параллельно в одном направлении; б) Противоточные - теплоносители движутся параллельно в противоположных направлениях; в, г) Теплообменники с перекрестным током - теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях;
Классификация теплообменных аппаратов д, е) Сложные схемы движения теплоносителей. Рис. Характер изменения температуры теплоносителей при прямотоке и противотоке
Классификация теплообменных аппаратов 2) По форме рабочей поверхности: а) Трубчатые - один из теплоносителей движется внутри труб, другой омывает эти трубы снаружи; б) 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. 3) По способу использования: а) регенераторы - теплообменники, предназначенные для утилизации теплоты; б) радиаторы - теплообменники для рассеивания теплоты горячей воды в окружающее пространство ; в) воздухоподогреватели; г) маслоохладители; д) пароперегреватели, и т. д.
Уравнение теплового баланса Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и поверочными. Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов, целью расчета является определение поверхности теплообмена. Поверочные тепловые расчеты выполняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей. Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета. Уравнение теплового баланса. Изменение энтальпии теплоносителя вследствие теплообмена определяется соотношением где G - массовый расход теплоносителя, кг/с; i - удельная энтальпия, Дж/кг; d. Q измеряется в Дж/с или Вт. Если теплота горячего теплоносителя воспринимается вторичным холодным, то уравнение теплового баланса без учета потерь теплоты запишется так:
Уравнение теплового баланса Для конечного изменения энтальпии будет: Q = G 1 (i 1 вх -i 1 вых) ηпот = G 2 (i 2 вых -i 2 вх) где ηпот - коэффициент потерь теплоты в окружающую среду. Здесь и в дальнейшем индекс « 1» означает, что данная величина отнесена к горячей жидкости, а индекс « 2» - к холодной. Полагая, что изобарная теплоемкость теплоносителя c. P = const и di = c. Pdt, то d. Q = Gc. Pdt; Q = G 1 c. P (t 1 вх - t 1 вых) ηпот = G 2 c. P(t 2 вых - t 2 вх). Удельная теплоемкость c. P зависит от температуры. Поэтому в практических расчетах в уравнение подставляется среднее значение изобарной теплоемкости в интервале температур от t 1 вх до t 1 вых.
Уравнение теплопередачи Для определения поверхности теплообмена используют следующее уравнение: Q = k (t 1 - t 2) F, где k - коэффициент теплопередачи; t 1 и t 2 - соответственно температуры первичного и вторичного теплоносителей; F - площадь поверхности теплопередачи. Это уравнение справедливо в предположении, что t 1 и t 2 остаются постоянными по всей поверхности теплообмена, однако эти условия выполняются только в частных случаях. В общем случае t 1 и t 2 изменяются по поверхности и, следовательно, изменяется и температурный напор Δt = t 1 - t 2. Изменяется и коэффициент теплоотдачи по поверхности теплообмена. Значения Δ t и k можно принять постоянными только в пределах элементарной площадки поверхности теплообмена d. F. Следовательно, уравнение теплопередачи справедливо лишь в дифференциальной форме для элемента поверхности теплообмена: d Q = k Δt. F. Общий тепловой поток через поверхность теплообмена определится интегралом Для решения последнего уравнения необходимо знать закон изменения Δt и k по поверхности. Коэффициент теплопередачи k, в большинстве случаев изменяется незначительно и его можно принять постоянным.
Уравнение теплопередачи Приняв постоянное значение коэффициента теплопередачи по всей поверхности, уравнение можно записать в виде Если последнее уравнение умножить и разделить на F, то получим: Это выражение является вторым основным уравнением при тепловом расчете теплообменных аппаратов и называется уравнением теплопередачи. При конструктивном расчете теплообменных устройств тепловая производительность Q обычно задается; требуется определить площадь поверхности теплообмена F. Последняя найдется из уравнения: Из этого уравнения следует, что при нахождении поверхности теплообмена задача сводится к вычислению коэффициента теплопередачи k и усредненного по всей поверхности температурного напора Δt.
Коэффициент теплопередачи Для плоской стенки, коэффициент теплопередачи равен: Член в знаменателе представляет собой полное термическое Сопротивление теплопроводности твердой стенки, разделяющей теплоносители. Разделяющая стенка может быть как многослойной, так и однослойной. Для трубы коэффициент теплопередачи равен:
Средний температурный напор Изменение температур рабочих жидкостей для простейших случаев можно получить аналитическим путем. Рассмотрим простейший теплообменный аппарат, работающий по схеме прямотока. Для элемента поверхности теплообмена d. F уравнение теплопередачи запишется так: d. Q = k (t 1 -12 ) d. F = kΔt. F. (а)
Средний температурный напор Температура первичного теплоносителя понизится на dt 1, а вторичного повысится на dt 2. Следовательно, d. Q = -G 1 c. Pdt 1 = G 2 c. Pdt 2, Откуда dt 1 = - d. Q/G 1 c. P и dt 2 = - d. Q/G 2 c. P Изменение температурного напора при этом d(t 1 -t 2 ) = dt 1 - dt 2 = -(1/G 1 c. P + 1/G 2 c. P ) d. Q = - m d. Q, (б) где m = (1/G 1 c. P + 1/G 2 c. P ). Подставив в уравнение (б) значение d. Q из уравнения теплопередачи (а), найдем: d(t 1 -t 2 ) = -mk (t 1 -t 2 ) d. F. Обозначив (t 1 - t 2 ) = Δt последнее уравнение запишем как d(Δt)/ Δt = -mkd. F. Принимая m и k постоянными, проинтегрируем последнее уравнение от 0 до F и от Δt' до Δt : После интегрирования получим: или Отсюда видно, что вдоль поверхности теплообмена температурный напор изменяется по экспоненциальному закону.
Средний температурный напор Выражение для расчета средней разности температур можно записать в виде: Эту формулу часто записывают в следующем виде Последняя формула может быть использована как при прямотоке, так и противотоке. Полученная разность температур называется среднелогарифмическим температурным напором. В случаях, когда температура теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно (Δtб / Δtм < 2) , среднюю разность температур можно с достаточной степенью точности вычислить как среднюю арифметическую:
Поверочный расчёт При поверочном расчете по заданным расходам (G 1 , G 2) и температурам теплоносителей на входе в теплообменный аппарат (t′ 1, t′ 2), известной поверхности теплообмена F и коэффициенту теплопередачи k требуется определить конечные температуры теплоносителей и тепловую производительность Q. Такую задачу приходится решать, когда теплообменник уже спроектирован. В основе расчетов лежат те же уравнения теплового баланса и теплопередачи, т. е. и Здесь W 1 = G 1 c. P и W 2 = G 2 c. P. Рассмотрим случай, когда температура вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно (Δtб / Δtм < 2) и распределение температуры по длине поверхности можно принять линейным. Для этого случая средний температурный напор между теплоносителями можно рассчитать по формуле Из уравнения теплового баланса определим и
Поверочный расчёт Подставив полученные значения температур в уравнение для Δt, получим: Подставив это выражение в уравнение теплопередачи и решив последнее относительно Q, получим: Вычислив по формуле (5. 10) значение Q и подставив его в уравнение (б), найдем Вычислив значение Q и подставив его в уравнения для температуры теплоносителей на выходе из аппарата (см. выше) найдем их значения. Приведенная методика расчета является приближенной и пригодна только для ориентировочных расчетов. В общем случае характер изменения температур теплоносителей не является линейным, а зависит от расходов, площади поверхности теплообмена и схемы движения теплоносителей. Поэтому для прямотока и противотока расчетные формулы будут разными. Для вывода формул используется экспоненциальный закон изменения температурного напора вдоль поверхности теплообмена
Поверочный расчёт Прямоточная схема движения теплоносителей. Для вывода формул используем экспоненциальный закон изменения температурного напора вдоль поверхности теплообмена здесь: m = (1/G 1 c. P + 1/G 2 c. P ). В результате преобразований с учётом уравнения теплового баланса получены выражения для расчета температур на выходе из теплообменника : где Здесь W 1 = G 1 c. P и W 2 = G 2 c. P.
Поверочный расчёт Противоточная схема движения теплоносителей. Применительно к противоточной схеме движения формула для изменения температуры теплоносителей по длине поверхности имеет вид: В результате преобразований выражения для расчета температур на выходе из теплообменника имеют вид: где
Сравнение прямотока с противотоком Чтобы выяснить преимущество одной схемы перед другой, достаточно сравнить количество передаваемой теплоты при прямотоке и противотоке при равенстве прочих условий. На рис. приведена зависимость отношения количества теплоты, передаваемой при прямотоке Qп, к количеству теплоты, передаваемой при тех же условиях при противотоке Qz, как функция от W 1/W 2 и k. F/W 1. Прямоточная и противоточная схемы могут быть равноценны только: • При очень больших и очень малых значениях W 1/W 2. Соответствует случаю, когда изменение температуры одного из теплоносителей мало. • При очень малых значениях параметра k. F/W 1. Выполняется, когда температурный напор велик по сравнению с изменением температуры рабочей жидкости. •
Схема теплового расчёта Тепловой расчёт обычно имеет итеративный характер, поскольку число неизвестных может превышает количество уравнений. При первом приближении можно задаваться длиной труб или скоростью теплоносителя внутри труб. Задаваться нужно той величиной, значение которой можно задать точнее с учётом располагаемых данных.
Теплообменники
Теплообменники ПНД Подогреватели низкого давления применяются, в паротурбинной установке, для подогрева основного конденсата перед подачей его в дэаэратор турбоустановки. Подогрев основного конденсата осуществляется паром, поступающим из отборов турбины. Отбираемый из турбины пар конденсируется на трубках трубных пучков подогревателей, отдавая тепло протекающему в трубках основному конденсату. ПНД бывают горизонтального и вертикального типов. Как правило, горизонтальные ПНД встраиваются в конденсатор пара, далее для экономии места в маш. зале ПНД устраиваются вертикальными. Конструктивно ПНД, как все кожуотрубные теплообменные аппараты, состоят из корпуса, водяной камеры, для отвода конденсата, Uобразной трубной системы, развальзованной в трубных досках и трубных перегородках. Перегородки служат для направления потока пара и предотвращения вибрации трубного пучка.
ПНД
ПНД
Теплообменники ПНД
ПВД Подогреватели высокого давления служат для подогрева питательной воды высокого давления после дэаэратора перед подачей ее в котел. Подогрев питательной воды осуществляется паром, отбираемым из отборов турбины. В странах бывшего СССР преимущественно используются подогреватели спирально-коллекторного типа. Они состоят из опорного днища на юбочной опоре с коллекторами для подвода и отвода воды и пара. Коллектора соединены между собой трубной системой набранной из свитых в плоские спирали труб , закрытой сверху корпусом, присоединенным фланцевым соединением к опорному днищу. Охлажденная вода поступает через коллекторы в трубную систему теплообменника. Пар поступает через подводящий коллектор в корпус подогревателя, где проходя между трубками трубного пучка охлаждается и конденсируется на трубках пучка. Конденсат пара собирается в нижней части теплообменника и отводится при помощи регулирующего клапана.
ПВД
ПВД
ПСВ Подогреватель сетевой воды (бойлер) используется для подогрева сетевой воды паром, поступающим из отбора турбины. Подогретая вода используется для отопительных, технологических и бытовых нужд. 1 - патрубки входа и выхода воды; 2 - корпус; 3 - прием конденсата; 4 - выход конденсата греющего пара; 5 - слив воды из трубной системы; 6 - нижняя «плавающая» водяная камера; 7 - отсос воздуха; 8 - патрубок входа пара; 9 - верхняя водяная камера; 10 - опорная лапа
Упражнения 1.
Скачать презентацию Расчёт теплообменных аппаратов 1 Классификация теплообменных аппаратов 2
7_Расчёт теплообменных аппаратов.ppt