Файл: Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических.doc

Имеется ряд других высокотемпературных теплоносителей, в том числе минеральные масла, органические соединения, расплавы солей и металлов.

Низкотемпературные теплоносители представляют собой вещества, кипящие при t< 0 °C. Это такие вещества, как аммиак NH₃ , двуокись углерода СO₂, сернистый ангидрид SO₂, а также фреоны, которые применяются в холодильной технике в качестве хладагентов.

Конструкции теплообменных аппаратов могут быть самыми разнообразными в зависимости от области их применения.
17.2. Конструкторский и поверочный расчет аппаратов

поверхностного типа
Конструкции теплообменных аппаратов весьма разнообразны, однако для всех теплообменников применяется общая методика их теплотехнических расчетов. Существует два вида расчетов: конструкторский (проектный) и поверочный.

Конструкторский расчет выполняется при проектировании теплообменного аппарата, когда заданы теплопроизводительность установки, типы теплоносителей, их расходы и параметры. В таблице 17.2. представлена последовательность конструкторского расчета (теплотехнической части).
Таблица 17.2.

Последовательность конструкторского расчёта

Необходимые исходные данные	Требуется определить
Тип теплообменного аппарата. Виды теплоносителей. Теплопроизводительность аппарата (расход одного из теплоносителей и его начальные и конечные температуры).	Физические параметры и скорость движения теплоносителей. Расход второго теплоносителя. Среднюю разность температур. Коэффициент теплопередачи. Поверхность теплообмена. Конструктивные размеры аппарата.

Целью такого расчета является определение поверхности теплообмена и конструктивных размеров, выбранного типа аппаратов. Конструкторский расчет включает тепловой расчет, гидравлический и механический расчет.

Поверочный расчет проводится для установления возможности применения имеющихся или стандартных теплообменных аппаратов для необходимых технологических процессов.

---

17.2.1. Определение физических параметров и скоростей движения теплоносителей
Теплообмен между теплоносителями существенно изменяется в зависимости от физических свойств и параметров движущихся сред, а также от гидродинамических условий движения, физические параметры теплоносителей зависят от температуры и определяются по справочникам в зависимости от выбранной температуры среды

.

где , – начальное и конечное значение температуры теплоносителя.

Основными физическими величинами рабочих сред обычно являются плотность, вязкость, теплопроводность, теплоемкость, температура кипения, теплота парообразования или конденсации и т.п.

Все теплофизические характеристики можно приближенно находить по их линейной зависимости от температуры (при ):

; ; .

Физические параметры вещества в справочниках представлены в виде диаграмм, номограмм или таблиц.

Выбор оптимальной скорости потока имеет большое значение для качественной работы теплообменного аппарата, так как при увеличении скорости движения интенсифицируется теплообмен, а следовательно уменьшается поверхность нагрева. Но чрезмерное увеличение скорости может привести к резкому увеличению гидравлического сопротивления установки, что создает перерасход энергии на перекачку, приведет к появлению гидравлических ударов и вибрации конструкции. Скорость определяется при известном расходе теплоносителя по следующей формуле

,

где - эквивалентный диаметр проходного сечения.

Обычно максимальное значение скорости выбирается в соответствии с критическим значением числа :

,

гарантирующим переход к турбулентному режиму движения потока. Критическое число берётся как справочное значение для заданных условий движения среды и её вида.

---

17.2.2. Тепловые балансы теплообменных аппаратов
Тепловой расчет начинается с определения тепловой нагрузки аппарата и расхода одного из теплоносителей.

Тепловая нагрузка – это количество тепловой энергии, переданное от одного теплоносителя к другому.

Тепловая нагрузка без учета тепловых потерь

.

Тепловая нагрузка с учетом тепловых потерь

возникает за счет потерь, тепловой энергии в окружающую среду, которые составляют обычно 2÷3 %. Соответственно коэффициент потерь тепла составляет

.

Для нагревателей (бойлеров, воздухоподогревателей и т. д.) используются уравнения теплового баланса:

; ,

где , – расходы теплоносителей;

, – их теплоемкости;

, , , – начальные и конечные температуры теплоносителей.

В этом случае можно найти расход греющего теплоносителя

.

Если нагрев теплоносителя происходит за счет конденсации пара, то

, ,

где D – расход греющего пара;

– энтальпия пара на входе в аппарат ;

– энтальпия конденсата .

Если в аппарате (испарителе) происходит процесс испарения, то

,

складывается из энергии нагрева теплоносителя и энергии его испарения:

.

При этом энергия нагрева теплоносителя

.

Энергия испарения теплоносителя

,

где – температура насыщения;

– скрытая теплота парообразования.

Тогда количество греющего пара определяется

.

Некоторые аппараты (конденсаторы) предназначены для конденсации пара:

;

.

Количество тепловой энергии, отведенной от перегретого пара

.

Количество тепловой энергии, отведенной при конденсации

.

Количество тепловой энергии, отведенной при переохлаждении конденсата

.

Для холодильников:

; ;

.

17.2.3. Уравнение теплопередачи рекуперативного теплообменника
Для расчета поверхности нагрева теплообменного аппарата используется уравнение теплопередачи:

где k – коэффициент теплопередачи в теплообменнике;

– средний температурный напор в теплообменнике.

Зная величину из уравнения теплового баланса, можно получить

.
17.2.4. Определение среднего температурного напора

---

Приступая к определению среднего температурного напора необходимо определить характер изменения температуры теплоносителей (рис. 17.1, 17.2), выбрать схему их движения так, чтобы получить максимальную среднюю разность температур.

Если температура обоих теплоносителей изменяется вдоль поверхности теплообмена, то при противотоке и прямотоке

где – большая разность температур между двумя теплоносителями;

– меньшая разность температур.

Полученное значение называется среднелогарифмическим температурным напором. В тех случаях, когда температура теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно (если ), средняя разность температур вычисляется по упрощенной формуле

.

Рис. 17.1. Характер изменения температуры в теплообменниках при прямотоке

Рис. 17.2. Характер изменения температуры в теплообменниках при противотоке

Для сложных процессов движения теплоносителей вводится поправка

(противоток).

При известном температурном напоре и коэффициенте теплопередачи kможно рассчитать средние значения температур поверхности нагрева.

Так как

,

тогда

,

.

Если аппарат имеет несколько зон нагрева или охлаждения, то среднюю разность температур подсчитывают для каждой из зон отдельно.
17.2.5. Определение коэффициента теплопередачи в теплообменном аппарате
Известно, что для плоской стенки коэффициент теплоотдачи определяется по формуле

.

При расчете kв первую очередь необходимо выполнить анализ частных термических сопротивлений и если возможно, следует произвести упрощение расчетной формулы.

В большинстве случаев термическое сопротивление стенки (поверхности теплопередачи) значительно меньше термического сопротивления процессов конвективного теплообмена и им можно пренебрегать.

Если

,

тогда

.

Необходимо учитывать влияние на коэффициент теплоотдачи температуры теплоносителей, которая меняется на поверхности теплообмена. Средняя температура теплоносителя для расчета k берется по зависимостям

– для веществ, если (если ).

Иногда рассчитывают коэффициенты теплопередачи по температурам теплоносителей в начале и конце поверхности нагрева. Если получение величины и отличаются друг от друга не очень значительно, то

---

.

В большинстве случаев такое осреднение является достаточным. Для более точного определения k поверхность нагрева разделяют на отдельные участки, в пределах которых коэффициент теплопередачи изменяется незначительно и для каждого участка расчет производится отдельно

,

где – площадь каждого рассчитываемого участка поверхности теплопередачи.

17.3. Особенности расчета теплообменного аппарата смешивающего типа
В теплообменных аппаратах смешивающего типа (рис. 17.3) могут быть два случая теплообмена:

• 
  если смешиваются теплоносители с одинаковым фазовым состоянием;
  
• 
  если смешивающиеся среды находятся в различных фазовых состояниях.
  

Во втором случае обязательно происходят процессы фазового перехода – испарение, конденсация, плавление, кристаллизация и т. д.


Рис. 17.3. Принципиальная схема теплообменного аппарата смешивающего типа
В случае смешения однородных сред расчет аппарата сводится к решению уравнений материального и теплового баланса теплообменника.

Уравнения материального баланса теплообменника:

;

;

;

; .

Уравнения теплового баланса теплообменника:

;

.

Массовые характеристики также могут быть связаны с долевым показателем

.

Конструкция теплообменного аппарата должна обеспечивать максимально возможный контакт смешивающихся сред, поэтому смешивающиеся потоки обычно движутся вихреобразно или проходят через специальные смесительные насадки.

Смешивающие теплообменники применяют в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, системах водяного отопления, скруберы применяются для очистки газов и воздуха от пыли, конденсаторы и смешивающие подогреватели для нагрева различных сред.

Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала

1. 
   Для чего предназначены теплообменные аппараты?
   
2. 
   Рассмотрите классификацию теплообменных аппаратов.
   
3. 
   Какие теплоносители используются в теплообменных аппаратах?
   
4. 
   Какими качествами должны обладать теплоносители?
   
5. 
   В каких случаях применяются высокотемпературные теплоносители?
   
6. 
   В каких случаях применяют низкотемпературные теплоносители?
   
7. 
   В чем особенность конструкторского расчета теплообменного аппарата?
   
8. 
   В чем особенность поверочного расчета теплообменного аппарата?
   
9. 
   Дайте характеристику тепловой нагрузке теплообменного аппарата?
   
10. 
    Как рассчитать коэффициент потерь теплоты в теплообменнике?
    
11. 
    Какие величины можно определить при расчете поверхностного теплообменника?
    
12. 
    Какие данные необходимы для конструкторского расчета теплообменника?
    
13. 
    Запишите уравнения теплового баланса рекуперативного теплообменника.
    
14. 
    Запишите уравнение теплопередачи рекуперативного теплообменника.
    
15. 
    Как определить средний температурный напор в поверхностном теплообменнике?
    
16. 
    Изобразите графики изменения температуры сред при прямотоке и противотоке.
    
17. 
    Как рассчитать коэффициент теплопередачи в поверхностном теплообменнике?
    
18. 
    Объясните принцип действия контактного смешивающего теплообменника.
    
19. 
    Какие величины определяются при расчете теплообменников-смесителей?
    
20. 
    Приведите примеры использования теплообменных аппаратов на практике.
    

---