Схемы движения теплоносителей

Введение

Теплообменными аппаратами принято называть устройства, предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, кипение, конденсация, расплавление, затвердевание и, наконец, более сложные, комбинированные процессы. Количество тел, участвующих в этих процессах, может быть больше двух, а именно: тепло может передаваться от одного тела к нескольким другим телам или, наоборот, от нескольких тел к одному. Эти тела, отдающие или воспринимающие тепло, принято называть теплоносителями.

Теплообменные аппараты.

Классификация теплообменных аппаратов

По принципу работыТА делятся на поверхностные (рекуперативные и регенеративные) и контактные.

В рекуперативных поверхностных ТА обменивающиеся теплотой среды протекают одновременно и передача теплоты происходит через разделяющую их поверхность.

В регенеративных ТА поверхность теплообмена по очереди омывается то греющим, то нагреваемым теплоносителем.

В контактных ТА передача теплоты от греющего теплоносителя к нагреваемому происходит при непосредственном их контакте. Контактные ТА делят на смесительные и барботажные. В аппаратах смесительного типа нагреваемый и греющий теплоносители перемешиваются. В барботажных аппаратах греющий теплоноситель прокачивается через нагреваемый, или наоборот, не смешиваясь с ним.

По роду теплоносителейразличают ТА: жидкость-жидкость, пар-жидкость, газ-жидкость, пар-пар, пар-газ, газ-газ.

В зависимости от изменения агрегатного состояния теплоносителей ТА делят: без изменения агрегатного состояния; с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя; с изменением состояния обоих теплоносителей.

По характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности ТА делят на три типа: с естественной циркуляцией; с принудительной циркуляцией; с движением жидкости под действием сил гравитации.

По роду теплового режима ТА могут быть со стационарными и не стационарными процессами теплообмена. Рекуперативные ТА в основном работают в установившемся стационарном режиме, а регенеративные – в нестационарном режиме.

Схемы движения теплоносителей

По схемам тока теплоносителей рекуперативные ТА можно разделить на три группы: с постоянной температурой ( и ) обоих теплоносителей, равной температуре и ; с постоянной температурой одного теплоносителя; с переменной температурой обоих теплоносителей.

В зависимости от взаимного направления потоков теплоносителей в последней, наиболее распространенной группе ТА, различают прямоток, противоток, перекрестный ток, смешанный ток, а также сложные схемы тока.

Схемы однократного и многократного перекрестного тока можно выделить в три группы в зависимости от наличия градиента температуры теплоносителя в сечениях ТА, нормальных к направлению движения теплоносителя. Если, например, жидкость протекает внутри труб, а газообразный теплоноситель движется перпендикулярно к трубному пучку и может свободно перемешиваться в межтрубном пространстве, то его температура в сечении, нормальном к направлению движения газа, выравнивается. Поскольку жидкость проходит внутри труб отдельными не перемешиваемыми между собой потоками, в сечении пучка всегда имеет место градиент температур. В рассмотренном примере газообразный теплоноситель считается идеально перемешанным, а жидкость в трубах абсолютно не перемешанной. С этой точки зрения возможны следующие три случая: оба теплоносителя идеально перемешаны и градиенты их темперетур в поперечном сечении равны нулю; один из теплоносителей идеально перемешан, другой не перемешан; оба теплоносителя абсолютно не перемешаны.

1.3.Средний температурный напор

Широко распространенные методы теплового расчета ТА базируются на их моделях с сосредоточенными параметрами. Изменяющиеся в общем случае в результате изменения температур теплоносителей теплофизические свойства теплоносителей, коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, а также температурный напор в моделях с сосредоточенными параметрами принимают равномерно распределенными во всем объеме аппарата. Это допущение позволяет использовать уравнение, согласно которому средний температурный напор:

Ниже приведены уравнения для расчета в ТА с различными схемами тока.

Противоток:

Прямоток:

Однократный перекрестный ток:

1.4. Порядок теплового расчета ТА

Заданными являются площадь поверхности теплопередачи и любая пара температур из набора

1. Задают значение еще одной концевой температуры; например: если заданы , то задают значение по условиям эксплуатации или технологий.

2. Определяют значение неизвестной концевой температуры из
уравнения теплового баланса:

3.Рассчитывают средний температурный напор противоточной схемы тока для заданных значений температур.

4.Находят коэффициенты теплоотдачи: от греющего теплоносителя

к стенке, разделяющей теплоносители, и от стенки к нагреваемому теплоносителю, а также коэффициент теплопередачи.

5.По уравнению теплопередачи определяют требуемую для обеспечения температур площадь поверхности теплопередачи

а затем коэффициент запаса

Если > 1, то расчет заканчивают, если < 1, то назначают новые, скорректированные по результатам выполненного расчета значения концевых температур и расчет повторяют вновь до получения > 1.

Корректировка заключается в уменьшении перепадов температур

и .

1.5. Гидромеханический расчет ТА

Между теплопередачей и потерей давления существует тесная физическая и экономическая связь. Чем больше скорости теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее для заданной тепловой производительности теплообменник, а следовательно, меньше капитальные затраты. Но при этом растет сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные затраты. При проектировании теплообменных аппаратов необходимо решать совместно задачу теплообмена и гидравлического сопротивления и найти наивыгоднейшие характеристики.

Основной задачей гидромеханического расчета теплообменных аппаратов является определение потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат. Так как теплообмен и гидравлическое сопротивление неизбежно связаны со скоростью движения теплоносителей, то последняя должна выбираться в некоторых оптимальных пределах, определяемых, с одной стороны, стоимостью поверхности теплообмена аппарата данной конструкции, а с другой - стоимостью затрачиваемой энергии при эксплуатации аппарата.

Гидравлическое сопротивление в теплообменных аппаратах определяется условиями движения теплоносителей и особенностями конструкции аппарата.

Из сказанного следует, что данные гидромеханического расчета являются важным фактором в оценке рациональности конструкции теплообменных аппаратов.

Опыты указывают на то, что даже в самых простых теплообменных аппаратах структура потока теплоносителя очень сложна. В силу этого в подавляющем большинстве случаев гидравлическое сопротивление в ТА можно рассчитать только приближенно.

В зависимости от природы возникновения движения гидравлические сопротивления движению теплоносителей различают как сопротивления трения, которые обусловлены вязкостью жидкости и проявляются лишь в местах безотрывного течения, и местные сопротивления. Последние обуславливаются различными местными препятствиями движению потока (сужение и расширение канала, обтекание препятствия, повороты и др.). Сказанное справедливо для изотермического потока, однако если движение теплоносителя происходит в условиях теплообмена и аппарат сообщается с окружающей средой, то будут возникать дополнительные сопротивления, связанные с ускорением потока вследствие неизотермичности, и сопротивление самотяги. Сопротивление самотяги возникает вследствие того, что вынужденному движению нагретой жидкости на нисходящих участках канала противодействует подъемная сила, направленная вверх.

Таким образом, полный перепад давления, необходимый при движении жидкости или газа через теплообменник, определится формулой:

где - сумма сопротивления трения на всех участках поверхности теплообмена (каналов, пучков труб, стенок и др);

- сумма потерь давления в местных сопротивлениях;

- сумма потерь давления, обусловленных ускорением потока;

- суммарная затрата давления на преодоление

---

Дата добавления: 2015-07-14