Общие сведения о теплообменниках

Теплообменник – это устройство, предназначенное для передачи теплоты от одного теплоносителя (горячего) другому (холодному).

По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках перенос теплоты от одного теплоносителя к другому происходит через разделяющую стенку.

В регенеративных теплообменникаххолодный и горячий теплоносители поочередно поступают в теплообменный аппарат или его часть. При этом теплообменник выступает как аккумулятор теплоты, который накапливает ее, когда в нем находится горячий теплоноситель и отдает ее холодному теплоносителю, когда он поступает в теплообменник. Типичным примером регенеративных теплообменников являются воздухонагреватели в газотурбинных установках.

В смесительных теплообменникахперенос теплоты от горячего теплоносителя к холодному осуществляется при их непосредственном контакте и смешивании. Примерами таких теплообменников являются смесительные конденсаторы, градирни и т. п.

Наиболее широкое распространение нашли рекуперативные теплообменники, которые классифицируют по назначению, роду теплоносителей, характеру их движения относительно теплопередающей поверхности и по организации движения теплоносителей относительно друг друга.

 

3.2.

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Основы расчета рекуперативных теплообменников

Расчеты теплообменных аппаратов включают тепловой расчет, гидравлические, компоновочные и прочностные расчеты.

Основной задачей теплового расчета теплообменникапри его проектировании является определение площади поверхности теплообмена для заданной тепловой мощности теплообменника (теплового потока, передаваемого через поверхность теплообмена). При проверочных расчетах обычно для заданных конструктивных параметров теплообменника определяется тепловой поток, передаваемый через поверхность теплообмена, или температуры теплоносителей на выходе из теплообменника.

Тепловой расчет теплообменника ведут с использованием уравнения теплового баланса и основного уравнения теплопередачи. Уравнение теплового баланса имеет вид

,

где

– тепловой поток, отдаваемый горячим теплоносителем, кВт;

– тепловой поток, воспринимаемый холодным теплоносителем, кВт;

– потери теплоты в окружающую среду в единицу времени, кВт.

Учитывая, что величина тепловых потерь мала по сравнению с тепловым потоком, передаваемым через поверхность теплообмена между теплоносителями, часто уравнение теплового баланса используют в виде

.

Здесь величину можно считать тепловой мощностью теплообменника.

Как правило, процесс теплообмена в теплообменнике осуществляется при постоянном давлении. В этом случае количество теплоты, отданное или полученное теплоносителем, может быть найдено по разности энтальпий теплоносителей на входе и выходе из теплообменника и уравнение теплового баланса может быть записано следующим образом:

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

, (3.41)

где

и – массовый расход через теплообменник, соответственно, горячего и холодного теплоносителя, кг/с;

и – удельная энтальпия горячего теплоносителя, соответственно, на входе и выходе из теплообменника, кДж/кг;

и – удельная энтальпия холодного теплоносителя, соответственно, на входе и выходе из теплообменника, кДж/кг.

При отсутствии фазовых превращений теплоносителей в теплообменнике уравнение теплового баланса можно записать в виде

, (3.42)

где

и – удельная массовая изобарная теплоемкость, соответственно, горячего и холодного теплоносителя, кДж/кг К;

и – температура горячего теплоносителя, соответственно, на входе и выходе из теплообменника, ;

и – температура холодного теплоносителя, соответственно, на входе и выходе из теплообменника, .

Уравнение теплового баланса обычно используется для определения тепловой мощности теплообменника, либо расхода одного из теплоносителей, либо перепада температур.

Основное уравнение теплопередачи

обычно используют для расчета площади теплопередачи.

Здесь – тепловой поток, передаваемый через поверхность теплообмена (тепловая мощность теплообменника), кВт;

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

– коэффициент теплопередачи, ;

– площадь поверхности теплообмена, ;

– средний температурный напор (усредненная по поверхности теплообменника разность температур горячего и холодного теплоносителя), .

Площадь поверхности теплопередачи из уравнения теплопередачи рассчитывается по формуле

. (3.43)

Величина расчетного температурного напоразависит от организации движения теплоносителей друг относительно друга и от начальных и конечных температур теплоносителей. На рисунке 3.3. представлены основные схемы движения теплоносителей в теплообменниках

Рис. 3.3. Схемы движения теплоносителей

а – прямоток; б – противоток; в – смешанное движение; г – перекрест; д,е – сложный перекрест.

Для простейших схем движения – прямотока и противотока расчетный температурный напор определяется как среднелогарифмический

, (3.44)

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

где

и – большее и меньшее значение температурного напора на входе и выходе из теплообменника.

При незначительной разнице и ( / ) расчетный температурный напор можно определять как среднеарифметический

.

Характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена зависит от схемы движения теплоносителей, соотношения теплоемкостей массовых расходов теплоносителей и наличия фазовых превращений теплоносителей в процессе теплообмена (см. рисунки 3.4., 3.5.).

При сложных схемах движения теплоносителей средний температурный напор определяют, умножая температурный напор, рассчитанный для противотока, на поправочный коэффициент, который находят по номограммам, приводимым в специальной литературе, с учетом схемы движения теплоносителей и перепадов их температур.

Рис. 3.4. Изменение температуры теплоносителей по поверхности теплообмена при отсутствии фазовых превращений теплоносителей

а) – прямоток; б) - противоток

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Рис. 3.5. Изменение температуры теплоносителей по поверхности теплообмена при фазовых превращениях теплоносителей

а) – при конденсации горячего теплоносителя; б) – при испарении холодного теплоносителя; в) – при фазовых превращениях

обоих теплоносителей

 

 

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Задача 3

Выполнить тепловой расчёт кожухотрубного теплообменника для нагрева воды от = 15 ^оС до = 97 ^оС с расчетным расходом воды т _в = 15200 кг/ч. Греющим теплоносителем является насыщенный пар с давлением р _г= 0,28 МПа. Греющие трубки наружным диаметром d _н= 30 мм и толщиной стенки δ = 2,0 мм выполнены из нержавеющей стали с коэффициентом теплопроводности λ = 45 Вт/ м˖К.

Рассчитать коэффициент теплоотдачи со стороны воды и определить площадь поверхности теплопередачи, количество трубок в пучке и количество ходов трубной части теплообменника при расчетной скорости воды ω = 1,1 м/с, расчетной длине трубной части теплообменника l = 2,1 м и коэффициенте теплоотдачи со стороны пара = 5800 Вт/ м²ˑК.

Определить часовой расход греющего пара. Представить схему устройства теплообменника.

Решение

Из справочных таблиц выписываем основные теплофизические характеристики теплоносителей.

Предварительно рассчитываем среднюю температуру воды

При этой температуре для воды имеем следующие значения параметров:

плотность = 981,2 кг/м³,

кинематическая вязкость = 0,518˖10^-6 м²/с,

коэффициент теплопроводности = 65,5 Вт/м·К,

теплоемкость = 4,147 кДж/кг˖К.

 

 

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Сухой насыщенный пар при заданном давлении р _г = 0,28 МПа имеет температуру = 131 ^оС и энтальпию = 2722 кДж/кг.

Определяем тепловой поток, передаваемый воде по формуле

, кВт, (П3.1)

где

– расход воды через теплообменник, кг/с;

– теплоемкость воды, кДж/кг·К;

и – температура воды на входе, ^оС.

В свою очередь = 15200 / 3600 = 4,23 кг/с.

Подставляя исходные данные в формулу (П3.1), получим

Q =4,23˖4,147(97 – 15) =1438,4 кВт.

Часовой расход греющего пара

где – удельная энтальпия греющего пара, кДж/кг;

– удельная энтальпия конденсата, кДж/кг.

Приняв температуру конденсата = 128 ^оС (на 3 ^оС ниже температуры греющего пара), рассчитываем энтальпию конденсата

4,15˖128 = 531,2 кДж/кг.

Расход пара, рассчитанный по формуле (П3.2), составляет

Определяем количество трубок в пучке и режим движения воды при заданной скорости течения.

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Количество трубок в пучке

,

где

- расход воды через теплообменник, кг/с;

ω - скорость движения воды, м/с;

- плотность воды, кг/м³;

- внутренний диаметр трубок, м.

При этом .

Принимаем количество трубок равным 7 и уточняем значение скорости

.

Число Рейнольдса, определяющее режим движения, находится по формуле

,

где

- скорость движения теплоносителя, м/с;

- внутренний диаметр трубок, м;

- кинематическая вязкость, м²/с.

Подставляя соответствующие параметры для воды, получаем

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Полученное значение числа Рейнольдса свидетельствует о том, что режим движения воды – турбулентный.

Рассчитываем коэффициент теплопередачи как для плоской разделяющей стенки по формуле

, (П3.3)

где

– коэффициенты теплоотдачи с одной и другой стороны разделяющей стенки, ;

– толщина стенки, м;

– коэффициент теплопроводности материала стенки,

Для определения коэффициентов теплоотдачи используем теорию подобия и критериальные зависимости [1, 2], конкретный вид которых зависит от условий теплообмена, в том числе режима движения теплоносителей. Режим движения определяется по значению числа Рейнольдса

В зависимости от режима движения воды выбираем соответствующий вид критериального уравнения.

При вынужденном движении жидкости в трубах критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплообмена между стенкой и жидкостью для турбулентного режима (при Re> 10000) можно определить по формуле [4]

(П3.4)

где

– критерий Прандля для воды соответственно при средней температуре воды и при температуре стенки.

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Температурой стенки предварительно задаются и при необходимости это значение уточняют методом последовательных приближений.

ор В первом приближении температуру стенки примем равной среднему значению между температурами теплоносителей

При соответствующей температуре из справочных таблиц находим –

= 3,04 и = 1,79.

Подставляя значения в формулу (П3.4),получаем

Учитывая, что , находим значение коэффициента теплоотдачи со стороны воды

Коэффициент теплоотдачи со стороны пара принимаем согласно заданию

= 5800 Вт/м² ˖К.

Подставляем значения коэффициентов теплоотдачи в формулу для коэффициента теплопередачи (П3.3) и получаем

Площадь поверхности теплопередачи из уравнения теплопередачи рассчитывается по формуле

, (П3.5)

где – расчетный температурный напор определяем как среднелогарифмический

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

где и – большее и меньшее значение температурного напора на входе и выходе из теплообменника.

Подставляя соответствующие значения в формулу (П3.5). получаем

Определяем число ходов трубной части теплообменника

где

– количество труб в пучке;

– число ходов трубной части теплообменника;

– расчетная длина трубной части;

– средний диаметр трубок, м.

Принимаем количество ходов равное 6 и уточняем длину трубной части из условия обеспечения требуемой площади теплопередачи

Полученное значение округляем до величины, кратной 0,1 м и принимаем =1,9 м.

Рассчитываем внутренний диаметр кожуха по приближенной формуле

где – шаг разбивки трубной доски, м (;

– коэффициент использования площади трубной доски (

Принимаем = 0,24 м.

Лист

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

 

Схема теплообменника представлена на рис. П3.1.

 

 

Литература

1. Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Теплотехника. – М.: Энергоатомиздат, 2006.

2. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981.

3. Теплотехника. /Под ред. А.П. Баскакова.- М.: Энергоатомиздат, 1991.

4. Теплотехника. /Под ред. В.Н. Луканина.- М.: Высшая школа, 2000.