Теплообменные аппараты

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
Теплообменные аппараты

Содержание

2. Классификация теплообменных аппаратов Устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой, называются теплообменниками. По
3. нагретая поверхность отдает теплоту холодной среде. Примерами могут служить вращающиеся и переключающиеся регенеративные теплоутилизаторы систем вентиляции.
4. Основные принципы теплового расчета теплообменных аппаратов Расчеты теплообменников бывают проектные и поверочные. Проектные выполняют при разработке
5. При и начальная и конечная энтальпия теплоносителя. Для горячего теплоносителя используем индекс «1», для холодного –
6. Принимая и получим: Т.к. , то при расчетах в уравнения подставляются до Иногда в расчетах используют
7. Тогда получим: Таким образом, отношение изменения температур теплоносителей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов. При изменении
8. Уравнение (1) справедливо для конечной поверхности теплообмена и для любого элементарного участка : Рассмотрим уравнение теплопередачи:
9. по всей поверхности. При переменных температурах изменяется и температурный напор и коэффициент теплопередачи. Тогда: Интегрируя, получим
10. Тогда: Разделим и умножим на : Уравнение также является основным уравнением при расчете теплообменников. При проектном
11. Коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплообмена: – полное термическое сопротивление стенки, состоящей из При рассмотрении теплообменников
12. Изменение температуры теплоносителей в теплообменниках а – прямоточных; б – противоточных; в – перекрестного тока; г
13. Изменение температуры теплоносителей вдоль поверхности определяется схемой движения и соотношением водяных эквивалентов теплоносителей. Рассмотрим прямоточный теплообменник.
14. Принимая и постоянными, получим:
15. Тогда Таким образом, температурный напор изменяется вдоль поверхности теплообмена по экспоненциальному закону. и уравнение теплового баланса
16. Поэтому по ходу движения первичной среды уменьшается при и увеличивается при Среднюю разность температур находим по
17. Если усреднение происходит по всей поверхности теплообмена, то то: или среднелогарифмический температурный напор: большая и меньшая
18. При сложных схемах движения теплоносителей сначала вычисляют температурный напор: Затем вспомогательные величины:
19. Используя справочный материал, по данным и определяется поправка и температурный напор вычисляется по формуле: При поверочном
20. Уравнение теплового баланса: Определяем и : Подставляя (5) в (4), получим: Определим тепловую производительность: (5)
21. Подставляя , определим значения и Однако эта методика может быть использована для приближенных расчетов, т.к. распределение
22. Тогда: Преобразуем к виду: Отсюда:
23. И окончательно имеем: Неизвестные величины и определяются из уравнения теплового баланса: Тогда: Получаем уравнение для нахождения
24. Аналогично определяется величина : Для противоточного движения теплоносителей в качестве исходного уравнения принимается: Вывод уравнений аналогичен
25. Количество переданной теплоты для противотока и прямотока определяется: при равенстве прочих условий. Прямоточная либо очень мало,
26. Для цилиндрических стенок: При известном распределении теплового потока по поверхности теплообмена температуры поверхности рассчитывают по формуле
27. Расчет регенеративных теплообменников Поверхность этих аппаратов попеременно является теплоотдающей и тепловоспринимающей. Время полного цикла теплообмена: где
28. Количество переданной к единице поверхности теплоты за период нагревания: где суммарный коэффициент теплоотдачи за период нагревания;
29. При установившемся состоянии или: Обозначим Тогда: Преобразуя, имеем: Отсюда: или: или:
30. Тогда: после преобразований, получим: =
31. Пусть продолжительность периодов нагрева и охлаждения равна единице, а разность температур Тогда получим уравнение, аналогичное уравнению
33. Скачать презентацию

Слайд 2

Классификация теплообменных аппаратов
Устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды

к другой, называются теплообменниками. По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Существуют также теплообменники, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя происходит за счет внутренних источников теплоты.
Устройства, в которых две среды с различными температурами движутся в пространстве, разделенном твердой стенкой, называются рекуперативными теплообменными аппаратами. В таких аппаратах процесс передачи теплоты происходит за счет конвекции и теплопроводности через разделяющую стенку. Если при этом хотя бы один из теплоносителей является излучающим газом, то передача теплоты происходит и излучением. Примерами таких теплообменников можно назвать котлы, подогреватели, конденсаторы и т.п.
К регенеративным аппаратам относятся такие аппараты, в которых одна и та же поверхность через определенные промежутки времени омывается попеременно то горячей, то холодной средой. Процесс теплообмена происходит в нестационарных условиях: поверхность теплообмена сначала отбирает теплоту от горячей среды и нагревается, а затем

Слайд 3

нагретая поверхность отдает теплоту холодной среде. Примерами могут служить вращающиеся и

переключающиеся регенеративные теплоутилизаторы систем вентиляции.

Общим для рекуперативных и регенеративных теплообменников является то, что передача теплоты в них осуществляется через поверхность твердого тела. Такие теплообменники называются поверхностными.
В смесительных теплообменниках процесс теплообмена осуществляется при непосредственном смешивании теплоносителей. Примером могут служить градирни, в которых падающие капли воды охлаждаются атмосферным воздухом. При этом воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды.
В теплообменниках с внутренним источником энергии применяется один теплоноситель, который отводит теплоту, выделившуюся в аппарате. Примером могут служить электронагреватели.

Слайд 4

Основные принципы теплового расчета теплообменных аппаратов
Расчеты теплообменников бывают проектные и

поверочные.
Проектные выполняют при разработке новых теплообменных аппаратов с целью определения размера поверхности теплообмена.
Поверочные выполняют при известной поверхности теплообмена с целью определения параметров теплоносителей и количества передаваемой теплоты.
Методики расчета сводятся к решению уравнений теплового баланса и теплообмена, основанных на законах сохранения массы и энергии

Расчет рекуперативных теплообменников

Рассмотрим расчет рекуперативных теплообменников для стационарного процесса.
Изменение энтальпии теплоносителя при теплообмене определяется следующим уравнением:

расход, кг/с;

удельная энтальпия, Дж/кг.

Слайд 5

При
и
начальная и конечная энтальпия теплоносителя.
Для горячего теплоносителя используем

индекс «1», для холодного – «2»; для параметров на входе в теплообменник – «’», на выходе – «”».

Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

Или после интегрирования:

Слайд 6

Принимая
и
получим:
Т.к.
, то при расчетах в уравнения подставляются

до

Иногда в расчетах используют полную теплоемкость, называемую водяным эквивалентом:

среднее значение в диапазоне температур от

Слайд 7

Тогда получим:
Таким образом, отношение изменения температур теплоносителей обратно пропорционально отношению их

водяных эквивалентов. При изменении агрегатного состояния вещества

Следовательно, для такого теплоносителя водяной эквивалент

будет равняться нулю.

(1)

Слайд 8

Уравнение (1) справедливо для конечной поверхности теплообмена
и для любого элементарного

участка

Рассмотрим уравнение теплопередачи:

коэффициент теплопередачи;

температуры теплоносителей;

поверхность теплообмена

Уравнение (2) справедливо при постоянстве температур

(2)

Слайд 9

по всей поверхности. При переменных температурах изменяется и температурный напор

и коэффициент теплопередачи. Тогда:

Интегрируя, получим полный тепловой поток через поверхность теплообмена:

Изменение

часто незначительно, и этим изменением пренебрегают. Если зависимость существенна, то площадь поверхности теплообмена разбивают на несколько участков со своими коэффициентами и затем усредняют:

по поверхности теплообмена на практике

Слайд 10

Тогда:
Разделим и умножим на
:
Уравнение также является основным уравнением при расчете

теплообменников. При проектном расчете задается их

Требуется определить поверхность теплообмена

средний температурный напор.

теплопроизводительность

, Вт.

, м2

В общем случае коэффициент теплоотдачи равен:

коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением.

Слайд 11

Коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплообмена:
– полное термическое сопротивление стенки,

состоящей из

При рассмотрении теплообменников с непрерывно меняющейся температурой теплоносителей различают теплообменники следующих типов (рис):
– прямого тока;
– противоточные;
– перекрестного тока;
– со сложным движением теплоносителей (смешанного типа).
Если движение теплоносителей параллельно в одном направлении (рис.а), то такая схема называется прямотоком. Если движение теплоносителей параллельно в противоположном направлении (рис.б), противотоком. Если движение теплоносителей перпендикулярно друг другу (рис.в), перекрестным током. При наличии различных направлений движения потоков – схема называется смешанной (рис.г).

слоев.

Слайд 12

Изменение температуры теплоносителей в теплообменниках
а – прямоточных; б – противоточных; в

– перекрестного тока; г – смешанных

Слайд 13

Изменение температуры теплоносителей вдоль поверхности определяется схемой движения и соотношением водяных

эквивалентов теплоносителей.
Рассмотрим прямоточный теплообменник. Для элемента поверхности запишем:

Изменение температурного напора будет иметь вид:

Слайд 14

Принимая
и
постоянными, получим:

Слайд 15

Тогда
Таким образом, температурный напор изменяется вдоль поверхности теплообмена по экспоненциальному закону.
и

уравнение теплового баланса имеет вид:

Изменение температурного напора будет иметь вид:

температурный напор на входе в теплообменник

В противоточных теплообменниках температура вдоль

убывает,

(3)

Слайд 16

Поэтому
по ходу движения первичной среды уменьшается при
и увеличивается

при

Среднюю разность температур находим по формуле:

локальное значение температурного напора

Интегрируя, получим:

После преобразований получим:

Слайд 17

Если усреднение происходит по всей поверхности теплообмена, то
то:
или среднелогарифмический температурный

напор:

большая и меньшая разность температур.

напор сохраняется вдоль поверхности. При незначительном изменении температуры вдоль поверхности вместо среднеинтегральной используют среднеарифметическую:

При противотоке, если

, то температурный

Слайд 18

При сложных схемах движения теплоносителей сначала вычисляют температурный напор:
Затем вспомогательные величины:

Слайд 19

Используя справочный материал, по данным
и
определяется поправка
и

температурный напор вычисляется по формуле:

При поверочном расчете при заданных значениях

требуется определить

(тепловую производительность).

и распределение температуры имеет линейный характер. Тогда:

В основе расчета остаются те же уравнения, что и при проектном расчете. Допустим, что температура вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно,

(4)

Слайд 20

Уравнение теплового баланса:
Определяем
и
:

Подставляя (5) в (4), получим:
Определим

тепловую производительность:

(5)

Слайд 21

Подставляя
, определим значения
и
Однако эта методика может быть

использована для приближенных расчетов, т.к. распределение температур теплоносителей имеет нелинейный характер. При прямоточном движении теплоносителей используем уравнение (3). Тогда:

Вычтем из левой и правой частей уравнения единицу:

Слайд 22

Тогда:
Преобразуем к виду:
Отсюда:

Слайд 23

И окончательно имеем:
Неизвестные величины
и
определяются из уравнения теплового

баланса:

Тогда:

Получаем уравнение для нахождения

Слайд 24

Аналогично определяется величина
:
Для противоточного движения теплоносителей в качестве исходного уравнения

принимается:

Вывод уравнений аналогичен случаю прямотока. Окончательно имеем:

Слайд 25

Количество переданной теплоты для противотока и прямотока определяется:
при равенстве прочих

условий. Прямоточная

либо очень мало, либо очень велико, а также очень мало

Если

очень велико, значит изменение температуры одного из теплоносителей также незначительно. Если

очень мало, тогда температурный напор велик по сравнению с изменением температуры рабочей жидкости. Во всех остальных случаях при прямотоке количество переданной теплоты меньше, чем при противотоке.

Для оценки преимущества противотока перед прямотоком

значения

и противоточная схемы в энергетическом отношении могут быть одинаковы при условии, что

должно быть выражение

сравним

Слайд 26

Для цилиндрических стенок:
При известном распределении теплового потока по поверхности теплообмена температуры

поверхности рассчитывают по формуле для плоских многослойных стенок:

Слайд 27

Расчет регенеративных теплообменников
Поверхность этих аппаратов попеременно является теплоотдающей и тепловоспринимающей. Время

полного цикла теплообмена:

где

периоды соответственно нагрева и охлаждения.

коэффициент теплопередачи за период нагрева и охлаждения;

средняя температура первичного теплоносителя за период нагревания;

средняя температура вторичного теплоносителя за период охлаждения.

Т.к. процессы в регенеративных теплообменниках нестационарные, то для инженерных расчетов применяются приближенные методы. Тепловой поток относится к циклу. Уравнение теплопередачи имеет вид:

Слайд 28

Количество переданной к единице поверхности теплоты за период нагревания:
где
суммарный коэффициент

теплоотдачи за период нагревания;

средние температуры первичного теплоносителя и поверхности за период нагревания.

где

суммарный коэффициент теплоотдачи за период охлаждения;

средние температуры вторичного теплоносителя и поверхности за период охлаждения.

Аналогично количество теплоты, отданное вторичному теплоносителю за период охлаждения:

Слайд 29

При установившемся состоянии
или:
Обозначим
Тогда:
Преобразуя, имеем:
Отсюда:
или:
или:

Слайд 30

Тогда:
после преобразований, получим:
=

Слайд 31

Пусть продолжительность периодов нагрева и охлаждения равна единице, а разность температур

Тогда получим уравнение, аналогичное уравнению коэффициента теплоотдачи для рекуператора:

Таким образом, в рассматриваемом случае формулы расчета средних за период температур и теплопередачи в рекуператорах справедливы и для регенераторов. Если принять

при любой продолжительности периодов нагрева и охлаждения, то

Теплообменные аппараты

Содержание

Классификация теплообменных аппаратов Устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды

нагретая поверхность отдает теплоту холодной среде. Примерами могут служить вращающиеся и

Основные принципы теплового расчета теплообменных аппаратов Расчеты теплообменников бывают проектные и

При и начальная и конечная энтальпия теплоносителя.Для горячего теплоносителя используем

Принимая и получим:Т.к. , то при расчетах в уравнения подставляются

Тогда получим:Таким образом, отношение изменения температур теплоносителей обратно пропорционально отношению их

Уравнение (1) справедливо для конечной поверхности теплообмена и для любого элементарного

по всей поверхности. При переменных температурах изменяется и температурный напор

Тогда:Разделим и умножим на :Уравнение также является основным уравнением при расчете

Коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплообмена: – полное термическое сопротивление стенки,

Изменение температуры теплоносителей в теплообменникаха – прямоточных; б – противоточных; в

Изменение температуры теплоносителей вдоль поверхности определяется схемой движения и соотношением водяных

Принимая и постоянными, получим:

ТогдаТаким образом, температурный напор изменяется вдоль поверхности теплообмена по экспоненциальному закону.и

Поэтому по ходу движения первичной среды уменьшается при и увеличивается

Если усреднение происходит по всей поверхности теплообмена, то то:или среднелогарифмический температурный

При сложных схемах движения теплоносителей сначала вычисляют температурный напор:Затем вспомогательные величины:

Используя справочный материал, по данным и определяется поправка и

Уравнение теплового баланса:Определяем и : Подставляя (5) в (4), получим:Определим

Подставляя , определим значения и Однако эта методика может быть

Тогда:Преобразуем к виду:Отсюда:

И окончательно имеем:Неизвестные величины и определяются из уравнения теплового

Аналогично определяется величина :Для противоточного движения теплоносителей в качестве исходного уравнения

Количество переданной теплоты для противотока и прямотока определяется: при равенстве прочих

Для цилиндрических стенок:При известном распределении теплового потока по поверхности теплообмена температуры

Расчет регенеративных теплообменниковПоверхность этих аппаратов попеременно является теплоотдающей и тепловоспринимающей. Время

Количество переданной к единице поверхности теплоты за период нагревания:где суммарный коэффициент

При установившемся состоянии или:Обозначим Тогда:Преобразуя, имеем:Отсюда:или:или:

Тогда: после преобразований, получим:=