Расчёт теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

• 1. Классификация теплообменных аппаратов
• 1.2 Схемы движения теплоносителей
• Задание
• 2. Расчёт ПСВ
• 2.1 Тепловой расчёт подогревателя
• 2.2 Гидродинамический расчёт
• Заключение
• Список литературы

• Введение
• Теплообменники - устройства, в которых тепло переходит от одной среды к другой.
• Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов. Например, получение пара заданных параметров в современном парогенераторе основано на процессе передачи тепла от одного теплоносителя к другому. В конденсаторах и градирнях тепловых электростанций, воздухоподогревателях доменных печей и многочисленных теплообменных устройствах химической промышленности основным рабочим процессом является процесс теплообмена между теплоносителями. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.
• Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенной твердой стенкой. Теплообмен происходит за счёт конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счёт теплового излучения.
• Тепловые расчёты теплообменников могут быть конструктивными и поверочными. Конструктивные тепловые расчёты выполняются при проектировании новых аппаратов, и целью расчёта является определение поверхности теплообмена.
• 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.
• 
• 1. Теоретическая часть
• 1.1 Классификация теплообменных аппаратов
• Теплообменные аппараты имеют большое распространение во всех отраслях промышленности и широко применяются в теплосиловых установках. В зависимости от назначения теплообменные аппараты называются подогревателями, конденсаторами, испарителями, пароперегревателями и т.д.
• По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные.
• В поверхностных аппаратах теплоносители разделены твёрдыми теплопроводными стенками, через которые происходит теплообмен между теплоносителями. Та часть поверхности стенок, через которую передаётся тепло, называется поверхностью нагрева.
• В свою очередь поверхностные теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные.
• Если теплообмен между теплоносителями происходит через разделительные стенки, то теплообменник называют рекуперативным. В аппаратах этого типа в каждой точке разделительной стенки тепловой поток сохраняет постоянное направление.
• Если же два или больше теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, то теплообменный аппарат называют регенеративным. В период соприкосновения с одним из теплоносителей стенки аппарата получают тепло и аккумулируют его; в следующий период соприкосновения другого теплоносителя с той же поверхностью стенок аккумулированное тепло передаётся теплоносителю. Направление теплового потока во втором периоде изменяется на противоположное.
• В большинстве рекуперативных аппаратов осуществляется непрерывная передача тепла через стенку от теплоносителя к другому. Эти аппараты, как правило, являются аппаратами непрерывного действия. Рекуперативные аппараты, в которых производится периодический нагрев или охлаждение одного из теплоносителей, относят к аппаратам периодического действия.
• Регенеративные теплообменники в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия; в них разные теплоносители поступают в различные периоды времени. Непрерывная работа осуществляется в таких аппаратах лишь в том случае, если они снабжены движущимися стенками или насадками, попеременно соприкасающимися с потоками разных теплоносителей и непрерывно переносящими тепло из одного потока в другой.
• 1.2 Схемы движения теплоносителей
• При рассмотрении теплообменных аппаратов с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей следует различать аппараты:
• 1. Прямого тока
• 2. противоточные
• 3. Перекрестного тока
• 4. Со сложным направлением движения теплоносителей (смешанного тока)

Если в теплообменном аппарате первичный (горячий) и вторичный (холодный) теплоносители протекают параллельно в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком. Если теплоносители протекают параллельно, но в противоположных направлениях, то такая схема называется противотоком. Если жидкости протекают во взаимно перпендикулярных направлениях, то схема движения называется поперечным током. Помимо таких простых схем движения, на практике осуществляются и более сложные: одновременно прямоток и противоток, многократно перекрестный ток и др.

1.3 Расчет температурного напора

При этом температура первичного теплоносителя понизится на , а вторичного теплоносителя повысится на . Следовательно,

Где

Подставив в уравнение значение из уравнения теплопередачи, найдем:

Обозначив , последнее уравнение запишем как

Принимая m и k постоянными, проинтегрируем последнее уравнение от 0 до F:

Из уравнения следует, что вдоль поверхности теплообмена температурный напор изменяется по экспоненциальному закону. Следовательно, в аппаратах прямого тока перепад температур между теплоносителями вдоль поверхности теплообмена непрерывно убывает.

1. Определяют температурный напор по формуле

2. Вычисляют вспомогательные величины P и R

3. По значениям P и R берется поправка.

Например, для теплообменника с перекрестным током и противоточной схемой включения температурный напор найдется как:

1.4 Гидравлическое сопротивление элементов теплообменного аппарата

Полный перепад давления, необходимый при движении жидкости или газа через теплообменник, определяется формулой

, (13)

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 самотяги.

Потери давление на преодоление сил трения при течении несжимаемой жидкости в каналах на участке безотрывного движения в общем случае рассчитывается по формуле

(14)

где l- полная длина канала;

d- гидравлический диаметр, который в общем случае ищется как (f- поперечное сечение канала; u- периметр поперечного сечения);

- средняя плотность жидкости или газа в канале, кг/м³, и средняя скорость, м/с;

- коэффициент сопротивления трения. Он является безразмерной величиной, характеризующей отношение сил трения и инерционный сил потока и остается постоянным для канала l>30d; если l<30d, необходимо учитывать изменение его на входном участке канала;

измеряется в паскалях.

Коэффициент сопротивления трения зависит от режима движения потока и поэтому при ламинарном и турбулентном течении определяется по-разному.

Местные сопротивления определяются по формуле

(15)

где - коэффициент местного сопротивления;

измеряется в Па.

Коэффициент местного сопротивления зависит от характера препятствия, которым вызываются указанные сопротивления.

Потеря давления, обусловленная ускорением потока вследствие изменения объема теплоносителя при постоянном сечении канала,

, (16)

где - скорость, м/с; и плотность газа, кг/м³; соответственно во входном и выходном сечениях потока.

Для капельных жидкостей , Па, мало по сравнению с общим сопротивлением потока, и это сопротивление можно не принимать во внимание.

Если аппарат сообщается с окружающей средой, необходимо учитывать сопротивление самотяги. Это сопротивление можно вычислить по формуле

(17)

где h- расстояние по вертикали между входом и выходом теплоносителя, м;

- средние плотности теплоносителя и окружающего воздуха, кг/м³;

измеряется в паскалях.

Знак «+» берется при движении теплоносителя сверху вниз, знак «-»- при движении снизу вверх. Это значит, что в первом случае общее сопротивление движению теплоносителя увеличивается на , а во втором случае- уменьшается на . Если теплообменник не сообщается с окружающим воздухом (включен в замкнутую систему), то =0.

Для получения полного сопротивления теплообменного устройства выбранной конструкции и с конкретным теплоносителем полученные составляющие подставляются в уравнение (13).

1.5 Расчет мощности, необходимой для перемещения жидкости

Гидравлическое сопротивление , подсчитанное по формуле (13), предопределяет мощность, необходимую для перемещения теплоносителя через теплообменный аппарат.

Мощность N, Вт, на валу насоса или вентилятора определяется по формуле

(18)

где V - объемный расход жидкости, м³/с;

G- массовый расход жидкости, кг/с;

- полное сопротивление, Па;

- плотность жидкости или газа, кг/м³;

- КПД насоса или вентилятора.

При выборе оптимальных форм и размеров поверхности нагрева теплообменника принимают наивыгоднейшее соотношение между поверхностью теплообмена и расходом энергии на движение теплоносителей. Добиваются, чтобы указанное соотношение было оптимальным, т.е. экономически наиболее выгодным. Это соотношение устанавливается на основе технико-экономических расчетов.

теплообменный аппарат вертикальный подогреватель

2. Расчёт ПСВ

Задание