Основы теплового расчета рекуперативных теплообменников

Рекуперативный теплообменник это устройство, в которое одновременно подаются горячая и холодная жидкости (газы), отделенные друг от друга непроницаемой стенкой. Эти жидкости называются теплоносителями. Теплообмен между горячим и холодным теплоносителем происходит через разделяющую их стенку. В результате горячая жидкость охлаждается, а холодная нагревается. Схема рекуперативного теплообменника показана на рис. 5.1.

В основе методов теплового расчета воздухоохладителей как одного из видов рекуперативных теплообменников лежит совместное решение уравнений теплового баланса и теплопередачи, которые могут быть представлены либо в интегральной, либо в дифференциальной форме. В первом случае они соответствуют всему аппарату, т.е. всей теплопередающей поверхности F, а во втором - элементу этой поверхности dF, при течении вдоль

которого температуры горячего и холодного теплоносителей изменяются на dt1 и dt2. При

этом предполагается стационарность условий работы теплообменного аппарата, что означает

постоянство во времени температур и расходов сред, обменивающихся теплотой.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов может быть проектным (конструкторским)

или проверочным. Задача проектного расчета - определение величины и формы поверхности

теплообмена, разделяющей горячую и холодную среды. Проверочный расчет выполняется в

том случае, когда величина и форма поверхности заданы, т. е. известна конструкция тепло-

обменного аппарата. Задача проверочного расчета - определение количества передаваемой

теплоты и конечных температур рабочих сред.

2 метода:

1)Метод, основанный на предварительном определении средней разности температур.

2) Метод, основанный на использовании характеристики ε – N.

1) Исходная система уравнений. Рассмотрим основные уравнения метода.

Уравнение теплового баланса аппарата:

Q1 + Q1тр + Q2тр = Q2 + Qохл , (4)

где Q1 - количество теплоты, подведенной горячим теплоносителем; Q2 —количество теп-

лоты, отведенной холодным теплоносителем; Q1тр и Q2тр - количества теплоты, выделяю-

щейся в трактах горячего и холодного теплоносителей в результате преодоления гидравли-

ческого сопротивления при движении в них теплоносителей; Qохл - количество теплоты, от-

водимое через корпус теплообменника в окружающее пространство.

В воздухоохладителях допустимые гидравлические потери в трактах теплоносителей

малы, поэтому величинами Q1тр и Q2тр по сравнению с Q1 и Q2 можно пренебречь. Потеря

теплоты (Qохл в окружающую среду для теплообменных аппаратов рассматриваемого класса

составляет доли процента от Q1 и Q2, поэтому ее тоже можно исключить из рассмотрения.

С учетом сказанного уравнение (4) примет вид

Q1 = Q2 = Q,

где Q — количество теплоты, передаваемое через поверхность теплообмена F.

Уравнения тепловых балансов горячего и холодного теплоносителей:

Q = G1 (i1' - i1") = G2 (i2" - i2') , (5)

где ,G1 и G2 - массовый расход горячего и холодного теплоносителей; (i1', i2', i1", i2" - на-

чальная и конечная энтальпии горячего (1) и холодного (2) теплоносителей.

Если теплоносители не меняют своего фазового состояния, то (5) можно представить

следующим образом:

Q = G1 p1 c (t1' - t1") = G2 p2 c (t2' - t2"),

где p1 c и p2 c - средняя изобарная теплоемкость горячего и холодного теплоносителей, а

индексы при температурах t соответствуют индексам энтальпий в .

Уравнение теплопередачи:

Q = k ∆t dF.

Коэффициент теплопередачи k и температурный напор ∆t = t1 - t2 в общем случае из-

меняются по поверхности теплообмена F. Для определения среднего коэффициента тепло-

передачи и усредненного по всей поверхности температурного напора ∆t необходимо знать

закон изменения k и ∆t по поверхности. В большинстве случаев коэффициент теплопередачи

изменяется незначительно и его можно принять постоянным, изменение же ∆t будет зависеть

от схемы включения теплообменника. Если считать величину k постоянной, а значение ∆t

известным, то уравнение (7) примет вид

Q = k∆t F.

2)Этот метод теплового расчета теплообменных аппаратов [4] использует понятия теп-

лоемкости массового расхода

W = сpG

и характеризующего возможности переноса теплоты параметра

N = kF/Wmin,

где Wmin — теплоемкость массового расхода того из теплоносителей, для которого она

меньшая. В литературе величину W часто называют водяным эквивалентом, так как в тех-

нической системе единиц для воды cp = 1 ккал/(кг⋅град), и значение W оказывается численно

равным массовому расходу воды.

Поиск по сайту: