Методика теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов непрерывного действия

Конструкции и условия эксплуатации теплообменников весьма разнообразны и определяются областью их применения и назначением.

В практике расчета и проектирования их принято различать тепловой конструктивный, тепловой поверочный, компоновочный, гидравлический, механический и технико-экономический расчеты.

Тепловой конструктивный расчет выполняют с целью создания нового по конструкции аппарата или выборе его из числа стандартных. При этом известны расходы, начальные температуры и основные свойства теплоносителей, теплопроизводительность аппарата. Необходимо определить площадь теплообмена и основные конструктивные размеры аппарата.

В поверочном расчете необходимо определить конечные температуры теплоносителей или тепловую мощность аппарата при известных геометрических размерах аппарата, начальных параметрах и свойствах теплоносителей.

Компоновочный расчет определяет основные геометрические соотношения между площадью поверхности теплообмена, проходными сечениями каналов для теплоносителей, числом ходов, габаритными размерами теплообменника.

Целью гидравлического расчета является определение гидравлических потерь при перемещении теплоносителей через проходные каналы теплообменника, а, следовательно, и затрат мощности на прокачку теплоносителей.

Механический расчет проводится для проверки деталей аппарата и их соединение на прочность, плотность и жесткость.

Технико-экономический расчет проводится с целью определения затрат при оптимизационных расчетах теплообменных аппаратов.

2.1. Тепловой и конструктивный расчёт теплообменников с выбором нормализованных аппаратов [1,6]

Независимо от конфигурации поверхности теплообмена методы расчёта теплообменников достаточно универсальны. Они могут быть представлены в виде общей блок – схемы расчёта (рис. 2.1).

Методы расчета конкретных теплообменников отличаются только видом расчётных уравнений коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления при движении теплоносителей в зависимости от конструктивных особенностей аппаратов и технологических условий теплообмена.

В современном производстве широко применяются теплообменные аппараты различной конструкции. В зависимости от технологической цели их называют холодильниками, конденсаторами и испарителями. Наиболее широкое применение получили трубчатые теплообменники, надёжно работающие при больших перепадах давлений (более 1 МПа) и высоких температурах (до 700 К). Для меньших перепадов давлений лучше применять более компактные теплообменники – пластинчатые.

Обычно для расчета заданы массовый расход технологической среды и ее параметры, параметры теплоносителя, физико-химические свойства сред.

Например: нагреваемая среда – массовый расход , кг/с; начальная и конечная температуры соответственно греющей среды: начальная температура - ; конечная температура - (рис. 1.2).

Рис. 2.1. Схема расчета теплообменников

1. Расчет теплового баланса. Составляется уравнение теплового баланса. Если в теплообмене участвуют среды не меняющие агрегатное состояние (рис. 1.2), уравнение теплового баланса имеет вид [2,5,7]:

; (2.1)

· если один из теплоносителей изменяет агрегатное состояние (например, конденсация паров в пароводяном теплообменнике),

; (2.2)

· если оба теплоносителя изменяют агрегатное состояние (например, в испарительно-конденсаторном теплообменном аппарате),

; (2.3)

· если происходит охлаждение парогазовых смесей,

, (2.4)

где - массовые расходы теплоносителей, кг/с; - массовые расходы греющего и вторичного пара, образующегося при кипении жидкости, кг/с; - удельные теплоемкости теплоносителей и конденсата, Дж/(кг×К); и - соответственно температура греющего и нагреваемого теплоносителей на входе и выходе из аппарата, °C; - соответственно энтальпия пара на входе в теплообменник и конденсата на выходе из него, Дж/кг; - энтальпия пара на выходе из теплообменника и питательной жидкости, поступающей в испаритель, Дж/кг; - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду, = 0,96 ¸ 0,98; - количество конденсата на выходе из аппарата, кг/с, и его температура, ; L - массовый расход неконденсирующейся составляющей парогазовой смеси, кг/с; - энтальпии парогазовой смеси на входе и выходе из аппарата, Дж/кг, определяемые из выражения:

Рис. 2.2. Расчетная схема теплообменника

, (2.5)

где - удельная теплоемкость неконденсирующихся газов, Дж/(кг×К), и их температура,°С; - энтальпия паров, содержащихся в смеси, Дж/кг; - массовая доля пара в смеси, кг/кг,

;

- масса пара в парогазовой смеси, кг/с.

Расчет теплового баланса проводится с целью определения тепловой нагрузки аппарата, неизвестного массового расхода теплоносителя или неизвестной температуры.

2. Расчет температурного режима. В этом блоке определяется величина движущей силы процесса теплопередачи (среднего температурного напора; средней разности температур) Δ t.

Средний температурный напор , °С, при прямотоке и противотоке рассчитывают по уравнениям

; (2.6)

, (2.7)

где и – большая и меньшая разность температур на концах теплообменника.

Формулы применимы, если теплоемкость, расход и коэффициенты теплоотдачи сильно не изменяются вдоль поверхности теплообмена. На рис. 2.3 представлены графики изменения температур вдоль поверхности теплообмена.

Рис. 2.3. График изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при их противотоке и прямотоке

Рис. 2.5 Изменение температур греющего пара и подогреваемой воды по поверхности теплообменника.

При перекрестном токе и более сложных схемах течения теплоносителей, не меняющих агрегатное состояние,

, (2.8)

где - температурный напор, рассчитанный для противотока по (2.7); - поправка, учитывающая влияние схемы течения сред, может быть определена с помощью графиков (рис. 2.4 – а - г) в зависимости от значения параметров P и R:

(2.9)

При прямотоке конечная температура нагреваемого теплоносителя никогда не превысит конечной температуры греющего теплоносителя, . При противотоке получается большая разность температур Δ t, что позволяет иметь меньшую поверхность нагрева аппарата при прочих равных условиях. При противотоке нагреваемую среду можно нагреть до более высокой температуры и пределом нагрева служит температура греющей среды на входе в аппарат.

При определении температурного напора в случае подогрева конденсирующимся паром необходимо иметь в виду, что пар может быть перегретым, а кроме того может происходить переохлаждение конденсата.

Для точного расчета средней разности температур при этих условиях необходимо общую поверхность аппарата разделить на отдельные части, в которых передача теплоты происходит при различных агрегатных состояниях теплоносителей. Однако практически установить границы этих областей в теплообменном аппарате иногда бывает трудно. Кроме того, как показывает ряд опытов, при конденсации перегретого пара у стенок образуется пленка из конденсата, температура которой соответствует температуре насыщенного пара при данном давлении, и наличие начального перегрева не увеличивает средней разности температур.

Как показано практика переохлаждения конденсата снижает Δ t. Поэтому необходимо так организовывать процесс теплообмена, чтобы конденсат выходил из аппарата при температуре насыщения.

Обычно при расчетах температуру греющего теплоносителя принимают постоянной по всей поверхности теплообмена и Δ t находят по указанным выше формулам.

В этом случае разница между прямотоком и противотоком теряется.

где - температура насыщения греющего пара; - температура кипения (насыщения вторичного пара).

3. Проводится приближенная оценка необходимой поверхности теплообмена, м²:

, (2.10)

где - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м²×К), Q - тепловая нагрузка, теплообменника, определяемая в зависимости от заданных технологических условий по одному из следующих уравнений теплового баланса.

4. После определения выбирается нормализованный теплообменник с поверхностью, близкой к ориентировочной (могут выбираться несколько конкурентоспособных вариантов). Из ГОСТа определяются все необходимые геометрические параметры выбранного теплообменника. Например, для кожухотрубчатого аппарата – размеры теплообменных труб ; число труб – n; число ходов трубного и межтрубного пространства; площадь поперечного сечения одного хода трубного и межтрубного пространств.

5. Далее проводится уточнённый тепловой расчёт теплообменного аппарата с целью сопоставления расчётной поверхности теплообмена с нормализованной и заключения о пригодности выбранного варианта для данной технологической задачи.

Независимо от типа выбранного теплообменного аппарата необходимо определить коэффициент теплопередачи K, Вт/(м²∙К), который рассчитывается в зависимости от типа поверхности теплообмена.

Для цилиндрической стенки.

, (2.11)

где d_cp, d_BH и d_H – средний, внутренний и наружный диаметры трубки; λ – коэффициент теплопроводности материала трубки;

При вычислении d_cp необходимо учитывать следующее правило:

при α₁>α₂ d_ср=d_н;

при α₁=α₂d_ср=0,5∙(d_н+d_вн);

при α₁<α₂ d_ср=d_вн;

Термическое сопротивление находится по уравнению:

- для цилиндрической стенки;

- для плоской стенки

где - толщина отложений, м; - коэффициенты теплопроводности загрязнений, .

В промышленных аппаратах поверхность теплообмена обычно покрывается слоем окислов, накипи, остатков, создающих дополнительных термические сопротивления, которые очень сложно оценить. Термическое сопротивление может быть принято по справочным данным или в расчетной практике значение коэффициента теплопередачи находят по уравнению:

,

где К₀ – коэффициент теплопередачи для чистой поверхности; U – коэффициент использования поверхности (учитывает термическое сопротивление загрязнений и влияние застойных зон).

В большинстве случаев U=0,65÷0,85; для сред из которых активно выпадают осадки U=0,4÷0,5.

Для тонких неоребренных труб ()

(2.12)

Для труб, оребренных с одной стороны,

, (2.13)

где - коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м²×К); - толщина стенки трубы, м; - коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м×К); - термические сопротивления отложений с одной и другой стороны поверхности теплообмена (см. табл. 2.2.), (м²×К)/Вт; - коэффициент эффективности рёбер, находится по номограммам [4]; - коэффициент оребрения теплообменника (табл. 2.2).

Коэффициенты теплоотдачи в выражениях (2.12) и (2.13) рассчитываются в зависимости от вида теплообмена и конструктивных особенностей поверхностей теплообмена.

Дата добавления: 2014-01-20; Просмотров: 3678; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!