 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ
| Розрахунок рекуперативного теплообмінника
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6 «Випробування теплообмінного апарата типу «труба в трубі» Мета роботи Вивчити методику випробування, експериментально визначити раціональні режими роботи теплообмінника.
Програма роботи 1. Вивчити теоретичні аспекти теплового розрахунку теплообмінних апаратів. 2. Вивчити методику випробування теплообмінника. 3. Вивчити конструкцію лабораторної установки для випробування теплообмінника і правила її експлуатації. 4. Провести випробування теплообмінника при роботі його по прямоточній і протиточній схемах. 5. Зробити опрацювання дослідних даних і проаналізувати результати. Виявити раціоальні режими роботи теплообмінника.
Вказівки по підготовці до роботи 1. По рекомендованій літературі [1] с.112-115, с.225-227 вивчити позааудиторно основні теоретичні питання, що характеризують роботу теплообмінників. 2. У лабораторії теплотехніки вивчити конструкцію і умови експлуата-ції лабораторної установки. 3. Підготувати таблицю для запису результатів вимірів і обчислень (табл. 1).
Оснащення робочого місця Робоче місце забезпечується лабораторною установкою (рис. 5), плакатами і схемами. Для досліду використовується модель теплообмінника типу «труба в трубі», обладнана регулювальною арматурою і контрольно-вимірювальними приладами.
Вказівки по виконанню роботи, аналізу результатів і складанню звіту По плакатам та установкам виконати пункти, які зазначено в програмі роботи. По результатам випробування провести розрахунок основних показників теплообмінного апарату і оформити звіт. Звіт по роботі повинний містити схему лабораторної установки, таблицю результатів вимірювань та обчислень основних показників, аналіз і висновки.
Теоретичні аспекти теплового розрахунку теплообмінних апаратів Класифікація Теплообмінником називають апарат, у якому здійснюється теплообмін між двома або декількома теплоносіями, або між теплоносіями і твердими тілами (стінкою, насадкою). В окремому випадку роль теплоносіїв і твердих тіл, які беруть участь у теплообміні, може виконувати і середовище, яке оточує апарат. Теплообмінники можна класифікувати за принципом дії, призначенням, способом організації руху теплоносіїв і іншими ознаками. Змішувальні теплообмінники. У даних теплообмінниках теплопередача відбувається при безпосередньому змішуванні теплоносіїв. Ці апарати прості, компактні і використовуються в тому випадку, якщо не потрібен подальший поділ теплоносіїв (наприклад, нагрів води водяною парою або гарячою водою). Так, при обігріві теплиць, а також у системі водяного опалення будинків гарячу воду з котельні або від ТЕЦ змішують з охолодженою зворотньою водою, що повертається від споживача. Рекуперативні теплообмінники. У цього виду теплообмінників передача теплоти від гарячого теплоносія до холодного здійснюється через поділяючу їх стінку.
Рис. 1. Схема протиточного теплообмінника типу «труба в трубі»
Подальшим розвитком теплообмінника «труба в трубі» є кожухотруб-ний теплообмінник (рис. 2), що також відноситься до групи рекуперативних. У зовнішню трубу (кожух -1) поміщена вже не одна труба, а пучок труб малого діаметра 3, кінці яких герметично (за допомогою зварювання або вальцювання) закріплені в трубних ґратах 2 (дошках). Трубні ґрати приварені до корпуса апарата (кожухова), і до них через ущільнювальні прокладки за допомогою болтового з'єднання приєднані кришки 4. Теплообмінник має штуцери для входу і виходу теплоносіїв, один із яких рухається по міжтрубному простору, а інший в інших трубах. Перевага апарата: компактність, можливість розвивати великі поверхні теплообміну в одному апараті, зручність в експлуатації, технологічність у виготовленні. Недолік: ускладнене очищення міжтрубного простору. Кожухотрубний теплообмінник є найбільш розповсюдженим типом теплообмінного апарата.
Рис. 2. Кожухотрубний теплообмінник Регенеративні теплообмінники. У даних теплообмінниках гарячий і холодний теплоносії по черзі омивають ту саму теплообмінну поверхню. У період контакту з гарячим теплоносієм відбувається розігрів теплоакумулюючої насадки, яка потім у період контакту з холодним теплоносієм віддає йому акумульовану теплоту. Теплообмінники з проміжним теплоносієм. У цього виду теплообмінників гарячий теплоносій віддає теплоту деякому проміжному теплоносієві (рідині або твердому зернистому матеріалові), а той, у свою чергу, холодному теплоносієві. Цей спосіб теплообміну використовується в тому випадку, коли недоцільно транспортувати гарячий теплоносій на великі відстані або коли неприпустимий безпосередній контакт гарячого і холодного теплоносіїв. Теплообмінники з внутрішніми джерелами теплоти. У даних теплообмінниках нагрів холодного теплоносія здійснюється не шляхом контакту з гарячим теплоносієм, а за допомогою тепловиділення у самому апараті - за рахунок дії електронагрівача, або генератора струмів високої або надвисокої частоти. Розрахунок рекуперативного теплообмінника Розрізняють прямий (конструктивний) і зворотній (перевірочний) розрахунок теплообмінника. При конструктивному розрахунку переважно відомі: витрата теплоносія, що нагрівається, початкова і кінцева температура обох теплоносіїв. У процесі розрахунку вибирають тип теплообмінника і визначають його теплову потужність, витрату гарячого теплоносія і поверхню теплообміну, за якою вибирають габарити апарата. При перевірочному розрахунку відомі тип і розміри теплообмінника, а отже, і поверхня теплообміну, витрати теплоносіїв, їхня початкова температура, питомі теплоємності і коефіцієнт теплопередачі. Потрібно визначити теплову потужність апарата і кінцеву температуру теплоносіїв, тобто перевірити застосовність наявного теплообмінника для конкретних умов. Розглянемо розрахункові залежності для конструктивного розрахунку теплообмінника при стаціонарному режимі. Тепловий потік, одержуваний холодним теплоносієм, визначається через різницю ентальпій на вході і виході апарата, Вт:
де m2 - масова витрата холодного теплоносія, кг/с; сp2 - його середня питома теплоємність в інтервалі температур t2к…t2n, Дж/(кг·К); t2к, t2n - температура холодного теплоносія на вході і виході апарата, К; h2к, h2n - ентальпія холодильного теплоносія на вході і виході апарата, Дж/кг. Загальний тепловий потік, переданий гарячим теплоносієм (з урахуванням тепловтрат у навколишнє середовище), складає, Вт:
де С= 1,05... 1,12 - коефіцієнт, що враховує тепловтрати в навколишнє середовище. Витрату гарячого теплоносія знаходимо по рівнянню теплового балансу, вважаючи його агрегатний стан постійним,
звідки
Знаючи тепловий потік Q0 можна розрахувати витрату теплоносія m1 (кг/с), необхідного для передачі теплового потоку Q0. Поверхню теплообміну F, необхідну для передачі теплового потоку Q від гарячого теплоносія до холодного, визначають по рівнянню теплопередачі. У загальному випадку коефіцієнт теплопередачі k і різниця температур теплоносіїв (t1-t2) змінюються уздовж поверхні теплообміну, тому рівняння справедливе тільки для диференційного малого елементу поверхні dF:
де Δt=t1-t2 . Для одержання виразу для всього теплового потоку проінтегруємо рівняння від 0 до F:
де k - середнє значення коефіцієнта теплопередачі, Вт/м2·К; Δt cp - різниця температур теплоносіїв по всій поверхні теплообміну, К. Характер зміни різниці температур по поверхні теплообміну залежить від схеми руху теплоносіїв: прямотік, протитік, перехресна, змішана (рис. 3).
Рис. 3. Схеми руху теплоносіїв: а - прямотік; б - протитік; в - перехресна; г - змішана
При конструктивному розрахунку теплообмінника поверхню теплообміну визначають по рівнянню:
Для розрахунку теплообмінника необхідно знати середню різницю температур Δt cp.
Рис. 4. Характер зміни температурного перепаду: а - при прямотоці, б - при протитоці.
На рис. 4 показана зміна поточної різниці температур (температурного перепаду) по поверхні теплообміну для випадків прямоточної і протиточної схем руху теплоносіїв.
де Δtп - температурний напір на початку поверхні теплообміну; Δtк — температурний напір наприкінці поверхні теплообміну. Кількісний аналіз прямоточної і протиточної схем показує, що при однакових початкових умовах протиточної схема дозволяє нагріти холодний теплоносій до більш високої температури, ніж прямоточної (при прямотоці, як видно з рис. 4 а, кінцева температура холодного теплоносія не може бути вище кінцевої температури гарячого теплоносія). Крім того, середня різниця температур при протитоці вище, ніж при прямотоці, що обумовлює меншу необхідну поверхню теплообміну і, отже, компактність теплообмінника. Прямоточна схема, однак, забезпечує більш м'який режим нагрівання, що істотно для термолабільних продуктів. На практиці частіше використовується протиточна схема руху теплоносіїв.
12 |
Найпростішим рекуперативним теплообмінником є теплообмінник типу «труба в трубі» (рис. 1). Поверхнею теплообміну в ньому є бічна поверхня внутрішньої труби. Перевага апарата - простота конструкції, недолік - громіздкість при великих поверхнях теплообміну, тому апарат застосовують при невеликих поверхнях теплообміну.
В останні роки широке застосування одержали пластинчасті рекуперативні теплообмінники, що відрізняються компактністю, низьким гідравлічним опором, зручністю очищення поверхонь теплообміну. Питома поверхня теплообміну пластинчастих теплообмінників досягає 1500 м2/м3. Розташовані паралельно одна одній пластини утворюють систему хвилястих каналів шириною 3...6 мм, по яких по обидва боки кожної пластини рухаються теплоносії. Гофрування пластин створює: інтенсивну турбулізацію потоків, що забезпечує високі коефіцієнти теплопередачі [до 3800 Вт(м2·К)].
.
Середньологарифмічна величина різниці температур розраховується по рівнянню