Назва роботи: Теплообмінні апарати
Предметна область: Комунікація, зв'язок, радіоелектроніка та цифрові прилади
Опис: Після закінчення певного проміжку часу здійснюється перемикання потоків теплоносіїв. Регенератори виконуються виключно для газових теплоносіїв. Залежно від взаємного напрямку руху теплоносіїв розрізняють такі схеми руху теплоносіїв: а прямоточная схема прямоток коли гарячий і холодний теплоносій рухаються уздовж поверхні теплообміну в одному напрямку б протівоточная схема протитечія коли гарячий і холодний теплоносій рухаються уздовж поверхні теплообміну в протилежних.
Розмір файлу: 688 KB
Роботу скачали: 228 чол.
Лекція 5. Теплообмінні апарати
1. Загальна характеристика теплообмінних апаратів
Теплообмінними апаратами або теплообмінниками караються пристрої, призначені для передачі тепла від одного теплоносія до іншого.
Теплоносій з більшою температурою називається гарячим або первинним, а з меншою температурою # 150; холодним або вторинним.
Залежно від способу передачі теплоти між теплоносіями теплообмінні апарати поділяються на поверхневі та контактні.
У поверхневих теплообмінних апаратах теплообмін між теплоносіями здійснюються за участю теплообмінної поверхні.
У контактних теплообмінниках теплообмінна поверхню відсутній, і перенесення тепла між теплоносіями здійснюється при їх змішуванні.
Типовим прикладом таких теплообмінників є градирні теплових електричних стацій. Тут вода охолоджується атмосферним повітрям при їх безпосередньому контакті.
Поверхневі теплообмінники поділяються на:
- Рекуперативні (рекуператори);
- Регенеративні (регенератори).
(recuperatio # 150; лат. зворотне отримання);
(regeneration # 150; відновлення, відновлення, відродження).
У рекуперативних теплообмінниках по одну сторону розділяє поверхні постійно рухається гарячий теплоносій, а по іншу # 150; холодний. При цьому через розділяє поверхню здійснюється безперервна передача тепла від гарячого теплоносія до холодного.
Рекуператори, як правило, діють в стаціонарному режимі.
Схема рекуперативного теплообмінника
В регенеративних теплообмінниках одна і та ж поверхню теплообміну поперемінно омивається то гарячим, то холодним теплоносієм. В цьому випадку акумулює здатність поверхні теплообміну повинна бути досить великою. Зазвичай для цієї мети використовуються заповнення (насадки) у вигляді порцелянових кілець, шматочків кам'яного вугілля, гофрованих металевих стрічок, металевих тирси і т.д.
а) У період нагрівання, коли теплообмінна поверхню омивається гарячим теплоносієм, вона акумулює певну кількість теплоти.
б) У період охолодження, коли теплообмінна поверхню омивається холодним теплоносієм, кількість теплоти, раніше закумульоване насадкою, віддається холодного теплоносія.
Режим роботи регенеративних апаратів є нестаціонарним. З огляду на періодичність дії, для безперервної передачі тепла від гарячого теплоносія до холодного, регенератори зазвичай компонуються з двох апаратів. При цьому в першому апараті насадка омивається гарячим теплоносієм, у другому # 150; холодним теплоносієм. Після закінчення певного проміжку часу здійснюється перемикання потоків теплоносіїв.
Безперервний теплообмін між теплоносіями можна здійснити в одному регенераторі спеціальної конструкції, наприклад, в регенераторі системи Юнгстрема.
Принципова схема цього регенератора полягає в наступному. Насадка регенератора виконана у вигляді гофрованих металевих листів. Конструктивно регенератор Юнгстрема виконаний у вигляді періодично барабана з перегородкою.
Регенератори виконуються виключно для газових теплоносіїв. Прикладами регенеративних апаратів можуть служити воздухоподогреватели доменних печей.
Особливо відзначимо, що не можна плутати термін «регенеративний теплообмінний апарат» з терміном «регенератор», вживаним, наприклад, в ГТУ. В останньому випадку під регенератором розуміється елемент ГТУ, де повітря, що надходить в камеру згоряння, попередньо підігрівається газами з турбіни. Регенератор газової турбіни за способом дії як теплообмінний апарат може бути як рекуперативним, так і регенеративним.
Крім зазначених теплообмінних апаратів існують також теплообмінники з внутрішніми джерелами енергії. Тут застосовуються не два, як зазвичай, а один теплоносій, який відводить тепло, що виділяється в самому апараті. Прикладами таких апаратів можуть служити ядерні реактори, електронагрівачі і інші пристрої.
Залежно від взаємного напрямку руху теплоносіїв розрізняють такі схеми руху теплоносіїв:
а) прямоточная схема (прямоток), коли гарячий і холодний теплоносій рухаються уздовж поверхні теплообміну в одному напрямку
б) протівоточная схема (протитечія), коли гарячий і холодний теплоносій рухаються уздовж поверхні теплообміну в протилежних напрямках
в) перехресний струм, коли гарячий і холодний теплоносій рухаються в перехресних напрямках
г) змішаний струм, який представляє собою комбінації 3-х попередніх схем. наприклад:
Одночасно прямоток Багаторазово перехресний
і протитечія ток
Рекуперативних теплообмінники з точки зору ознак, істотних для теплового розрахунку, можна класифікувати наступним чином:
а) за родом теплоносіїв:
б) По конструктивних особливостях теплообмінних поверхонь:
- трубчасті апарати з прямими трубами;
- трубчасті апарати з U-подібним трубним пучком;
в) По наявності або відсутності зміни агрегатного стану теплоносіїв:
- теплообмінники без зміни агрегатного стану теплоносіїв;
- теплообмінники зі зміною агрегатного стану одного з теплоносіїв;
- теплообмінники зі зміни агрегатного стану обох теплоносіїв.
Питання до розділу 15.1. «Загальна характеристика теплообмінних апаратів»
1. Дати визначення теплообмінних апаратів.
2. Що таке гарячий і холодний теплоносій?
3. Дати визначення поверхневих і контактних (змішувальних) апаратів.
4. На які два типи поділяються поверхневі теплообмінні апарати?
5. Що таке рекуперативні теплообмінні апарати?
6. Що таке регенеративні теплообмінні апарати?
7. Що таке рекуперативні теплообмінні апарати?
8. У якому режимі зазвичай діють регенеративні теплообмінники?
9. У якому вигляді використовуються заповнення (насадки) в регенеративних теплообмінниках?
10. Чому регенератори зазвичай компонують з двох апаратів?
11. Описати принципову схему регенератора системи Юнгстрема.
12. У чому відмінність термінів «регенеративний теплообмінний апарат» і «регенератор»?
13. Що таке теплообмінники з внутрішнім джерелом тепла?
14. Привести схему, яка відображатиме загальну класифікацію теплообмінних апаратів.
15. Які схеми руху теплоносіїв реалізуються в теплообмінних апаратах?
16. Як класифікуються рекуперативні теплообмінники за родом теплоносіїв?
17. Як класифікуються рекуперативні теплообмінники за конструктивними особливостями теплообмінних поверхонь?
18. Як класифікуються рекуперативні теплообмінники за наявністю або відсутністю зміни агрегатного стану теплоносіїв?
15. 2. Основні положення ТЕПЛОВОГО РОЗРАХУНКУ рекуперативним АПАРАТІВ
Тепловий розрахунок рекуператорів грунтується на спільному використанні 2-х рівнянь:
- рівняння теплового балансу;
- рівняння теплопередачі.
У найзагальнішому вигляді рівняння теплового балансу при відсутності теплових втрат записується в такий спосіб.
Тут і нижче підрядковий індекс «1» означає, що дана величина відноситься до гарячого теплоносія, а індекс «2» # 150; до холодного. Позначення () # 150; відповідає застосовується для розрахунку на вході в теплообмінник, а () # 150; на виході з теплообмінника.
Відповідно з цим. масова витрата гарячого та холодного теплоносія.
# 150; ентальпія на вході в теплообмінник гарячого і холодного теплоносія.
# 150; ентальпія на виході з теплообмінника гарячого і холодного теплоносія.
Ліва частина рівняння теплового балансу # 150; є тепловий потік, що віддають гарячим теплоносієм, а права # 150; тепловий потік, що сприймається холодним теплоносієм. При відсутності теплових втрат зазначені теплові потоки рівні між собою.
Якщо теплоносії не змінюють свій агрегатний стан, то рівняння теплового балансу можна записати у вигляді
де. - питомі масові теплоємності для гарячого і холодного теплоносіїв. З значення приймають за середніми температур відповідних теплоносіїв між входом і виходом з теплообмінника.
При необхідності масові витрати теплоносіїв можуть бути визначені по залежності
Введемо поняття видаткової теплоємності С.
Видаткову теплоємність називають ще водяним еквівалентом.
Використовуючи поняття витратних теплоемкостей, рівняння (15-2) запишемо у вигляді
де. - зміна температур гарячого і холодного теплоносіїв, взяті по модулю.
Таким чином, відношення зміни температур теплоносіїв обернено пропорційно відношенню витратних теплоемкостей цих теплоносіїв. Тобто чим більше видаткова теплоємність теплоносія, тим в меншій мірі змінюється його температура ін і проходженні через теплообмінний апарат.
Перейдемо до розгляду рівняння теплопередачі.
Для випадку, коли температури теплоносіїв не змінюються уздовж поверхні теплообміну, рівняння теплопередачі представимо у вигляді
У більшості випадків температури теплоносіїв змінюються уздовж поверхні теплообміну. У цій ситуації можна записати рівняння теплопередачі для елементарної ділянки теплообмінної поверхні.
= - значення температурного напору на даній ділянці.
Тепловий потік, що передається через всю поверхню теплообміну
Коефіцієнт теплопередачі в більшості випадків змінюється незначно по поверхні і його можна прийняти постійним
де - середній температурний напір по всій поверхні.
На основі наведених вище рівнянь теплового балансу і теплопередачі виконуються проектний і перевірочний розрахунки теплообмінників.
Проектні (конструкторські) розрахунки виконуються при проектуванні нових теплообмінних апаратів.
Метою проектного розрахунку є визначення необхідної поверхні теплообміну при заданих початкових і кінцевих температурах теплоносіїв і при заданій кількості переданої теплоти.
У загальному випадку теплове навантаження може бути заздалегідь заданій або ж її значення визначається на основі рівняння теплового балансу.
Коефіцієнт теплопередачі визначається за відомим залежностям, різним для різних типів теплообмінників. Наприклад, у випадку плоскої стінки коефіцієнт теплопередачі К виражається формулою
де. - коефіцієнти тепловіддачі, що визначаються за різними формулами в залежності від процесів тепловіддачі, що протікають на поверхні теплообміну.
Перевірочний розрахунок виконується для існуючого теплообмінника або для вже спроектованого теплообмінного апарату. Тут площа теплообмінної поверхні є заданою. Метою такого розрахунку є визначення вихідних температур теплоносіїв і кількість переданої теплоти.
Питання до розділу 15.2
«Основні положення теплового розрахунку рекуперативних апаратів»
- На яких двох основних рівняннях грунтується теплової розрахунок рекуперативних теплообмінників?
- Привести рівняння теплового балансу для теплообмінних апаратів (для загального випадку, коли агрегатний стан теплоносіїв не змінюється).
- Що таке видаткова теплоємність (водяний еквівалент)?
- Як пов'язані зміни температур теплоносіїв у теплообмінних апаратах з витратними теплоємності цих теплоносіїв?
- Яким чином змінюється рівняння теплопередачі в разі теплового розрахунку теплообмінних апаратів?
- Що таке проектний (конструкторський) розрахунок теплообмінних апаратів?
- Що таке перевірочний розрахунок теплообмінних апаратів?
15. 3. ОПРЕДЕЛЕНІНЕ СЕРЕДНЬОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО напору.
15.3.1. Прямоточная і протівоточная схеми руху теплоносіїв
Покажемо на графіку характер зміни температур теплоносіїв уздовж теплообмінної поверхні для двох схем руху теплоносіїв, а саме прямотока і противотока.
- поточна теплообмінна поверхню апарату;
- повна теплообмінна поверхню апарату.