Видео:16. Основы теплотехники. Теплообменные аппараты. Конструкция и расчёт теплообменников.Скачать
Основы расчета теплообменных аппаратов (ТА)
Классификация ТА. Теплообменным аппаратом называют устройство, в котором одна жидкость – горячая среда, передает теплоту другой жидкости – холодной среде. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур.
По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные.
В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.
В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей жидкости к холодной происходит при их непосредственном смешении.
Особенно широкое распространение во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку.
ТА могут иметь различное назначение: паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т. д.
| а) |
| б) |
| в) |
ТА в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по конструкции и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.
Движение теплоносителей в ТА осуществляется по трем основным схемам (см. рисунок).
Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называется прямотоком (рис.а).
Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется противотоком (рис.б). Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется перекрестным током (рис.в). Кроме этих основных схем движения жидкостей, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы.
Тепловой расчет теплообменных аппаратов. Тепловые расчеты ТА могут быть проектными и поверочными.
Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов, целью расчета является определение поверхности теплообмена. 
Поверочные тепловые расчеты выполняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей.
Тепловой расчет ТА сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета.
Уравнение теплового баланса устанавливает связь между количеством теплоты отданной горячим теплоносителем и теплотой воспринятой холодным теплоносителем. Без учета потерь теплоты это уравнение имеет вид:
,
где М1, М2 – массовый расход горячего и холодного теплоносителя;
Ср1, Ср2 – изобарная массовая теплоемкость горячего и холодного теплоносителя;
– температура горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменника;
– температура холодного теплоносителя на входе и выходе из теплообменника.
Произведение МСр обозначают W и называют полной теплоемкостью массового расхода или водяным эквивалентом. Тогда из уравнения теплового баланса следует 
, т.е. изменение температуры теплоносителей обратно пропорционально их водяным эквивалентам. Если один из теплоносителей изменяет агрегатное состояние (t = const), то W = ¥.
Уравнение теплопередачи имеет вид
,
где k – коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, для примерных расчетов допустимо использовать формулу для плоской однослойной стенки 
;
a1, a2 – соответственно коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю;
d, l – соответственно толщина и коэффициент теплопроводности материала стенки;
Dt – средний температурный напор между теплоносителями;
F – поверхность теплообмена.
| F |
| F |
| t |
| t |
| t’1 |
| t’2 |
| t»1 |
| t»2 |
| W1 > W2 |
| W1 W2 |
W1 0,6 средний температурный напор можно рассчитывать как среднеарифметический  .Средний температурный напор при прямотоке всегда меньше, чем при противотоке. Поэтому, поверхность нагрева противоточного ТА меньше чем прямоточного. Основы гидродинамического расчета теплообменных аппаратов. При движении рабочих сред в аппарате возникают гидравлические сопротивления, вследствие чего давление среды на входе в аппарат отличается от давления на выходе из него (Dр).На преодоление сопротивлений затрачивается механическая энергия, пропорциональная Dр. Задача гидродинамического расчета аппаратов – определение гидравлических сопротивлений, или (что то же самое) потерь давления, возникающих при движении горячей и холодной сред. Знание этих величин необходимо для расчета мощности вентиляторов или насосов, а также для выбора рациональной конструкции и оптимального режима работы аппарата. Величина гидравлических сопротивлений зависит от конструкции аппарата, условий движения среды, ее теплофизических свойств. Возникающие сопротивления в зависимости от их природы можно разделить на несколько составляющих: сопротивление трения (Dртр); местные сопротивления (Dрм); сопротивления, связанные с ускорением потока вследствие его неизотермичности (Dрус); сопротивления самотяги (Dрс); обусловленные различным направлением вынужденного и свободного движения. Гидравлическое сопротивление трения возникает из-за наличия сил вязкости на участке безотрывного течениями для несжимаемой жидкости, движущейся в каналах, рассчитывается по уравнению где x – коэффициент сопротивления трения; l – полная длина канала; d – гидравлический (эквивалентный) диаметр канала, м; r и w – плотность и скорость рабочей среды. Местные сопротивления возникают из-за вихреобразования при резком изменении направления движения или формы потока (изменение сечения канала, повороты и т. п.). Местные сопротивления определяются по формуле где z – коэффициент местного сопротивления – безразмерная величина (зависит от характера препятствий, которые приходится преодолевать потоку). Сопротивления, связанные с ускорением потока, вызываются изменением плотности среды и соответствующим изменением ее скорости по длине канала. При движении в канале постоянного сечения величину этих потерь рассчитывают по формуле Очевидно, что потери на ускорение возникают только при неизотермическом течении, причем при нагревании ониположительны, при охлаждении – отрицательны. Сопротивление самотяги возникает в вертикальных или наклонных каналах при наличии теплообмена между рабочей средой и средой, окружающей канал. Подъемная сила самотяги и равное ей сопротивление определяются по формуле где g – ускорение свободного падения; r и r0 – средние плотности среды внутри канала (например, дымовых газов) и окружающей канал среды (воздух); h – расстояние по вертикали между входом и выходом рабочей среды. При восходящем потоке Dрс > 0, при нисходящем Dрс Дата добавления: 2018-11-25 ; просмотров: 955 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ Видео:Расчет теплообменного аппаратаСкачать  Основные уравнения для расчета теплообменниковТепловой расчет теплообменника может быть конструкторским, целью которого является определение площади поверхности теплообмена, и поверочным, когда при известной поверхности нагрева определяется количество передаваемой теплоты и конечные температуры теплоносителей. Основными уравнениями для расчета теплообменников являются: · уравнение теплового баланса; · уравнение массового расхода теплоносителей. Уравнение теплового баланса при условии отсутствия тепловых потерь имеет вид
где G, кг/с – массовый расход теплоносителя; h, Дж/кг – энтальпия. Здесь и далее индексы 1, 2 относятся соответственно к горячему и холодному теплоносителям, один штрих (¢ ) и два штриха (¢¢ ) – к параметрам на входе в теплообменник и на выходе из него. При отсутствии кипения или конденсации теплоносителей уравнение теплового баланса можно записать в виде
где
где С=G Из уравнения (9.3) следует, что отношение расходных теплоемкостей обратно пропорционально отношению их изменений температур:
Уравнение теплового баланса с учетом тепловых потерь запишется в виде
где Эксергетический КПД теплообменника
учитывает потери эксергии в составе потерь тепла и потери эксергии от необратимого теплообмена между горячим и холодным теплоносителем при конечной разности средних температур ( Уравнение теплопередачи имеет вид
где к – коэффициент теплопередачи; F, м 2 – площадь поверхности; и используется для нахождения площади поверхности теплообмена F.
где
В рекуперативных теплообменниках для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводностью (меди, латуни, сплавов алюминия, стали), и в этом случае для стенок любой формы (например труб) коэффициент теплопередачи с достаточной точностью рассчитывается по формуле для плоской стенки
где a1, a2, Вт/м 2 ×К – средние коэффициенты теплоотдачи между стенкой и теплоносителями; d, м, l, Вт/м×К – толщина и коэффициент теплопроводности стенки. В рекуперативных теплообменниках в зависимости от направления потоков горячего и холодного теплоносителей различают три основные схемы движения:
1. Если оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении, то схема называется прямотоком. 2. Если теплоносители движутся параллельно, но в противоположных направлениях, то схема движения называется противотоком. 3. Если один теплоноситель движется в направлении, перпендикулярном к направлению движения другого теплоносителя, то схема движения называется перекрестным током. Кроме указанных, существуют более сложные схемы движения, являющиеся различными комбинациями рассмотренных основных схем.
На рис. 9.1 представлены графики изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена F для прямотока (а) и противотока (б). При прямотоке Dt¢=t1¢-t2¢ — температурный напор на входе в теплообменник, Dt¢¢=t1¢¢-t2¢¢ — температурный напор на выходе из теплообменника, Dt – текущий температурный напор при Fх. Обратите внимание, что при прямотоке температура холодного теплоносителя на выходе теплообменника (t2¢¢) всегда меньше температуры горячего теплоносителя (t1¢¢):
Это дает основание заключить, что противоточная схема предпочтительнее прямоточной. Получим формулу для расчета среднего температурного напора припрямотоке. Запишем уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи для элемента поверхности dF (рис.9.1,а):
в (9.10) и получим
Проинтегрируем (9.11) от Dt¢ до текущего температурного напора Dt и от 0 до Fx (рис. 9.1, а), получим
Последняя формула описывает закон изменения текущего температурного напора вдоль поверхности теплообмена. Проинтегрируем (9.11) от Dt¢ до Dt¢¢ и от 0 до F, где F – площадь поверхности теплообменника.
Зная закон изменения температурного напора вдоль поверхности теплообмена (9.12), можно найти средний температурный напор
Совместное решение (9.15), (9.12) – (9.14) дает расчетную формулу для среднего температурного напора при прямотоке
При противотоке
Аналогичные рассуждения и математические преобразования дают расчетную формулу для
Учитывая, что для прямотока Δt¢ является бóльшим температурным напором, а Δt¢¢ — меньшим, можно утверждать, что формула (9.17) справедлива и для прямотока. Для других схем движения теплоносителей средний температурный напор рассчитывается по формуле
где eDt=f (R, P) – поправочный коэффициент, определяемый по номограммам, которые приведены в справочниках.
Расчет средних температур теплоносителей Уравнение массового расхода теплоносителя имеет вид
где w, м/с – скорость движения теплоносителя, f, м 2 – площадь поперечного сечения потока теплоносителя, r, кг/м 3 – плотность теплоносителя. При движении теплоносителя по трубам пучка площадь поперечного сечения всех труб Видео:Расчет теплообменного аппаратаСкачать  Тепловой расчет теплообменных аппаратовЗдравствуйте! Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями либо между теплоносителями и твердыми телами (насадкой, стенкой). Роль теплоносителя может выполнять и среда, окружающая аппарат. По своему назначению и конструктивному оформлению теплообменники могут быть самыми различными, начиная от простейшего (радиатор) и кончая наиболее совершенным (котельный агрегат). По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рекуперативными называют аппараты, в которых одновременно протекают горячий и холодный теплоносители, разделенные между собой твердой стенкой. К числу таких аппаратов относятся подогреватели, котельные агрегаты, конденсаторы, выпарные аппараты и др. Регенеративными называют аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева попеременно омывается то горячей, то холодной жидкостью. При этом теплота, аккумулированная стенками аппарата при их взаимодействии с горячей жидкостью, отдается холодной жидкости. Примером регенеративных аппаратов являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей, отопительные печи и др. В регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные аппараты большей частью работают при стационарном режиме. Рекуперативные и регенеративные аппараты называют также поверхностными, так как процесс передачи теплоты в них неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Смесительными являются аппараты, в которых передача теплоты осуществляется при непосредственном смешивании горячей и холодной жидкости. Взаимное движение теплоносителей в теплообменных аппаратах может быть различным (рис. 1.).
В зависимости от этого различают аппараты с прямоточным движением, противоточным движением, перекрестным током и со сложным направлением движения теплоносителей (смешанного тока). Если теплоносители протекают параллельно в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (рис. 1.). При противотоке теплоносители движутся параллельно, но навстречу друг другу. Если направления движения жидкостей пересекаются, то схема движения называется перекрестным током. Кроме названных схем, на практике применяются и более сложные: одновременно прямоток и противоток , многократно перекрестный ток и др. В зависимости от технологического назначения и конструктивных особенностей теплообменные аппараты подразделяются на водоподогреватели, конденсаторы, котельные агрегаты, испарители и др. Но общим является то, что все они служат для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому, поэтому и основные положения теплового расчета для них одинаковы. Разница может состоять только в конечной цели расчета. При проектировании нового теплообменного аппарата задачей расчета является определение поверхности нагрева; при поверочном тепловом расчете имеющегося теплообменника требуется найти количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей. В основу теплового расчета в обоих случаях положены уравнения теплового баланса и уравнение теплопередачи. Уравнение теплового баланса теплообменного аппарата имеет вид:
где М — массовый расход теплоносителя, кг/с; cpm — удельная массовая изобарная средняя теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг*°С). Здесь и в дальнейшем индексом «1» обозначаются величины, относящиеся к горячей жидкости (первичный теплоноситель), а индексом «2» — к холодной жидкости (вторичный теплоноситель); штрих соответствует температуре жидкости на входе в аппарат, а два штриха — на выходе. При расчете теплообменников часто пользуются понятием полной теплоемкости массового расхода теплоносителя (водяного эквивалента), равной С = Мср Вт/°С. Из выражения (1) следует, что
то есть отношение изменений температур однофазных теплоносителей обратно пропорционально отношению их полных расходных теплоемкостей (водяных эквивалентов). Уравнение теплопередачи записывается так: Q=k*F*(t1—t2), где t1, t2— температуры первичного и вторичного теплоносителей; F — площадь поверхности теплопередачи. При теплообмене в большинстве случаев изменяются температуры обоих теплоносителей и, следовательно, изменяется температурный напор Δt = t1—t2. Коэффициент теплопередачи по поверхности теплообмена также будет иметь переменную величину, поэтому в уравнение теплопередачи следует подставлять средние значения температурного напора Δtср и коэффициента теплопередачи kсp, то есть Площадь теплообмена F рассчитывается по формуле (3), тепловая производительность Q при этом задается. Для решения задачи необходимо вычислить средний по всей поверхности коэффициент теплопередачи kсp и температурный напор Δtср. При вычислении среднего температурного напора необходимо учитывать характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена. Из теории теплопроводности известно, что в пластине или цилиндрическом стержне при наличии разности температур на торцах (боковые поверхности изолированы) распределение температур по длине линейное. Если же на боковой поверхности имеет место теплообмен или система располагает внутренними источниками теплоты, то распределение температур является криволинейным. При равномерном распределении источников теплоты изменение температур по длине будет параболическим. Таким образом, в теплообменных аппаратах характер изменения температур теплоносителей отличается от линейного и определяется полными теплоемкостями С1 и С2 массовых расходов теплоносителей и направлением их взаимного движения (рис. 2).
Из графиков видно, что изменение температуры вдоль поверхности F неодинаково. В соответствии с уравнением (2) большее изменение температуры будет у теплоносителя с меньшей теплоемкостью массового расхода. Если же теплоносители одинаковы, например, в водоводяном теплообменнике, то характер изменения температур теплоносителей будет всецело определяться их расходами, причем при меньшем расходе изменение температур будет большим. При прямотоке конечная температура t»2 нагреваемой среды всегда меньше температуры t»1 греющей среды на выходе из аппарата, а при противотоке конечная температура t»2 может быть выше температуры t»1 (см. для противотока случай, когда C1 > C2). Следовательно, при одинаковой начальной температуре нагреваемую среду при противотоке можно нагреть до более высокой температуры, чем при прямотоке. При прямотоке температурный напор вдоль поверхности нагрева изменяется в большей степени, чем при противотоке. Вместе с тем среднее его значение в последнем случае больше, вследствие чего поверхность нагрева аппарата с противотоком будет меньшей. Таким образом, при равных условиях в этом случае будет передано большее количество теплоты. Исходя из этого, предпочтение следует отдавать аппаратам с противотоком.
В результате аналитического исследования теплообменного аппарата, работающего по схеме прямотока, установлено, что температурный напор вдоль поверхности теплообмена изменяется по экспоненциальному закону, поэтому средний температурный напор может быть вычислен по формуле:
где Δtб — большая разность температур между горячим и холодным теплоносителем (с одного края теплообменника); Δtм — меньшая разность температур (с другого края теплообменника). При прямотоке Δtб = t’1 — t’2 и Δtм = t»1 — t»2 (рис. 2.). Эта формула справедлива также и для противотока с той лишь разницей, что для случая, когда С1 С2 Δtб = t»1 — t’2 и Δtм = t’1 — t»2. Средняя разность температур между двумя средами, вычисляемая по формуле (4), называется среднелогарифмическим. температурным напором. Вид выражения обусловлен характером изменения температур вдоль поверхности нагрева (криволинейная зависимость). Если бы зависимость была линейной, то следовало бы определять температурный напор как среднеарифметический (рис. 3.). Значение среднеарифметического напора Δtа.ср всегда больше среднелогарифмического Δtл.ср. Однако в тех случаях, когда температурный напор по длине теплообменника изменяется незначительно, то есть выполняется условие Δtб/ Δtм
Осреднение температурного напора для аппаратов с перекрестным и смешанным током отличается сложностью расчетов, поэтому для ряда наиболее употребительных схем результаты решений обычно приводятся в виде графиков. Исп. литература: 1) Основы теплоэнергетики, А.М. Литвин, Госэнергоиздат, 1958. 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976. 3) Теплотехника, изд.2, под общей ред. И.Н.Сушкина, Москва «Металлургия», 1973. Видео:Раздел-1. Модели процессов тепломассопереноса и элементов оборудования различных теплотехнологийСкачать  4 комментарий на « Тепловой расчет теплообменных аппаратов »столкнулся с такой практической задачей: в комнате 4 радиатора отопления, подключены по двухтрубной системе. Оплата за тепло по квартирному теплосчетчику. Если включить все четыре батареи на полную мощность, то будет слишком жарко. Практика показывает, что для оптимальной температуры надо включить или 2 батареи на полную, а 2 выключить; или включить все четыре на минимальный обогрев. Как вы думаете, в каком случае затраты на обогрев будут меньше? Игорь, сведите все к простой математике. Чем больше теплосъем, тем больше оплата за отопление. И наоборот, чем меньше теплосъем, тем меньше оплата за отопление. Формула потребленного тепла выглядит как Q=G*c*(T1-T2), где Q=ккал/сек, с- это теплоемкость воды = 1 ккал/(кг*градус), Т1 — температура в подаче в градусах, Т2 — температура в обратке в градусах, G — количество теплоносителя в кг/сек. Если умножить результат на 3600, то получите результат в часах. По своему теплосчетчику вы можете узнать количество теплоносителя, который прошел через ваши батареи, а так же температуру прямой и обратной трубы. Путем регулирования своих 4х батарей вы можете по количеству теплоносителя регулировать стоимость потребленного тепла. Как-то так. Подскажите пожалуйста, если в частном доме с центральным отоплением поставить теплообменник, то за отопление придется платить столько же сколько без него? Прибора учета нет. Если прибора учета нет, то будете платить столько же, сколько и до установки теплообменника 🎬 ВидеоРасчет тепловых процессов | Физика ОГЭ 2023 | УмскулСкачать  Лабораторная работа №7. Тепловой анализ теплообменного аппаратаСкачать  Основы теории теплообменаСкачать  Виды теплообменников (теплообменных аппаратов)Скачать  Расчет и выбор теплообменникаСкачать  Расчет кожухотрубного теплообменникаСкачать  Количество теплоты, удельная теплоемкость вещества. 8 класс.Скачать  Теплообменное оборудованиеСкачать  Введение в моделирование гидродинамики и теплообмена в COMSOL Multiphysics®. Версия 6.1Скачать  ❄️ Семинар 2. Особенности расчета и конструирования витого теплообменного аппарата 3/5.Скачать  Какие данные нужны для расчета теплообменника для майнинга?Скачать  Основы теплотехники. Лекция 1. Основные понятия и определения (предварительная версия)Скачать  Как посчитать теплообменник лучше любого проектировщикаСкачать  Основные сведения о конструкциях теплообменниковСкачать  Теплообменники. принцип работы и строение.Скачать  Конструкции кожухотрубных теплообменниковСкачать  |
,
,
.
,
, 
, Дж/кг×К – средние теплоемкости теплоносителей,
Дж/с×К – расходная теплоемкость теплоносителя.
КПД теплообменника, учитывающий потери тепла в окружающую среду.
).
— средние температуры теплоносителей;
— средний температурный напор, то уравнение теплопередачи запишется в виде
.
по формуле осреднения
и 
производится так: сравнивают изменения температур Dt1=t1¢-t2¢¢ и Dt2= t2¢¢-t2¢ ; среднюю температуру теплоносителя с меньшим изменением температуры (с бóльшей расходной теплоемкостью) вычисляют как среднюю арифметическую. Среднюю температуру другого теплоносителя определяют по формуле (9.6).
