Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Тепловой расчет регенеративных теплообменных аппаратов
|
|
Поверхность регенеративных теплообменников попеременно омывается то первичным («горячим»), то вторичным («холодным») теплоносителем.
=> поверхность теплообмена попеременно является тепловоспринимающей и теплоотдающей. Время, за которое происходит нагревание насадки и охлаждение первичного теплоносителя t1, называется периодом нагрева, а время, за которое происходит охлаждение насадки и нагревание вторичного теплоносителя t2, называется периодом охлаждения.
полным циклом или периодом.Обозначим время полного цикла через tПЕР
В общем случае период нагревания и охлаждения различной продолжительности. В отличие от рекуператоров регенераторы работают в условиях нестационарного теплового процесса.
В настоящее время для практических расчетов используют различные приближенные методы.
Особенности расчета - все расчеты приходится вести по средним характеристикам за цикл. Тепловой поток относится не к единице времени, а берется за период. Q — количество тепла, переданное в период первичного или вторичного теплоносителя на единицу поверхности за период, Дж/(м2× период).
Уравнение теплового баланса практически не отличается от уравнения для рекуператоров, а уравнение теплопередачи имеет вид:
где kП —коэффициент теплопередачи за период нагревания и охлаждения, Дж/(м2× К× период); 
— средняя температура первичного теплоносителя за период нагревания; 
— средняя температура вторичного теплоносителя за период охлаждения; Q измеряется в Дж/(м2× период).
РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ.
Количество тепла, которое будет передаваться к единице поверхности в период нагревания насадки, Дж/(м2× период).
где a1 —суммарный коэффициент теплоотдачи за период нагревания; t1, – продолжительность периода нагревания; — средняя температура первичного теплоносителя в данном сечении за период нагревания; 
— средняя температура поверхности в данном сеченнн за период нагревания.
Количество теплоты, которая будет передаваться к «холостому» (вторичному) теплоносителю за период охлаждения,
a2 —суммарный коэффициент теплоотдачи за период охлаждения; 
— средняя температура поверхности в данном сечении за период охлаждения; — средняя температура вторичного теплоносителя за период охлаждения; t1 —продолжительность периода охлаждения.
При установившемся состоянии (цикличности) в отсутствие внешних потерь количества теплоты, передаваемой в период нагревания и отдаваемой вторичному теплоносителю в период охлаждения, должны быть одинаковыми. На этом основании можно написать:
Разность средних температур поверхности за период нагрева и охлаждения 
обозначим через 
. Можно написать: 
Подставив последнее выражение в уравнение (а) и разрешив его относительно 
получим: 
Получим: 
здесь kЦ измеряется в Дж/(м2× К× период).
Если принять, что продолжительность периодов нагрева и охлаждения равна единице и предположить, что разность температур поверхностей 
, то из уравнения (в) получим:
Если в уравнении (в) принять 
, а продолжительности периодов t1 и t2 произвольными, то получим выражение для коэффициента теплопередачи в так называемых «идеальных регенераторах»:
Идеальный- регенератор, в котором средняя температура поверхности насадки в период нагрева и период охлаждения остается одинаковой.
Из уравнения (в) следует, что если известны коэффициенты теплоотдачи a1 и a2, то расчет регенератора сводится к вычислению средних температур поверхности насадки в период нагревания и в период охлаждения .
В основу расчета коэффициента теплопередачи в любом регенераторе можно положить выражение (д) и о совершенстве регенератора судить по отличию коэффициента теплопередачи от идеального.
Для практических расчетов можно рекомендовать следующую формулу:
здесь 
k измеряется в Дж/(м2× К× период).
Фактор u/u в уравнении (е) указывает на ухудшение, которое претерпевает идеальный коэффициент теплопередачи вследствие недостаточных теплопроводности и аккумулирующей способности насадки регенератора. Этим отношением будет характеризоваться коэффициент полезного действия поверхности нагрева. Следовательно,
или 
Величина и является только функцией комплексов 2a1t1/сdr и 
, а величина u - только функцией параметров 2a1t1/сdr и h.
В указанных безразмерных параметрах: a1 — коэффициент теплоотдачи в период нагревания; t1 — продолжительность периода нагревания; с — удельная теплоемкость; d -толщина насадки; r — плотность насадки; 
— изменение температуры вторичного теплоносителя на входе; h — коэффициент использования насадки; 
— изменение температуры первичного теплоносителя на входе.
Таким образом, можно записать:
|
и
|
Зависимости (и) и (к) представлены на рис. 1 и 2 в виде семейства кривых.
|
|
Таким образом, на основании изложенной методики по уравнениям можно вычислить коэффициент теплопередачи для любого регенератора.
|
охлаждения воды при помощи воздуха.
Определяющих факторов в работе смесительных теплообменников является поверхность соприкосновения. С этой целью жидкости обычно разбрызгиваются на мелкие капельки. Однако степень дробления в каждом случае должна выбираться в соответствии с конкретными условиями работы аппарата. Чем мельче капли, тем больше поверхность соприкосновения, но вместе с этим меньше и скорость падения капли. При этом и скорость газа должна быть мала; в противном случае капли будут лишь витать или уноситься с воздухом. Поэтому степень разбрызгивания воды должна быть в соответствии со скоростью воздуха и производительностью аппарата.
В смесительных теплообменниках наряду с процессом теплообмена имеют место и процессы массообмена.
При расчете смесительных аппаратов обычно пользуются установленными из практики нормами допустимой нагрузки единицы объема.
С целью обеспечения большей поверхности соприкосновения рабочих жидкостей аппараты часто загружаются кусковым материалом, например коксом, кольцами Рашига или деревянными решетками. Поверхностью теплообмена является жидкостная пленка, которая образуется на поверхности кусковой насадки. Такие аппараты – скрубберами (в химической промышленности). Для случая охлаждения воздуха водой в скруббере Н. М. Жаворонков получил обобщенную зависимость
|
где Ki = kdЭКВ/lГ — число Кирпичева; ReГ = 4w0V/vГF — число Рейнольдса для газов; RеЖ = GdЭКВ/vЖ — число Рейнольдса для жидкости; РrГ = nГ/aГ — число Прандтля для газов; k — коэффициент теплопередачи, численное значение которого определяет собой условия теплообмена между газом и жидкостью; w0 — скорость воздуха по свободному сечению аппарата; G — интенсивность орошения, м3/(м2× с); dЭKB = 4V/F — эквивалентный диаметр; V — свободный объем насадки, м3/м3; F — площадь поверхности насадки в единице объема, м2/м3.
Гидромеханический расчет теплообменных аппаратов. Гидравлическое сопротивление элементов. (Гладкие трубы, шероховатые, закругленные, в пучках труб). Мощность для перемещения жидкости.
Гидравлическое сопротивление. При проектировании теплообменных аппаратов большое значение имеет правильное представление о характере движения рабочих жидкостей. В сложных устройствах движение жидкости определяетсятакже предшествующими и последующими. Т.к. сочетание элементов в аппаратах может быть самое разнообразное, то учесть их взаимное влияние очень трудно.
Работа ТА в основном определяется характером движения рабочих жидкостей. Знание условий движения дает возможность правильно выбрать расчетные формулы теплоотдачи и позволяет достаточно точно определить гидравл. сопротивление.
Основной задачей является определение потери давления теплоносителя при похождении его через аппарат. При течении жидкости всегда возникают сопротивления, препятствующие движению. На преодоление этих сопротивлений затрачивается механическая энергия, пропорциональная перепаду давления ∆ р. Сопротивления: трения и местные сопротивления.
Гидравлическое сопротивление трения обусловливается вязкостью жидкости и проявляется лишь в местах безотрывного течения жидкости вдоль твердой стенки. При этом сила давления равна силе трения, т. е. Dpf = sF, откуда Dp = sF/f. Так как 
, то это означает, что чем больше вязкость протекающей жидкости, тем больше и сопротивление. Сопротивление зависит от скорости w. Скорость ниже критической - сопротивление пропорционально 1-ой степени скорости; скорость выше критической - сопротивление пропорционально квадрату скорости. Потери давления на преодоление сил трения в общем случае
|
где l — полная длина канала; d — гидравлический диаметр, который в общем случае найдется как d = 4f/U (f — поперечное сечение канала; U — периметр поперечного сечения); x — коэффициент сопротивления трения, безразмерная величина, характеризующая соотношение сил трения и инерционных сил потока; x 0 — поправка на гидродинамический начальный участок: при наличии перед входом в трубу успокоительного участка x 0 = 0, при отсутствии успокоительного участка и равномерном распределении скоростей на входе x 0= 1, 16 для круглой трубы и x 0 = 0, 63 для плоского канала; r и w — средняя плотность и средняя скорость жидкости или газа в канале.
В практических расчетах поправка x 0 обычно несущественна и сопротивление трения в трубах и в каналах определяется по формуле
|
Местные сопротивления определяются по формуле
|
где x — коэффициент местного сопротивления.
В неизотермического движения жидкости до недавнего времени сопротивление подсчитывалось так же, как и при изотермическом. Влияние изменения температуры учитывалось лишь тем, что все расчетные величины (скорость, плотность, вязкость) относили к средней температуре жидкости. Опытом установлено, если сопротивление теплообменных аппаратов рассчитывается по величинам, отнесенным к средней температуре жидкости, то коэфф. сопротивления трения в этом случае является функцией не только числа Re, но также чисел Gr и Рr.
При неизотермическом движении газов движение становится. Это вызывает дополнительную потерю давления на ускорение газа DрН, которая при движении в канале постоянного сечения равна удвоенной разности скоростных напоров:
|
Индексом 1 отмечены величины, отнесенные к температуре в начальном сечении, индексом 2 — в конечном. В случае нагревания газа DрН положительно, в случае охлаждения — отрицательно.
Подъемная сила и сопротивление самотяги определяются соотношением
|
r0 — средняя плотность холодной жидкости, например, окружающего воздуха; r — средняя плотность нагретой жидкости, например, дымовых газов; h0 — высота вертикального канала — газохода.
При нисходящем движении нагретой жидкости значение DpC является дополнительным сопротивлением канала, при восходящем же движении нагретой жидкости сопротивление канала уменьшается на величину DpC. Общее сопротивление самотяги определяется как разность между значениями подъемной силы во всех нисходящих и восходящих каналах.
При определении полного сопротивления какого-либо устройства в технических расчетах принято суммировать отдельные сопротивления. Такой способ расчета основан на допущении, что полное сопротивление последовательно включенных элементов равно сумме их отдельных сопротивлений. В действительности это не так, сопротивление каждого элемента зависит от характера движения жидкости в предшествующих участках.
|
Все данные по гидравлическому сопротивлению, приводимые в справочниках, как правило, получены для изотермического движения жидкости. Применение их к расчету сопротивления при неизотермическом движении должно проводиться с учетом возможных изменений, как отдельных величин, так и сопротивления в целом.
|
|