Физика. Примеры решения задач контрольной работы

Примеры решения задач по физике
Кинематика
Движение материальной точки
Основное уравнение динамики
Законы сохранения импульса и энергии
Динамика вращательного движения
Механические колебания
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
МОЛЕКУЛЯРНАЯ  ФИЗИКА
Механика
Молекулярная физика и термодинамика
Электричество
Электромагнетизм
Атомная и ядерная физика
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
Термодинамические процессы
Описание теплопроводности
Теплоотдача в жидкостях и газах
Теплоотдача при фазовых переходах
Тепловое излучение
Теплообменные аппараты
  Кинематика поступательного движения
Электростатика

 

Теплообменные аппараты

 Классификация и расчетная модель. Теплообменными аппаратами называют технические устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Теплообменными аппаратами являются: парогенераторы и конденсаторы паротурбинных установок, испарители и конденсаторы холодильных машин, промежуточные охладители компрессорных установок и многие другие устройства. Участвующие в теплообмене вещества (теплоносители) могут находиться в жидком или газообразном состоянии, либо в виде двухфазного потока.

 По принципу действия теплообменные аппараты делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные (или контактные). В рекуператорах обеспечивается передача тепла от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку (по конструктивному исполнению рекуператоры бывают самыми разнообразными: кожухотрубными, радиаторными, пластинчаторебристыми, спиральными, сотовыми, витыми и многими другими). В регенераторах горячий и холодный теплоносители омывают одну и ту же поверхность теплообмена (теплоемкую аккумулирующую насадку), например, воздухоподогреватели доменных печей, регенераторы разделения воздуха и др. Режим работы регенераторов обычно нестационарный. В смесительных аппаратах передача тепла между теплоносителями осуществляется путем непосредственного их смешивания (контакта). Часто контактный теплообмен сопровождается массообменном, например, в градирнях, скрубберах, эжекторах и др.

 Кроме перечисленных существует множество их разновидностей, применяемых в технике.

Наиболее широкое применение находят рекуперативные теплообменные аппараты различного назначения.

 Тепловой расчет рекуператоров может быть проектным, целью которого является определение поверхности теплообмена, и поверочным, в результате которого при известной поверхности нагрева F определяются количество передаваемой теплоты (тепловая мощность Q) и конечные температуры теплоносителей  и . Основными расчетными уравнениями являются:

 - уравнения теплового баланса (уравнения I закона термодинамики (17)), которые при отсутствии тепловых потерь от корпуса аппарата имеют вид

 , (170)

где нижний индекс «1» и «2» относятся соответственно к горячему и холодному теплоносителю; верхние индексы « / » и « // » - к параметрам теплоносителей на входе и выходе. Очевидно, что при работе в стационарном режиме массовые расходы  теплоносителей постоянны по длине теплообмена. Т. к. падение давления при течении теплоносителей в рекуператоре незначительное (допустимые потери обычно задаются при проектировании), то расчет разностей энтальпий в (169) для любых газообразных или жидких сред при отсутствии фазовых превращений осуществляют по средним изобарным теплоемкостям  в требуемом интервале температур. В испарителях и конденсаторах используют зависимости (169) в общем виде.

 Третьим расчетным уравнением является основное соотношение теплопередачи (131), (132), которое при условии , представляется как

 , (171)

где - средний температурный напор между теплоносителями.

 Величина  зависит от схемы движения теплоносителей. Наиболее простыми схемами являются: прямоток, противоток и перекрестный ток. При прямотоке теплоносители движутся вдоль поверхности теплообмена в одном направлении, при противотоке – в противоположных направлениях, при перекрестном токе – в перекрещивающихся направлениях. Во многих аппаратах схемы намного более сложные. При противотоке можно обеспечить более высокое значение среднего температурного напора , что является достоинством этой схемы в ряде случаев. Если необходимо поддерживать постоянную температуру на поверхности нагрева (), то предпочтение отдают прямоточным схемам (рис. 20). Средний температурный напор для прямотока и противотока определяют по формуле:

 , (172)

где − соответственно больший и меньший из крайних напор температур (например, для прямотока ).

 Для схем перекрестного тока и для других более сложных схем движение теплоносителей средний температурный напор  определяют как произведение величин , рассчитанной по (172) для противотока, на поправку , определяемую по номограммам , т.е.

 . (173)

 Пример 27. Определить поверхность нагрева водяного экономайзера, выполненного по противоточной схеме, если температура газов на входе , расход газов т/ч, а их средняя теплоемкость . Температура воды на входе , расход воды т/ч. Тепловая мощность экономайзера МВт. Рассчитанный средний коэффициент теплопередачи k от газов к воде составляет 79. Найти длину труб мм экономайзера.

Рис.20 – Характер изменения температур теплоносителей

при прямотоке и противотоке.

 Решение. Уравнение теплового баланса (170) для потока газов:

 Откуда температура газов на выходе

.

 Энтальпия воды на входе (по таблице А3) .

 Энтальпия воды на выходе по уравнению теплового баланса (169):

.

 Температура воды  на выходе (по таблице А4) .

 Средний температурный напор

 Необходимая поверхность теплообмена экономайзера .

 Расчетная длина L труб экономайзера: внутренний диаметр трубы ; общая длина труб .

 Пути повышения эффективности теплообменных систем. Около 80% энергии в промышленности передается в различных теплообменных аппаратах и поэтому центральной задачей при их проектировании является экономия материальных и экономических ресурсов. При этом необходимо учитывать, что с уменьшением металлоемкости аппарата снижаются капитальные затраты, но одновременно с этим растут энергетические затраты при эксплуатации, связанные с ростом скоростей или температурных напоров. Так, например,

повышение скорости теплоносителя позволяет повысить коэффициент теплоотдачи и, соответственно, коэффициент теплопередачи аппарата, а следовательно, уменьшить габариты и металлоемкость. Однако при этом возрастают потери напора и расход мощности на привод насоса или компрессора. Увеличение температурного напора  обычно приводит к повышению потерь эксергии (см. (167)) в системе, а значит, - к дополнительным затратам энергоресурсов при эксплуатации.

 Повышение эффективности теплообменных систем предполагает: 1) уменьшение поверхности или увеличение производительности при заданных условиях работы;
2) уменьшение температурного напора  при заданных площади поверхности теплообмена F и производительности (тепловой мощности). Эти задачи могут быть решены путем повышения коэффициента теплопередачи k.

 Одним из методов повышения теплопередачи является рациональное оребрение со стороны меньшей теплоотдачи для выравнивания термических сопротивлений по направлению теплового потока.

 Для повышения коэффициентов теплоотдачи применяют турбулизацию потоков теплоносителей, срыв или уменьшение пограничного слоя   (согласно дифференциальному уравнению теплоотдачи (156), ), переход к кипящему слою, методы разрушения жидкой пленки в конденсаторах, оригинальные конструктивные решения по интенсификации теплоотдачи. Основная сложность этих решений заключаются в том, что при интенсификации теплоотдачи обычно растет гидродинамическое сопротивление по пути движения теплоносителей. По этой причине при проектировании поверхностей теплообмена всегда проводят совместные расчеты по сопротивлению и теплоотдаче.

На главную