Конструктивный, тепловой, гидравлический и аэродинамический расчеты змеевикового экономайзера парового котла для подогрева питательной воды. Определение гидравлического сопротивления элементов теплообменного аппарата, изменения энтальпии теплоносителя.
В поверхностных аппаратах теплоносители разделены твердыми теплопроводными стенками, через которые происходит теплообмен между теплоносителями. Если теплообмен между теплоносителями происходит через разделительные стенки, то теплообменник называют рекуперативным. В период соприкосновения с одним из теплоносителей стенки аппарата получают тепло и аккумулируют его; в следующий период соприкосновения другого теплоносителя с той же поверхностью стенок аккумулированное тепло передается теплоносителю. Если в теплообменном аппарате первичный (горячий) и вторичный (холодный) теплоносители протекают параллельно в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком. Подставив в уравнение значение из уравнения теплопередачи, найдем: Обозначив , последнее уравнение запишем как Принимая m и k постоянными, проинтегрируем последнее уравнение от 0 до F: Из уравнения следует, что вдоль поверхности теплообмена температурный напор изменяется по экспоненциальному закону.Выполнить конструктивный, тепловой, гидравлический и аэродинамический расчеты змеевикового экономайзера парового котла для подогрева питательной воды в количестве от температуры до .Число Рейнольдса для потока воды: Число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи для воды определяем по формуле, в который, учитывая, что коэффициент теплоотдачи со стороны воды намного больше коэффициента теплоотдачи со стороны газов и, следовательно, температура стенки трубы близка к температуре воды, полагаем Для определения температуры газов на выходе из экономайзера примем в первом приближении теплоемкость газа Тогда и При этой температуре и в результате второго приближения и При температуре физические свойства дымовых газов данного состава равны соответственно: Число Рейнольдса для потока газов Найдем число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенкам труб. Для учета этого полагаем: Определяем коэффициент теплоотдачи излучением от потока газов к стенкам труб. Степень черноты дымовых газов при средней температуре газов () находим по графикам: Учитывая, что , принимаем При этой температуре с помощью тех же графиков находим поглощательную способность газов при температуре поверхности труб: Эффективная степень черноты оболочкиПлощадь поверхности нагрева экономайзераПри отсутствии воздушного тракта в экономайзере расчет ведется по газовому тракту. Сопротивление при течении потока в прямом канале постоянного сечения, в том числе при продольном омывании пучка труб. Сопротивление трения возникает при движении потока в газовоздухопроводах, в продольном омываемых трубчатых поверхностях нагрева. Для обычных аэродинамических расчетов можно не учитывать поправку на теплообмен и вести расчет по формуле: , Эквивалентный диаметр для круглого сечения равен внутреннему диаметру трубы, а для некруглого сечения определяется по формуле: Для поперечно омываемых пучков гладких труб живое сечение канала: Полный периметр сечения, омываемый текущей средой: .
План
Содержание
Введение
1. Задание
2. Тепловой расчет
3. Конструктивный расчет
4. Аэродинамический расчет
5. Гидравлический расчет
6. Заключение
Литература
Введение
Теплообменными аппаратами принято называть устройства, предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, кипение, конденсация, расплавление, затвердевание и, наконец, более сложные, комбинированные процессы. Количество тел, участвующих в этих процессах, может быть больше двух, а именно: тепло может передаваться от одного тела к нескольким другим телам или, наоборот, от нескольких тел к одному. Эти тела, отдающие или воспринимающие тепло, принято называть теплоносителями.
Классификация теплообменных аппаратов. Теплообменные аппараты имеют большое распространение во всех отраслях промышленности и широко применяются в теплосиловых установках. В зависимости от назначения теплообменные аппараты называются подогревателями, конденсаторами, испарителями, пароперегревателями и т.д.
По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные.
В поверхностных аппаратах теплоносители разделены твердыми теплопроводными стенками, через которые происходит теплообмен между теплоносителями. Та часть поверхности стенок, через которую передается тепло, называется поверхностью нагрева.
В свою очередь поверхностные теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные.
Если теплообмен между теплоносителями происходит через разделительные стенки, то теплообменник называют рекуперативным. В аппаратах этого типа в каждой точке разделительной стенки тепловой поток сохраняет постоянное направление.
Если же два или больше теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, то теплообменный аппарат называют регенеративным. В период соприкосновения с одним из теплоносителей стенки аппарата получают тепло и аккумулируют его; в следующий период соприкосновения другого теплоносителя с той же поверхностью стенок аккумулированное тепло передается теплоносителю. Направление теплового потока во втором периоде изменяется на противоположное.
В большинстве рекуперативных аппаратов осуществляется непрерывная передача тепла через стенку от теплоносителя к другому. Эти аппараты, как правило, являются аппаратами непрерывного действия. Рекуперативные аппараты, в которых производится периодический нагрев или охлаждение одного из теплоносителей, относят к аппаратам периодического действия.
Регенеративные теплообменники в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия; в них разные теплоносители поступают в различные периоды времени. Непрерывная работа осуществляется в таких аппаратах лишь в том случае, если они снабжены движущимися стенками или насадками, попеременно соприкасающимися с потоками разных теплоносителей и непрерывно переносящими тепло из одного потока в другой.
Схемы движения теплоносителей: При рассмотрении теплообменных аппаратов с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей следует различать аппараты: 1. Прямого тока
2. противоточные
3. Перекрестного тока
4. Со сложным направлением движения теплоносителей (смешанного тока)
Если в теплообменном аппарате первичный (горячий) и вторичный (холодный) теплоносители протекают параллельно в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком. Если теплоносители протекают параллельно, но в противоположных направлениях, то такая схема называется противотоком. Если жидкости протекают во взаимно перпендикулярных направлениях, то схема движения называется поперечным током. Помимо таких простых схем движения, на практике осуществляются и более сложные: одновременно прямоток и противоток, многократно перекрестный ток и др.
Расчет температурного напора: Изменение температур рабочих жидкостей для простейших случаев можно получить аналитически. Рассмотрим простейший теплообменный аппарат, работающий по схеме прямотока. Для элемента поверхности теплообмена DF уравнение теплопередачи запишется как:
При этом температура первичного теплоносителя понизится на , а вторичного теплоносителя повысится на . Следовательно,
Изменение температурного напора при этом где
Подставив в уравнение значение из уравнения теплопередачи, найдем:
Обозначив , последнее уравнение запишем как
Принимая m и k постоянными, проинтегрируем последнее уравнение от 0 до F:
Из уравнения следует, что вдоль поверхности теплообмена температурный напор изменяется по экспоненциальному закону. Следовательно, в аппаратах прямого тока перепад температур между теплоносителями вдоль поверхности теплообмена непрерывно убывает.
Эта формула может применятся как при прямотоке, так и в противотоке.
В тех случаях, когда температура теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно, среднюю разность температур можно вычислять как среднюю арифметическую из крайних напоров:
При расчете средней температурной разности для сложных систем движения теплоносителя поступают следующим образом: 1. Определяют температурный напор по формуле гидравлический змеевиковый экономайзер теплоноситель
2. Вычисляют вспомогательные величины P и R
3. По значениям P и R берется поправка.
Например, для теплообменника с перекрестным током и противоточной схемой включения температурный напор найдется как:
Уравнение теплового баланса. Изменение энтальпии теплоносителя вследствие теплообмена определяется соотношением: (1) где G- расход массы, кг/с;
h- удельная энтальпия, Дж/кг;
DQ измеряется в Дж/с или Вт.
Для конечных изменений энтальпии, полагая, что расход массы неизменен, (2) где h’ и h”- начальная и конечная энтальпии теплоносителя.
Если теплота первичного (горячего) теплоносителя воспринимается вторичным (холодным), то уравнение теплового баланса без учета потерь теплоты запишется как (3) или для конечного изменения энтальпии
, (4) здесь и в дальнейшем индекс «1» означает, что данная величина отнесена к горячей жидкости, а индекс «2»- к холодной. Обозначение (штрих) соответствует данной величине на входе в теплообменник, (два штриха)- на выходе.
Полагая, что и , предыдущее уравнение можно записать так: (1")
(2")
(4")
Удельная теплоемкость ср зависит от температуры. Поэтому в практических расчетах в уравнение (4) подставляется среднее значение изобарной теплоемкости в интервале температур от t" до t"".
В тепловых расчетах часто пользуются понятием полной теплоемкости массового расхода теплоносителя в единицу времени, определяемой выражением
(5) и измеряющейся в Вт/К.
Из уравнения (4) следует, что (6)
Последнее уравнение указывает на то, что отношение изменений температур однофазных теплоносителей обратно пропорционально отношению их расходных теплоемкостей. Нетрудно видеть, что при изменении агрегатного состояния теплоносителя температура его сохраняется постоянной. Следовательно, для такого теплоносителя теплоемкость массового расхода
Соотношение (6) справедливо как для конечной поверхности теплообмена, так и для любого элементарного участка.
Уравнение теплопередачи. Чаще всего для определения поверхности теплообмена используют следующее уравнение
(7) где k- коэффициент теплопередачи;
t1 и t2- соответственно температуры первичного и вторичного теплоносителей;
F- площадь поверхности теплопередачи.
Уравнение справедливо в предположении, что температуры остаются постоянными по всей поверхности теплообмена, однако это частный случай. В общем случае температуры изменяются по поверхности и, следовательно, изменяется и температурный напор, изменяется и коэффициент теплоотдачи на поверхности теплообмена. Значения изменения температур и коэффициента теплопередачи можно принять постоянными только пределах элементарной площадки поверхности теплообмена. Следовательно, уравнение теплопередачи справедливо лишь в дифференциальной форме для элемента теплообмена: (8)
Для решения уравнения необходимо знать закон изменения по поверхности. Коэффициент тепло передачи k, Вт/(м2*К), в большинстве случаев изменяется незначительно и его можно принять постоянным. Для случаев, когда коэффициент теплопередачи существенно изменяется на отдельных участках поверхности теплообмена, его усредняют: (9)
Приняв таким образом постоянное значение коэффициента теплопередачи по всей поверхности, умножить и разделив на F, то получим: (10) где Q измеряется в ваттах.
Выражение (10) является вторым основным уравнением при тепловом расчете теплообменных аппаратов и называется уравнением теплопередачи.
При конструктивном расчете теплообменных устройств тепловая производительность Q, Вт, задается; требуется определить площадь поверхности теплообмена F. Последняя найдется из уравнения (10):
(11)
Из этого уравнения следует, что при нахождении поверхности теплообмена задача сводится к вычислению коэффициента теплопередачи и усредненного по всей поверхности температурного напора.
Для плоской стенки, например, коэффициент теплопередачи находим из уравнения
(12)
Коэффициенты теплоотдачи могут учитывать не только конвективную теплопередачу, но и теплопередачу излучением. В этом случае, например, .
Член в знаменателе представляет собой полное термическое сопротивление теплопроводности твердой стенки, разделяющей теплоносители. Разделяющая стенка может быть как многослойной, так и однородной.
Гидравлическое сопротивление элементов теплообменного аппарата. Полный перепад давления, необходимый при движении жидкости или газа через теплообменник, определяется формулой
, (13) где - сумма сопротивления трения на всех участках поверхности теплообмена (каналов, пучков труб, стенок и др.);
- суммарная затрата давления на преодоление самотяги.
Потери давление на преодоление сил трения при течении несжимаемой жидкости в каналах на участке безотрывного движения в общем случае рассчитывается по формуле
(14) где l- полная длина канала;
d- гидравлический диаметр, который в общем случае ищется как (f- поперечное сечение канала; u- периметр поперечного сечения);
- средняя плотность жидкости или газа в канале, кг/м3, и средняя скорость, м/с;
- коэффициент сопротивления трения. Он является безразмерной величиной, характеризующей отношение сил трения и инерционный сил потока и остается постоянным для канала l>30d; если l<30d, необходимо учитывать изменение его на входном участке канала;
измеряется в паскалях.
Коэффициент сопротивления трения зависит от режима движения потока и поэтому при ламинарном и турбулентном течении определяется по-разному.
Местные сопротивления определяются по формуле
(15) где - коэффициент местного сопротивления;
измеряется в Па.
Коэффициент местного сопротивления зависит от характера препятствия, которым вызываются указанные сопротивления.
Потеря давления, обусловленная ускорением потока вследствие изменения объема теплоносителя при постоянном сечении канала, , (16) где - скорость, м/с; и плотность газа, кг/м3; соответственно во входном и выходном сечениях потока.
Для капельных жидкостей , Па, мало по сравнению с общим сопротивлением потока, и это сопротивление можно не принимать во внимание.
Если аппарат сообщается с окружающей средой, необходимо учитывать сопротивление самотяги. Это сопротивление можно вычислить по формуле
(17) где h- расстояние по вертикали между входом и выходом теплоносителя, м;
- средние плотности теплоносителя и окружающего воздуха, кг/м3;
измеряется в паскалях.
Знак « » берется при движении теплоносителя сверху вниз, знак «-»- при движении снизу вверх. Это значит, что в первом случае общее сопротивление движению теплоносителя увеличивается на , а во втором случае- уменьшается на . Если теплообменник не сообщается с окружающим воздухом (включен в замкнутую систему), то =0.
Для получения полного сопротивления теплообменного устройства выбранной конструкции и с конкретным теплоносителем полученные составляющие подставляются в уравнение (13).
Расчет мощности, необходимой для перемещения жидкости. Гидравлическое сопротивление , подсчитанное по формуле (13), предопределяет мощность, необходимую для перемещения теплоносителя через теплообменный аппарат.
Мощность N, Вт, на валу насоса или вентилятора определяется по формуле
(18) где V - объемный расход жидкости, м3/с;
G- массовый расход жидкости, кг/с;
- полное сопротивление, Па;
- плотность жидкости или газа, кг/м3;
- КПД насоса или вентилятора.
При выборе оптимальных форм и размеров поверхности нагрева теплообменника принимают найвыгоднейшее соотношение между поверхностью теплообмена и расходом энергии на движение теплоносителей. Добиваются, чтобы указанное соотношение было оптимальным, т.е. экономически наиболее выгодным. Это соотношение устанавливается на основе технико-экономических расчетов.
Список литературы
1. Краснощеков Е.А. “ Задачник по теплопередаче”, 1975
