При проектировании и выборе теплообменников проводят конструкторский и поверочный расчеты [1]. В первом случае осуществляется поектирование аппарата, цель расчета состоит в определении рабочей площади поверхности теплообменника, если заданы массовые расходы G1, G2холодной 1 и горячей 2 жидкостей, их температуры на входе Т1, Т2и выходе Т1, Т2и теплоемкости Ср1, Ср2.
Проверочный расчет осуществляется для теплообменника с известной площадью поверхности. Цель расчета - определить значения температур теплоносителя на выходе из теплообменника и потока теплоты Ф, передаваемого от греющей к нагреваемой емкости, т.е. установить работу аппарата.
2.1.1 Конструкторский расчет (методика)
Для расчета используются: уравнение теплопередачи
Ф = kТсрS (2.1)
где k - коэффициент теплопередачи, Вт/м2k;
Тср- средняя разность температур греющей и нагреваемой жидкости;
S - площадь поверхности.
и уравнение теплового баланса:
Ф = W1(T1- T1) = W2(T2- T2) (2.2)
где Wi- водяной эквивалент жидкости (i=1,2), Вт/k;
(WiCpi= Gi= CpiGvipi), где Gi, Gvi- массовый и объемный расходы, кг/с, м3/с.
Если принять, что температуры рабочих жидкостей меняются по линейному законту Т1= 0,5(T1- T1); Т2= 0,5(T2- T2), то средняя разность температур горячей и холодной жидкостей равна
Тср= Т2- Т1 (2.3)
Характер изменения температуры рабочих жидкостей по длине на практике носит более сложный характер и зависит от схемы движения жидкости (прямоток, противоток и т.д.), числа труб, температуры жидкости на входе. Методы точности расчета Тсрможно найти в рекомендованной литературе.
Сопоставляя уравнения (2.1) и (2.2), получим:
S = W1(T1- T1) / (kTср);
S = W2(T2- T2) / (kTср); (2.4)
где коэффициент теплопередачи будет равен:
k = (1/1+/+1/2)-1,
где 1, 2- коэффициенты теплопередачи холодным и горячим теплоносителями;
- толщина стенки между теплоносителями;
- коэффициент теплопроводности материала стенки.
Как правило, тепловое сопротивление стенки мало по сравнению с тепловым сопротивлением 1/i, поэтому приближенно:
k = 12/(1+2), (2.6)
2.1.2 Поверочный расчет теплообменника
Предполагается, что теплообменник уже имеется (спроектирован). В этом случае известными являются следующие параметры: площадь поверхности нагрева - S; коэффициент теплопередачи - k; водяные эквиваленты W1и W2и начальные температуры Т1и Т2на входе в теплообменник. Из уравнения теплового баланса (2.2) находим конечные температуры:
Т1= Т1+ Ф/W1,
Т2= Т2+ Ф/W2 (2.7)
Считаем, что в первом приближении температуры рабочих жидкостей меняются по линейному законту, тогда
Ф = 0,5 k S[T2+ T2) - (Т1+ T1)].
Подставив в это уравнение значения T1и T2из (2.7) после преобразования получим:
Ф = (Т2- Т1) / [1/(kA) + 1/(2W1) + 1/(2W2)], (2.8)
Зная Ф, по формулам (2.7) находим температуры Т1и Т2рабочих жидкостей.
Для определения затрат механической энергии, связанных с движением теплоносителя в теплообменнике, следует провести гидравлический (вентиляционный) расчет.
На практике часто реализуется графоаналитический метод расчета теплообменников [7].
Контрольные задания
Выполнить конструкторский расчет теплообменника. По результатам расчета выбрать компактный теплообменник для РЭС и привести его чертеж общего вида.
Таблица 2.1
Исходные данные для расчета
| № пп | ||||||||||
| Мощность, отводимая от блока РЭА, Вт | ||||||||||
| Вид холодной жидкости (В, Ж) | воз-дух | вода | вода | воз-дух | вода | вода | вода | вода | ||
| Вид горячей жидкости (В, Ж) | вода | вода | вода | вода | вода | вода | вода | вода | ||
| Объемный расход холо-дной жидкости Gv(м3/с) | 0,5 | 5 10-4 | 5 10-4 | 0,8 | 4 10-3 | 4 10-3 | 5 10-5 | 5 10-5 | ||
| Температура | горячая жидкость | |||||||||
| на входе, С | холодная жидкость | -20 | -15 | -10 | ||||||
| Температура | горячая жидкость | |||||||||
| на выходе, С | холодная жидкость | -8 | -5 | -2 |
Выбор и расчет радиатора
Выбор радиатора
Для выбора радиатора в первом приближении наиболее часто используется графо-аналитический метод [1]. В качестве исходных данных выступают следующие параметры:
- мощность (поток), рассеиваемый радиатором - Ф, Вт;
- среднеповерхностная температура основания радиатора - ТS, К;
- диапазон температур окружающей среды или максимальная положитель-
ная температура окружающей среды - ТС, К;
- площадь основания радиатора или площадь, отводимая на радиатор в
блоке РЭС - S, м2.
На рисунке 3.1 приведены типичные графики [1], которые позволяют выбрать тип радиатора и условия теплообмена исходя из точки с координатами (Ф/S; (ТS- TC)).
Рис. 3.1 Графики для определения типа радиатора и условий охлаждения:
а1-б1, а2-б2, а3-б3- пластинчатые, ребристые, штыревые радиаторы при свободной конвекции; а4-б4- пластинчатые; а3-б3- ребристые; а6-б6- петельно-проволочные; а7-б7- жалюзийные; а8-б8- штыревые радиаторы при вынужденном движении воздуха со скоростями v=(25) м/с.
Расчет радиатора
Методики расчета радиаторов для различных условий отвода тепла достаточно подробно изложены в [4]. В настоящем разделе в качестве примера приводится методика расчета односторонне-оребренного радиатора для условий естественного охлаждения.
Контрольные задания
Выбрать и рассчитать радиатор по исходным данным согласно таблице. По результатам расчета разработать чертеж радиатора для заданного типа полупроводникового прибора.
Основными критериями при выборе и расчете радиаторов считать: минимальная масса и минимальные габаритные размеры.
Таблица 3.1
Исходные данные
| Номер варианта | Тип п/п прибора | Температура окр. среды, С | Давление окр. среды, мм рт.ст. | Номинальное значение тока в нагрузке, А |
| Т-50 | +60 | |||
| ТО 142-30-600 | +50 | |||
| ТО 142-12,5-600 | +40 | |||
| Т 500 | +50 | |||
| ТО 142-50-12 | +50 | 10,0 |