РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

 

Целью выполнения РГР является получение практических навыков по правильному использованию основных зависимостей и формул теории теплообмена.

2.1 ТИПЫТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями.

По принципу действия теплообменники подразделяются на поверхностные, контактные и с внутренним источником теплоты (например, реакторы атомных электростанций). Поверхностные теплообменники делятся на рекуперативные и регенеративные, а контактные – на смесительные и барботажные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители непрерывно омывают разделяющую стенку (поверхность теплообмена) с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. В рекуперативном трубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

В рекуперативных теплообменниках движение жидкости осуществляется по трем основным схемам или их сочетаниям.

Конструктивно рекуперативные теплообменные аппараты могут выполняться с пластинчатой и трубчатой (рис. 1 и 2) поверхностями теплообмена.

В регенеративных теплообменниках (регенераторах) одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячего теплоносителя поверхность регенератора, воспринимая теплоту от этой жидкости, нагревается, а при протекании холодного теплоносителя поверхность регенератора, отдавая аккумулированную теплоту холодному теплоносителю, охлаждается.

В смесительных теплообменниках передача теплоты от горячего к холодному теплоносителю происходит при непосредственном контакте и смешении обоих теплоносителей. Смесительный теплообменник целесообразно использовать для теплоносителей, которые либо легко разделить после смешения (например, вода и воздух), либо перемешать (например, пар и вода).

		Рис. 1. Схема четырехсекционного теплообменного аппарата
	Рис. 2. Рекуперативный теплообменник с трубчатой поверхностью теплообмена (противоток)

 

Теплообменные аппараты могут иметь самое разнообразное назначение – паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, воздухонагреватели, радиаторы и т.д. Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.

 

2.2 МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Различают конструктивный и поверочный тепловые расчеты теплообменного аппарата.

Цель конструктивного расчета состоит в определении величины поверхности теплообмена по известному количеству передаваемой теплоты и температурам теплоносителей на входе и выходе аппарата.

а б   Рис. 3. примеры графиков изменения температуры теплоносителей по длине прямоточного (а) и противоточного (б) теплообменников

Когда возникает необходимость работы готового теплообменника в условиях, отличных от проектных, то выполняется поверочный расчет. При этом определяются температуры теплоносителей на выходе теплообменника и количество передаваемой теплоты по известным величине поверхности теплообмена и температурам теплоносителей на входе в теплообменник.

 

 

На рис. 3 изображены примеры графиков изменения температур теплоносителей по длине прямоточного (а) и противоточного (б) теплообменников. Индексами 1 и 2 обозначены параметры соответственно горячего и холодного теплоносителей, одним (‘) и двумя (“) штрихами – их температуры соответственно на входе и выходе аппарата.

 

2.2.1 Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата

Основными уравнениями при расчете теплообменника являются уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса [1]

, (2.1)

или

, (2.2)

где Q – полезный тепловой поток, Вт;

G₁, G₂ – массовый расход соответственно горячего и холодного теплоносителей, кг/с, ;

- средние массовые теплоемкости теплоносителей в интервале температур от t’ до t”, Дж/(кг∙К);

η – коэффициент использования теплоты;

w – скорость теплоносителя, м/с;

f – сечение, м²;

ρ – плотность, кг/ м²;

- изменение температуры горячего и холодного теплоносителя по длине аппарата.

Уравнение теплопередачи

, (2.3)

где k и Δt – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²∙K) и средний температурный напор для всего теплообменного аппарата, К;

F – поверхность теплообмена, м².

При конструктивном расчете повехность теплообмена определяется из уравнения теплопередачи (2.3)

Средний логарифмический или арифметический температурный напор для прямотока и противотока определяется из формул

или (при ) (2.4)

Величины температурных перепадов на концах аппарата Δt_δ и Δt_м обозначены на рис. 3.

Коэффициент теплопередачи К рассчитывается по формуле для плоской стенки, что допустимо при

(2.5)

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности стенки, кВт/(м²∙K);

α₂ – коэффициент теплоотдачи от поверхности стенки к холодному теплоносителю, кВт/(м²∙K);

δ_с – толщина стенки трубок, м;

λ_с – коэффициент теплопроводности материала стенки трубок, кВт/(м∙К);

d_н, d_в – соответственно наружный и внутренний диаметр трубок, м;

δ_нак, λ_нак – соответственно толщина, м и коэффициент теплопроводности слоя накипи или отложений, кВт/(м∙К).

Значения α₁ и α₂ рассчитываются по уравнениям подобия (см. подраздел 2.2).

При известной поверхности теплообменника F определяют другие геометрические характеристики теплообменного аппарата: длину трубчатого пучка L и число секций N.

2.2.2 Расчет коэффициента теплоотдачи

1) Теплоотдача при вынужденном течении теплоносителя по трубам и каналам

Уравнение подобия при вынужденном течении однофазного теплоносителя по трубам и каналам имеет вид:

при ламинарном вязкостно-гравитационном течении (Re_ж,d < 2300, Gr_ж,d·Pr_ж > 8·10⁵)

; (2.6)

при ламинарном вязкостном течении (Re_ж,d < 2300, Gr_ж,d·Pr _ж < 8·10⁵)

; (2.7)

при переходном течении (Re_ж,d = 2300…10⁴)

; (2.8)

при турбулентном течении (Re_ж,d > 10⁴)

; (2.9)

где – число Нуссельта;

– число Рейнольдса;

– число Грасгофа;

– число Прандтля.

Индекс “ж” показывает, что физические параметры теплоносителя, входящие в числа подобия, необходимо принимать по средним температурам горячего теплоносителя t₁ или холодного теплоносителя t₂, для которых или .

Индекс “с” в числе показывает, что физические параметры теплоносителя, входящие в число подобия, необходимо брать по температуре стенки. В первом приближении можно принять .

В числа подобия введены обозначения: d_экв – эквивалентный диаметр, м; λ – коэффициент теплопроводности, кВт/(м·К); ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с; β – коэффициент объемного расширения, 1/К; α – коэффициент температуропроводности; w – скорость течения теплоносителя, м/с; С_p – средняя массовая изобарная теплоемкость, кДж/(кг·К); ρ – плотность, кг/м³; g = 9,81 м/с²; δt – температурный напор (разница температур теплоносителя и стенки); k₀ – коэффициент, определяемый по величине числа Рейнольдса (табл. 4.3).

Для каналов любого сечения d_экв = 4f/u, где f – площадь поперечного сечения канала, u – смоченный периметр сечения. При движении теплоносителя в трубах круглого сечения определяющим линейным размером является внутренний диаметр трубы (d_экв = d_в).

При течении теплоносителя в межтрубном пространстве вдоль пучка труб, расположенного в цилиндрическом канале-кожухе, эквивалентный диаметр равен

, (2.10)

где D – внутренний диаметр кожуха теплообменника, м;

d_н – наружный диаметр трубок, м.

После расчета численных значений чисел подобия Gr_ж,d, Re_ж,d, Pr_ж, Pr_c определяют численное значение числа Нуссельта по (2.6), (2.7), (2.8) или (2.9). Затем из соотношения находят коэффициент теплоотдачи

. (2.11)

2) Теплоотдача при кипении жидкости

Коэффициент теплоотдачи α_к при кипении жидкости в большом объеме может быть рассчитан по формулам

при

; (2.12)

при

, (2.13)

где – коэффициент теплопроводности, теплота парообразования, кинематический коэффициент вязкости жидкости и плотность пара при температуре насыщения t_s; t_c – температура поверхности стенки трубы.

Для воды значения l_ж в зависимости от температуры приведены в табл. 9.1 [5].

При вынужденном движении кипящей жидкости в трубах, т.е. в ограниченном объеме, теплообмен определяется двумя факторами: собственно процессом кипения и процессом вынужденного движения.

При обработке опытных данных по теплоотдаче кипящих жидкостей, движущихся по трубам, получена зависимость

, (2.14)

где α – искомый коэффициент теплоотдачи кипящей жидкости с учетом её вынужденного движения;

α_w – коэффициент теплоотдачи однофазной кипящей жидкости при скорости W;

α_к – коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в условиях свободной конвекции.

Для этого случая следует рассчитать α_к по формулам (2.12, 2.13) и α_w по формулам (2.6…3.9), а затем сопоставить α_к и α_w.

При α_к/α_w < 0,5 процесс кипения практически не влияет на теплообмен и потому принимается α = α_w.

При α_к/α_w > 2 интенсивность теплоотдачи определяется только кипением и поэтому принимается α = α_к.

При α_к/α_w = 0,5…2 интенсивность теплообмена определяется как вынужденным движением жидкости, так и процессом кипения, для расчета используется зависимость

. (2.15)

Примеры расчета коэффициента теплоотдачи α при вынужденном движении кипящей жидкости в трубах приведены в задачах № 9.15 и 9.16 [5].

3) Теплоотдача при конденсации

При соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения, происходит конденсация. Конденсат выпадает на стенки в виде капель (когда жидкость не смачивает поверхность) или пленки. Наиболее часто в технических устройствах встречается пленочная конденсация.

При пленочной конденсации сухого насыщенного пара на вертикальной поверхности стенки или трубы и ламинарном течении пленки (z < 2300) уравнение подобия имеет вид

, (2.16)

где – определяемое число Рейнольдса;

.

Из этих соотношений находится средний коэффициент теплоотдачи:

. (2.17)

Если теплоотдача при пленочной конденсации сухого пара происходит в условиях смешанного режима течения пленки конденсата по высоте трубы (режим течения пленки меняется от ламинарного до турбулентного, а Z = A·H·Δt ≥ 2300), то средний по длине коэффициент теплоотдачи для водяного пара можно определить по формуле

, (2.18)

а число Рейнольдса из соотношения

, (2.19)

где Pr и Pr_c – числа Прандтля для конденсата соответственно при температурах t_s и t_c.

При пленочной конденсации сухого насыщенного пара на горизонтальных трубах и ламинарном течении пленки (Z < 3900) уравнение подобия имеет вид

, (2.20)

где ,

.

Из этих соотношений находится средний по периметру коэффициент теплоотдачи:

. (2.21)

В формулах (2.17), (2.18), (2.20), (2.21) имеем

, (2.22)

где A – коэффициент, ; B – коэффициент, м/Вт.

Значения комплексов A, B в зависимости от t_s для водяного пара приведены в таблице из [6].

Параметр	Размерность	ts = 160 ºC	ts = 180 ºC	ts = 200 ºC
А	1/(м·ºС)
В	м/Вт	0,011	0,013	0,015

 

В формулах (2.16…2.22) приняты следующие обозначения:

H – высота вертикальной трубы, м; R – радиус трубы (половина эквивалентного диаметра), м; Δt = (t_s – t_c) – температурный напор, ºС; λ, Вт/(м·ºС), ν, м²/с, и ρ, кг/м³ – коэффициенты теплопроводности, кинематический коэффициент вязкости и плотность конденсата при температуре насыщения t_s;

r – теплота парообразования при t_s, /

Для расчета теплоотдачи в условиях конденсации перегретого пара вместо теплоты парообразования r надо подставить r+Δi, где Δi – теплота перегрева пара (Δi = i_n – i”, где i_n, i” – энтальпия перегретого пара и энтальпия сухого насыщенного пара).

Примеры расчета коэффициента теплоотдачи при конденсации пара приведены в задачах № 8.1, 8.4, 8.14, 8.18, 8.22, 8.26, 8.29 [5].

Приведенные в разделе 2.2 формулы справедливы для одиночной трубы. Особенности расчета теплоотдачи в пучках труб рассматриваются в [1, 2, 5 и 6].

4)Теплоотдача при свободном движении теплоносителя

Если корпус теплообменника охлаждается свободным потоком теплоносителя (например, воздухом), то часть тепла теряется в окружающую среду за счет естественной конвекции.

Потери теплоты в единицу времени с 1 м² поверхности определяются по формуле Ньютона-Рихмана, Вт/м²,

, (2.33)

где t_c – температура наружной поверхности корпуса теплообменника;

t_ж – температура окружающей среды (например, воздуха) вдали от стенки.

Зависимость для вычисления среднего коэффициента теплоотдачи при свободном движении теплоносителя имеет вид

, (2.24)

где постоянная величина с и показатель n зависит от режима движения теплоносителя, условий обтекания поверхности и расположения поверхности в пространстве; с и n являются функциями GrPr и определяются такими условиями:

если 1·10³ ≤ (Gr·Pr)_ж ≤ 1·10⁹,

то с = 0,75, n = 0.25;

если (Gr·Pr)_ж ≥ 6·10¹⁰ – для вертикальных стенок и труб,

то с = 0,15; ;

если 1·10³ ≤ (Gr·Pr)_ж ≤ 1·10⁹,

то с = 0,5; n = 0,25 – для горизонтальных труб.

В формуле (2.24) за определяющую температуру принята температура окружающей среды t_ж, а за определяющий размер для горизонтальных труб принимается внешний диаметр, для вертикальных труб и стенок – их высота H.

Примеры решения приведены в задачах № 7.1…7.4, 7.12 [5].

5) Теплоотдача при излучении

Для вычисления лучистой составляющей коэффициента теплоотдачи α_л используют формулу

, (2.25)

где q_л – плотность потока теплового излучения, Вт/м²;

ε_пр – приведенная степень черноты системы «наружная стенка (кожух) теплообменника – окружающая среда», в нашем случае ε_пр = 0,82;

с₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, с₀ = 5,67 Вт/(м²·К⁴);

Т_с, Т_ж – абсолютные температуры наружной поверхности теплообменника и окружающей среды.

Примеры решения приведены в задачах № 10.17, 10.28, 10.49 [5].

ЗАДАНИЕ

 

В одноходовом кожухотрубном теплообменном аппарате горячий теплоноситель движется в межтрубном пространстве и охлаждается от температуры , ˚С до , ˚С.

Внутренний диаметр кожуха аппарата D =, м. Холодный теплоноситель движется внутри металлических трубок. Холодный теплоноситель нагревается от , ˚С до , ˚С.

Число трубок в теплообменнике n =. Трубки теплообменника с внутренней стороны покрыты отложениями (накипью) толщиной δ_нак =, м. Тепловая мощность, вносимая в ТОА, Q_вн =, кВт. Потери теплоты в окружающую среду составляют (1 – η)·100, %.

Определить поверхность нагрева F и число секций N теплообменника. Длина секции l_c = 5 м.

Расчет провести для прямоточного и противоточного направлений движения теплоносителей, а также при наличии накипи на трубах и при её отсутствии.

Известно также:

холодный теплоноситель – ……………………;

горячий теплоноситель – ……………………;

λ_с = ………………… кВт/(м·К);

λ_нак = ………………. кВт/(м·К).

Теплофизические свойства теплоносителей принять:

для воды – по табл. 1 приложения 2.1;

для насыщенного пара – по табл. 2 приложения 2.1;

для мазута и нефти – по приложению 2.2.

 

РГР должна содержать:

1) задание со всеми исходными данными с указанием номера варианта (таблица 2.1);

2) конструкторский тепловой расчет теплообменного аппарата (или его часть по указанию преподавателя);

3) распечатку результатов расчета ТОА на ПЭВМ;

4) сводную таблицу результатов расчета;

5) графическую часть (графики изменения температур теплоносителей в ТОА), эскиз секции с основными размерами, схему соединения секций в теплообменный аппарат;

6) выводы.

 

Таблица 2.1

Исходные данные

Наименование величины	Последняя цифра шифра
Тепловой поток, вносимый в аппарат гор. теплоносителем Qвн., кВт
Внутренний диаметр кожуха D, мм
Внутренний диаметр трубок dв, мм
Коэфф. теплопровности материала трубок λс, *) кВт/(м·К)
Хол. теплоноситель:	вода	нефть	мазут
Температура на входе , ˚С.
Температура на выходе , ˚С.
Наружный диаметр трубок dн, мм
Число трубок n, шт.
Наименование величины	Предпоследняя цифра шифра
Толщина слоя накипи δнак·103, м.	0,2	0,4	0,6	0,2	0,4	0,6	0,8	0,2	0,4	0,6
Коэфф.теплопроводности накипи λнак, Вт/(м·К)	0,2	0,5	0,8	0,7	0,9	1,1	1,3	0,3	0,8	1,8
Горячий теплоноситель:	мазут	вода	сухой насыщенный пар*)
Температура на входе , ˚С.
Температура на выходе , ˚С.
Коэффициент использования теплоты η	0,98	0,96	0,94	0,98	0,97	0,95	0,99	0,97	0,96	0,95
Ориентация трубного пучка в пространстве	Горизонтальная	Вертикаль-ная
*) Если горячим теплоносителем является сухой насыщенный пар, то в процессе его конденсации температура остается постоянной, т.е. , а из теплообменника выходят вода при температуре кипения (охлаждение конденсата отсутствует).

 

ВОПРОСЫДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

 

1. Что называется теплообменным аппаратом (ТОА)?

2. На какие группы делятся ТОА?

3. По каким схемам осуществляется движение теплоносителей в ТОА?

4. Основное уравнение теплопередачи и теплового баланса.

5. Что называется условным эквивалентом?

6. Как изменяются температуры теплоносителей в зависимости от условных эквивалентов в аппаратах?

7. Графики изменения температур теплоносителей в аппаратах с прямотоком и противотоком.

8. Простые виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение.

9. Что такое сложный теплообмен (конвективный теплообмен – теплоотдача, теплопередача)?

10. Методика конструктивного расчета.

11. Принцип расчета коэффициента теплоотдачи.

12. По какой формуле рассчитывается коэффициент теплопередачи К?

13. Преимущества и недостатки прямотока и противотока.

14. Как находится величина среднего температурного напора теплоносителя для аппарата с прямотоком и противотоком?

15. Возможно ли условие равенства температур , при прямотоке, то же при противотоке?

16. Теплоотдача при конденсации.

17. Теплоотдачи при свободном движении теплоносителя.

18. Теплоотдача при излучении.

19. Записать формулы для чисел подобия Nu, Re, Gr, Pr и объяснить их физический смысл.

20. Как влияет накипь на величину поверхности теплообмена F?

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1980. – 469 с.
2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1975. – 488 с.
3. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1964. – 459 с.
4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977. – 344 с.
5. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1969. – 254 с.
6. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. – М.: Госэнергоиздат, 1959. – 244 с.
7. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник / Г.Г. Рабинович, П.М. Рябых, П.А. Хохряков и др. / Под ред. Е.Н. Судакова. – М.: Химия, 1979. – 568 с.

 

Приложение.1     Таблица 1 Физические свойства воды на линии насыщения	Физические свойства воды	Число Прандтля Pr	13,50	9,45	7,03	5,45	4,36	3,59	3,03	2,58	2,23	1,97	1,75	1,60	1,47	1,35	1,26	1,17
Коэффициент объемного расширения β·104, 1/K	-0,63	0,70	1,82	3,21	3,87	4,49	5,11	5,70	6,32	6,95	7,52	8,08	8,64	9,19	9,72	10,30
Кинематическая вязкость ν·106, м2/с	1,789	1,306	1,006	0,805	0,659	0,556	0,478	0,415	0,365	0,326	0,295	0,272	0,252	0,233	0,217	0,203
Коэффициент теплопровод-ности λ·103, кДж/(м·К)	0,560	0,580	0,597	0,612	0,627	0,640	0,650	0,662	0,669	0,676	0,684	0,685	0,686	0,686	0,685	0,684
Теплоем-кость Сp, кДж/(кг·К)	4,212	4,191	4,183	4,174	4,174	4,174	4,179	4,187	4,195	4,208	4,220	4,233	4,250	4,266	4,287	4,313
Плотность ρ, кг/м3
Давление P·10-5, Па	1,013	1,013	1,013	1,013	1,013	1,013	1,013	1,013	1,013	1,013	1,013	1,430	1,980	2,700	3,610	4,760
Температура t, ˚С

 

 

Приложение 2

 

Справочные данные по теплофизическим свойствам нефтепродуктов

1. Мазут:

средняя плотность, кг/м³, ρ = 960;

коэффициент теплопроводности, кВт/(м·К),

удельная теплоемкость, кДж/(кг·К), С_p = 1,74+0.0025·t_ср;

коэффициент кинематической вязкости, м²/с,;ν=2,56/t_ср³;

коэффициент объемного расширения, 1/К, β = 3·10^-4;

средняя температура мазута, ˚C, t_ср;

число Прандтля, Pr.

 

2. Нефть:

средняя плотность, кг/м³, ρ = 860;

коэффициент теплопроводности, кВт/(м·К),

удельная теплоемкость, кДж/(кг·К), С_p = 1,74+0.0025·t_ср;

коэффициент кинематической вязкости, м²/с,

ν_t= ν₂₀·exp (- u· (t-20)),

где ν₂₀ – вязкость нефти при температуре 20 ºС, м²/с;

принимается 0,3·10^-4 м²/с;

u – коэффициент крутизны визкограммы, принимается 0,036 1/ºС

коэффициент объемного расширения, 1/К, β = 7·10^-4.

 

При необходимости более точные данные по теплофизическим свойствам нефтепродуктов могут быть взяты из литературы [8].

 

3 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ

3.1 Основные структурные элементы РГР

- титульный лист;

- задание;

- содержание;

- основная часть (по разделам);

- заключение,

- список использованных источников;

- приложения.

3.2 Титульный лист

Титульный лист является первой страницей РГР, но не нумеруется. Образец титульного листа представлен в приложении 3.1.

3.3 Содержание

Содержание включает перечисление частей РГР, начиная от введения и кончая приложениями, с указанием страницы, на которой начинается каждая часть.

3.4 Основная часть

Основная часть РГР выполняется в соответствии с требованиями данного учебно-методического пособия.

3.5 Заключение

Заключение должно содержать краткие выводы и рекомендации по результатам выполненной работы.

3.6 Список использованных источников

Указываются по каждому источнику в соответствии с ГОСТ 7.1-2003 "Библиографическая запись. Библиографическое описание". Список литературы указывается по мере встречаемости (ГОСТ 7.32-2003).

3.7 Приложения

 

Не вошедшие в основной текст материалы приводятся в конце работы в виде приложений:

- промежуточные математические доказательства, формулы и расчеты;

- таблицы вспомогательных цифровых данных;

- инструкции, методики, разработанные в процессе выполнения РГР;

- иллюстрации вспомогательного характера и др.