ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называют технические устройства, в которых осуществляется процесс передачи энергии в форме теплоты от одной среды (жидкости, газа) к другой среде (жидкости, газу). Среды, обменивающиеся энергией, принято называть «теплоносителями», хотя следует четко понимать условность этого термина, так как теплота в теле содержаться не может.

Процесс подвода или отвода энергии в форме теплоты по отношению к одному из теплоносителей может преследовать различные технологические цели: нагревание (охлаждение) жидкости или газа, превращение жидкости в пар, конденсацию пара, выпаривание раствора и другие.

Теплообменные аппараты, используемые на объектах мобильной тех­ники, в основном служат для нагревания или охлаждения жидкостей или газов (радиаторы, предпусковые подогреватели, отопители и тому подобные устройства).

По принципу действия теплообменники разделяют на:

• рекуперативные;

• регенеративные;

• смесительные.

Рекуперативными (от латинского слова recuperatio получение вновь) называют теплообменные аппараты, в которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их твердую стенку. К ним относятся различные радиаторы: водо — и масловоздушные, водомасляные и другие аналогичные, широко используемые на колесных и гусеничных машинах.

Ф = ЗГГГТЗГ’ [Вт]

ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Пользуясь той же методикой, что и выше, находим

Регенеративными (от латинского слова regeneranio возобновление) называют теплообменные аппараты, в которых горячий теплоноситель в течение некоторого промежутка времени соприкасается с твердым телом (керамической или металлической насадкой) и отдает ему теплоту; в
последующий период с твердым телом соприкасается * холодный» тепло­носитель, который и воспринимает теплоту, аккумулированную насадкой. Регенеративные теплообменники применяются в двигателях Стирлинга, в газотурбинных двигателях в качестве теплообменников[62] и других устрой­ствах.

Смесительными называют теплообменные аппараты, в которых пе­редача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется при их непосредственном соприкосновении и сопровождается полным или ча­стичным обменом вещества. Такие аппараты используют, например, для охлаждения или нагревания газа с помощью воды или охлаждения во­ды воздухом, при кондиционировании воздуха. Характерным примером подобного варианта понижения температуры газа являются охладители наддувочного воздуха испарительного типа в комбинированных ДВС.

Несмотря на разнообразие конструкций и областей применения, в прин­ципе во всех теплообменных аппаратах осуществляется один и тот же процесс — передача энергии в форме теплоты от более нагретого теплоно­сителя к менее нагретому, поэтому основные положения теплового расчета теплообменников остаются общими.

При подборе теплообменников обычно требуется решить две задачи:

1. Провести конструктивный расчет, когда известны параметры тепло­носителей (или количество передаваемой теплоты). В этом случае, выбрав предварительно конструкцию теплообменника, определяют величину пло­щади теплообмена.

2. Провести проверочный расчет, когда известны поверхность теплооб­мена, конструкция аппарата и частично параметры теплоносителей на вхо­де в теплообменник. Расчетом находят неизвестные параметры (например, параметры на выходе, расход теплоносителей и другие).

В обоих случаях основными расчетными уравнениями служат:

• уравнение энергетического (теплового) баланса

Ф = GlCl(T{ Т*’) = G2C2(r2" — Г2′). (14.49)

• уравнение теплопередачи

Ф = ад-Г2). (14.50)

В уравнениях (14.49) и (14.50) индекс 1 означает, что величина отно­сится к горячей среде, а индекс 2— к холодной. Температура на входе обозначена одним штрихом, на выходе — двумя. Величина G — массовый расход.

Формулы (14.48) и (14.50) предполагают, что в любой точке теплооб — менного аппарата температура теплоносителей не изменяется. На самом деле в теплообменниках горячая среда охлаждается, а холодная нагре­вается, в связи с чем разница температур теплоносителей, называемая температурным напором Д Т, уменьшается. Изменяется также величина коэффициента теплопередачи. По этой причине уравнение теплопередачи (14.50) можно применить лишь в дифференциальной форме к элементу поверхности dSii

= ki-ATi-dSi,

А общий тепловой поток, прошедший через всю поверхность 5, определя­ется интегралом

Ф= [ ki • ATi • dS = Кср • ДТср5,

*ср ср[63]F

Где кср — среднее для всей поверхности значение коэффициента теплопе­редачи, обычно принимаемое в виде к = {к\ + к2)/2; ДТср — средний температурный напор.

Если температура вдоль поверхности нагрева изменяется незначитель­но, используется среднеарифметический температурный напор

ДТср = 0.5(ДГ’-ДГ"),

Где AT’ — больший температурный напор; AT" — меньший температурный напор.

При значительном изменении температуры вдоль поверхности нагрева используют среднелогарифмическое значение температурного напора

АТ’-АТ" . дт’

In—77

Дт"

Для упрощения записей и рассуждений в тепловых расчетах тепло­обменников часто вводят понятие так называемого водяного эквивалента Теплоносителя W. Под ним понимают количество воды, эквивалентное по

Теплоемкости секундному расходу рассматриваемого теплоносителя

[&]•

С учетом водяного эквивалента уравнение теплового баланса (14.49) преобразуется к виду

WX(T[ — Т[‘) = W2(T2" — Г2′),

Откуда

("-5i)

Как видно, отношение водяных эквивалентов теплоносителей обратно пропорционально отношению изменения их температур в теплообменном аппарате.

Характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена зависит от схемы их движения и соотношения водяных эк­вивалентов. Различают три основные схемы движения теплоносителей (рис. 14.12):

• прямоток — оба теплоносителя движутся параллельно и в одном направ­лении (рис. 14.12, а);

ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Рис. 14.13. Характер изменения температуры теплоносителей

5 5

Рис. 14.12. Схемы движения теплоносителей в теплообменных аппаратах

Температуре горячего теплоносителя). Следовательно, теплообменник с противотоком получается компактнее, чем аппарат с прямотоком.

Эффективность теплообменных аппаратов обычно оценивают с помо­щью коэффициента полезного действия и коэффициента удержания теп­лоты.

Коэффициент полезного действия теплообменника представляет собой отношение количества энергии, полученной холодным теплоносителем в форме теплоты (Q2)> к количеству теплоты, которое горячий теплоноси­тель мог передать холодному (Qr):

(14.52)

Коэффициент удержания теплоты учитывает потери теплоты в окру­жающую среду. Он представляет собой отношение количества энергии, полученной холодным теплоносителем в форме теплоты, к количеству энергии, отданной в форме теплоты горячим теплоносителем:

Е = |. (14.53)

Так как

QI = Q2 + Q„,

Где Q теплопотери в окружающую среду, то выражение (14.53) можно представить в виде

& = 1 Qi + Qn 1 +

42

Величина е зависит от конструкции теплообменного аппарата и каче­ства тепловой изоляции.

В тех случаях, когда нагревание среды производится с целью получения от нее работы, эффективность теплообменного аппарата следует оценивать с помощью его эксергетического КПД

= (14.54)

Где Ехг — количество эксергии, которым обладал горячий теплоноситель на входе в теплообменник; Ех2 — количество эксергии, полученное холод­ным теплоносителем от горячего.

Ваш отзыв

Рубрика: Основы теории тепловых процессов и машин

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *