Лекции.Орг
 

Категории:


Поездка - Медвежьегорск - Воттовара - Янгозеро: По изначальному плану мы должны были стартовать с Янгозера...


Перевал Алакель Северный 1А 3700: Огибая скальный прижим у озера, тропа поднимается сначала по травянистому склону, затем...


Нейроглия (или проще глия, глиальные клетки): Структурная и функциональная единица нервной ткани и он состоит из тела...

Эффективность теплообменного аппарата

Пояснительная записка

К практической работе № 8

Дисциплина: «Основы гидравлики и теплотехники»

Тема: «Расчет теплообменных аппаратов»

 

Цель работы: визуальное знакомство с устройством и работой теплообменных аппаратов, проведение расчетов.

 

Теплообменником называется аппарат, предназначенный для сообщения теплоты одному из теплоносителей в результате от­вода его от другого теплоносителя. Процесс подвода и отвода теплоты в теплообменнике может преследовать различные техно­логические цели: нагревание (охлаждение) жидкости или газа, превращение жидкости в пар, конденсацию пара и т. д.

По принципу действия теплообменники делят на рекуператив­ные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными назы­вают теплообменники, у которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их твердую стенку. В автомобильных ДВС используют в основном рекуперативные теплообменники, которые применяют для охлаждения моторного масла, жидкости системы охлаждения, воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, и других целей. На рис.14 приведена схема водомасляного теплообменника, которая часто реализуется при проектировании охладителей масла для смазочных систем дизелей.

Рис.14. Схема простейшего кожухотрубного рекуперативного теплообменника для передачи теплоты от одного теплоносителя (I) к другому (II).

Регенеративными называют теплообменники, у которых горячий теплоноситель 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 телом.

В металлургической промышленности регенеративные тепло­обменники с давних пор применяют для подогрева воздуха и горючих газов. Аккумулирующую насадку в теплообменнике делают из красного кирпича. Особенностью регенераторов яв­ляется то, что процесс теплопередачи в них является нестационарным. По­этому технические расчеты регенеративных теплообменников вы­полняют по усредненным температурам во времени.

Смеситель­ными называются теплообменники, у которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется их непосред­ственным соприкосновением, следовательно, сопровождается пол­ным или частичным обменом вещества. Такие аппараты применяют для охлаждения и нагревания газов с помощью воды или для охлаждения воды воздухом в газовом производстве, при кондиционировании воздуха, при конденсации пара и т. д.

Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения для их расчета остаются общими.

При расчете теплообменников обычно встречаются два случая:

1) конструктивный расчет, когда известны параметры теплоносителей на входе и выходе и расходы теплоносителей (или расход теплоты). Выбрав предварительно конструкцию теплообменник, расчетом, определяют поверхность теплообмена;

2) проверочный расчет, когда известны поверхность теплообмена и конструкция аппарата и частично известны параметры их на входе. Расчетом находят неизвестные параметры (например, параметры на выходе), расходы теплоносителей или другие характеристики аппарата (например, КПД).

В обоих случаях основными расчетными уравнениями служат: уравнение теплового баланса:

Q = m1с1 (t'1t''1)= m2с2 (t'2 - t''2) (40)

и уравнение теплопередачи:

Q = kF(t1 – t2).

В этих уравнениях и далее индекс 1 означает, что величины относятся к горячей жидкости, а индекс 2—к холодной. Темпера­тура на входе обозначена одним штрихом, а на выходе — двумя; т — массовый расход жидкости; с — теплоемкость жидкости.

При выводе расчетных формул теплопередачи не учитывалось изменение температуры теплоносителей. В теплообменниках го­рячая среда охлаждается, а холодная нагревается, в связи с чем изменяется и температурный напор Δt. В таких условиях урав­нение теплопередачи можно применять лишь для элемента по­верхности dF, т. е.:

dQ = kΔtdF. (41)

Кроме того, необходимо учитывать зависимость коэффициента теплопередачи k от изменения температуры рабочих жидкостей. Большей частью такой учет сводится к отнесению коэффициента теплопередачи к средним температурам теплоносителей, иногда коэффициент теплопередачи находят по температурам теплоно­сителей в начале и в конце поверхности нагрева. Если получен­ные значения k' и k''незначительно отличаются один от другого, то за среднее значение коэффициента теплопередачи берут среднеарифметическое значение: k = (k'+ k'')/2.

При значительном раз­личии величин k' и k'' поверхность нагрева разделяют на отдель­ные участки, в пределах которых значения k меняются мало, и для каждого участка определяют коэффициент теплопередачи.

Общее количество теплоты, переданное через всю поверхность F, определяют интегрированием выражения (41):

, (42)

где Δtm — среднелогарифмическое значение температурного напора по поверхности:

. (43)

Если температура теп­лоносителей вдоль поверх­ности нагрева изменяется незначительно, то при расчете можно использовать среднеарифметический напор:

m = Δtср.ариф. = 0,5(t'+ t'')

Среднеарифметический напор Δtср.ариф всегда больше средне-логарифмического Δtm, но при Δt'/Δ t'' > 0,5 они отличаются один от другого меньше, чем на 3%.

В тепловых расчетах большое зна­чение имеет понятие так называемого водяного эквивалента теплоносителя W, которое определяет собой количество воды, экви­валентное по теплоемкости секундному расходу рассматриваемой жидкости, т. е.

W = mcp. (44)

С учетом водяного эквивалента уравнение (40) теплового баланса преобразуется к виду:

. (45)

Таким образом, отношение изменения температуры теплоносителей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов.

Характер изменения температур теплоносителей вдоль поверх­ности нагрева зависит от схемы их движения и соотношения ве­личин водяных эквивалентов. Если в теплообменнике горячая и холодные жидкости проте­кают параллельно и в одном направлении, то такая схема дви­жения называется прямоточной (рис. 15, а).

Рис.15. Схемы движения рабочих жидкостей в теплообменниках.

При противотоке жидкости движутся параллельно, но в противоположные стороны (рис. 15, б). В схеме перекрестного тока жидкости движутся в перекрещивающихся направлениях (рис. 15, в). Кроме перечис­ленных простых схем движения жидкостей, могут быть сложные, сочетающие в себе различные комбинации элементов простых схем (рис. 15, г и д).

На рис. 16, где по оси абсцисс отложена величина поверх­ности нагрева F, а по оси ординат температура, показаны четыре характернее пары кривых изменения температуры вдоль поверх­ности нагрева в зависимости от схемы течения (прямоток, про­тивоток) и величин водяных эквивалентов теплоносителей W1 и W2.

Как видно из графиков, большее изменение температуры Δt' = t' - t" имеет жидкость, у которой водяной эквивалент меньше, что соответствует уравнению (45).

Рис. 16. Характер изменения температур теплоносителей при схемах прямотока и противотока.

Из рассмотрения графиков можно сделать следующие выводы:

1. Для прямотока конечная температура холодной жидкости
всегда ниже конечной температуры горячей жидкости;

2. Температурный напор вдоль поверхности при прямотоке изменяется значительнее, и среднее его значение меньше, чем при противотоке, поэтому, как следует из формулы (42), при прямотоке передается меньшее количество теплоты, чем при противотоке.

3. Схемы прямотока и противотока можно считать равноцен­ными, если температура хотя бы одного из теплоносителей постоянна. Так получается при кипении жидкостей и при конденсации паров, или когда величина водяного эквивалента одного из теплоносителей настолько велика, что его температура изменяется незначительно.

4. При противотоке конечная температура холодной жидко­сти t''2 может быть выше конечной температуры горячей, т. е. при одной и той же начальной температуре холодной жидкости при противотоке ее можно нагреть до более высокой температуры.

Таким образом, с теплотехнической точки зрения всегда сле­дует отдавать предпочтение противотоку, если какие-либо другие причины (например, конструктивные) не заставляют применять схему прямотока.

Пожалуй, единственным недостатком схемы противотока яв­ляются более тяжелые температурные условия для материала стенок теплообменника, так как отдельные участки со стороны входа горячей жидкости омываются с обеих сторон жидкостями с максимальной температурой.

Как указывалось выше, при проверочном расчете необходимо рассчитать конечные температуры теплоносителей t''1 и t''2 и коли­чество переданной теплоты. В этом случае для приближенной оценки можно пользоваться зависимостями:

;

(46)

.

Эффективность теплообменного аппарата

Эффективность процесса в теплообменнике оценивает коэф­фициентом полезного действия η, характеризующим долю теплоты горячей жидкости, использованную для подогрева хо­лодной жидкости:

,

где Q1 - количество теплоты, воспринятой холодной жид­костью;

Qpacn. - располагаемое количество теплоты горячей жид­кости.

Для теплообменников автотранспортных средств важное значение имеют весовые и габаритные характеристики аппаратов. Компактность конструкции теплообменника можно оценить удельной поверхностью нагрева β, которая представляет собой площадь рабочей поверхности, приходящуюся на единицу объема аппарата: βуд = Fраб./Vохл..

Эффективность теплообменника зависит от конструктивной структуры поверхности охлаждения, которая оценивается коэффициентом оребрения ξор. = Fохл/Fжид , где Fохл - площадь поверхности, охлаждаемая воздухом; Fжид - площадь поверхности охлаждения, омываемая водой.

При выборе вида теплоносителя должны быть учтены его теплофизические свойства, стоимость, возможность коррозии стенок и т. п. Например, при выборе тосола или воды следует иметь в виду, что при удобстве применения тосола (низкая температура замерзания), он обладает более низкими теплофизическими свойствами, чем вода, что снижает эффективность теплообменного аппарата (радиатора).

Для повышения компактности и снижения веса теплообменных аппаратов используются различные средства интенсификации теп­лообмена.

Эффективным средством повышения компактности теплообменного аппарата является постановка ребер на его поверхностях, ко­торая может использоваться как в пластинчатых, так и в трубчатых теплообменных аппаратах. На рис. 17, а изображен пластинчатый теплообменник с плоскими непрерывными ребрами, а на рис. 17, б —теплообменник с ребристыми трубами овального сечения.

Ребра обычно выполняются из медных или алюминиевых тонких листов и надежно припаиваются к основной поверхности. Они могут быть гладкими или рифлеными. Ребра могут выполняться в виде отдельных пластинок, которые располагаются в канале пластинча­того теплообменника в шахматном или коридорном порядке.

Рис.17. Фрагменты пластинчатого теплообменника с плоскими непрерывными ребрами (а) и теплообменника с ребристыми овальными трубами (б).

В настоящее время для двигателей автомобилей наиболее широко используют трубчато-пластинчатые и трубчато-ленточные конструкции радиаторов (рис. 18).

Рис.18. Сердцевины охлаждающих решеток радиатора:

а – трубчато-пластинчатого; б – трубчато-ленточного.

При изготовлении охлаждающих решеток трубчато-пластинчатых радиаторов используются трубки (шовные или цельнотянутые, которые изготовляют из алюминиевого сплава, латунной меди Л-68 или Л-90 толщиной до 0,15 мм) (рис. 19). Пластины opeбрения выполняются плоскими или волнистыми из того же материла, что и трубки. В трубчато-ленточных конструкциях ленту изготавливают из меди М-3 толщиной 0,05...0,1 мм.

В трубчато-пластинчатых радиаторах охлаждающие трубки могут располагаться по отношению к потоку охлаждающего воздуха в ряд, в шахматном порядке и в шахматном прядке под углом (рис.20).

Рис.19. Трубки радиаторов:

а – медные паяные; б – сварные из алюминиевого сплава.

Рис.20. Элементы охлаждения решеток трубчато-пластинчатых радиаторов:

а – рядное расположение трубок; б – шахматное расположение; в – то же под углом к воздушному потоку; г – охлаждающая пластина с отогнутыми просечками.

В трубчато-ленточных радиаторах (рис.21) охлаждающие трубки практически не отличаются по своей конструкции от трубок, применяемых в трубчато-пластинчатых радиаторах, но располагаются они только в ряд. Для увеличения турбулизации воздушного потока на лентах выполняют либо фигурную выштамповку (рис.21,б), либо отогнутые просечки.

Компактность конструкции современных автомобильных теплообменников, оцениваемая величиной удельной поверхности нагрева βуд, соответствует 440…850 м23. Коэффициент оребрения для этих теплообменников варьируется в пределе: ξор. = 5…11,5.

Рис.21. Элементы трубчато-ленточного радиатора:

а- охлаждающая решетка радиатора; б – охлаждающая лента с фигурной выштамповкой; 1 – охлаждающая лента; 2 – жидкостная охлаждающая трубка.

Пример. В теплообменном аппарате жидкость с водяным эквивалентом W1 = 116 вт/град охлаждается от t'1 = 120°С до t''1 = 50°С водой при температуре t'2 = 10°С, для которой W2 = 584 вт/град. Определить потреб­ную поверхность нагрева при схемах прямотока и противотока, если коэф­фициент теплопередачи k = 2336 вт/(м2·град).

Конечная температура воды с учетом зависимости (45):

; откуда: t''2 = 240С.

При прямотоке:

Δt' = t'1 t'2 = 120 - 10 = 110°С;

Δt'' = t''1 - t"2 = 50 – 24 = 26°С.

Среднелогарифмический напор, согласно зависимости (43), равен:

; тогда: Δtт = 110·0,53 = 580С.

При противотоке:

Δt' = 120 — 24 = 96;

Δt'' = t''1 - t'2 = 50 — 10 = 40.

; тогда: Δtт = 96·0,67 = 640С.

Количество переданной теплоты с учетом зависимости (46):

Q = W1(t'1 t''1) = 116 (120 — 50) = 8160 вт.

Зная величины Q, k и Δtт, с учетом уравнения теплопередачи (42):

определим необходимую поверхность тепло­обмена:

а) при прямотоке:

= 0,6 м2;

б) при противотоке:

= 0,0547 м2.

 

 


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Дайте определение теплообменника.

2. Выпишите классификацию теплообменников.

3. Опишите расчеты теплообменников.

4. Зарисуйте схемы движения рабочих жидкостей в теплообменниках, опишите принцип работы.

5. Сделайте вывод о характере изменения температур теплоносителей при схемах прямотока и противотока.

6. Что оценивает эффективность процесса в теплообменнике?

7. Какие свойства учитывают при выборе тосола, как теплоносителя?

8. Что используют для повышения компактности и снижения веса теплообменных аппаратов?

9. Зарисуйте элементы охлаждения решеток трубчато-пластинчатых и рубчато-ленточных радиаторов.

10. Запишите пример решения задачи.


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Специальность: 5В070300 – «Приборостроение», язык обучения – русский, семестры – 7. Группа ПС—42, ПС-34 (уск). Количество кредитов-3. Ответств. За тесты – Амангалиева З.К. | Рэдрик Шухарт, 23 года, холост, лаборант Хармонтского филиала Международного института внеземных культур

Дата добавления: 2017-01-21; просмотров: 3072 | Нарушение авторских прав


Рекомендуемый контект:


Похожая информация:

  1. Алгоритм создания модели аппарата
  2. Анатомия опорно-двигательного аппарата
  3. Анатомия опорно-двигательного аппарата
  4. Аудит управления эффективностью персонала
  5. Аэробика способствует развитию силы, ловкости, быстроты, приучает детей ориентироваться в пространстве, улучшает функции вестибулярного аппарата.
  6. БЛОК 4. Как посчитать эффективность затрат на продвижение.
  7. Включение питания аппарата
  8. Влияние культуры на организационную эффективность
  9. Вместо коэффициента фондоемкости в экономике часто пользуются понятием коэффициента фондоотдачи , который характеризует эффективность использования основных фондов
  10. ГЛАВА 6. ПРАВДА О КОТОРОЙ УМАЛЧИВАЮТ (НЕЭФФЕКТИВНОСТЬ ПАРТИЗАНСКОГО ДВИЖЕНИЯ В ГОДЫ ВОЙНЫ).
  11. Дислалия– нарушение произношения при нормальном слухе и сохранной иннервации речевого аппарата. Различают механическую и функциональную дислалию.
  12. Дни рождения депутатов, руководителей учреждений, сотрудников аппарата


Поиск на сайте:


© 2015-2019 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.012 с.