3. Основные положения расчёта рекуперативных

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Тепловой расчёт теплообменников всех типов может быть конструктивным (или конструкторским) и поверочным. Целью конструктивного теплового расчета является определение площади теплообменной поверхности и конструктивных основных размеров ТА. Такой расчет выполняется при проектировании новых ТА. При конструктивном расчёте должны быть заданы расходы горячего и холодного теплоносителей, их температуры на входе в теплообменник и выходе из него, теплоёмкости.

Поверочный тепловой расчёт выполняется с целью определения количества переданной теплоты и конечных температур теплоносителей. Этот расчет проводится в случае, когда конструкция ТА известна, а изменились условия его работы. При поверочном расчёте задаются площадь поверхности нагрева, коэффициент теплопередачи, водяные эквиваленты и начальные температуры теплоносителей.

В данных методических указаниях рассмотрены положения теплового конструкторского расчёта теплообменных аппаратов рекуперативного типа. Тепловой расчёт рекуперативного теплообменника сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи.

3.1. Уравнение теплового баланса

Уравнение теплового баланса имеет вид, Вт

Q₁=Q₂+ΔQ (3.1)

где Q₁-. количество теплоты, отданное горячим теплоносителем, B_T; Q₂ - количество теплоты, воспринятое холодным теплоносителем, Вт; ΔQ А - потери теплоты в окружающую среду, Вт.

Значения Q₁ и Q₂ определяется по формулам

(3.2)

(3.2)

где G₁, G₂ - массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; Δi₁, Δi₂- изменение энтальпий горячего и холодного теплоносителей в ТА, Дж/кг; , - температура горячего теплоносителя на входе и выходе из ТА, °С; , - температура холодного теплоносителя на входе и выходе из ТА, °С; С_р1,С_p2 - средние удельные теплоёмкости горячего и холодного теплоносителей в интервале температур соответственно и Дж/(кг-К).

Здесь и далее индекс "1" означает, что данная величина относится к горячему теплоносителю, индекс "2"- к холодному. Обозначение ( ' ) соответствует данной величине на входе в ТА, а ( " ) - на выходе.

Потери теплоты в окружающую среду, как правило, не превышают 3...5%, поэтому в расчетах их не учитывают, принимая

ΔQ=0, а Q₁=Q₂=Q₂, то есть

где 0,- тепловая нагрузка или тепловая мощность теплообменника, Вт. Полная теплоёмкость массового расхода теплоносителя называется водяным эквивалентом, Вт/К

W=G∙C_p (3.5)

Если величину W ввести в уравнение теплового баланса (3.4), то оно примет вид

Откуда

(3.6)

Последнее означает, что отношение изменений температур теплоносителей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов.

Следует отметить, что уравнение теплового баланса в виде (3.4) действи­тельно для случаев, когда теплоносители, проходя через ТА, не изменяют своего агрегатного состояния.

Если один из теплоносителей претерпевает фазовый переход-конденсация пара (горячий теплоноситель) или превращение жидкости в пар (холодный теплоноситель), в уравнение (3.4) следует подставлять значения изменения энтальпий, вычисленные с учётом протекания этих процессов.

При конденсации паров возможны следующие случаи (рис .3 1).

Рис. 3.1 Процессы конденсации паров в Т S-диаграмме

1. Перегретый пар с температурой (t_п ,°С (Т_п ,К) охлаждается до температуры насыщения t_H(Т_Н) при данном давлении и полностью конденсируется с последующим охлаждением конденсата до температуры t_к ,(Т_k). Этому случаю отвечает кривая а на рис. 3.1, а изменение энтальпии вычисляется по формуле

(3.7)

где i₁ - энтальпия перегретого пара, Дж/кг, i_k-энтальпия конденсата при конечной температуре t_k(T_k), Дж/кг, С_р - средняя теплоёмкость перегретого пара в интервале температур t_н…t_n Дж/(кг∙К); Г- полная (скрытая) теплота, парообразования, Дж/(кг∙К); С_р - средняя теплоёмкость конденсата в интервале температур t_k…t_n, Дж/(кг∙К).

2. Перегретый пар с температурой t_n(Т_н) охлаждается до температуры насыщения t_h(Т_н) и полностью конденсируется (рис. 3.1, кривая б)

Δi=i_n- i'=(t_n-t_н)+r (3.8)

где V - энтальпия кипящей жидкости, Дж/кг.

4. Перегретый пар с температурой t_n(Т_н) охлаждается до температуры насыщения t_h(Т_н) и частично конденсируется (рис. 3.1, кривая в)

Δi₁=i_n- i_х=(t_n-t_н)+r(1-x) (3.8)

где i_х - энтальпия влажного пара, Дж/кг, х- степень сухости пара.

4. Сухой насыщенный пар при температуре t_n(Т_н) полностью конденсируется (рис. 3.1, кривая г)

Δi₁=i''-i'=r (3.10)

где i'' - энтальпия сухого насыщенного пара, Дж/кг.

5 Влажный пар полностью конденсируется (рис. 3.1, кривая д)

Δi=i_n-i'=r (3.11)

где х - энтальпия влажного пара, Дж/кг.

При превращении жидкости в пар (кипении жидкости) возможны следующие случаи (рис. 3.2).

1. В теплообменнике жидкость с начальной температурой t(Т) нагревается до температуры насыщения t_n(Т_н), превращается в пар, который перегревается до температуры t_n(Т_н). Этому случаю отвечает кривая а на рис 3.2, а изменение энтальпии вычисляется по формуле

Δi₂=i_n- i=(t_n-t)+r+(t_n-t_н)+ (3.12)

где i - энтальпия жидкости при начальной температуре t(Т), Дж/кг; средняя теплоёмкость жидкости в интервале температур t…t_n, Дж(кг∙К).

2. Жидкость с начальной температурой t(Т) нагревается до температуры насыщения t_n(Т_н) и превращается и сухой насыщенный.пар (рис. 3.2, кривая б).

Рис. 3.2. Процессы парообразования в Т S - диаграмме

Δi₂= i'-i=(t_n-t)+r (3.13)

3. Жидкость с температурой t(Т) нагревается до температуры насыщения t_n(Т_н) и частично превращается в пар со степенью сухости х<1 (рис. 3.2, кривая в)

Δi₂=i_х-i=(t_n-t)+r∙х (3.14)

4. Кипящая жидкость полностью испаряется и пар перегревается до температуры t_n(Т_н) (рис 3.2, кривая г)

Δi₂=i_n- i'=r+(t_n-_нt) (3.15)

5 Кипящая жидкость полностью превращается в сухой насыщенный пар (рис. 3.2, кривая д)

Δi₂=i'-i'=r (3.16)

6. Кипящая жидкость превращается в пар со степенью сухости <1 (рис. 3.2, кривая е)

Δi₂=i_х-i'=r∙х (3.17)