Теплотехника

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«БЕЛГОРОДСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПОТРЕБИТЕЛЬСКОЙ КООПЕРАЦИИ» 

Кафедра «Технология продуктов общественного  питания»

                              

                           Контрольная работа

По дисциплине: ТЕПЛОТЕХНИКА

 

                                             

                Выполнила студентка группы ТПП-31

                                         Заочного факультета обучения

                                             Курганская Наталья Николаевна

                                           Номер зачетной книжки 307838

                             

                              Проверил преподаватель  

                                   Тихомирова Тамара Ивановна 
 
 

                                       

  

                                                  Белгород 2009 

     Вопрос: 31 .Устройство и основы теплового расчета  регенеративных теплообменников. 

ТИПЫ  ТЕПЛООБМЕННЫХ  АППАРАТОВ

Теплообменный    аппарат    ( теплообменник ) — это   устройство,   предназначенное для нагревания, охлаждения или '   изменения   агрегатного   состояния теплоносителя.  Чаще  всего  в  теплообменных аппаратах осуществляется передача теплоты от  одного теплоносителя к другому, т. е. нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого. Исключение составляют теплообменники с внутренними тепловыделениями,   в   которых   теплота   выделяется самом аппарате и идет на нагрев теплоносителя.  Это разного рода электронагреватели и реакторы. Теплообменники с двумя теплоноси-1И в зависимости от способа переда-теплоты   от   одного   теплоносителя к другому можно разделить на несколько смесительные,   рекуперативные,       регенеративные с промежуточным теплоносителем.

Наиболее простыми и компактными являются смесительные теплообменники, в которых смешиваются теплоносители, не требующие дальнейшего разделения, например при подогреве воды паром (рис. 13.1).

Используются  смесительные теплообменники и для легко разделяющихся теплоносителей: газ — жидкость, газ — дисперсный твердый материал, вода — масло и т. д. Для увеличения поверхности контакта теплоносителей их тщательно перемешивают, жидкости разбрызгивают или разбивают на мелкие струи.

На рис. 13.2 изображена схема градирни — смесительного теплообменника для охлаждения воды потоком атмосферного воздуха. Такими теплообменниками оборудованы очень многие производства, где требуется сбросить теплоту в окружающую среду.

Охлажденная вода нужна на тепловых электрических станциях для конденсаторов турбин, в компрессорных станциях для охлаждения воздуха и т. д. 
 

  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1.1. Использование струйного смесительного теплообменника для подогрева воды паром при термической деаэрации (удаления растворенных газов) 

     Охлаждение воды в градирнях происходит не только за счет нагрева воздуха, но и за счет частичного испарения самой воды (около 1 %). Для обеспечения движения воздуха градирни оборудуются либо вентилятором, либо высокой вытяжной бащней. Теплый и влажный воздух легче наружного, поэтому создается естественная тяга с подъемным движением воздуха внутри башни.

  В рекуперативных теплообменниках теплота  от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку. Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводностью: меди, стали, латуни, сплавов алюминия и т. д.

      Наиболее распространены т р у б ч ат ы е теплообменники (рис. 1.2), в которых один теплоноситель движется в трубах, а другой — в межтрубном пространстве. В таких теплообменниках смешения теплоносителей не происходит, и они используются для самых разнообразных сочетаний греющего и нагреваемого вещества. Регенеративные  теплообменники и теплообменники с промежуточным теплоносителем работают фактически по одному и тому же принципу, заключающемуся в том, что теплота от одного теплоносителя к другому переносится с помощью какого-то третьего — вспомогательного вещества. Это вещество (промежуточный теплоноситель) нагревает в потоке горячего теплоносителя, а зе отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю. Для этого необходимо либо переносить сам промежуточный теплоноситель из одного потока в другой, либо периодически переключать потоки теплоносителей в теплообменнике периодического действия (рис. 1.3). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.  1.3. Схема    простейшего    кожухотрубчатого рекуперативного теплообменника  для передачи   теплоты   от   одного   теплоносителя» (/)  к другому (//) 

В регенеративных теплообменниках в качестве промежуточного теплоносителя используется твердый достаточно массивный материал — листы металла. кирпичи, различные засыпки.  Регенеративных теплообменники незаменимы для высокотемпературного  (t >1000°С)  подогрева газов, поскольку жаростойкость металлов ограничена, а насадка из огнеупорных кирпичей может работать при очень высоких температурах. Иногда регенеративные   теплообменники   выгодно использовать  и для  охлаждения  запыленных газов, которые способны быстро изнашивать или забивать трубки рекуператоров.

        В теплообменниках с промежуточным теплоносителем теплота от греющей среды к нагреваемой переносится потоком мелкодисперсного материала или жидкости. В ряде случаев промежуточный теплоноситель при работе меняет агрегатное состояние.

  Одним из оригинальных устройств, использующих в качестве промежуточного теплоносителя пар и его конденсат, является герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром (рис 1.5). Такое устройство, называемое тепловой трубой, способно передавать больше тепловые мощности (в 1000 раз больше, чем медный стержень тех же размеров). На горячем конце тепловой трубы за счет подвода теплоты испаряется жидкость, а на холодном — конденсируется пар, отдавая выделившуюся теплоту Конденсат возвращается в зону испарения либо самотеком, если холодный конец можно разместить выше горячего, либо за счет использования специальных фитилей, по которым   жидкость  движется   под   действием капиллярных сил в любом направлении,  даже против сил тяжести (как спирт в спиртовке). I 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис 1 4 Регенеративный подогреватель воздуха периодического действия с переключением потоков, движущихся через   насадку 
 
 
 
 
 

  

 
 
 
 

Рис 1 5 Схема работы тепловой трубы с  возвратом конденсата под действием гравитационных сил (термосифон) 

  Тепловые трубы с самотечным возвратом конденсата известны давно Широкое распространение тепловых труб с фитилями началось недавно в связи с необходимостью отвода больших тепловых потоков от мощных, но малогабаритных полупроводниковых устройств. Практически незаменимы тепловые трубы с фитилями в космосе. Для охлаждения механических, электрических или радиотехнических устройств в земных условиях мы очень широко используем естественную конвекцию. В космосе естественной конвекции не может быть, поскольку отсутствует сила тяжести, и нужны иные способы отвода теплоты Тепловые трубы с фитилями могут работать и в невесомости Они малогабаритны, не требуют затрат энергии на перекачку теплоносителей и при соответствующем подборе рабочего агента работают в широком интервале температур

  Широкие возможности открываются при  использовании в качестве промежуточного теплоносителя мелкодисперсного материала, который может работать в самых различных условиях (при высоких и низких температурах, в агрессивных газах и т д.). Такой материал легко транспортируется потоком газа и в зависимости от условий может находиться во взвешенном, плотном или псевдоожиженном состоянии

  Использование того или иного типа теплообменника в каждом конкретном случае должно быть обосновано технико-экономическими расчетами, поскольку каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. 
 
 
 
 
 

РАСЧЕТНЫЕ УРАВНЕНИЯ

 I Общим уравнением при расчете теплообменника любого типа является уравнение теплового баланса — уравнение сохранения энергии. Тепловой поток ^^, отданный в теплообменнике горячим теплоносителем (индекс 1), например, при его охлаждении ' от температуры t до t, равен

Q  = m ( с   t  - c   t  ) (13.1)

где т — массовый расход теплоносителя.

Несколько процентов (обычно 1 — 10 %) от Q теряется в окружающую среду через стенки теплообменника, а основная часть Q  =    Q (КПД теплообменника   учитывает потери) передается второму теплоносителю (индекс 2). Тепловой поток Q  , получаемый холодным теплоносителем, можно рассчитать через разность энтальпий по аналогии с уравнением (13.1):

 
Q  =m  ( с   t – с  t )=   Q =   m (c  t – с  t  ) (13.2)

Уравнение теплового баланса (13.2) позволяет найти один неизвестный параметр: либо расход одного из теплоносителей, либо одну из температур. Все остальные параметры должны быть известны.

  Тонкие  стенки трубок рекуперативных теплообменников практически всегда считаются плоскими, поэтому поверхность Р, необходимая для передачи теплового потока Q  от горячего теплоносителя к холодному, определяется из приближенного уравнения (12.12), согласно которому Q = rF (t – t )=rF  t

  Методики  расчета теплообменников других типов можно найти в специальной  литературе [7]. 
 
 
 

 
 
 

Рис.  13.6. Схемы  движения теплоносителей теплообменниках: а — противоток, б — прямоток 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      -^ 

Рис. 13.7 Изменение температур теплоносителей в теплообменнике, обогреваемом паром

  При выводе уравнения (12.12) предполагалось, что температуры теплоносителей t  и t  постоянны, а между тем они изменяются по длине теплообменника (рис. 13.6). В расчете, очевидно, нужно использовать среднеинтегральную по длине теплообменника разность температур теплоносителей:

Q = rF  t (13.3)

Пользоваться  среднеарифметическиум значением   t = 0.5( t +   t ) можно только в   случае, когда   t  /   t  <2. Погрешность не будет превышать 4 %.

 Определим точное значение среднего перепада температуры  t  для простейшего случая,  когда  температура  греющего теплоносителя неизменна

(рис. 13.7). Через  диференциально малую площадь теплообменника dF передается тепловой поток

                      Q = r  tdF

за счет которого температура нагреваемого теплоносителя изменяется на dt , а разность температур теплоносителей — на d{  t), причем при t = соnst   dt =— d ( t). Тогда

   Q = m с  d(  t) (13.5)

Приравняем  правые части уравнений (13.4) и (13.5):

                        F = m с d  (  t)                    ( 13.6) 

  Разделим переменные и проинтегрируем по F от О до F и по   t от   t   до   t при

 Ср2 = сопst: 

F =                            X

 
                                                                                                                             (13.7)

Отсюда

                                    F = 

или

т с = rF/ ln (  t/   t)                                          (13.8)

Подставим т Ср2 из  (13.8)  в уравнение (13.2)

      Q = m с  (t   - t ) = m  с  (  t -  t ) = rF (  t – t ) /   ln  (   t  / t )             (13.9)

     Сравнивая выражения   (13.9)   и   (13.3), нетрудно видеть, что

                                                                                                                         ( 13.10)