Изчисляване на топлообменник, термично изчисляване на топлообменник, Блог на топлоенергетик
Здравейте! Топлообменник е устройство, в което се извършва топлообмен между два или повече топлоносителя или между топлоносители и твърди тела (дюза, стена). Ролята на охлаждаща течност може да бъде изпълнявана и от околната среда около апарата. Според тяхното предназначение и дизайн топлообменниците могат да бъдат много различни, вариращи от най-простите (радиатор) до най-модерните (котелно устройство). Според принципа на действие топлообменниците се делят на рекуперативни, регенеративни и смесителни.
Рекуперативни устройства се наричат устройства, в които горещи и студени охлаждащи течности протичат едновременно, разделени от плътна стена. Такива устройства включват нагреватели, котли, кондензатори, изпарители и др.
Рекуперативните и регенеративните устройства също се наричат повърхностни, тъй като процесът на пренос на топлина в тях неизбежно е свързан с повърхността на твърдо тяло.
Миксерите са устройства, в които преносът на топлина се осъществява чрез директно смесване на горещи и студени течности.
Взаимното движение на топлоносителите в топлообменниците може да бъде различно (фиг. 1.).
В зависимост от това се разграничават устройства с едноточно движение, противоточно движение, напречен ток и със сложна посока на движение на охлаждащите течности (смесен ток). Ако топлоносителите протичат паралелно в една посока, тогава такава схема на движение се нарича правопоток (фиг. 1.). При противоток топлоносителите се движат успоредно, но един към друг. Ако посоките на движение на течности се пресичат, тогава моделът на потока се нарича напречен ток. В допълнение към споменатитесхеми, в практиката се използват и по-сложни: едновременен прав поток и противоток, многократен напречен ток и др.
В зависимост от технологичното предназначение и конструктивните характеристики топлообменниците се разделят на бойлери, кондензатори, котли, изпарители и др. Но общото е, че всички те служат за пренос на топлина от един топлоносител към друг, следователно основните разпоредби за топлинно изчисление за тях са еднакви. Разликата може да бъде само в крайната цел на изчислението. При проектирането на нов топлообменник изчислителната задача е да се определи нагряващата повърхност; при проверка на топлинното изчисление на съществуващия топлообменник е необходимо да се намери количеството предадена топлина и крайните температури на работните течности.
И в двата случая топлинното изчисление се основава на уравненията на топлинния баланс и уравнението на топлопреминаването.
Уравнението на топлинния баланс на топлообменника има формата:
където M е масовият дебит на охлаждащата течност, kg/s; cpm е специфичната масова изобарна средна топлинна мощност на охлаждащата течност, J/(kg*°C).
Тук и по-нататък с индекс "1" се означават количествата, отнасящи се за горещата течност (първичен охладител), а с индекс "2" - за студената течност (вторичен охладител); един удар съответства на температурата на течността на входа на апарата, а два удара - на изхода.
При изчисляване на топлообменниците често се използва концепцията за общия топлинен капацитет на масовия дебит на охлаждащата течност (воден еквивалент), равен на С = Мav W/°С. От израз (1) следва, че
това означава, че съотношението на температурните промени на еднофазните топлоносители е обратно пропорционално на съотношението на общия им изразходван топлинен капацитет (водни еквиваленти).
Уравнението за пренос на топлина се записва, както следва:Q=k*F*(t1—t2), където t1, t2 са температурите на първичния и вторичния топлоносител; F е площта на топлообменната повърхност.
По време на топлообмен в повечето случаи температурите на двата топлоносителя се променят и следователно се променя температурната разлика Δt = t1–t2. Коефициентът на топлопреминаване върху топлообменната повърхност също ще има променлива стойност, следователно средните стойности на температурната разлика Δtav и коефициентът на топлопреминаване kрp трябва да бъдат заменени в уравнението на топлопреминаване, т.е.
Топлообменната площ F се изчислява по формула (3), дава се топлинната характеристика Q. За решаване на проблема е необходимо да се изчисли осредненият по цялата повърхност коефициент на топлопреминаване kсp и температурната разлика Δtav.
При изчисляване на средната температурна разлика е необходимо да се вземе предвид естеството на промяната на температурите на топлоносителите по топлообменната повърхност. От теорията на топлопроводимостта е известно, че в плоча или цилиндричен прът, при наличие на температурна разлика в краищата (страничните повърхности са изолирани), разпределението на температурата по дължина е линейно. Ако топлообменът се извършва на страничната повърхност или системата има вътрешни източници на топлина, тогава разпределението на температурата е криволинейно. При равномерно разпределение на източниците на топлина промяната на температурата по дължината ще бъде параболична.
По този начин в топлообменниците характерът на промяната на температурите на топлоносителите се различава от линейния и се определя от общия топлинен капацитет C1 и C2 на масовия дебит на топлоносителите и посоката на тяхното взаимно движение (фиг. 2).
От графиките се вижда, че промяната на температурата по повърхността F не е еднаква. В съответствие с уравнение (2), охлаждаща течност с по-ниска температура ще има по-голяма промяна в температурата.топлинен капацитет на масовия поток. Ако топлоносителите са еднакви, например в топлообменник вода-вода, тогава естеството на промяната на температурите на топлоносителите ще се определя изцяло от техния дебит, а при по-нисък дебит промяната на температурата ще бъде голяма. При преден поток крайната температура t "2 на нагрятата среда винаги е по-малка от температурата t" 1 на нагряващата среда на изхода на апарата, а при противоток крайната температура t "2 може да бъде по-висока от температурата t"1 (вижте за противотока случаят, когато C1 > C2). Следователно, при същата начална температура, нагрятата среда по време на противотока може да се нагрее до по-висока температура, отколкото при предния поток.
При предния поток температурната разлика по нагряващата повърхност се променя в по-голяма степен, отколкото при противотока. В същото време средната му стойност в последния случай е по-голяма, в резултат на което повърхността на нагряване на противотоковия апарат ще бъде по-малка. Така при равни условия в този случай ще се пренесе по-голямо количество топлина. Въз основа на това трябва да се даде предпочитание на устройствата с противоток.
В резултат на аналитично изследване на топлообменник, работещ по схемата на тока, беше установено, че температурната разлика по топлообменната повърхност се променя експоненциално, така че средната температурна разлика може да се изчисли по формулата:
където Δtb е голяма температурна разлика между горещата и студената охлаждаща течност (от единия край на топлообменника); Δtm е по-малката температурна разлика (от другия край на топлообменника).
При преден поток Δtb = t'1 - t'2 и Δtm = t''1 - t''2 (фиг. 2.). Тази формула е валидна и за противоток с единствената разлика, че за случая, когато C1 C2 Δtb = t''1 - t'2 и Δtm = t'1 - t''2.
Средна разликатемператури между две среди, изчислена по формула (4), се нарича средна логаритмична. температурно налягане. Формата на израза се определя от естеството на температурните промени по нагряващата повърхност (криволинейна зависимост). Ако зависимостта е линейна, тогава температурната разлика трябва да се определи като средноаритметично (фиг. 3.). Стойността на средноаритметичното налягане Δtа.ср винаги е по-голяма от средното логаритмично Δtl.ср. Въпреки това, в случаите, когато температурната разлика по дължината на топлообменника се променя незначително, т.е. условието Δtb / Δtm
Осредняването на температурната разлика за устройства с кръстосан и смесен ток е трудно да се изчисли, поради което за редица от най-често използваните вериги резултатите от решенията обикновено се дават под формата на графики. Използвайте Литература: 1) Основи на топлоенергетиката, A.M. Литвин, Госенергоиздат, 1958. 2) Топлотехника, Бондарев В.А., Процки А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-ро, "Висше училище", 1976 г. 3) Топлотехника, изд.2, под общ ред. И. Н. Сушкина, Москва "Металургия", 1973 г.
изправен пред такава практическа задача: в стаята има 4 отоплителни радиатора, свързани чрез двутръбна система. Заплащане на топлоенергия по апартаментен топломер.
Ако включите и четирите батерии на пълен капацитет, ще бъде твърде горещо. Практиката показва, че за оптимална температура е необходимо да включите или 2 батерии докрай, и да изключите 2; или включете и четирите на минимално отопление.
Как мислите, в този случай разходите за отопление ще бъдат по-малко?
Игор, сведи всичко до проста математика. Колкото по-голямо е отвеждането на топлина, толкова по-голямо е плащането за отопление. Обратно, колкото по-ниско е отвеждането на топлина, толкова по-ниско е плащането за отопление. Формулата за консумирана топлина изглежда като Q=G*c*(T1-T2), където Q=kcal/sec, c е топлинният капацитет на водата = 1kcal / (kg * градус), T1 - температура на подаване в градуси, T2 - температура на връщане в градуси, G - количество охлаждаща течност в kg / s. Ако умножите резултата по 3600, ще получите резултата в часове. С помощта на вашия топломер можете да разберете количеството охлаждаща течност, преминало през вашите батерии, както и температурата на директните и връщащите тръби. Чрез регулиране на вашите 4 батерии можете да регулирате разходите за консумирана топлина според количеството охлаждаща течност. Нещо като това.