ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Поверхность регенеративных теплообменников попеременно омывается то первичным («горячим»), то вторичным («холодным») теплоносителем.

=> поверхность теплообмена попеременно является тепловоспринимающей и теплоотдающей. Время, за которое происходит нагревание насадки и охлаждение первичного теплоносителя t₁, называется периодом нагрева, а время, за которое происходит охлаждение насадки и нагревание вторичного теплоносителя t₂, называется периодом охлаждения.

полным циклом или периодом.Обозначим время полного цикла черезt_ПЕР

kизмеряется в Дж/(м²×К×период).

Фактор u/uв уравнении (е) указывает на ухудшение, которое претерпевает идеальный коэффициент теплопередачи вследствие недостаточных теплопроводности и аккумулирующей способности насадки регенератора. Этим отношением будет характеризоваться коэффициент полезного действия поверхности нагрева. Следовательно,

или

Величина иявляется только функцией комплексов 2a₁t₁/сdr и , а величина u - только функцией параметров 2a₁t₁/сdr и h.

В указанных безразмерных параметрах: a₁ — коэффициент теплоотдачи в период нагревания; t₁ — продолжительность периода нагревания; с— удельная теплоемкость; d-толщина насадки; r — плотность насадки; — изменение температуры вторичного теплоносителя на входе; h — коэффициент использования насадки; — изменение температуры первичного теплоносителя на входе.

Таким образом, можно записать:

(и)

и

(к)

Зависимости (и) и (к) представлены на рис. 1 и 2 в виде семейства кривых.

Рис. 1. К вычислению функции и.

Рис. 2. К вычислению функции u.

Таким образом, на основании изложенной методики по уравнениям можно вычислить коэффициент теплопередачи для любого регенератора.

Рис. 11. Схема смесительного теплообменника. 1 — насадка; 2 — сепаратор влаги; 3 — вентилятор.

Смесительные аппараты теплообменники, в которых теплопередача между горячей и холодной жидкостями осуществляется путем их непосредственного соприкосновения и перемешивания. Применяются главным образом для охлаждения и нагревания газов при помощи воды или охлаждения воды при помощи воздуха.

Определяющих факторов в работе смесительных теплообменников является поверхность соприкосновения. С этой целью жидкости обычно разбрызгиваются на мелкие капельки. Однако степень дробления в каждом случае должна выбираться в соответствии с конкретными условиями работы аппарата. Чем мельче капли, тем больше поверхность соприкосновения, но вместе с этим меньше и скорость падения капли. При этом и скорость газа должна быть мала; в противном случае капли будут лишь витать или уноситься с воздухом. Поэтому степень разбрызгивания воды должна быть в соответствии со скоростью воздуха и производитель­ностью аппарата.

В смесительных теплообменниках наряду с процессом теплообмена имеют место и процессы массообмена.

При расчете смесительных аппаратов обычно пользуются установленными из практики нормами допустимой нагрузки единицы объема.

С целью обеспечения большей поверхности соприкосновения рабочих жидкостей аппараты часто загружаются кусковым материалом, например коксом, кольцами Рашига или деревянными решетками. Поверхностью теплообмена является жидкостная пленка, которая образуется на поверхности кусковой насадки. Такие аппараты – скрубберами (в химической промышленности). Для случая охлаждения воздуха водой в скруббере Н. М. Жаворонков получил обобщенную зависимость

(42)

где Ki = kd_ЭКВ/l_Г — число Кирпичева; Re_Г = 4w₀V/v_ГF— число Рейнольдса для газов; Rе_Ж = Gd_ЭКВ/v_Ж— число Рейнольдса для жидкости; Рr_Г = n_Г/a_Г— число Прандтля для газов; k— коэффициент теплопередачи, численное значение которого определяет собой условия теплообмена между газом и жидкостью; w₀— скорость воздуха по свободному сечению аппарата; G — интенсивность орошения, м³/(м²×с); d_ЭKB = 4V/F— эквивалентный диаметр; V— свободный объем насадки, м³/м³; F — площадь поверхности насадки в единице объема, м²/м³.

Гидромеханический расчет теплообменных аппаратов. Гидравлическое сопротивление элементов. ( Гладкие трубы, шероховатые, закругленные, в пучках труб). Мощность для перемещения жидкости.

Гидравлическое сопротивление. При проектировании теплообменных аппаратов большое значение имеет правильное представление о характере движения рабочих жидкостей. В сложных устройствах движение жидкости определяетсятакже предшествующими и последующими. Т.к. сочетание элементов в аппаратах может быть самое разнообразное, то учесть их взаимное влияние очень трудно.

Работа ТА в основном определяется характером движения рабочих жидкостей. Знание условий движения дает возможность правильно выбрать расчетные формулы теплоотдачи и позволяет достаточно точно определить гидравл. сопротивление.

Основной задачей является определение потери давления теплоносителя при похождении его через аппарат. При течении жидкости всегда возникают сопротивления, препятствующие движению. На преодоление этих сопротивлений затрачивается механическая энергия, пропорциональная перепаду давления ∆р. Сопротивления: трения и местные сопротивления.

Гидравлическое сопротивление трения обусловливается вязкостью жидкости и проявляется лишь в местах безотрывного течения жидкости вдоль твердой стенки. При этом сила давления равна силе трения, т. е. Dpf = sF, откуда Dp = sF/f. Так как , то это означает, что чем больше вязкость протекающей жидкости, тем больше и сопротивление. Сопротивление зависит от скорости w. Скорость ниже критической - сопротивление пропорционально 1-ой степени скорости; скорость выше критической - сопротивление пропорционально квадрату скорости. Потери давления на преодоление сил трения в общем случае

(43)

где l — полная длина канала; d— гидравлический диаметр, который в общем случае найдется как d = 4f/U(f— поперечное сечение канала; U— периметр поперечного сечения); x — коэффициент сопротивления трения, безразмерная величина, характеризующая соотношение сил трения и инерционных сил потока; x₀ — поправка на гидродинамический начальный участок: при наличии перед входом в трубу успокоительного участка x₀= 0, при отсутствии успокоительного участка и равномерном распределении скоростей на входе x₀⁼ 1,16 для круглой трубы и x₀ = 0,63 для плоского канала; r и w— средняя плотность и средняя скорость жид­кости или газа в канале.

В практических расчетах поправка x₀ обычно несущественна и сопротивление трения в трубах и в каналах определяется по формуле

(44)

Местные сопротивления определяются по формуле

(45)

где x — коэффициент местного сопротивления.

В неизотермического движения жидкости до недавнего времени сопротивление подсчитывалось так же, как и при изотермическом. Влияние изменения температуры учитывалось лишь тем, что все расчетные величины (скорость, плотность, вязкость) относили к средней температуре жидкости. Опытом установлено, если сопротивление теплообменных аппаратов рассчитывается по величинам, отнесенным к средней температуре жидкости, то коэфф. сопротивления трения в этом случае является функцией не только числа Re, но также чисел Gr и Рr.

При неизотермическом движении газов движение становится. Это вызывает дополнительную потерю давления на ускорение газа Dр_Н, которая при движении в канале постоянного сечения равна удвоенной разности скоростных напоров:

(46)

Индексом 1 отмечены величины, отнесенные к температуре в начальном сечении, индексом 2 — в конечном. В случае нагревания газа Dр_Н положительно, в случае охлаждения — отрицательно.

Подъемная сила и сопротивление самотяги определяются соотношением

(47)

r₀ — средняя плотность холодной жидкости, например, окружающего воздуха; r — средняя плотность нагретой жидкости, например, дымовых газов; h₀— высота вертикального канала — газохода.

При нисходящем движении нагретой жидкости значение Dp_Cявляется дополнительным сопротивлением канала, при восходящем же движении нагретой жидкости сопротивление канала уменьшается на величину Dp_C. Общее сопротивление самотяги определяется как разность между значениями подъемной силы во всех нисходящих и восходящих каналах.

При определении полного сопротивления какого-либо устройства в технических расчетах принято суммировать отдельные сопротивления. Такой способ расчета основан на допущении, что полное сопротивление последовательно включенных элементов равно сумме их отдельных сопротивлений. В действительности это не так, сопротивление каждого элемента зависит от характера движения жидкости в предшествующих участках.

(48)

Таким образом, полное гидравлическое сопротивление обменных устройств равно:

Все данные по гидравлическому сопротивлению, приводимые в справочниках, как правило, получены для изотермического движения жидкости. Применение их к расчету сопротивления при неизотермическом движении должно проводиться с учетом возможных изменений, как отдельных величин, так и сопротивления в целом.