Теплоэнергетические параметры и оптимальные размеры теплообменного аппарата
Подходы к оптимизации геометрических размеров теплообменного аппарата. Анализ уравнений, отражающих влияние теплогидродинамических характеристик поверхностей теплообмена, температур и расходов теплоносителей, и суммарной мощности на его размеры.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 27.05.2018 |
| Размер файла | 44,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Теплоэнергетические параметры и оптимальные размеры теплообменного аппарата
Оптимизация теплообменного аппарата - многоэтапный процесс. Оптимизируемые параметры, методы достижения оптимума, способы реализации оптимальных параметров различны на каждом этапе.
Начальные этапы оптимизации осуществляются при тепловом и гидравлическом расчетах, когда выбираются параметры поверхностей теплообмена и в основном определяется конструкция теплообменного аппарата. Обычно минимизируются капитальные затраты и затраты на эксплуатацию аппарата. Целевой функцией являются суммарные затраты энергии на перемещение теплоносителей в аппарате заданного объема или масса (объем) матрицы теплообменника при заданных суммарных энергетических затратах.
Заключительные этапы оптимизации осуществляются на уровне установки, в которую теплообменный аппарат входит как составная часть. Критерий оптимальности зависит от назначения установки. Определяются оптимальный режим работы теплообменного аппарата при изменяющихся параметрах установки и окружающей среды, способы и средства регулирования теплообменника.
В установке, состоящей из многих разнородных элементов, роль теплообменных аппаратов может быть невысокой, но многоэтапная оптимизация теплообменника обязательна: эффективность установки определяется качеством каждого элемента, входящего в нее.
Оптимизация, проводимая на высоком уровне, не меняет результаты, полученные на предыдущих этапах, но увеличивает число и жесткость требований к конструкции и режимам работы теплообменного аппарата.
В статье рассматривается метод оптимизации размеров теплообменного аппарата при условии, что тип поверхностей теплообмена в нем выбран, известны тепловая мощность аппарата, расходы теплоносителей и их температуры на входе в теплообменник.
При использовании метода «» [1, 2] для решения поставленной задачи исходными являются уравнение теплопередачи
,
теплообмен аппарат мощность
уравнение мощности, расходуемой на движение теплоносителей,
,
где - теплоотвод в теплообменнике; - коэффициент эффективности теплообменника; - наименьшая из величин теплоемкостей потоков теплоносителей (произведение массового расхода теплоносителя и его удельной теплоемкости ); - максимальная разность температур теплоносителей в теплообменнике; - суммарная мощность, расходуемая на перемещение теплоносителей; - плотность и средняя теплоемкость теплоносителя; - потери давления в каналах теплообменника; - теплоемкость потока теплоносителя.
В общем виде коэффициент эффективности теплообменника может быть представлен следующим образом:
.
Здесь - число единиц переноса тепла; - коэффициент теплопередачи; - площадь несущей (гладкой) поверхности теплообмена.
Без учета термического сопротивления стенки, разделяющей теплоносители, величина
,
где , - площади поверхностей теплообмена; , - коэффициенты теплоотдачи в теплообменнике, приведенные к соответствующим площадям поверхностей теплообмена; , - коэффициенты компактности поверхностей теплообмена; ; - объем матрицы теплообменника.
Коэффициенты теплоотдачи в теплообменнике могут быть выражены как [3]
, или ;
, или .
Здесь , - массовые скорости теплоносителей перед фронтом теплообменника; , - длины матрицы теплообменника по ходу теплоносителей; - коэффициенты пропорциональности.
Тогда .
При заданных тепловой мощности и расходах теплоносителей, выбранных типе теплообменного аппарата и параметрах поверхностей теплообмена размеры, объем матрицы и масса теплообменника зависят от мощности, расходуемой на перемещение теплоносителей.
Представим потери давления в каналах теплообменника следующим образом [3]:
, или ;
, или ,
где , - коэффициенты пропорциональности.
Суммарная мощность, расходуемая в теплообменнике, будет равна сумме мощностей и , необходимых для перемещения обоих теплоносителей в каналах теплообменника: .
, и ;
, и .
Величина . (2)
При проектировании теплообменного аппарата первоначально устанавливается приемлемый диапазон изменения его основных теплогидродинамических характеристик по обеим сторонам поверхности теплообмена. Одной из таких характеристик, которая во многом определяет величину расходов на изготовление и эксплуатацию теплообменника, является отношение мощности, расходуемой в теплообменнике, к объему его матрицы.
Уравнение, связывающее объем матрицы теплообменного аппарата с отношением , может быть получено из зависимости (1) после использования в ней выражения (2):
.
Уравнение (3) позволяет определить оптимальные геометрические размеры теплообменника, соотношения этих размеров, обеспечивающие требуемые значения гидродинамического сопротивления и суммарной мощности, расходуемой в теплообменнике. С помощью этого уравнения можно оценить влияние геометрических, тепловых и гидродинамических характеристик поверхности теплообмена, температур и расходов теплоносителей на размеры теплообменника и суммарную мощность.
В качестве примера на рис. 1 и 2 представлены результаты расчета регенератора, выполненного из пластинчато-ребристой поверхности теплообмена ПлР-1 [4].
Параметры теплоносителей: температура продуктов горения на входе в теплообменник =464 оС, охлаждение продуктов горения в теплообменнике =228 оС, температура на входе в теплообменник =30 оС, расход продуктов горения =24,7 кг/с, отношение =0,875.
Минимальная и близкие к ней величины объема матрицы теплообменника определяют диапазон рациональных значений мощностей и , расходуемых на перемещение теплоносителей, гидродинамических сопротивлений и , а также линейных размеров матрицы теплообменного аппарата.
После определения объема матрицы и соответствующих ему значений и могут быть найдены линейные размеры:
.
С увеличением суммарной мощности диапазон значений и , при которых достигаются близкие к минимальному значения объема , расширяется.
Список литературы
1. Кейс, В.М. Компактные теплообменники: [пер. с англ.]/ В.М. Кейс, А.Л. Лондон.-М.: Энергия, 1967. - 224 с.
2. Справочник по теплообменникам: [пер. с англ.] в 2 т. /под ред. Б.С. Петухова [и др.].-М.: Энергоатомиздат, 1987.-Т.1. - 560 с.
3. Кондаков, С.А. Определение затрат мощности и оптимальных размеров охладителя газа/ С.А. Кондаков, В.Г. Герке, В.Н. Соченов // Физические процессы и явления, происходящие в теплоэнергетических установках: сб. науч. тр. - Брянск: БГТУ, 1997. - С. 41-47.
4. Иванов, В.Л. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: учеб. для вузов/ В.Л. Иванов [и др.]; под ред. А.И. Леонтьева. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 591 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Теплофизические свойства теплоносителей. Предварительное определение водного эквивалента поверхности нагрева и размеров аппарата. Конструктивные характеристики теплообменного аппарата. Определение средней разности температур и коэффициента теплопередачи.
курсовая работа [413,5 K], добавлен 19.10.2015Применение и классификация теплообменных аппаратов. Принцип работы кожухотрубного теплообменного аппарата. Необходимость проведения гидравлического, конструктивного и проверочного тепловых расчетов. Построение температурной диаграммы теплоносителей.
курсовая работа [364,5 K], добавлен 23.11.2012Определение характера течения горячего и холодного теплоносителей в каналах теплообменника. Выбор вида критериального уравнения для потоков. Составление уравнения теплового баланса. Нахождение поверхности нагрева рекуперативного теплообменного аппарата.
практическая работа [514,4 K], добавлен 15.03.2013Термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями. Параметры газовой смеси, одинаковой для всех термодинамических процессов. Исходные данные для конструктивного теплового расчета теплообменного аппарата, выбор его типа, формы и размера.
реферат [655,7 K], добавлен 24.11.2012Физические свойства теплоносителей. Расчет числа Нуссельта. Определение количества тепла, получаемого нагреваемой водой. Средний температурный напор. Графики изменения температур теплоносителей вдоль поверхности нагрева для прямотока и противотока.
контрольная работа [199,6 K], добавлен 03.12.2012Общая характеристика теплообменных аппаратов и их применение в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Конструктивный, проверочный и гидравлический расчет теплообменного аппарата, построение температурной диаграммы.
курсовая работа [663,7 K], добавлен 10.10.2011Конструкция и принцип работы подогревателя сетевой воды. Теплопередача при конденсации и движении жидкости по трубам. Оценка прочности крышки теплообменника. Тепловой, гидравлический и прочностной расчет параметров рекуперативного теплообменного аппарата.
курсовая работа [186,8 K], добавлен 02.10.2015Расчет параметров потоков продуктов сгорания и пароводяной среды, геометрических характеристик поверхностей нагрева, тепловой изоляции экономайзера. Проверка значений газодинамических сопротивлений. Определение изменения температуры по высоте стенки.
курсовая работа [124,3 K], добавлен 25.12.2013Расчет средней температуры воды, среднелогарифмического температурного напора из уравнения теплового баланса. Определение площади проходного и внутреннего сечения трубок для воды. Расчет коэффициента теплопередачи кожухотрубного теплообменного аппарата.
курсовая работа [123,7 K], добавлен 21.12.2011Определение внутреннего диаметра корпуса теплообменника. Температура насыщенного сухого водяного пара. График изменения температур теплоносителя вдоль поверхности нагрева. Вычисление площади поверхности теплообмена Fрасч из уравнения теплопередачи.
контрольная работа [165,6 K], добавлен 29.03.2011Классификация теплообменных аппаратов (ТОА), требования к ним. Выбор схемы движения теплоносителей при расчете устройства, определение их теплофизических свойств. Коэффициент теплоотдачи в ТОА, уточнение температуры стенки и конструктивный расчет.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 17.11.2013Теплообменные аппараты – устройства передачи тепла от одной среды к другой, их классификация; схемы движения теплоносителей. Гидравлическое сопротивление элементов теплообменного аппарата. Подбор нормативного вертикального подогревателя сетевой воды.
курсовая работа [368,3 K], добавлен 10.04.2012Понятие, виды, технологическое назначение и конструкции теплообменников. Теплофизические свойства теплоносителей. Тепловой, компоновочный и гидравлический расчет теплообменного аппарата. Характеристика калорифера, классификация и принципы его работы.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 22.11.2014Тепловой расчёт подогревателя, описание его работы. Прочностной расчёт деталей. На основе представленных расчётов определение влияния изменений величины давления пара на температуру насыщения пара, средний коэффициент теплоотдачи, поверхность теплообмена.
курсовая работа [62,2 K], добавлен 15.12.2009Определение параметров газовой смеси для термодинамических процессов. Политропный процесс с различными показателями политропы. Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата. Рекуперативный теплообменник с трубчатой поверхностью теплообмена.
курсовая работа [415,7 K], добавлен 19.12.2014Классификация теплообменных аппаратов. Конструктивный тепловой расчет. Предварительный выбор теплообменного аппарата по каталогу, действительные температуры теплоносителей. Шестиходовой кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками.
курсовая работа [873,5 K], добавлен 11.03.2013Моделирование статических нерасчетных режимов теплообменных аппаратов. Расчет статических характеристик ступени охлаждения. Моделирование движения реального рабочего вещества во вращающихся каналах. Расчет рекуперативного теплообменного аппарата.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 01.03.2015Описание конструкции кожухотрубчатого теплообменного аппарата. Гидравлический расчет патрубка. Выбор соединения трубок с трубными решётками. Определение толщины обечайки и цилиндрической части. Дополнительные условия проверки прочности трубной доски.
реферат [1,6 M], добавлен 04.07.2013Технологическая схема теплообменника "труба в трубе". Температурный режим аппарата и средняя разность температур. Расчёт коэффициента теплопередачи. Обоснование выбора материала и конструктивных размеров, гидравлический и конструктивный расчеты аппарата.
курсовая работа [151,3 K], добавлен 04.11.2015Процесс теплопередачи: общие положения, основное уравнение, принципы передачи тепла и излучения. Типы теплообменников: трубчатые, змеевиковые, пластинчатые, оребренные, спиральные, блочные и шнековые, принципы и порядок, а также обоснование их выбора.
курсовая работа [621,3 K], добавлен 26.05.2014
