Основы теплопередачи - Крейт Ф.
Скачать (прямая ссылка):
\0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 7/, вых 7/,вх 7у,вх~ 7/,вх
Рис. 7.14. Поправочный коэффициент к значению Af, рассчитанному при противотоке, для перекрестноточного теплообменника; обе жидкости не перемешивающиеся; один ход в трубном пучке [20].
равна температуре на выходе холодного теплоносителя. Параметр Z, характеризующий отдельные кривые, равен отношению произведений массовых расходов на теплоемкости двух теплоносителей rhtCpt/rhsCps. Это отношение также равно изменению температуры теплоносителя в межтрубном пространстве, деленному на изменение температуры теплоносителя в трубах:
bcpt
390 Глава 7
При использовании поправочных коэффициентов не имеет значения, где течет поток горячего теплоносителя в межтрубном пространстве или трубах. Если температура одного из теплоносителей остается постоянной, направление течения не имеет значения, поскольку F равно 1, и в расчетах можно использовать непосредственно значение А7\
Пример 7.1. Определить площадь теплопередающей поверхности теплообменника, требуемую для охлаждения 95%-ного раствора этилового спирта (Cp = 3810 Дж/кг-град) от 65,6, до 39,40C потоком воды при температуре на входе 10°С. Теплообменник изготовлен из труб с наружным диаметром 0,0254 м, расход спирта 6,93 кг/с, расход воды 6,3 кг/с. Предполагается, что суммарный коэффициент теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности трубы, равен 568 Вт/(м2-град). Рассмотреть каждое теплообменное устройство с различными схемами течения теплоносителей:
а) Прямоточный теплообменник.
б) Противоточный теплообменник.
б) Прямоточно-противоточный теплообменник с двумя ходами в межтрубном пространстве и 72 трубами в пучке; спирт течет в межтрубном пространстве, вода — по трубам.
г) Перекрестный ток с одним ходом в трубном пространстве и одним ходом в межтрубном пространстве, жидкость в межтрубном пространстве перемешивается.
Решение.
а) Температуру воды на выходе для любой из четырех схем теплообмен-ных устройств можно определить из общего уравнения теплового баланса в предположении, что тепловыми потерями в атмосферу можно пренебречь. Записывая уравнение теплового баланса
"1Ii0Ph (Th, вх Th, вых) = "1C0PC (Тс, вых "~ Тс, вх)
и подставляя в это уравнение исходные данные, получаем
6,93 • 3810 (65,6 - 39,4) = 6,30 • 4187 (Гс> выХ - 10),
откуда температура воды на выходе равна 36,20C Тепловой поток от спирта к воде равен
Я - **сд» (Тп, вх - Tk. вых) = 6'93 • 3810 (65-6 - 39-4) = 691 800 Вт-Из уравнения (7.17) для прямотока находим
T= АТа-АТь _ 55,6-3,2
In (ATJATb) In (55,6/3,2) ~" ^
Из уравнения (7.12) определяем площадь теплопередающей поверхности
Л = _4^ = -І^- = 66,2 м2. U-AT 568-18,4
Теплообменник длиной 830 м с диаметром наружной трубы 0,0254 м имеет слишком большие размеры, чтобы его можно было использовать на практике.
б) Для аппарата с противотоком средняя разность температур равна 65,3 — 36,2 = 29,40C, поскольку тссрс = rhhCph. Требуемая площадь поверхности равна
л 0 619 800 <
А = _• =-= 41,4 м2,
UAT 568.29,4
что на 40% меньше площади, необходимой для прямоточного теплообменника.
Теплообменники 391
в) Для прямоточно-противоточного аппарата соответствующая средняя разность температур вычисляется с помощью поправочного коэффициента, который определяется из рис. 7.12 при средней температуре для противотока:
T — T 36,2 — 10 р__с, вых_с, вх '__П 47
Т. -Г 65,6-10
ft. BX Су BX '
а отношение расходных теплоємкостей теплоносителей равно
Из диаграммы (рис. 7.12) находим F = 0,97, и площадь теплоотдающей поверхности равна
41 4
^Йлина теплообменника из семидесяти двух труб с наружным диаметром 0,0254 м, установленных параллельно, равна
Л/72 427/72 L~"^D~~ я-0,0254 ~7'4 М'
Эта длина вполне приемлема для практических целей, однако если необходимо укоротить теплообменник, то можно использовать большое число труб.
г) ^ля аппарата с перекрестным током (рис. 7.3) поправочный коэффициент, определенный из диаграмм (рис. 7.13), равен 0,88. Требуемая площадь теплоотдающей поверхности, таким образом, равна 48,5 м2, что на 10% больше площади поверхности прямоточно-противоточного теплообменника.
7.5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛООБМЕННИКА
При тепловом анализе теплообменников различных типов, рассмотренном в предыдущем разделе, использовалось уравнение (7.16), записанное в виде
g = UA\Tep.
Эта форма записи уравнения удобна, когда известны все граничные температуры, необходимые для расчета соответствующей средней разности температур, и поэтому уравнение (7.16) широко используется в конструкторских расчетах теплообменников различного назначения. Однако встречаются многочисленные случаи, когда характеристика теплообменника (т. е. U) известна, или, по крайней мере, ее можно оценить, в то время как температуры теплоносителей на выходе из теплообменника неизвестны. Проблема такого рода возникает при выборе теплообменника или когда проведено его испытание для одного расхода, а условия эксплуатации требуют других значений расходов одного или обоих теплоносителей. Значения выходных температур и тепловой поток можно найти только с помощью утомительного метода последовательных приближений, используя диаграммы, представленные в предшествующем разделе. В таких случаях желательно привлекать любые справочные материалы для расчета логарифмической или другой средней разности температур. Подобный метод предложен Нуссельтом [8] и Тен Броеком [9].
