Содержание
Теплообменники: виды, устройство и принцип работы
Теплообменник – оборудование, в рабочем блоке которого налажен теплообмен между элементами с различными температурами.
Как выглядят теплообменники
Достоинства систем отопления на основе теплообменников:
- легкость в эксплуатации и простота технического обслуживания;
- долговечность;
- равномерность отопления больших площадей;
- удобная система терморегулирования;
- отсутствие громоздких радиаторов;
- тепловой комфорт в помещении.
Материалы изготовлени
Технология получения теплообменивающих устройств предусматривает их изготовление из материалов: латунь, медь, силумин (кремниево-алюминиевый сплав), нержавеющая сталь. Выбор материала зависит от конечной цели использования оборудования. Медные устройства применимы при изготовлении пива, а латунь чаще выбирают для комплектации оборудования, использующего повышенное давление.
Сферы применения
Выделяют следующие сферы использования теплообменивающего оборудования:
- системы охлаждения;
- отопительные системы;
- системы кондиционирования;
- химическая промышленность;
- обогрев бассейнов;
- солнечные коллекторы;
- машиностроение;
- вентиляционные системы;
- металлургия;
- фармация;
- автопроизводство;
- пищевая промышленность.
Помимо этого, возможно применение теплообменивающего оборудования для отопления частных домовладений. Установить устройство можно как самостоятельно, так и с помощью мастера. Использование такой техники помогает равномерно распределить тепло в помещении.
Классификация
Классификация теплообменников предусматривает их деление на такие виды:
Пластинчатые устройства включают набор пластин с волнистыми каналами со штамповкой и поверхностями, предназначенными для циркуляции жидкостей. Пластины соединены при помощи прорезиненных прокладок и стяжек. Преимущества подобных устройств – легкость в применении и компактность.
Пластинчатые теплообменники находят все более широкое применение. Сфера их использования не ограничивается только промышленным оборудованием, возможен также монтаж этих устройств в жилых домах для монтажа отопительных систем.
Пластинчатые теплообменники классифицируются на группы:
- неразборные (они же сварные и паяные);
- полусварные;
- разборные.
Разборные устройства наиболее популярны. В них пластины разделены при помощи резиновых уплотнителей. Установка не занимает много времени, а эксплуатация не вызывает трудностей.
Классический вариант пластинчатых теплообменников имеет входные и выходные патрубки на поверхности передней плиты. Некоторые устройства имеют патрубки и на передней, и на задней панелях.
Рабочие среды подсоединяются к патрубкам посредством фланцевых, резьбовых, стальных соединений.
Обратите внимание
Некоторые модели имеют меньшее количество патрубков, тогда теплоносители подсоединяются непосредственно к плите.
Трубчатые теплообменники включают трубы малого диаметра, вваренные в другие трубы. Достоинствами устройства считается применение в условиях повышения давления.
По критерию способа теплообмена техника подразделяется на смесительную и поверхностную. Устройства смесительного типа передают тепло при плотномконтактировании носителей. Поверхностные теплообменники содержат два контура, в которых происходит перемещение сред с отличными температурами.
Обмен теплом между ними возможен через поверхностные элементы пластин, стенок, листов или труб, которые выполнены из теплопроводящих материалов (нержавеющей или высокоуглеродистой стали, сплавов цветных металлов).
Этот тип оборудования применяется в жилищно-коммунальном хозяйстве, промышленных предприятиях и в организации малого бизнеса.
Поверхностные теплообменники делятся виды: рекуперативные и регенеративные. Рекуперативные теплообменники характеризуются константным обменом тепла посредством стенок контуров при однонаправленном движении носителей. В регенеративных устройствах происходит поочередный контакт носителей с теплообменивающей поверхностью.
Рекуперативные теплообменники тоже классифицируются:
Кожухотрубный теплообменник
Строение и принцип работы
Механизм действия легко рассмотреть на примере пластинчатого теплообменника заводской сборки. Структура предусматривает два контура и четыре выхода. Пластинчатое устройство разделяет потоки по давлению и температуре. Теплоносителями выступают кислоты и другие жидкости.
Теплообменники для отопления предполагают подключение к одному контуру теплых полов, а к другому – теплоцентрали.
Прямое подключение центрального теплоносителя невозможно, поскольку это приводит к выходу из строя теплого напольного покрытия.
Это происходит из-за повышения давления в теплоцентрали, температурных перепадов и присутствия химически агрессивных веществ в теплоносителе.
Строение теплообменника представлено на рисунке ниже.
Схематичное устройство пластинчатого теплообменника
Структуру теплообменника составляют:
- станина, которая с одной стороны устройства прикрепляется к неподвижной прижимной плите и служит элементом опоры;
- пакет пластин, образующий между составляющими элементами каналы для теплоносителя;
- рама, которая состоит из подвижной прижимной плиты , неподвижной прижимной плиты и задней стойки;
- кожух, служащий для защиты устройства от внешних воздействий;
- шпильки, которые размещены по краю отверстий, через которые в устройство поступает теплоноситель;
- прокладка, необходимая для герметичности каналов;
- опорные и крепежные элементы (направляющие балки, несущая база, лапы станины и рамы, подшипники, болты, гайки, шайбы).
Синие и красные стрелки на рисунке обозначают направления движения холодного и горячего теплоносителя внутри теплообменника соответственно.
В быту применяют теплообменник, чей принцип функционирования основан на разделении потоков и поддержании автономного функционирования теплых полов при пониженном уровне рабочего давления в 1,5 бара и подключении чистой воды.
Структуру теплообменного оборудования составляют три группы пластин:
Число и параметры пластин предопределяют мощность теплообменного оборудования. Каждое устройство предполагает установку очистительного фильтра. Он способен удержать грубые частицы: окалины, стружку и прочие. Фильтр нуждается в периодическом промывании очистительными растворами.
Принцип работы теплообменника
Принцип работы теплообменника заключается в передаче тепловой энергии от одного теплоносителя к другому. В устройство поступает прямая греющая среда и холодная среда.
При прохождении их между пластинами по каналам происходит нагревание холодной среды. На выходе из теплообменника получают нагретую среду и обратную греющую среду.
Внутри оборудования теплообменивающие жидкости движутся навстречу друг другу, то есть в противотоке, и не могут смешиваться, поскольку разделены пластинами.
Характеристики оборудования
Теплообменное оборудование маркируется следующими данными:
- уровень тестового давления;
- уровень максимального рабочего давления;
- уровень максимальной рабочей температуры;
- производитель.
Помимо этого, в комплектацию входят схема и техпаспорт на языке страны-производителя, в нужных случаях переведенный на язык продающей страны.
Возможно диагональное и вертикальное расположение контуров. При диагональном расположении контуров требуется производить установку только в вертикальное положение. Тогда возможно поступление горячей воды в теплообменивающий аппарат в направлении сверху вниз. При этом происходит передача тепла в автономную систему посредством разделительных пластин.
Вода на входе – повышенной температуры, а на выходе она снижена. При этом в контуре, принадлежащем автономной системе, движение теплоносителя происходит снизу вверх. На нижних уровнях происходит слабый нагрев воды, при приближении к верхним – нагрев усиливается. Это облегчает функционирование системы. Подача воды в оборудование возможна благодаря принудительной циркуляции.
Монтаж
Монтаж пластинчатого теплообменника, как наиболее распространенного, осуществляется по трем вариантам:
- параллельному;
- смешанному двухступенчатому;
- последовательному двухступенчатому.
При параллельном монтаже требуется установить терморегулятор. Этот способ экономит пространство, время, а также не требует больших затрат. Двухступенчатая смешанная схема обеспечивает значительную экономию теплоносителя. Это достигается благодаря использованию обратного тока теплой воды для обогрева потока с более низкой температурой.
Использование последовательной схемы применяет разделение входящего потока на две ветки. Одна из них проходит сквозь регулятор, другая – сквозь подогреватель. Далее оба потока смешиваются, после чего попадают в отопительный блок. Это экономит теплоноситель. Полная автоматизация оборудования невозможна.
Теплообменники закрепляются на стене с помощью крепежной ленты, консоли и уголка, прикрепленного к нижней части устройства. После этого требуется провести установку фильтров. Минимальное условие – присутствие фильтрующей системы в системе теплоцентрали.
Перед установкой стоит подготовить краны и американки – резьбовые разъемные соединительные компоненты. Каждый из них включает в состав накидную гайку, прокладку и два фитинга. Важно правильно подбирать запчасти, чтобы они подходили к диаметру системы подключения.
Тогда монтаж не вызовет затруднений.
Внешний вид пластинчатого теплообменника
Буржуйка с теплообменником. Видео
Про особенности изготовления буржуйки из газовых баллонов с теплообменником можно узнать из видео ниже.
Несмотря на широту сфер применения теплообменников, наиболее популярным является их использование в качестве дополнительной системы отопления.
Оптимальные технические характеристики обеспечивают качественный прогрев помещений любой площади. Установка полов с теплообменниками не занимает много времени, они просты в эксплуатации и долговечны.
Необходимо своевременно проводить профилактические осмотры системы, чтобы своевременно устранять возможные проблемы.
Принцип работы и устройство пластинчатого теплообменника – Школа по утеплению дома
ГлавнаяВодонагревателиПринцип работы и устройство пластинчатого теплообменника
02.11.2015
Любой теплообменник представляет собой аппарат, выполняющий теплообмен в одном конкретном месте либо же помещении, преобразуя холодную среду в горячую или наоборот.
И пластинчатый теплообменник, принцип работы которого рассматривается в данной статье, может «питаться» не только паром, газами, но также и различными жидкостями.
Какие функции он выполняет? Все верно – он прогревает или, напротив, охлаждает необходимую среду.
пластинчатый теплообменник принцип работы
О принципе действия
Пластинчатый теплообменник принцип действия имеет достаточно сложный. Пластины в конструкции располагаются под углом в 180 градусов относительно друг друга.
Зачастую производители делают это попакетно, следовательно, компонуются сразу четыре изделия и создается пара коллекторных контуров – подача жидкости и «обратка».
Хотя стоит знать, что крайние пластины не принимают никакого участия в процессе теплообмена.
Собственно, с принципом действия устройства все более-менее понятно. Сейчас же рассмотрим классификацию данной конструкции – в соответствии с ней теплообменники могут быть трех типов.
- Одноходовые приборы, в которых теплоноситель циркулирует перманентно, в одном и том же направлении по всей площади системы. Помимо того, здесь имеет место и противоток жидкостей.
- Многоходовые приборы, которые можно использовать исключительно в тех случаях, когда разница в температуре носителей тепла не слишком высокая. Потоки жидкости здесь будут двигаться в различных направлениях.
- Двухконтурные приборы. Они отличаются тем, что состоят из двух автономных контуров, находящихся на какой-либо из сторон. И если постоянно регулировать термальную мощность, то данной оборудование будет идеальным вариантом для покупки.
Что же касается технических характеристик таких теплообменников, то они следующие:
- рабочая температура колеблется в пределах между -25 и +200 градусами;
- потребление рабочей жидкости составляет от 5 до 2 000 кубометров в час;
- площадь системы – разная, в зависимости от того, с какой целью ее будут использовать.
Средние цены пластинчатые теплообменники
Средняя стоимость варьируется между 20 000 и 80 000 рублей, более конкретная цифра зависит от количества пластин, а значит, от мощности устройства.
Модель
Фото
Тип среды
Мощность
Темпер-атура среды на входе С
Темпера-тура среды на выходе С
Количе-ство пластин
Цена
Пластинчатый теплообменник НН №04
вода — вода
21500 ккал/ч
греющая среда 95нагреваемая среда 5
греющая среда 75нагрева-емая среда 65
13
от 24000
Пластинчатый теплообменник НН №08
вода — вода
64500 ккал/ч
греющая среда 95нагреваемая среда 5
греющая среда 75нагрева-емая среда 65
23
от 37000
Пластинчатый теплообменник НН №14
вода — вода
258000 ккал/ч
греющая среда 95нагреваемая среда 5
греющая среда 75нагрева-емая среда 65
18
от 65000
Пластинчатый теплообменник НН №20
вода — вода
86000 ккал/ч
греющая среда 95нагреваемая среда 70
греющая среда 75нагрева-емая среда 95
18
от 77000
Таблица средних цен и характеристик на различные модели теплообменников
Конструктивные особенности пластинчатых теплообменников
Прибор данного типа представляет собой сборную конструкцию, которая состоит из:
- недвижимой плиты;
- направляющих, расположенных сверху и снизу и представляющих собой длинные металлические пруты, которые имеют круглое сечение;
- подвижной плиты;
- крепежей, стягивающих между собой обе плиты;
- соответствующего количества пластин.
Сама рама может иметь самые разнообразные габариты – все в данном случае зависит от того, какова мощность теплообменника. Другими словами, чем большим будет количество этих пластин, тем выше будет производительность оборудования. Следовательно, общий вес и габариты также увеличатся.
Помимо того, упомянутого выше стягивания пластин более чем достаточно для установки требуемой плотности состыковки резиновых прокладок, находящихся на соседствующих пластинах.
А если говорить о самом теплообменнике с точки зрения нагрузок, которые воздействуют на него, то те влияют преимущественно на прокладки с пластинами. В это же время крепежи с рамой являются всего лишь своего рода корпусом.
По этой причинно целесообразно рассматривать не только их.
Видео – Пластинчатый теплообменник принцип работы (ТИЖ)
Роль пластин в конструкции
Прежде всего, стоит сказать о том, что такие пластины производятся исключительно из «нержавейки». Каждый знает, что данный материал невосприимчив к негативному влиянию теплоносителя низкого качества, равно как и к повышенной температуре в камере сжигания.
Следовательно, изготовители сделали поистине правильный выбор. В технологическом плане производственная процедура представляет собой обычную штамповку.
И в этом нет ничего удивительного, так как изготовить плиту, имеющую сложную конфигурацию, причем таким образом, чтобы использованный материал сохранил свои первоначальные свойства, возможно исключительно по данной технологии.
Важно
Сами плиты имеют весьма необычное устройство. Они изготавливаются с применением специальной технологии «Офф-сет». Она заключается в создании на плоскостях канавок, способных располагаться как симметрично, так и асимметрично. Благодаря подобного рода рельефной плоскости площадь теплоотбора увеличивается, более того, сам теплоноситель распределяется равномерно.
Для крепления резиновых прокладок к пластинам используются клипсовые соединения. Крепеж достаточно прост, но при этом предельно надежен. Да и сами прокладки при этом выполнены так, что самостоятельно центруются по направляющей – точнее говоря, на автомате.
А это значит, что пользователю не нужно ничего придерживать, подталкивать и проч., поскольку и без его вмешательства все будет находиться на своих местах.
И по причине особой окантовки манжеты образуется вспомогательный барьер, способствующий минимизации утечки носителя тепла.
На данный момент пластины такого рода производятся в двух модификациях, ознакомимся с ними.
- Изделия, покрытые термально жестким рифлением с канавками, выполненными под углом в 30 градусов. У этих пластин повышен показатель теплопроводимости, но главный недостаток в том, что выдерживать большого давления жидкости они, увы, не могут.
- Изделия с термально мягким рифлением. В данном случае угол равен уже 60-ти градусам. У этих пластин теплопроводимость достаточно низкая, зато давление в отопительной магистрали, которое они могут выдерживать, высокое.
К слову, если менять пластины в пластинчатом теплообменнике, принцип работы которого рассматривается в этой статье, то можно подобрать наиболее подходящий вариант отдачи тепла оборудованием в целом. Проще говоря, если теплоотдача будет высокой, то теплоноситель будет беспрепятственно двигаться по каналам.
Любопытный факт: в теплообменнике «кожухотрубного» типа (в нем труба находится в другой трубе) внутренний режим работы прибора является ламинарным.
О чем это говорит? Только об одном: при одних и тех же термотехнических параметрах габариты пластинчатого теплообменника примерно вчетверо меньшие. А значит, прибор во столько же раз более компактно.
Роль прокладок в конструкции
По причине строгих требований, касающихся герметичности приборов, прокладки начали производить из различных полимеров. Сегодня в большинстве случаев применяется материал под названием этиленпропилен, поскольку он прекрасно переносит повышенную температуру и воды, и даже пара.
Хотя у материала есть существенный недостаток – под действием масла или жира он разрушается моментально. К слову, диапазон выдерживаемой температуры для этиленпропилена составляет 30-160 градусов, что, по сути, очень даже неплохо. Но отметим, что это далеко не единственный материал, который может использоваться с подобной целью.
Зачастую прокладки фиксируются посредством специальных замков-клипсов, хотя может использоваться и клеевой состав.
Сферы применения пластинчатых теплообменников
Пластинчатый теплообменник, принцип работы которого был рассмотрен выше, имеет достаточно широкое применение. Их можно встретить практически везде, где они, собственно, вообще могут встречаться.
Разумеется, это далеко не полный перечень того, где можно использовать пластинчатые конструкции.
Видео – Как собрать разборной теплообменник
Особенности монтажа и установки
Теплообменник крепится в строгом соответствии с инструкцией производителя. Он прижимается к стене (для этого используется специальная лента либо консоль). Кроме того, устройство можно закрепить посредством уголка, зафиксированного в нижней части корпуса. В дополнение его еще свяжут трубы.
Другой важный момент – диаметр подключения (дело в том, что устройство достаточно компактно). Объем жидкости в нем незначительный, равно как и расстояние между пластинами.
Поэтому нужно подбирать только такой диаметр, который подходит, или же несколько больший – к примеру, один дюйм.
Да и мощность должна подбираться исключительно с запасом (можно на 50 или даже на 100 процентов), поскольку на габариты данный параметр никак не влияет. Но производительность при этом увеличивается!
Видео – Подключение пластинчатого теплообменника
На этом все, вот мы и разобрали это устройство, предназначенное для распределения тепла. Теплых вам зим!
Теплообменные аппараты. Теплопередача. Контрольная работа. Другое. 2014-06-28
аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей. Типичным примером таких теплообменников являются градирни. В градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом. Воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды.
Независимо от принципа действия теплообменные аппараты, применяющиеся в различных областях техники, имеют свои названия. Однако с теплотехнической точки зрения все аппараты имеют одно назначение – передачу теплоты от одного теплоносителя к другому или поверхности твердого тела к движущимся теплоносителям.
Последнее и определяет те общие положения, которые лежат в основе теплового расчета любого теплообменного аппарата.
Основные положения и уравнения теплового расчета
Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и поверочными. Проектные (конструктивные) тепловые расчетывыполняются при проектировании новых аппаратов, целью расчета является определение поверхности теплообмена.
Поверочные тепловые расчетывыполняются, в случае если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей. Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи.
Совет
Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета. Ниже названные уравнения приводятся для рекуперативных теплообменников.
Уравнение теплового баланса.
Изменение энтальпии теплоносителя вследствие теплообмена определяется соотношением
Здесь и в дальнейшем индекс «1» означает, что данная величина отнесена к горячей жидкости, а индекс «2» – к холодной. Обозначение (штрих) соответствует данной величине на входе в теплообменник, (два штриха) – на выходе.
Удельная теплоемкость срзависит от температуры. Поэтому в практических расчетах в уравнение подставляется среднее значение изобарной теплоемкости в интервале температур от t' до t''.
При рассмотрении теплообменных аппаратов с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей следует различать аппараты:
1) прямого тока; 2) противоточные; 3) перекрестного тока; 4) со сложным направлением движения теплоносителей (смешанного тока).
2. Криогенные машины и установки.
Назначение, устройство, основные элементы криогенных машин и установок
К криогенным машинам в настоящее время можно отнести низкотемпературные машины, которые предназначены для производства холода на температурном уровне, как правило, ниже 120 К и перекачивания криогенных жидкостей. К таким машинам следует отнести расширительные машины – детандеры, криогенные газовые машины (КГМ), работающие по различным циклам, и криогенные насосы для перекачивания криогенных жидкостей.
Детандеры- это расширительные низкотемпературные машины, служащие для производства холода путем расширения рабочего тела с понижением температуры и отдачей внешней работы (энергии).
Термин «детандер» происходит от французского слова «dе'tendre», что означает уменьшение давления, и введен выдающимся французским ученым, академиком и создателем первого в мире детандера Жаком Клодом.
Детандеры получили широкое распространение в качестве генератора холода в воздухоразделительных установках (ВРУ), в гелиевых и водородных рефрижераторных и ожижительных системах для получения жидких гелия, водорода и других низкотемпературных жидкостей. В последнее время они стали широко применяться в ожижителях природного газа.
По принципу действия детандеры представляют собой энергетические машины, в которых одновременно с производством холода вырабатывается еще и работа в виде механической и электрической энергии, которую можно использовать в качестве привода различных машин и систем.
Однако они отличаются от традиционных энергетических машин (паровых и газовых турбин, двигателей и т.п.), прежде всего температурным уровнем их работы. Если энергетические машины работают при температурах T выше температуры окружающей среды , т. е.
, то детандеры работают при температурах T ниже , т. е. . Главным назначением энергетических машин является производство работы, а главным назначением детандеров – производство холода.
Это отличие детандеров накладывает на них особые условия работы, конструктивного оформления и эксплуатации.
Криогенные газовые машины (КГМ) представляют собой низкотемпературные установки, в которых осуществляется весь обратный термодинамический цикл, предназначенный для производства холода. В КГМ одновременно сосредоточены и компрессор для сжатия газов и детандер для расширения газа, и теплообменные аппараты для передачи теплоты (холода).
Так, КГМ Стирлинга – это криогенная установка, в которой одновременно размещаются поршневой компрессор, поршневой детандер – вытеснитель, теплообменный аппарат для отвода тепла сжатия, регенеративный теплообменник и теплообменник нагрузки для отвода холода на низкотемпературном уровне. Реализация в такой криогенной машине целого цикла позволяет существенно сократить габаритные размеры и массу установки. Поэтому КГМ получили наибольшее распространение в микрокриогенной технике. Их также используют в качестве генераторов
холода в малых воздухоразделительных установках, гелиевых системах небольшой холодопроизводительности, для переконденсации паров при длительном хранении криогенных жидкостей, для ожижения воздуха и т.п.
Рис. 1. Схема криогенной установки с однократным дросселированием.
Рис. 2. Схема криогенной установки с двойным дросселированием
3.Теплопередача. Основные законы теплопередачи
Обратите внимание
Теория теплопередачи, или теплообмена, представляет собой учение о процессах распространения теплоты в пространстве с неоднородным полем температур. Существуют три основных вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов). Конвекцияосуществляется путем перемещения в пространстве неравномерно нагретых объемов среды.
При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Тепловое излучение характеризуется переносом энергии от одного тела к другому электромагнитными волнами. Часто все способы переноса теплоты осуществляются совместно.
Например, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом неизбежно соприкосновение частиц, имеющих различные температуры. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
Частным случаем конвективного теплообмена является теплоотдача – конвективный теплообмен между твердой стенкой и движущейся средой. Теплоотдача может сопровождаться тепловым излучением. В этом случае перенос теплоты осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества – массообменном, который проявляется в установлении равновесной концентрации вещества. Совместное протекание процессов теплообмена и массообменна называется тепломассообменном.
Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела.
В чистом виде явление теплопроводности наблюдается в твердых телах, неподвижных газах и жидкостях при условии невозможности возникновения в них конвективных токов. Передача теплоты теплопроводностью связана с наличием разности температур тела. Совокупность значений температур всех точек тела в данный момент времени называется температурным полем. В общем случае уравнение температурного поля имеет вид:
где t – температура тела; х, у, z – координаты точки; τ – время. Такое температурное поле называется нестационарным и отвечает неустановившемуся режиму теплопроводности. Если температура тела не изменяется с течением времени, то температурное поле называется стационарным. Тогда
Важно
Температура может быть функцией одной, двух и трех координат, соответственно температурное поле будет одно-, дву- и трехмерным. Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля:
Закон Фурье
Согласно гипотезе Фурье, количество теплоты d2Qτ, проходящее через элемент изотермической поверхности dF за промежуток времени dτ, пропорционально температурному градиенту :
Здесь множитель λ называется коэффициентом теплопроводности. Знак минус указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры. Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока:
Список использованной литературы
1.Гребер Г., Эрк С., Григулль У., Основы учения о теплообмене, пер. с нем., М.,2009 г; – 239 с.;
. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. – М.: Госэнергоиздат, 2008 г; – 418 с.;
.Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое проектирование). / Учеб. пособие для энергетических вузов и факультетов. – М.: Энергия, 2005 г;- 408 с.;
.С.С. Червяков «Основы холодильного дела», М, 2009 г; – 335 с.;
.Шорин С. Н., Теплопередача, 2 изд., М2002 г; Михеев М. А., Михеева И. М., Основы теплопередачи, 2 изд., М.,2003 г; – 456 с.;
Варианты схем движения теплоносителей в теплообменнике
Это продолжение материала о схемах движения теплоносителей в теплообменниках, а вот начало.
Перекрестный ток с противотоком. В некоторых случаях конфигурация течения теплоносителей в реальных теплообменниках приблизительно соответствует идеализированным схемам, приведенным на рис. 4. Эти схемы классифицируются как перекрестный ток с противотоком.
Теплообменники со смешанным течением теплоносителей (перекрестный ток с противотоком) можно рассматривать как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции.
Чем больше число ходов в таком теплообменнике, тем ближе ои по экономичности к противоточному варианту.
Рис. 4. Схема теплообменников со смешанным движением теплоносителей (перекрестный ток с противотоком),показаны двух-, трех- и четырехходовые теплообменники. Возможное число ходов, естественно, не ограничено.
Многоходовое течение в межтрубном пространстве и трубах. В пределах одного теплообменника можно осуществить комбинацию некоторых характерных черт, свойственных теплообменникам с однонаправленным движением теплоносителей и противоточным теплообменникам.
Это достигается поворотом труб внутри единого корпуса. Такие повороты можно осуществлять многократно.
Аналогичный эффект может быть достигнут и при наличии прямых труб, если соответствующим образом организовать коллекторы: U-образные трубы, или серпантин, обеспечивают более простую конструкцию аппарата, поскольку отверстия для прохода труб в этом случае нужно выполнять не с двух, а с одной стороны кожуха. Примеры идеализированных конфигураций этого типа показаны на рис. 5. Здесь приведены схемы с объединением нескольких кожухов. Безусловно, здесь невозможно описать все возможные варианты, с которыми можно встретиться на практике.
Рис. 5. Схема движения теплоносителей в многоходовых кожухотрубных теплообменниках
Общий случай. Все описанные выше идеализированные схемы движения теплоносителей представляют собой частные варианты общего случая многоходовых течений взаимно проникающих сплошных сред.
При этом различные потоки теплоносителей поступают в общий объем в нескольких фиксированных входных точках и покидают его в нескольких фиксированных выходных точках, разделяясь после входа в объеме теплообменника и вновь объединяясь в выходных точках. На рис 6 показана воображаемая схема движения двух теплоносителей.
Течение жидкостей в пространстве теплообменника оказывается трехмерным, при этом могут существовать зоны рециркуляции, в которых линии тока замкнуты.
Рис. 6. Общий случай взаимопроникающих сред для двух теплоносителей (твердые элементы типа труб, перегородок и т. п. не изображены)
Совет
Схемы течения при разделенном во времени теплообмене греющей и обогреваемой сред: регенераторы. Во всех приведенных выше примерах подразумевалось, что течение является стационарным и оба потока теплоносителей проходят через теплообменник одновременно.
Такого класса теплообменники называют рекуператорами. Имеются и другого класса теплообменники, именуемые регенераторами, в которых два потока теплоносителей проходят через одно и то же пространство попеременно.
В регенераторах теплота, переданная от одного из теплоносителей твердым стенкам канала, аккумулируется ими, а затем отдается второму теплоносителю, когда наступает его очередь движения через аппарат.
Регенераторы могут быть выполнены с противоточ-иым однонаправленным и перекрестным течением теплоносителей так же, как и рекуператоры. Таким образом, простейшим противоточным генератором является прямая горизонтальная труба (рис. 7).
Через трубу одни теплоноситель подается слева направо (в периоды его пропускания); через нее же протекает и вторая жидкость после окончания пропускания первой, при этом направление ее течения справа налево. Передача теплоты стенкам и, отвод теплоты от них обеспечиваются различием входных температур двух теплоносителей.
Регенераторы являются аппаратами периодического действия, поскольку они устроены так, что два потока теплоносителей сменяют друг друга регулярным и предопределенным образом. На рис. 7 показано, как с помощью поворотных клапанов на концах трубы можно надлежащим образом регулировать течение теплоносителей.
Рис. 7. Схема регенеративного теплообменника
Для того чтобы рассчитать характеристики теплообменника, необходимо задать схему движения теплоносителей в нем, установить расходы теплоносителей по выбранным направлениям и определить значения термических сопротивлений передаче теплоты от одного теплоносителя другому в каждой точке объема теплообменника.
После этого отыскание распределения температуры в отдельных потоках является чисто математической операцией. При простых схемах течений теплоносителей типа приведенных выше и при однородных по объему значениях термических сопротивлений часто удается решить уравнения, описывающие характеристики теплообменников, аналитически.
Обратите внимание
Если же схема течения является сложной или термические сопротивления изменяются от точки к точке, то соответствующие уравнения могут быть решены только численными методами. Безусловно ие просто сразу определить, какие значения термических сопротивлений могут быть приняты для условий, существующих в реальных теплообменниках.
Часто они зависят от местных значений температур теплоносителей.
Если данный материал справочника по теплообменникам не был информативен, то у Вас есть возможность воспользоваться контактной информацией и получить бесплатную консультацию у специалистов компании «Астера». Вы также можете заполнить специальную форму для расчета теплообменника онлайн специалистами компании, или подобрать теплообменник используя каталог.
Классификация теплообменников по направлению движения теплоносителей
Все теплообменники разрабатываются таким образом, чтобы максимально увеличить площадь поверхности стенки между двумя потоками, и максимально уменьшить сопротивление потоку в теплообменнике.
Для увеличения площади поверхности теплообмена в теплообменниках применяют профилирование и оребрение теплообменных поверхностей.
Это также применяется для достижения необходимого уровня турбулизации потока, что позволяет избежать образования грязевых отложений в каналах.
Однако есть зависимость эффективности теплообменника от взамного направления теплоносителей в его контурах. Существует две основные классификации теплообменников по направлению движения теплоносителей относительно друг друга.
В теплообменниках параллельного потока две жидкости входят в теплообменник с одной и той же стороны, и движутся параллельно друг другу в направлении другой стороны.
В теплообменниках противотока жидкости входят в теплообменник с противоположных концов и движутся противонаправленно. Второй вариант является более эффективным, т.к.
в этом случае возможно передать большее количество теплоты от нагретой среды.
Эта диаграмма представляет схематичное изображение процесса передачи тепла в теплообменнике с сонаправленными и противонаправленными потоками теплоносителей.
Сонаправленные потоки
В теплообменниках с сонаправленными потоками теплоносителей жидкости текут в одном и том же направлении. Как видно из диаграммы в таком теплообменнике присутствует переменный температурный градиент по всей длине теплообменника.
При равных потоках в такой схеме изменение температуры теплоносителей возможно только на 50% от разницы температур на входе, независимо от длины теплообменника.
Важно
К выходу из теплообменника будет достигнуто равновесие, величина температурного градиента приблизится к нулю и передача тепла остановится. В случае неравных потоков равновесие насупит раньше.
Противонаправленные потоки
В случае противонаправленных теплоносителей температурный градиент между двумя потоками практически постоянен по всей длине теплообменника.
При достаточном размере теплообменника и относительно небольших расходах возможен полный теплообмен между теплоносителями. Т.
е первый теплоноситель на выходе из теплообменника будет иметь ту же температуру как у второго на входе и наоборот. Однако стоит отметить, что это возможно только при равных расходах теплоносителей.
Расчет для определенных условий теплообменного аппарата
2 РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Целью выполнения расчетов является получение практических навыков по правильному использованию основных зависимостей и формул, излагаемых в разделах рабочей программы 7 Теория теплообмена, 8 Теплопроводность, 9 Теплопередача, 10 Конвективный теплообмен, 11 Теплообмен излучением.
Заданием ко второму разделу курсовой работы предполагается рассчитать для определенных условий теплообменный аппарат.
2.1 ТИПЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями.
По принципу действия теплообменники подразделяются на поверхностные, контактные и с внутренним источником теплоты (например, реакторы атомных электростанций). Поверхностные теплообменники делятся на рекуперативные и регенеративные, а контактные – на смесительные и барботажные.
В рекуперативных теплообменниках теплоносители непрерывно омывают разделяющую стенку (поверхность теплообмена) с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. В рекуперативном трубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.
В рекуперативных теплообменниках движение жидкости осуществляется по трем основным схемам или их сочетаниям.
Конструктивно рекуперативные теплообменные аппараты могут выполняться с пластинчатой и трубчатой (рис. 1 и 2) поверхностями теплообмена.
В регенеративных теплообменниках (регенераторах) одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячего теплоносителя поверхность регенератора, воспринимая теплоту от этой жидкости, нагревается, а при протекании холодного теплоносителя поверхность регенератора, отдавая аккумулированную теплоту холодному теплоносителю, охлаждается.
Совет
В смесительных теплообменниках передача теплоты от горячего к холодному теплоносителю происходит при непосредственном контакте и смешении обоих теплоносителей. Смесительный теплообменник целесообразно использовать для теплоносителей, которые либо легко разделить после смешения (например, вода и воздух), либо перемешать (например, пар и вода).
Теплообменные аппараты могут иметь самое разнообразное назначение – паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, воздухонагреватели, радиаторы и т.д.
Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам.
Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.
2.2 МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Различают конструктивный и поверочный тепловые расчеты теплообменного аппарата.
Цель конструктивного расчета состоит в определении величины поверхности теплообмена по известному количеству передаваемой теплоты и температурам теплоносителей на входе и выходе аппарата.
а бРис. 3. примеры графиков изменения температуры теплоносителей по длине прямоточного (а) и противоточного (б) теплообменников
Когда возникает необходимость работы готового теплообменника в условиях, отличных от проектных, то выполняется поверочный расчет. При этом определяются температуры теплоносителей на выходе теплообменника и количество передаваемой теплоты по известным величине поверхности теплообмена и температурам теплоносителей на входе в теплообменник.
На рис. 3 изображены примеры графиков изменения температур теплоносителей по длине прямоточного (а) и противоточного (б) теплообменников. Индексами 1 и 2 обозначены параметры соответственно горячего и холодного теплоносителей, одним ( ‘ ) и двумя ( “ ) штрихами – их температуры соответственно на входе и выходе аппарата.
2.2.1 Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата
Основными уравнениями при расчете теплообменника являются уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.
Уравнение теплового баланса [1]
, (2.1)
или
, (2.2)
где Q – полезный тепловой поток, Вт;
G1, G2 – массовый расход соответственно горячего и холодного теплоносителей, кг/с,;
– средние массовые теплоемкости теплоносителей в интервале температур от t’ до t”, Дж/(кг∙К);
η – коэффициент использования теплоты;
w – скорость теплоносителя, м/с;
f – сечение, м2;
ρ – плотность, кг/ м2;
– изменение температуры горячего и холодного теплоносителя по длине аппарата.
Уравнение теплопередачи
, (2.3)
Обратите внимание
где k и Δt – коэффициент теплопередачи, Вт/( м2∙K) и средний температурный напор для всего теплообменного аппарата, К;
F – поверхность теплообмена, м2.
При конструктивном расчете повехность теплообмена определяется из уравнения теплопередачи (2.3)
теплообменник
Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к теплоаккумулирующим регенеративным теплообменникам.
Техническим результатом является улучшение массогабаритных характеристик теплообменных устройств при одновременном увеличении их энергоемкости, упрощение конструкции, повышение уровня энергосбережения и улучшение энергетических характеристик систем, работающих в пиковых режимах включения.
Для достижения указанного результата предложен теплообменник, содержащий кожух со сквозными окнами с противоположных его сторон, фазопереходное рабочее тело и теплоноситель.
Фазопереходное рабочее тело выполнено в виде бескорпусных теплообменных элементов из формоустойчивого композиционного теплоаккумулирующего материала, закрепленных внутри кожуха с возможностью их свободного обтекания теплоносителем. Для улучшения теплопередачи в пространство между соседними теплообменными элементами устанавливаются упругие гофрированные металлические ребристые пластины. При использовании теплообменника в качестве электроотопительного прибора в его состав вводятся электрические нагреватели. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области теплотехники и теплоэнергетики, более конкретно, к теплоаккумулирующим регенеративным теплообменникам, использующим скрытую теплоту фазовых превращений рабочего тела при его переходе из твердого в жидкое состояние и обратно и теплоту нагрева рабочего тела, происходящих с небольшим изменением занимаемого объема. Устройства такого рода предназначены для применения в различных областях народного хозяйства, в том числе в теплотехнологии, быту и других с целью экономии энергоресурсов и повышения эффективности работы оборудования и теплотехнических приборов. Например, для снятия пиковых тепловых нагрузок в радиоэлектронной аппаратуре, транспортных средствах, бытовых нагревательных приборах в регионах с неравномерной подачей электроэнергии, а также в промышленности для использования аккумулированного тепла отходящих газов на заводах и фабриках с целью отопления различного рода помещений, кузовов автомобилей и др.
Известна конструкция теплообменника, описанная в книге [1] на стр.64.
Внутри напряженной конструкции чугунного сосуда для аккумулятора с горячим теплоносителем расположены многочисленные теплообменные элементы (с фазопереходным рабочим телом), а именно герметичные капсулы небольших размеров, заполненные эвтектической смесью солей – m-трифенилом.
В каждой капсуле предусмотрен свободный объем внутренней полости, заполняемый расплавленным рабочим телом при зарядке аккумулятора – котла. Теплоноситель, вода, омывает наружные поверхности герметичных капсул.
Также известна конструкция теплообменника, описанная в книге [1] на стр.180.
Важно
Это система аккумулирования на основе использования теплоты фазового перехода, представляющая собой бак со съемной крышкой, заполненный фазопереходной теплоаккумулирующей средой – гидратом соли Na2S2O3 ·5H2O или MgCl2·6H2 O (иначе – теплоаккумулирующим рабочим телом), внутри которого размещены пластиковые теплообменные элементы, представляющие собой трубки с циркулирующим теплоносителем – водой. Там же показан один из вариантов теплообменника с оребренными кольцевыми каналами с раздельными контурами зарядной и разрядной сред. Каждый теплообменный элемент состоит из внутренних и наружных трубок, тепловой контакт между которыми обеспечивается продольными ребрами из материала с хорошей теплопроводностью (алюминия). Кольцевое пространство между ребрами заполнено материалом, аккумулирующим энергию фазового перехода и нагрева расплавленной соли. В этом варианте система теплового аккумулирования работает как гибридный аккумулятор, в котором используются теплота фазового перехода и теплота нагрева рабочего тела.
Главными недостатками вышеперечисленных конструкций являются:
– ухудшение теплопередачи между рабочим телом и теплоносителем из-за наличия разделяющей стенки между ними;
– увеличение массы и размеров теплообменных элементов из-за наличия разделяющих стенок между рабочим телом и теплоносителем;
– необходимость герметизации объема с рабочим телом для исключения выливания расплавленной массы рабочего тела и связанные с этим усложнения технологии заполнения теплообменного устройства рабочим телом;
– образование газовых полостей внутри герметичных объемов теплообменных элементов и необходимость борьбы с ними.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является теплообменник, описанный на стр.179 книги [1] (рис.6.5).
В этом устройстве теплообменные элементы состоят из блока энергоаккумулирующих стержней цилиндрической формы из полиэтилена, внутри которых размещено фазопереходное рабочее тело – гидрат хлористого кальция CaCl2·6H2O.
Недостатками такого теплообменника являются все вышеперечисленные, отнесенные к аналогам изобретения.
Задачей изобретения является избавление от недостатков, включая отказ от необходимости герметизации объема с фазопереходным рабочим телом, влекущей многочисленные последствия от проведения этой процедуры, в том числе появление дополнительных паразитных тепловых сопротивлений между теплоаккумулирующим рабочим телом и циркулирующим теплоносителем, и на этой основе принципиальное улучшение массогабаритных и энергетических характеристик теплообменников и систем энергосбережения на их основе.
Техническими результатами предлагаемого изобретения являются:
– улучшение массогабаритных характеристик теплообменных устройств при одновременном увеличении их энергоемкости (теплосодержания) на единицу объема и массы устройства;
– упрощение конструкции;
– повышение уровня энергосбережений систем и улучшение энергетических характеристик систем в целом, работающих в пиковых режимах включения.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в известном теплообменнике, содержащем кожух со сквозными окнами с противоположных его сторон, фазопереходное рабочее тело и теплоноситель, фазопереходное рабочее тело выполнено в виде бескорпусных теплообменных элементов из формоустойчивого композиционного теплоаккумулирующего материала, закрепленных внутри кожуха с возможностью их свободного обтекания теплоносителем.
При этом теплообменные элементы представляют собой тела пластинчатого типа с прямолинейными или криволинейными боковыми поверхностями, теплообменник может быть снабжен теплопроводными гофрированными металлическими пластинами, размещенными в потоке теплоносителя так, чтобы они были плотно зажаты между соседними теплообменными элементами, в кожухе со стороны входного окна установлен электрический нагреватель, а внутри или снаружи теплообменных элементов размещены электрические нагреватели.
На фиг.1 показана общая схема теплообменника.
На фиг.2 изображены геометрические формы бескорпусных теплообменных элементов, где h – толщина теплообменного элемента.
Совет
На фиг.3 показан общий вид теплообменника с упругими гофрированными пластинами для улучшения теплообмена с циркулирующим через него теплоносителем.
Конструкция теплообменника (фиг.1) состоит из кожуха (1) со входом (2) и выходом (3) для теплоносителя (4), нагнетаемого извне, и бескорпусных теплообменных элементов (5), представляющих собой формоустойчивое рабочее тело.
Использование в устройстве формоустойчивого композиционного теплоаккумулирующего рабочего тела, сохраняющего свою форму при переходе из твердого в жидкое состояние и обратно, не требующего герметизации занимаемого объема, например композиции для теплоаккумулирующего материала по патенту РФ № 2105025 от 27.09.1993 г., позволило исключить из состава теплообменных элементов с фазопереходным теплоаккумулирующим рабочим телом разделительные стенки между теплоносителем и названным теплоаккумулирующим материалом. Именно отсутствие упомянутой разделительной стенки, герметизирующей объем рабочего тела, и позволило назвать теплообменные элементы бескорпусными, не требующими герметизации рабочего тела. При этом существенно улучшаются массогабаритные и энергетические характеристики теплообменных устройств и энергосберегающих систем в целом.
Как правило, формоустойчивые фазопереходные композиционные теплоаккумулирующие материалы обладают малой теплопроводностью (обычно до
