Теоретичні основи теплотехніки (стр. 24 из 35)

Теплопередача через ребристу стінку.

в) інтенсифікація теплопередачі можлива за рахунок збільшення &.І. Це можна досягнути змінюючи температуру теплоносія, або схему руху.

24.4 Принцип розрахунку теплообмінних апаратів

По принципу дії всі теплообмінники можуть бути розділені на три групи: рекуперативні,регенеративні і змішувальні.

В рекуперативних теплообмінниках теплообмін здійснюється через розділ яючи п ер егор одку.

В регенеративних теплообмінниках передача теплоти здійснюєть ся почерговим омиванням поверхні гарячимі холодним тепло носієм.

В теплообмінниках змопування теплообмін здійснюється безпосереднім змішуванням гарячого і холодного теплоносія.

Зупинимося на розрахунку рекуперативних теплообмінників, які найчастіше зустрічаються в техніц. При розрахунку теплообмінників можуть зустрітися наступні задачі:

-визначення поверхні нагріву F, яка забезпечує передачу заданої кількості теплоти;

-визначення кількості теплоти Q яке може бути передане при відомій

поверхні F

- визначення кінцевих температур теплоносіїв при відомих значеннях F і Q

Основними розрахунковими рівняннями для рішення поставлеіих задач є

рівняння теплопередачі:

Q=k∙F∙Дtсер (24.12)

і рівнданя теплового балансу:

Q=G1c1(t’1-t’’1)= G2c2(t’2-t’’2)

Де G1 і G1 -витати гарячогоі холодного теплоносіїв;

c1 і с2 -відповідно теплоємності теплоносіїв;

tr1, і ts1, а також tr2, і ts2- початкова і кінцева температура гарячого і холоди ого теплоносіїв.

Оскільки температури гарячого і холодного теплоносіїв змінюється, то відповідно змінюється різниця температур. Тому в формулі (24.12) використовують ∆Дсер- середню різницю температур. Середня різниця температур залежить від схеми руху теплоносіїв.

.Якщо робочі середовища рухаються вздовж поверхні нагріву в одному напрямі такий потік руху рідин називається прямотечійним, зустрічний паралельний рух рідин називається протигоком. Якщо в різних поверхнях нагріву є обидва вигадки руху, такий рух називається змішаним і якщо обидва теплоносії рухаються в взаємно перпендикулярних площинах, такий рух називається перехресним

Рис. 24.4.1. Схема руху рідин в теплообмінниках. а) прямотечійний; б) протитечійнщ в) змішаний; г,д) перехресний: 1 - гарячий теплоносій; 2 -холодний теплоносій.

Середній температурний напір. Розглянемо теплообмінний апарат, який працює за схемою прямотоку.

Нехай в довільному перерізі температури теплоносіїв tr, і ts Температурний напір:

t’-t’=τ (24.13)

δQ=m1cp1∙dt’= m2cp2∙dt’

або

;

Продиференціюємо рівняння (24.13), підставивши в нього значення dtr I dts

Позначимо:

Тоді:

Підставивши значення δQ із (24.15) в рівняння (24.14), одержимо:

або

Інтегруємо рівняння в межах від t’1- t’2 =τ1 до t’’1- t’’2 =τ2 і від 0 до А знаходимо:

;

Звідки:

(24.16)

Проінтегруємо рівняння (24.15):

Q=( τ1-τ2)n

і підставимо в нього значенняп з рівняння (24.16):

де τ1=t’1- t’2 =Дmax - максимальний перепад температур для даного теплообмінника.

τ2 =t’’1- t’’2 =Дmin - мінімальний перепад температур.

Середній температурний напір можна записати та

(24.17)

Аналогічну формулу можна одержати якщо розглядати протитечійну схему руху.

При

Дtcp можна визначити за формулою:

(24.18)

25. Методи термодинамічного аналізу енерго-технологічних систем (ЕТС)

Енергетичний метод. Найпростішим методом термодинамічного аналізу ЕТС є енергетичний метод, оснований на першому законі термодинаміки. Цей метод дозволяє оцінити втрати енергії в технологічній системі і її окремих елементах, а також виявити участки, де втрати теплоти максимальні.

Суттєвим недоліком енергетичного методі є те, що він не враховує цінність різного виду енергії, її придатність. Тому більш широке поширення отримали ентропійнийі ексергетичний методи аналізу.

Ектроггійний метод термодинамічного аналізу оснований на першому і другому законі термодинаміки.

Дня термодинамічної оцінки ефективності системи (установки) необхідно відповісти на чотири запитання:

який ККД оборотного циклу, від яких факторів він залежить і що необхідно дляйого збільшення;

як розприділяються втрати по окремих елементах установки.

на удосконалення якої частини установки необхідно звернути увагу з метою зменшення ступ єн я необоротності.

У відповідності з щми задачами термодинамічний аналіз установки проводиться в два етапи: спочатку аналізується оборотний цикл, а потім необоротний.

ККД оборотного циклу:

Для того, щоб оцінити, наскільки даний дійсний (необоротний) цикл менш досконалій, чим теоретичний, вводять поняття відносного внутрішнього ККД циклу як відношення:

Ефективність реальної установки в цілому характеризується ефективним ККД ηв який представляє собою відношення кількості енергії (в формі теплоти або роботи), відданої зовнішньому споживачу до кількості енергії (в формі теплоти абороботи), підведеної доустановки.

В термодинамічній системі, яка складається з багатьох елементів необхідно враховувати ККД кожного елементу ηв,j

Перемноживши між собою всі ефективні ККД елементів системи на абсолютній внутрішній ККД циклу, одержимо ефективний абсолютний ККД для всієї системи.

де

- добуток величин ефективних ККД які характеризують необоротні втрати в всіхп елементах системи.

ККД показує, яка доля виділеної в системі теплоти перетворюється в корисну роботу, віддану зовнішньому споживачу.

lпов=ηвq1

Очевидно, що втрати теплоти ∆q = (1-ηс) q1 представляють собою долю теплоти q1, яка не перетворилася в роботу і включає теплоту q2 передану холодному джерелу і втрати теплоти ∆qвт , обумовлені необоротністю процесів в окремих елементах установки в результаті тертя і кінцевої різниці температур, втратами в навколишнє середовище.

Очевидно:

∆qвт=lц-lпов

де lц - робота, яка виконується в оборотньому циклі.

Рис 25.2 Діаграма Грасмана- Шагурта компресійної теплонасосної установки.

В відкритих системах ексергія речовини рівна нулю, в закритих системах, коли відсутній обмінречовиничерез межі системи, рівні нулю ексергії потоку речовини і нульова ексергія.

В хімічних реакторах періодичної дії нугтьова ексергія при хімічних перетвореннях є основною.

Ексергетичний коефіцієнт корисної дії для малих машині апаратів:

Діаграма Грассмана - Шаргута. Для аналізу термодинамічних циклів, роботи машин і апаратів використовується діаграма Гзассмана-Шаргута.

Націй діаграмі кожний потік ексергії позичається полосою, ширина якої пропорційна значенню ексергії.

На рис 25.1 і 25.2 представлена схема і відповідно діаграма Цїассмана-Шаргута компресорної теппонасосної установки

В компресорі П проходить стиснення парів низькокиплячого теплоносія, телячого він поступає в конденсаторІІІ. Тут пари теплоносія охолоджуються і конденсуються при високому тиску, при цьому виділяється кількість теплоти Q", яка далі використовується для нагріву. Із апарату Ш конденсат поступає в дросель IV, де в результаті дроселювання його температурапоннжується Ддлі охолоджений конденсат поступає в випарник V, де з а рахунок теплоти Q’< Q" яка підводиться з навколишнього середовища він повністю випарюється Утворєні в випарнику пари теплоносія поступають в компресор II

На діаграмі величина втрати ексергії в кожному елементі установки відповідає зменшенню полоси ексергії і умовно позначається заштрихованим трикутником. На вході ексергія рівна ексергії електродвигуна. В елементі І проходять втрати ексергії, пов'язані з втратами в приводі. Дані по ходу відмічені втрати ексергії в окремих елементах. Втрати ексергії мають різну природу і можуть бути пов"язані із кінцевою різницею температур, із теплообміном з навколишнім середовищем, теплопровідністю, тертям в деталях і вузлах машин і тд. Діаграма дозволяє встановити де спостерігаються максимальні втрати ексергії і розробити заходило їх зниженню.