(495) 984-74-92
(495) 226-51-87
[email protected]
WhatsApp
Главная
Пластинчатые теплообменники
Термические и гидравлические характеристики ПТО

Термические и гидравлические характеристики ПТО

Цель изучения

Чтобы понимать, каким образом можно модифицировать ПТО для оптимизации производительности при заданных условиях, важно знать его термические и гидравлические свойства. Очевидно, нет смысла обеспечивать более высокий перепад давлений в ПТО, если нельзя этим воспользоваться, т.е. если нельзя уменьшить размеры ПТО или увеличить его производительность. Прекрасный способ наглядно показать свойства ПТО заключается в изучении зависимости общей площади поверхности теплообмена от расхода жидкости. Расход жидкости будем изменять от нуля до бесконечности, как показано ниже в примере.

Тепловая нагрузка

Конкретные значения тепловой нагрузки, запаса площади поверхности теплообмена или перепада давлений не имеют большого значения, однако, рассуждения легче проводить с реальными числами, чем с абстрактными символами. Хотя здесь говорится о теплопередаче в системе «вода — вода», те же рассуждения справедливы для конденсатора, испарителя, для системы с гликолем и т.д.

Оптимально спроектированный ПТО

Это означает следующее:
  • Запас площади поверхности теплообмена, М, точно равен заданному значению 5%. Другими словами, фактическая площадь поверхности теплообмена на 5% больше расчетного значения.
  • Перепад давлений должен быть полностью использован, т.е. равен заданному значению 45 кПа.
Ниже мы увидим, можно ли выполнить эти требования, и каким образом. Такой теплообменник будет лучшим для заданных условий. Однако сами условия могут оказаться не оптимальными для установки в целом. Далее мы узнаем, как оптимизировать подобные условия.

Изменение расхода воды

Теперь выясним, как изменяется общая площадь поверхности теплообмена при изменении расхода воды, Х, от нуля до бесконечности. Мы рассмотрим эту зависимость при двух условиях — при постоянном перепаде давления или при постоянном запасе площади поверхности теплообмена.

Перепад давлений

Перепад давлений не должен превышать 45 кПа при изменении расхода воды от нуля до бесконечности. Какие-либо требования к значению теплопередачи отсутствуют. Обратимся к рисунку 1. Зависимость очень простая. Если расход воды равен нулю, то число пластин — и площадь — равны нулю. Если расход увеличивается, необходимо добавлять новые пластины, точнее — новые каналы. Вначале площадь приблизительно линейно зависит от расхода. Приблизительно, поскольку увеличение поверхности происходит, конечно же, дискретно, по одному каналу за один шаг. График должен быть ступенчатой линией, но здесь для простоты картины будем считать эту линию непрерывной.

По мере возрастания расхода появляется новый эффект: падение давления в соединительных элементах. В результате этого эффекта уменьшается перепад давлений, приходящийся на каналы теплообменника. В соответствии с этим уменьшением потребуется пропорционально увеличивать число каналов. Кривая отклоняется вверх от прямой линии. При некотором значении расхода воды весь имеющийся перепад давлений будет теряться в соединительных элементах, и ничего не останется на каналы. Другими словами, потребуется бесконечное число каналов, чтобы пропустить этот расход воды. На графике это выражается в появлении вертикальной асимптоты.

Однако задолго до того как это произойдет, скорее всего, будет добавлен второй теплообменник. Добавление второго аппарата снизит потери давления в соединительных элементах, значит, большая часть перепада давления останется на каналы. Число каналов при этом скачкообразно уменьшится, как показано на рис. 2.

Будем увеличивать теперь расход дальше и добавим третий пТо, при этом снова скачком уменьшится число каналов. Так будет повторяться в четвертый, пятый… раз. Кривая постепенно становится все более гладкой, приближаясь к прямой линии по мере увеличения расхода и добавления блоков. Внимание! Охлаждаемая сторона теплообменника преднамеренно не рассматривается на этом этапе. Мы вернемся к этому позже.

Запас площади поверхности теплообмена

Запас должен быть не меньше 5%. Какие-либо ограничения на перепад давления отсутствуют. Обратимся к рис. 3. Нам удобнее будет начать рассмотрение с бесконечного расхода воды, а затем его уменьшать. Внимание! В предыдущем обсуждении мы добавляли каналы для поддержания определенного перепада давлений. Здесь мы должны увеличивать площадь поверхности теплообмена, чтобы обеспечить требуемую тепловую нагрузку.

В случае бесконечного расхода температура воды на выходе равна температуре на входе, т.е. средняя разность температур (СРТ) максимальна. Это соответствует малой площади поверхности теплопередачи, большой скорости воды в каналах и высокому коэффициенту теплопередачи К. Уменьшение расхода воды сопровождается двумя эффектами, каждый из которых приводит к увеличению площади:

  • СРТ уменьшается, сначала медленно, затем быстрее.
  • Расход воды через каждый канал уменьшается, а значит, уменьшается и коэффициент К.
Очевидно, существует минимально возможное значение расхода воды. При еще меньшем расходе воды температура воды на выходе была бы выше входной температуры на охлаждаемой стороне теплообменника. Чему же равно это минимальное значение?

В бесконечно большом теплообменнике вода нагрелась бы до 12°С, т.е. температура воды возросла бы на 10 К. Это соответствует расходу воды

Х = 156,2/(4,186 x 10) = 3,73 кг/с.

В том случае, когда поддерживался постоянный перепад давлений, мы могли уменьшать площадь за счет добавления новых блоков. Можем ли мы сделать что-нибудь подобное сейчас? Главная причина, вынуждающая увеличивать поверхность теплообмена, заключается в падении СРТ. Мы не имеем возможности увеличить СРТ при заданных расходах и температурах. Напротив, теплообменник может ухудшить СРТ по сравнению с режимом противотока, даже если ПТО хорошо спроектирован в этом отношении.

Однако другая причина, вынуждающая увеличивать площадь,— снижение коэффициента К из-за уменьшения скорости потока в каналах. Разделим необходимую площадь поверхности теплообмена между двумя аппаратами и соединим их последовательно. Скорость потока в каналах удвоится, что увеличит значение К и позволит уменьшить площадь. Для еще меньших расходов площадь может быть поделена между тремя, четырьмя…последовательными аппаратами. Это несколько замедлит рост площади, но с приближением разности температур к нулю площадь стремится к бесконечности.

Термические и гидравлические характеристики ПТО

Термические и гидравлические характеристики ПТО

 

"Добавить комментарий"


"Обновить"

<< Оптимизация оборудования   Полный тепловой и гидравлический расчет >>

 

Menu