Системы отопления, вентиляции и кондиционирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

1. Механизм теплопередачи через стенку

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования наиболее часто встречающийся случай теплообмена - это передача теплоты от греющей жидкости, нагреваемой среде (воздух, жидкость) через разделительную стенку. В этом случае вначале происходит теплоотдача от греющей жидкости со средней температурой t1 стенке с температурой tcl. Далее теплота передается в результате теплопроводности стенки ее противоположной поверхности с температурой tcll и, наконец, эта поверхность стенки отдает теплоту нагреваемой среде со средней температурой t2.

Для характеристики процесса распространения теплоты вводят понятие о тепловом потоке. Тепловой поток Q - это количество теплоты W, Дж, проходящей за время т, с, через данную поверхность в направлении нормали к ней

Тепловой поток измеряют в ваттах (Вт).

Если количество переданной теплоты W отнести к площади поверхности F и времени т, то получим величину

которую называют плотностью теплового потока, или удельным тепловым потоком, и измеряют в Вт/м2

где б1 - коэффициент теплоотдачи от греющей жидкости левой поверхности стенки; д - толщина стенки; л - коэффициент теплопроводности разделительной стенки; б2 - коэффициент теплоотдачи от правой поверхности стенки, нагреваемой среде.

Если дробь

обозначить буквой k, то формула для подсчета количества теплоты, передаваемой через площадь F за время ф, примет следующий вид

Величину k называют коэффициентом теплопередачи [измеряется в Вт/(м2·К)], а обратную ему величину - полным термическим сопротивлением теплопередачи R0 = 1/k = 1/б1 + д/л + 1/б2.

2. Распределенная система теплопередачи

Математическая модель

Внешний вид и обобщенные технологические параметры моделируемого ТА представлены на рис.1.

Рис. 1. Внешний вид теплообменника <труба в трубе>

Процесс теплообмена в ТА представляет собой взаимосвязанную иерархическую совокупность элементарных процессов теплопроводности, конвекции и излучения.

Интенсивность переноса тепла посредством теплопроводности определяется коэффициентом теплопроводности и температурным градиентом, а конвективного теплообмена - коэффициентом теплоотдачи. Процессы конвективного теплообмена неразрывно связаны с условиями движения среды - режимами течения. При ламинарном режиме течения перенос теплоты в направлении нормали к стенке ТА осуществляется в основном вследствие теплопроводности, а при турбулентном режиме течения происходит интенсивное перемешивание частиц среды.

При построении математической модели ТА примем, что:

- структура потоков теплоносителей соответствует модели идеального вытеснения, в основе которой лежит допущение о поршневом течении без перемешивания вдоль потока при равномерном распределении вещества в направлении, перпендикулярном движению;

- теплоносители движутся в теплообменнике в режиме противотока;

- их движение не сопровождается фазовыми переходами;

- в межтрубном пространстве движется холодный теплоноситель, во внутренней трубе - горячий;

- теплофизические свойства берутся при средних температурах теплоносителей.

Целевая функция включает капитальные и эксплуатационные затраты и имеет следующий вид

где - нормативный срок окупаемости капитальных затрат в ТА; - капитальные затраты; - эксплуатационные затраты.

Капитальные вложения в ТА включают стоимости теплоносителей, теплообменника и его монтажа, а также нагнетательного оборудования и его монтажа. При этом в стоимость теплообменника входит стоимость сырья, основных и вспомогательных материалов, энергетических средств, заработная плата рабочим и другие расходы. Стоимость сырья определяется объемом использованного материала , его плотностью и стоимостью одного килограмма металла .

где - объем труб; - длина труб; - площадь поперечного сечения трубы.

В состав эксплуатационных затрат входят затраты на прокачку теплоносителей, на текущий ремонт оборудования, зарплата обслуживающего персонала, косвенные накладные расходы.

где - суммарная мощность нагнетателей; - стоимость энергии на привод вспомогательного оборудования; - число часов оборудования в году [1].

Мощность насосов на прокачку теплоносителей определяется исходя из соотношений

где - массовый расход теплоносителя; - полное сопротивление при движении теплоносителя через теплообменник; - коэффициент гидравлического сопротивления; - эффективный диаметр; - скорость течения; - плотность теплоносителя.

Рассмотрим процесс теплопередачи в ТА. Количество теплоты , переносимое через элементарную площадь поверхности ТА , составляет

где - коэффициент теплопроводности; - среднелогарифмический температурный напор.

При сделанных допущениях уравнение теплового баланса для ТА будет иметь вид

где и - массовые расходы теплоносителей для первой и второй сторон теплообменника, соответственно; , , и - начальные и конечные значения температур теплоносителей для первой и второй сторон теплообменника, соответственно; и значения удельной теплоемкости теплоносителей для первой и второй сторон теплообменника, соответственно.

Уравнение теплопередачи

где и - коэффициент теплоотдачи со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей, соответственно; - коэффициент теплопроводности материала труб; - наружный диаметр теплопередающей трубы; - внутренний диаметр теплопередающей трубы.

где распределение конечных температур принято согласно уравнению теплового баланса (7).

- поверхность теплообмена; - диаметр поверхности теплопередачи; - длина труб теплообменника.

Для тонкой цилиндрической стенки расчетное значение диаметра поверхности теплопередачи составляет

где - внутренний диаметр теплопередающей трубы; - толщина внутренней трубы.

Коэффициент теплоотдачи для теплоносителей, движущихся в трубах, находят по формулам

- для турбулентного режима (>10000)

- для переходного режима (2300<<10000)

- для ламинарного режима (>2300)

где , , - безразмерные числа Рейнольдса, Прандтля и Грасгофа; - коэффициент, учитывающий изменение коэффициента теплоотдачи вдоль длины трубы (если , то = 1); - массовый расход теплоносителя; - коэффициент динамической вязкости; - ускорение силы тяжести; - коэффициент объемного расширения; - плотность; - коэффициент теплопроводности материала труб; - удельная теплоемкость теплоносителя.

Затраты мощности на прокачку определяются по соотношению

где - эквивалентный диаметр кольцевого канала; - поперечное сечение кольцевого канала; - смоченный периметр; , - расходы теплоносителей в трубе и межтрубном пространстве ТА, соответственно, при скоростях теплоносителей , ; - внутренний диаметр внешней трубы.

Коэффициенты сопротивления трения в трубе и кольцевом канале рассчитываются по формулам:

для турбулентного режима (>10000)

для ламинарного режима (<2300)

- для круглой трубы

- для кольцевого канала;

для переходного режима (2300<<10000)

где - коэффициент перемежаемости.

3. Дросселирование

Уравнение процесса дросселирования. Дросселирование идеального газа.

Дросселирование - падение давления потока жидкости или реального газа и пара впроцессе протекания сквозь местное резкое сужением в канале (РСК).

РСК - нРазмещено на http://www.allbest.ru/азывают дросселем.

Что значит резкое ? Несколько формулировок.

Во всех случаях, когда в потоке есть местное сопротивление движению газа или жидкости давление в потоке за сопротивлением меньше, чем до него.

Наличие падения давления сначала было установлено опытным путем. Потом обосновано теретически. В ТД - все основные факты, включая 1-й и 2-й законы были установлены сначала опытным путем.

Рассмотрим поток в трубе с диафрагмой (дросселем)

Модель:

-Сечение 1 и 2 трубы до и после Д одинаково-скорости тоже одинаковы w = w1 = w2

-процесс - адиабатный

Тогда общее ур-е 1-го з-на ТД для потока, а оно справедливо для любого потока (в том числе и для потока с трением):

dq = dh + wdw + dl' + gdz + dl'' или для 2-х

q12 - (h2 - h1 ) + (1/2)(w22 - w12 ) + l' + g(z2 - z1 ) + l''

превращается при заданных условиях 1-го и 2-го сечения в очень простое, но важное, мы его уже писали когда разбирали течение в суживающем сопле (но там скорость менялась)

h1 + w2 = h2 + w2 или h1 = h2 ,

Что показывает постоянство энтальпии - и обратимого и необратимого горизонтального адиабатного потока малой скорости, не совершающего технической работы.

Для нащего случая дросселирования правильнее писать

h1 = ... = h2

где многоточие отражает, что у нас есть диафрагма

Что происходит в области диафрагмы ?

Из-за сужения (уменьшения сечения):

- w - растет, - кинетическая энергия растет, энтальпия падает а поскольку общее ур-е 1-го з-на ТД

dq = dh - v dp при dq = 0 пишется как dh = v dp

- давление падает - дросселирование !

После диафрагмы поток завихряется, кинетическая энергия затрачивается на работу против сил трения слоев жидкости между собой, при этом выделяется тепло, оно целиком (т.к. процесс адиабатный) воспринимается потоком, его энтальпия возрастает, скорость потока падает.

Значения их во 2-м сечении становятся такими же какими были в 1-м сечении.

Отсюда неизменность энтальпии в потоке в процессе дросселирования.

В Кириллине есть еще два обьяснения процесса дросселирования hs - диаграмма

hs - диаграмма при дросселировании через пористую пробку

Явление, естественно, проявляется не только в падении давления, но и в изменении других ТД-параметров рассмотрим это.

Процесс дросселирования процесс необратимый. Значит энтропия возрастает.

Применим дифференциальные ур-я ТД. Но сделаем одно важное замечание. ДУ - прменимы только для обратимых процессов. Как быть - подход общий для ТД:

Поскольку s - ф-я состояния, надо подобрать схему обратимого процесса, переводящего РТ из того же 1-го сост. до дросселирования во 2-е - после дросселя.

Изменение s подсчитаем для этого процесса, но поскольку s - ф-я состояния, изменение s в нем отразит то изменение, какое было в процессе дросселирования.

У нас в процессе дросселирования энтальпия 1-го сост. равна энтальпии 2-го. Поэтому примером такого обратимого процесса может быть обратимый процесс расширения c подводом тепла (в нем энтальпия сохраняется)

Тогда

Из 1-го з-на ТД: dh = T ds + v dp (T ds = du + p dv)

Видно, что энтропия возрастает

Дроссель - это устройство, служащее для изменения температуры, а также сухости и влажности.

Дросселирование водяного пара.

теплопередача теплоноситель дросселирование

HS - диаграмма.

Двухфазная смесь при прохождении через дроссель всегда охлаждается. Суть дроссель - эффекта заключается в следующем:

h1 = h2 , тогда U1 + P1V1 = U2 + P2V2

Температура растет, когда U2 > U1, а падает ,когда U2 < U1. Это зависит от соотношений P2V2 и P1V1. При дросселировании всегда P2 < P1. Результат зависит от природы связи частиц рабочего тела. Знак диференциального дроссель-эффекта зависит от изменения параметров межмолекулярных сил.

4. Конденсирование

Конденсацией называется процесс перехода пара или газа в жидкое состояние, проводимый путем охлаждения пара или сжатия и охлаждения одновременно.

Конденсация хладагента -- сжижение газообразного хладагента в конденсаторе, переход хладагента из газообразного состояния в жидкое. При резкой смене температурного режима хладагент, расположенный в конденсаторе, неизбежно переходит из газообразного состояния в жидкое. При конденсации хладагента выделяется тепло. При этом конденсатор нагревается и нуждается в скорейшем охлаждении для обеспечения дальнейшей стабильной и бесперебойной работы холодильного агрегата.

Тепло от продуктов конденсируется из воздуха и оседает на стенках холодильной камеры в виде капель. Стенка холодильника, за которой располагается конденсатор, является наиболее холодной.

5. Испарение

Процесс дросселирования жидкого холодильного агента сопровождается изменением его агрегатного состояния - часть жидкости превращается в насыщенный пар, охлаждая при этом остальную часть жидкого холодильного агента до температуры кипения.

Поэтому из регулирующего вентиля выходит смесь жидкости и насыщенного пара, называемая влажным паром. Относительное содержание пара в этой смеси 10-20% по массе или до 90-95% по объему.

Значение энтальпии холодильного агента на входе в регулирующий вентиль и на выходе из него практически совпадают. Поэтому можно считать, что энтальпия поступающего в испаритель влажного пара равна энтальпии жидкого холодильного агента на выходе из конденсатора (для рассмотренной схемы холодильной машины).

Влажный пар, поступающий в испаритель, разделяется на жидкую и газообразную фазы: жидкость остается в испарителе и участвует в процессе кипения при постоянном, давлении р0; пары, поступившие из регулирующего вентиля и образовавшиеся при кипении, отсасываются компрессором.

В малых холодильных, машинах наблюдается нагревание паров в испарителе на 5-7° С выше температуры кипения. Этот процесс протекает также при постоянном давлении р0 и называется перегревом паров.

Тепло, подводимое в испарителе к 1 кг циркулирующего холодильного агента, и составляет удельную массовую холодопроизводительность д0, которая может быть вычислена как разность энтальпий на выходе из испарителя и входе в него.

Температура и давление кипения зависят от требуемой температуры охлаждения, свойств холодильного агента, величины теплопередающей поверхности испарителя и интенсивности теплообмена. Как правило, температура кипения на 5-15° С ниже требуемой температуры охлаждаемой среды.

При непрерывной работе холодильной машины в установившемся тепловом режиме, в котором температура и давление не изменяются со временем, количество энергии, подведенной к холодильному агенту в испарителе (в процессах кипения и перегрева) и в компрессоре (в процессах сжатия) 4м. равно энергии, отведенной от холодильного агента в окружающую среду в конденсаторе.

Для температуры кипения - 15° С и температуры конденсации 30° С холодильный коэффициент аммиачных и фреоновых циклов достигает довольно высоких значений (до 5). Это означает, что на 1 Дж энергии, затраченной в компрессоре, от охлаждаемого тела отводится 5 Дж тепла, причем, в окружающую среду рассеивается 6 Дж тепла.

6. Компрессор

Сжатие происходит по следующему циклу

Когда поршень начинает перемещение из верхней мёртвой точки - давление в цилиндре снижается ниже давления всасывания . Впускной клапан открывается, и воздух из всасывающей области, поступает в цилиндр.

Поршень проходит нижнюю точку и начинает перемещаться вверх, давление в цилиндре начинает расти. Как только оно превысит давление всасывания, впускной клапан закрывается.

Давление продолжает расти до тех пор, пока не превысит давления нагнетания. Выпускной клапан открывается, и сжатый воздух поступает в линию нагнетания вплоть до достижения поршнем верхней мёртвой точки. давление в цилиндре очень быстро понижается, и выпускной клапан закрывается.

Повышение температуры при сжатии

Повышение температуры связано с повышением давления; это может быть выражено при помощи следующего равенства:

где К = 1,38?1,4

Для маслозаполненных воздушных компрессоров максимально допустимое повышение давления в ступени сжатия ограничивается максимально допустимым значением температуры сжатого воздуха на выходе из компрессора. Верхний предел температур, в зависимости от режима работы составляет от 160 до 220?С. В результате этих ограничений верхнего предела температуры, возможно определение необходимого числа ступеней сжатия для достижения необходимого конечного давления сжатия (см. табл. 1).

Табл. 1: Число ступеней сжатия в зависимости от рабочего давления

Воздух, нагреваемый в процессе сжатия, охлаждается в охладителях, в которые он поступает после каждой ступени сжатия. В силу физических факторов, часть энергии привода, необходимой для работы компрессора, преобразуется в тепло, которое должно быть удалено. В поршневых компрессорах эту функцию выполняет воздушное или водяное охлаждение. Вследствие простоты конструкции поршневые компрессоры с воздушным охлаждением являются наиболее распространённым типом.

Размещено на Allbest.ru