Теплоэнергетические параметры и оптимальные размеры теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теплоэнергетические параметры и оптимальные размеры теплообменного аппарата

 Оптимизация теплообменного аппарата - многоэтапный процесс. Оптимизируемые параметры, методы достижения оптимума, способы реализации оптимальных параметров различны на каждом этапе.

Начальные этапы оптимизации осуществляются при тепловом и гидравлическом расчетах, когда выбираются параметры поверхностей теплообмена и в основном определяется конструкция теплообменного аппарата. Обычно минимизируются капитальные затраты и затраты на эксплуатацию аппарата. Целевой функцией являются суммарные затраты энергии на перемещение теплоносителей в аппарате заданного объема или масса (объем) матрицы теплообменника при заданных суммарных энергетических затратах.

Заключительные этапы оптимизации осуществляются на уровне установки, в которую теплообменный аппарат входит как составная часть. Критерий оптимальности зависит от назначения установки. Определяются оптимальный режим работы теплообменного аппарата при изменяющихся параметрах установки и окружающей среды, способы и средства регулирования теплообменника.

В установке, состоящей из многих разнородных элементов, роль теплообменных аппаратов может быть невысокой, но многоэтапная оптимизация теплообменника обязательна: эффективность установки определяется качеством каждого элемента, входящего в нее.

Оптимизация, проводимая на высоком уровне, не меняет результаты, полученные на предыдущих этапах, но увеличивает число и жесткость требований к конструкции и режимам работы теплообменного аппарата.

В статье рассматривается метод оптимизации размеров теплообменного аппарата при условии, что тип поверхностей теплообмена в нем выбран, известны тепловая мощность аппарата, расходы теплоносителей и их температуры на входе в теплообменник.

При использовании метода «» [1, 2] для решения поставленной задачи исходными являются уравнение теплопередачи

,

теплообмен аппарат мощность

,

где - теплоотвод в теплообменнике; - коэффициент эффективности теплообменника; - наименьшая из величин теплоемкостей потоков теплоносителей (произведение массового расхода теплоносителя и его удельной теплоемкости ); - максимальная разность температур теплоносителей в теплообменнике; - суммарная мощность, расходуемая на перемещение теплоносителей; - плотность и средняя теплоемкость теплоносителя; - потери давления в каналах теплообменника; - теплоемкость потока теплоносителя.

В общем виде коэффициент эффективности теплообменника может быть представлен следующим образом:

.

Здесь - число единиц переноса тепла; - коэффициент теплопередачи; - площадь несущей (гладкой) поверхности теплообмена.

Без учета термического сопротивления стенки, разделяющей теплоносители, величина

,

где , - площади поверхностей теплообмена; , - коэффициенты теплоотдачи в теплообменнике, приведенные к соответствующим площадям поверхностей теплообмена; , - коэффициенты компактности поверхностей теплообмена; ; - объем матрицы теплообменника.

, или ;

, или .

Здесь , - массовые скорости теплоносителей перед фронтом теплообменника; , - длины матрицы теплообменника по ходу теплоносителей; - коэффициенты пропорциональности.

Тогда .

При заданных тепловой мощности и расходах теплоносителей, выбранных типе теплообменного аппарата и параметрах поверхностей теплообмена размеры, объем матрицы и масса теплообменника зависят от мощности, расходуемой на перемещение теплоносителей.

, или ;

, или ,

где , - коэффициенты пропорциональности.

Суммарная мощность, расходуемая в теплообменнике, будет равна сумме мощностей и , необходимых для перемещения обоих теплоносителей в каналах теплообменника: .

, и ;

, и .

Величина . (2)

При проектировании теплообменного аппарата первоначально устанавливается приемлемый диапазон изменения его основных теплогидродинамических характеристик по обеим сторонам поверхности теплообмена. Одной из таких характеристик, которая во многом определяет величину расходов на изготовление и эксплуатацию теплообменника, является отношение мощности, расходуемой в теплообменнике, к объему его матрицы.

Уравнение, связывающее объем матрицы теплообменного аппарата с отношением , может быть получено из зависимости (1) после использования в ней выражения (2):

.

Уравнение (3) позволяет определить оптимальные геометрические размеры теплообменника, соотношения этих размеров, обеспечивающие требуемые значения гидродинамического сопротивления и суммарной мощности, расходуемой в теплообменнике. С помощью этого уравнения можно оценить влияние геометрических, тепловых и гидродинамических характеристик поверхности теплообмена, температур и расходов теплоносителей на размеры теплообменника и суммарную мощность.

В качестве примера на рис. 1 и 2 представлены результаты расчета регенератора, выполненного из пластинчато-ребристой поверхности теплообмена ПлР-1 [4].

Параметры теплоносителей: температура продуктов горения на входе в теплообменник =464 ^оС, охлаждение продуктов горения в теплообменнике =228 ^оС, температура на входе в теплообменник =30 ^оС, расход продуктов горения =24,7 кг/с, отношение =0,875.

Минимальная и близкие к ней величины объема матрицы теплообменника определяют диапазон рациональных значений мощностей и , расходуемых на перемещение теплоносителей, гидродинамических сопротивлений и , а также линейных размеров матрицы теплообменного аппарата.

После определения объема матрицы и соответствующих ему значений и могут быть найдены линейные размеры:

.

С увеличением суммарной мощности диапазон значений и , при которых достигаются близкие к минимальному значения объема , расширяется.

Список литературы

1. Кейс, В.М. Компактные теплообменники: [пер. с англ.]/ В.М. Кейс, А.Л. Лондон.-М.: Энергия, 1967. - 224 с.

2. Справочник по теплообменникам: [пер. с англ.] в 2 т. /под ред. Б.С. Петухова [и др.].-М.: Энергоатомиздат, 1987.-Т.1. - 560 с.

3. Кондаков, С.А. Определение затрат мощности и оптимальных размеров охладителя газа/ С.А. Кондаков, В.Г. Герке, В.Н. Соченов // Физические процессы и явления, происходящие в теплоэнергетических установках: сб. науч. тр. - Брянск: БГТУ, 1997. - С. 41-47.

4. Иванов, В.Л. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: учеб. для вузов/ В.Л. Иванов [и др.]; под ред. А.И. Леонтьева. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 591 с.