Метод эксергетического анализа теплообменника с накатанными трубами



Изложены теоретические положения, касающиеся понятий эксергии и их определения для термодинамических систем, а также определения эксергии теплоты, проводимой или отводимой от рабочего тела.

The theoretic outlines concerning the concepts of exergy and their definitions thermodynamic systems, as well as definitions of exergy of heat, linked to and from the working body.

Введение

Одним из перспективных путей создания эффективных компактных теплообменников является применение высокоэффективных поверхностей теплообмена, использование современных методов интенсификации теплообмена в каналах теплообменных аппаратов. Поэтому проблема обоснованного выбора высокоэффективных поверхностей теплообмена является одной из актуальнейших. [1]

Интенсивность теплообмена между средами в различных технических системах во многом определяет их эффективность. За период становления промышленности теплообменные аппараты претерпели существенное эволюционное развитие. Теплосъем с единицы объема или массы аппарата постоянно возрастает. [2]

Применения накатанных труб считается технологичным, так как не увеличивает наружный диаметр труб, позволяя данные трубы в тесных и не менять существующей технологии сборки теплообменных аппаратов. Кольцевые диафрагмы и канавки турбулизируют поток в пристенном слое и обеспечивают интенсификацию теплообмена снаружи и внутри труб.

При анализе термодинамических систем необходимо учитывать первый и второй закон термодинамике. Метод термодинамического анализа, при анализе технологических систем учитывающий первый и второй закон термодинамике называется эксергетическим. Этот метод основан на ведение понятия термодинамических потенциалов. Обоснованно выбранные потенциалы позволяет определить работоспособность потоков вещества и энергии в любой точке рассматриваемой системы.

Методика эксергетического анализа теплообменника снакатанными трубами

Эксергетический анализ теплообменников с накатанными трубами производится при режимах работы, одинаковых для теплообменников с гладкими трубами.

Для теоретических расчетов в качестве исходных данных принимаются F, t₁, t₂, Q или q, Re_н, значения которых равны значениям соответствующих параметров для гладких труб.

Параметры кольцевых турбулизаторов принимаются равными t/D = 0,4; d/D = 0,876; 0,91; 0945. [3]

Алгоритм теплового и гидравлического расчета состоит в следующем. Требуются определить t_o или T_o, ∆Р_н.

Коэффициент теплоотдачи охлаждающей среды в выражении (2) определяется по рекомендациям [1]

(1)

где — коэффициент теплоотдачи для гладких труб рассчитывается по формуле

(2)

где — поправочный коэффициент, применяемый в случае переходного режима течения хладоносителя (2300 < Re <10⁴).

Рис. 1. Продольный разрез накатанный трубы.

Логарифмическая разность температур определяется по заданным значениям холодопроизводительности и площади поверхности теплообмена

(5)

Потери давления в испарителях [4]

для накатанных труб: (6)

На основе теплового и гидравлического расчетов производится оценка эффективности эксергетическим методом теплообменника с накатанными трубами.

Эксергетическом анализе общим критерием является эксергетический КПД:

(7)

где - поток эксергии на входе в аппарат, определяется по:

(8)

- удельные термические эксергии компонентов, Дж/кг.

Эксергия на выходе из аппарата определяется следующим образом:

(9)

где - суммарные потери эксергии в теплообменном аппарате, Вт:

(10)

где - потери эксергии от конечной разности температур, Дж; - потери эксергии на гидравлические сопротивления, Дж; - потери эксергии от теплообмена с окружающей средой.

Потери эксергии от конечной разности температур рассчитывают по уравнению:

(11)

где - тепловой поток с учетом тепловых потерь, Вт; и - температуры теплоносителей, К; — температура окружающей среды, К.

Потери эксергии от гидравлических сопротивлений обусловлены движением теплоносителей в аппарате:

(12)

где, - возрастание удельной энтропии за счет изменения давления.

Потери эксергии в результате теплообмена с окружающей средой:

(13)

где и — потери теплоты теплоносителей, Вт; и — среднелогарифмические температуры теплоносителей, К.

Эксергетический анализ теплообменников показывает все происходящие в нем превращения энергии и вещества. Полученная при этом информация (распределение и характеристики потерь, значения к. п.д. отдельных частей и теплообменника в целом, доля каждой части — подводящих и отводящих теплоноситель труб, насосов, характеристика связи между ними, взаимодействие системы с окружающей средой и т. д.) может служить основой для дальнейшей работы по усовершенствованию теплообменника и сопоставлению его с другими, предназначенными для тех же или аналогичных целей.

Литература:

1. Калинин Э. К., Дрейцер Г. А., Копп И. З., Мякочин А. С. «Эффективные поверхности теплообмена» — М;: Энергоатомиздат, 1998.
2. Бараненко А. В. Холод в глобальном мире. Холодильная техника, 2013, № 3, с. 4–9.
3. Галаган В. В. Интенсификация теплообмена при конденсации паров воды, экстракционного бензина, ацетона и их смесей на горизонтальных трубах. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. — Ташкент,1992, — 213 с.
4. Кутателадзе С. С. “Теплопередача и гидродинамическое сопротивление” Справ. Пособие — 1990, с. 318–367.
5. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейдлин А. Е. «Техническая термодинамика» учеб. для теплоэнергетических спец. Вузов. — 4-е изд., перераб. — М.: Энергоатомиздат, 1983.