XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Оценка оптимизации теплообменного оборудования производится для того чтобы увидеть насколько теплообменник подходит под конкретную задачу и насколько экономичным он является. Важнейшими характеристиками устройства, к которым необходимо стремится:

Высокий КПД, гидродинамический показатель;

Надежность и долговечность;

Простота обслуживания, управления.

Перед этим нам необходимо понять, какой смысл имеют и как рассчитываются основополагающие показатели:

1) Коэффициент полезного действия является основным тепловым показателем идеальности теплообменника η:

Q₁ — макс.возможное кол-во тепла, переданное от горячего теплоносителя холодному в конкретных условиях (зависит от начальных температур и водных эквивалентов теплоносителей); Q₂ — реальное кол-во тепла затраченного на тех.процесс.

Используя понятие водного эквивалента W_мин можно записать выражение как (учитывая, что теплоемкости обоих теплоносителей не меняются в рассматриваемом промежутке температур):

— максимальный температурный напор; — изменение t теплоносителя с меньшим W_мин

Введем понятие «недогрева» воды ( ), иначе его можно представить как:

Отсюда КПД можно записать в виде:

Затем с помощью уравнения

k — коэф.теплопередачи; F — поверхность теплообмена; t_н— температура конденсации пара; t₂— температура нагреваемой жидкости.

Применяя интегралы (левая часть выраженияв пределах от 0 доFи от до — правая) получим:

Имея в виду, что и :

Тогда конечное уравнение КПД будет выглядеть:

Но зная один лишь только параметр КПД мы не сможем оценить эффективность и экономичность аппарата, по причине того что в теплообменном оборудовании применяются насосы, необходимые для циркуляции теплоносителей. Соответственно чтобы рассмотреть теплогидродинамическое совершенство теплообменников нужно найти мощность, затрачиваемую на прокачку теплоносителей, которая в свою очередь определяет в существенной степени величину коэффициента теплопередачи.

Находится энергетический коэффициент E по следующей формуле:

N — работа, затраченная на преодоление гидродинамического сопротивления; Q — тепло, переданное через поверхность теплообмена.

Ввиду того что E величина безразмерная, то числитель и знаменатель можно выразить к единице:

1. Поверхности теплообмена (тепловой показатель);

2. Веса поверхности теплообмена (весовой показатель);

3. Объема (объемный показатель).

Сравнивая аппараты, значение E относят ко всему теплу и ко всей затраченной работе либо к единице поверхности, веса или объема устройства.

Следует отметить то, что все три величины не могут быть обеспеченны в одном теплообменном аппарате. Данные показывают, что не всегда увеличение скорости теплоносителя несет за собой увеличение общего КПД аппарата, происходит это, потому что коэффициент теплопередачи kизменяется пропорционально скорости в степени 0,61-0,85; гидравлическое сопротивление пропорционально скорости в степени 1,72-1,88; а мощность на прокачку теплоносителя в свою очередь — в степени 2,8. Мощность на прокачку растет более значительно, чем количество переданного тепла, поэтому зачастую увеличение скорости теплоносителявыше определенной величины не улучшает работу устройства.

Для исключения влияния температурного напора энергетический коэффициент выражают к 1 град. Тепло выражают Q=αFΔtи делят на температурный перепад Δt:

Наряду с другими способами оценки эффективности теплообменного оборудования существует метод эксергетического анализа, позволяющий учитывать не только первый закон термодинамики, но и второй. Основой этого метода является ввод таких понятий как термодинамические потенциалы, которые дают возможность определить работоспособность потоков вещества и энергии в любой точке рассматриваемой системы. Большое влияние в этом методе имеет окружающая теплообменные аппараты среда, т.к. все технические процессы, которые происходят, так или иначе связаны с ней. Одно лишь понятие энергии в некой системе недостаточно для решения технических задач, потому что любая система зависит не только от внутренних параметров (форма, размер и т.п.). Понятие эксергии вводят, чтобы определить насколько полностью применяется энергия системы.

Сравнение свойств энергии и эксергии представлено в табл.1

Табл. 1 — Сравнение свойств энергии системы и эксергии системы

Энергия системы	Эксергия системы
Зависит только от параметров системы и не зависит от параметров окружающей среды	Зависит как от параметров системы, так и от параметров окружающей среды
Всегда имеет величину, отличную от нуля	Может иметь величину, равную нулю (при полном равновесии параметров системы и окружающей среды)
Подчиняется закону сохранения энергии в любых процессах и уничтожаться не может	Подчиняется закону сохранения только при обратимых процессах; в реальных необратимых процессах уничтожается частично или полностью
Преобразование одних форм в другие ограничено по условиям второго закона термодинамики для всех процессов, в том числе и обратимых	Преобразование одних форм в другие не ограничено по условиям второго закона термодинамики для обратимых процессов

Целью термодинамического анализа на основе эксергий тепловых потоков является определение «узких» мест в организации теплопроцессов, определяющих КПД теплотехнологической схемы с целью формулирования требований к повышению термодинамической эффективности анализируемой теплотехнологической системы.

Анализ термодинамической эффективности можно выполнить с помощью эксергетического баланса:

где ΣΕ_подв - подведенные к системе эксергии различных видов; ΣΕ_отв - отведенные от системы эксергии; ΣΕ_пот - потери эксергии; - внутренние потери эксергии, связанные с необратимостью процессов, протекающих внутри системы (потери от гидравлических сопротивлений, неравновесных тепло- и массообмен и т.д.); - внешние эксергетические потери, связанные с условиями взаимодействия системы с окружающей средой (неиспользуемая энергия потоков веществ, выходящая из системы).

Энергетические потери (от необратимости процесса теплообмена и гидравлических сопротивлений) можно посчитать с помощью уравнения Гюи-Стодолы, которое можно выразить как:

где ΔΕ_q – потери эксергии и вследствие теплообмена при конечной разности температур теплоносителя и окружающего воздуха; ΔΕ_Ϛ- потеря эксергии вследствие гидравлического сопротивления радиатора.

Величина эксергетических потерь в отдельном элементе энерготехнологической системы пропорциональна расходу топлива в энергооборудовании, но не совпадает с ним. Это связано с тем, что возникшие эксергетические потери в локальной части термодинамической системы можно компенсировать затратами энергетического топлива, если учесть все преобразования энергии топлива (эксергетические потери) от его сжигания до этого элемента. Однако часто приходится оценивать эксергетические потери в локальной части термодинамической системы в условиях ограниченной информации от предыдущих преобразований энергии топлива.

Параметр эксергии напрямую зависит от скорости теплоносителя и площади поверхности теплообмена. С одной стороны увеличение скорости жидкости ведет к росту коэффициента теплопередачи через стенки и приводит к уменьшению средней разности температур теплоносителей, следовательно, снижая эксергетические потери от конечной разности температур. Однако вместе с этим возрастает гидравлическое сопротивление в трубках теплообменника, чтов свою очередь наоборот приводит к росту энтропии и как следствие росту эксергетических потерь. Посмотреть на эту зависимость можно на схеме ниже (рис 1).

Рис.1 — Зависимость отдельных составляющих потерь эксергии ΔΕ_Ϛ,ΔΕ_q от скорости теплоносителя V_т или поверхности теплообмена F_пов

Именно поэтому, подбирая параметры теплообменного оборудования, стараются придерживаться минимума эксергических потерь, что впоследствии увеличит общий КПД всей установки (соответствует нижней по оси ΔΕ_iточке на кривой эксергических потерь ΣΔΕ).

Код для цитирования: Скопировать