Розрахунок теплообмінного обладнання геотермальних установок

Теплообмінне обладнання призначене для здійснення передачі теплоти від гарячого теплоносія до холодного.

За принципом роботи в геотермальних установках знайшли застосування рекуперативні апарати, в яких енергія передається через розподільчу тверду стінку. Рух теплоносія в них здійснюється за трьома основними схемами:

– прямоточне – напрямок руху гарячого та холодного теплоносія співпадає;

– протитічне – напрямок руху гарячого та холодного теплоносія протилежний;

– перехреснотічне – напрямок руху гарячого та холодного теплоносія взаємно перпендикулярне.

На практиці дані типи схем об’єднують в більш складні схеми руху.

В залежності від технологічної задачі, розрахунок теплообмінної апаратури проводять за двома напрямками:

– конструкційний розрахунок – відомі витрати та параметри теплоносіїв на вході та виході. Визначають площу поверхні теплообмінника за попередньою конструкцією;

– перевірочний розрахунок – відома площа поверхні теплообміну, конструкція та частково параметри і витрати теплоносіїв (наприклад, витрати теплоносіїв і параметри їх на вході). Визначають невідомі параметри та витрати теплоносіїв (наприклад, на виході) та інші необхідні характеристики обладнання (ККД).

Тепловий розрахунок теплообмінника полягає в сумісному вирішенні рівнянь:

– теплопередачі:

(4.2.1)

де Q – тепловий потік, Вт;

k – середній коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²·град);

А – площа поверхні теплообміну в апараті, м²;

t₁, t₂ – відповідно температури гарячого та холодного теплоносіїв;

Dt – температурний напір між теплоносіями.

– теплового балансу (без врахувань втрат і фазових переходів):

(4.2.2)

де V₁r₁, V₂r₂ – масові витрати теплоносіїв, кг/с;

– питомі тепломісткості теплоносіїв в інтервалі температур від t’ до t”;

– температури теплоносіїв на вході в апарат;

– температури теплоносіїв на виході з апарату.

На рис. 6.1 подана залежність зміни температури теплоносіїв від площі теплообміну при різних співвідношеннях їх швидкості (w₁ та w₂) та схемах протікання.

З наведених графіків випливає, що в апаратах з протитічною схемою холодний теплоносій при однакових початкових умовах нагрівається до більш високої температури ніж в прямоточних.

а) б)

Рис. 6.1. Залежність кінцевих температур при прямоточній (а) та протитічній (б) схемах теплообміну

Оскільки Dt має постійне значення тільки для елементарної площини течії, то тепловий потік через всю поверхню буде становити:

, (4.2.3)

де t_ср – середній логарифмічний температурний напір для всієї поверхні нагрівання.

Якщо в будь-який час температура гарячого теплоносія складає t’, а відповідно температура холодного t”, то напір буде становити t = t’ - t”. Тоді кількість теплоти через елементарну площадку та або та . Тоді:

або

. (4.2.4)

З рівняння теплопередачі маємо:

,

.

Якщо ліву частину проінтегрувати в межах від до , а праву від 0 до А, то отримаємо:

,

. (4.2.5)

Проінтегруємо рівняння (6.2.4) і підставимо значення п:

. (4.2.6)

Порівнюючи рівняння (6.2.3) та (6.2.6) маємо

.

Тоді площа теплообмінника складе:

.

Перевірочний розрахунок проводиться за наступною схемою:

а) прямоточна схема.

Кількість теплоти (без врахування втрат), що передається через елементарну площадку складе:

та ,

де W₁,W₂ – умовний еквівалент гарячого та холодного теплоносія ().

Тоді .

Використовуючи рівняння теплопередачі (), отримаємо:

. (4.2.7)

Проінтегруємо 6.2.7:

або

.

Щоб отримати кінцеві значення температури робочих теплоносіїв віднімемо від одиниці обидві частини рівності:

,

або

. (4.2.8)

Із рівняння теплового балансу або .

Підставимо дане значення в (6.2.8) і отримаємо:

– для гарячого теплоносія:

;

– для холодного теплоносія:

.

Тоді кількість теплоти, що передається, буде становити:

.

Функція визначається за допомогою таблиці 4.4.

Контрольні питання

1. За якими показниками класифікуються термальні води?

2. За якими схемами проводиться використання термальних вод для теплофікаційних потреб?

3. При яких умовах застосовують прямого використання термальних вод?

4. Опишіть відкриті системи геотермального теплопостачання?

5. Опишіть закриті системи геотермального теплопостачання?

6. Як визначити кількість видобувних та поглинальних свердловин?

7. За якими схемами здійснюється рух теплоносія в рекуперативних теплообмінниках?

8. В чому полягає тепловий розрахунок теплообмінника?

9. Від яких чинників залежить потужності насоса для закачування теплоносія в поглинаючу свердловину?

Поиск по сайту: