Анализ работоспособности многопоточных рекуперативных теплообменников

 

Проверка работоспособности теплообменника в заданных условиях заключается в расчете температурного поля и анализе условий осуществимости передачи теплоты от потока к потоку. Так как передача теплоты осуществляется за счет разности температур, то в любом сечении температура «теплого» потока, отдающего теплоту, должна быть выше, чем «холодного», принимающего теплоту. Это условие легко контролируется при расчетах двухпоточных теплообменников и проверяется путем построения q,Т-диаграммы. Пересечение кривых в пределах диаграммы свидетельствует о нарушении условий теплопередачи с точки зрения второго начала термодинамики и о неработоспособности аппарата.

При анализе же работоспособности многопоточных рекуперативных теплообменников необходимо учитывать дополнительные условия. В многопоточных теплообменниках температуры потоков меняются в зависимости от конкретных условий теплообмена. Потоки, имеющие более низкую температуру при входе, могут, нагреваясь, стать теплее некоторых потоков, имевших начально более высокую температуру. При построении графиков распределения температур это явление будет фиксироваться как пересечение кривых. Часто такое пересечение ошибочно трактуется как признак нарушения работоспособности многопоточного теплообменника. Примером таких пересечений являются q,Т-диаграммы на рис. 3.6 (схема 2) и рис. 3.9. Вместе с тем, теплообменники с такой q,Т-диаграммой полностью работоспособны. Они успешно применяются во многих действующих установках.

Критерием нарушения работоспособности многопоточного теплообменника является одновременное пересечение в одной точке всех кривых температурного распределения потоков. До тех пор, пока хоть один из потоков имеет температуру, отличную от других, происходит теплообмен, т.е. теплообменник работоспособен.

Покажем, что именно условие одновременного равенства температур всех потоков соответствует равенству нулю производной эксергетических потерь. Оно является наиболее общим критерием нарушения работоспособности многопоточного теплообменника.

 Для упрощения выкладок будем считать, что потоки имеют постоянные давления, т.е. теплообмен реализуется в изобарных условиях. При передаче теплоты dQ изменение эксергии i-го потока

где Т_ОС — температура окружающей среды; G — расход потока; h, S — энтальпия и энтропия потока.

Если поток i получает теплоту dQ от потока j, то поток j имеет более высокую температуру . Величина теплового потока определяется условиями теплопередачи, т.е. dQ = k_ji×dF×dT_ji.

С учетом направления dQ изменение эксергии потока j

.

Эксергетические потери работоспособности при теплообмене .

Использовав развернутые соотношения для dЕ и dQ , получим:

                                 (3.29 )                                                                                                      

Так как все сомножители выражения (3.29) положительны, то dD_ij обращается в нуль только при условии dT_ji=0. Суммарные эксергетические потери могут быть представлены соотношением:

.                                                                              (3.30 )

Очевидно, что минимальное значение суммы равно нулю и обращается в нуль только тогда, когда все dT_ji одновременно обращаются в нуль.

Это условие соответствует указанному выше критерию: одновременное равенство температур всех потоков в сечении является необходимым и достаточным признаком нарушения работоспособности многопоточного теплообменника.

В качестве примера на рис 3.10 приведена q,T-диаграмма четырехпоточного пластинчато-ребристого теплообменника, рассчитанного для условий рис 3.8. Отличие состоит в заданной температуре прямого потока на выходе, которая вместо 147К принята равной 140К. На диаграмме четко видно одновременное пересечение всех 4-х кривых в одной точке при температуре всех потоков около 175К (точное расчетное значение 173,92К).

           

 

Рис. 3.10. Диаграмма, соответствующая случаю неработоспособного режима
четырехпоточного теплообменника. Обозначения соответствуют рис. 3.8.

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: