Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Октября 2011 в 02:57, курс лекций
Работа содержит лекции на 22 тем по дисциплине "Теплотехника".
Лекція 11.
Теплообмінні апарати. Класифікація. Основні положення і рівняння теплового розрахунку теплообмінних апаратів
Класифікація теплообмінних
апаратів
Теплообмінники - це пристрої, в яких теплота переходить від одного середовища до другого.
Теплообмін між теплоносіями є одним з найбільш важливих і часто використовуємих в техніці процесів.
По принципу дії теплообмінні апарати можуть бути розділені на рекуперативні, регенераторні і змішувальні.
Рекуперативні теплообмінні апарати являють собою пристрої, в яких дві рідини з різними температурами течуть у просторі, розділеному твердою стінкою. Теплообмін відбувається за рахунок конвекції і теплопровідності стінки, а якщо хоч одна з рідин є випромінюючим газом, то і за рахунок теплового випромінення (котли, підігрівачі, конденсатори, випарні апарати та інші).
Регенератори - такі теплообмінні апарати в яких одна і таж поверхня нагріву через певні проміжки часу омивається то гарячою, то холодною рідиною. Спочатку поверхня регенератора відбирає теплоту від гарячої рідини і нагрівається, потім поверхня регенератора віддає енергію холодній рідині. Таким чином, в регенераторах теплообмін завжди відбувається при нестаціонарних умовах, тоді як рекуперативні теплообмінні апарати більшою частиною працюють в стаціонарному режимі.
Так як в регенеративних і рекуперативних апаратах процес передачі теплоти неминуче пов’язаний з поверхнею твердого тіла, то їх ще називають поверхневими.
В змішувальних апаратах теплопередача здійснюється при безпосередньому контакті і змішувані гарячої і холодної рідин.
(Приклад:
градирня теплових електричних
станцій, в градирнях вода
З теплотехнічної точки зору всі апарати мають одне призначення - передавати теплоту від одного теплоносія до іншого або поверхні твердого тіла до рухомих теплоносіїв. Це і визначає ті загальні положення, які лежать в основі теплового розрахунку будь-якого теплообмінного апарату.
Проектні (конструктивні) теплові розрахунки виконуються при проектуванні нових апаратів, метою розрахунку є визначення поверхні теплообміну.
Перевірочні теплові розрахунки виконуються у випадку, якщо відома поверхня нагріву теплообмінного апарату і слід визначити кількість переданої теплоти і кінцеві температури робочих рідин.
Тепловий розрахунок звично включає:
«Куди ж направити той чи інший теплоносій?»
Вибір здійснюється, виходячи з необхідності покращення умов тепловіддачі зі сторони теплоносія з більшим термічним опором. Тому рідину (або газ), витрати якої менші, або яка має більшу в’язкість , рекомендують направляти в той простір, де її швидкість буде більшою, наприклад в трубний.
В трубний простір також направляються:
- теплоносії, які мають забруднення
- хімічно – активні речовини(не треба витрачати кошти на виготовлення дорогих корпусів, наприклад із нержавіючої сталі).
Слід відмітити, що при русі гріючої рідини в трубах зменшуються втрати тепла в навколишнє середовище.
Тепловий розрахунок повинен
бути пов’язаний з конструктивним
і гідравлічним розрахунками.
Основні
положення і рівняння
теплового розрахунку
Тепловий розрахунок теплообмінних апаратів зводиться до сумісного розв’язання рівнянь теплового балансу і теплопередачі. Ці два рівняння лежать в основі будь-якого теплового розрахунку.
Рівняння
теплового балансу і
Рівняння теплового балансу
. (1)
Рівняння теплопередачі
Найчастіше для визначення поверхні теплообміну використовують рівняння:
, (2)
де коефіцієнт теплопередачі усереднений,
відповідні температури
F - площа поверхні теплопередачі.
Для плоскої стінки коефіцієнт теплопередачі знаходимо із рівняння:
. (3)
Коефіцієнти тепловіддачі і можуть враховувати не тільки конвективну теплопередачу, але й теплопередачу випроміненням. В цьому випадку:
. (4)
Член у знаменнику являє собою повний термічний опір теплопровідності твердої стінки, що розділяє теплоносії. Вона може бути як багатошаровою так і одношаровою.
При розгляданні характеру зміни температур теплоносіїв вздовж поверхні теплообміну можуть бути випадки, коли змінюються монотонно температури обох теплоносіїв. Можуть зустрічатись випадки, коли температура одного теплоносія змінюється монотонно, а іншого – сходоподібно, що буває, наприклад, в киплячих котлах. Температура гарячих газів змінюється безперервно, а температура нагрітої води в зоні підігріву монотонно підвищується, а в зоні кипіння практично залишається постійною.
При
розгляданні теплообмінних
Рисунок 1. Схеми руху теплоносіїв в теплообмінниках
а) прямотечія; б)протитечія; в) перехрестна течія; г) змішана схема;
д) багатократна перехресна течія.
1-- перший теплоносій; 2 - другий теплоносій
Характер
зміни температур теплоносіїв вздовж
поверхні буде визначатись схемою руху
і множенням теплоємностей
Рисунок 2. Основні
схеми руху теплоносіїв
Слід відмітити, що якщо один з теплоносіїв змінює агрегатний стан, то
, (5)
де r- скритна теплота фазового переходу.
Середній температурний напір - залежить від схеми руху теплоносіїв. Для прямотечії, протитечії можна визначити за формулою:
, (6)
де і - більша і менша різниці температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника.
Запропонована
формула має сенс, коли питомі теплоємності
обох теплоносіїв і коефіцієнт теплопередачі
не змінюються з температурою і все
тепло, віддане гарячим теплоносієм,
передається холодному
Середньологарифмічним значенням неможна користуватись, якщо один з теплоносіїв бере участь в комбінованому процесі (наприклад, при конденсації пари з послідуючим охолодженням конденсату). В цьому випадку апарат розділяється на декілька зон і розрахунок ведеться окремо для кожної зони.
Якщо відношення то з достатньою точністю (похибка менше 4%) можна користуватись середньоарифметичним значенням .
При однакових початкових і кінцевих температурах теплоносіїв у випадку протитечії середній температурний напір вище ( тоді, поверхня т/о менша) ніж у випадку прямотечії.
При прямотечії кінцева температура холодного теплоносія завжди нижча кінцевої температури гарячого теплоносія. При протитечії кінцева температура холодного теплоносія може бути вища кінцевої температури гарячого.
Відповідно,
при одній і тій же початковій
температурі холодного
Теплоносії,
які використовують в теплообмінних
апаратах і їх рекомендовані швидкості
Теплоносій | Швидкість в м/с |
В’язкі рідини | |
Малов’язкі рідини і вода | |
Запилені гази | |
Чисті гази | |
Насичений пар | |
Пар перегрітий | |
Пар розріджений |
Методи визначення температур поверхні теплообміну.
Для плоскої стінки з рівнянь:
, (7)
, (8)
, , (9)
можна отримати:
. (10)
Далі з сумісного розв’язання (169) і (170) отримаємо:
. . (11)
Потім розв’язавши сумісно рівняння (10) і (11) відносно невідомої температури і отримаємо:
, (12)
. (13)
Ці
формули справедливі для
В цьому випадку для плоских стінок в формулу підставляються - повна товщина багатошарової стінки і - еквівалентний коефіцієнт теплопровідності багатошарової стінки.
Якщо тепловим опором можна зневажити або то формули приймають вигляд
. (14)
Для тонких циліндричних стінок справедливі співвідношення
, (15)
де - площа поверхні зі сторони первинного теплоносія;
- середня площа поверхні стінки, рівна ;
- площа поверхні зі сторони вторинного теплоносія.
В загальному випадку розрахунок температури на поверхні циліндричної стінки ведуть за наступними формулами:
, (16)
, (17)
де
- відповідно площі поверхонь, безпосередньо
контактуючих з теплоносіями.