Розрахунок теплобмінника

     Зміст 

Вступ ……………………………………………………………………………………

1. Загальні відомості …………………………………………………………………..

2. Розрахунок  теплообмінника ……………………………………………………….

2.1. Тепловий  розрахунок …………………………………………………………….

2.2. Гідравлічний розрахунок …………………………………………………………

2.3. Розрахунок  потужності насосу ………………………………………………….

Висновок  ……………………………………………………………………………….

Література  ………………………………………………………………………………

 

    Вступ 

    Теплообмінними  апаратами називають пристрої, призначені для передачі тепла від одного теплоносія до іншого, а також здійснення різних технологічних процесів: нагрівання, охолодження, кипіння, конденсації й ін.

    До промислових теплообмінних апаратів залежно від конкретних умов висувають певні вимоги, основними з яких є:

• високий коефіцієнт теплопередачі при малому гідравлічному опорі;
• компактність і низька витрата матеріалів, надійність і герметичність, розбірність й доступність поверхні теплообміну для механічного очищення її від забруднень;
• уніфікація вузлів і деталей;
• технологічність механізованого виготовлення широких рядів поверхонь теплообміну для різного діапазону робочих температур, тисків і т.д.

    Інтенсивність процесу теплообміну характеризується коефіцієнтом теплопередачі k. На інтенсивність  й ефективність впливають також  форма поверхні теплообміну; еквівалентний  діаметр і компонування каналів, що забезпечують оптимальні швидкості  руху середовищ; середній температурний  напір; наявність турбулізуючих  елементів у каналах; оребрення  й т.д. Крім  конструктивних методів  інтенсифікації процесу теплообміну  існують режимні методи, пов'язані  зі зміною гідродинамічних параметрів і режиму руху рідини.

    При створенні нових, більш ефективних теплообмінних апаратів прагнуть, по-перше, зменшити питомі витрати матеріалів, затрати праці та енергії в порівнянні з тими ж показниками існуючих теплообмінників. Питомими витратами для теплообмінних апаратів називають витрати, віднесені до теплової продуктивності в заданих умовах; по-друге, підвищити інтенсивність й ефективність роботи  апарата. Інтенсивністю процесу або питомою тепловою продуктивністю теплообмінного апарата називається кількість теплоти, переданого в одиницю часу через одиницю поверхні теплообміну при заданому тепловому режимі.  
 
 
 
 
 

1. Загальні  відомості

 

    Теплообміном  називається процес перенесення теплоти, що відбувається між тілами, які мають різну температуру. При цьому теплота, переходить мимовільно від більш нагрітого до менш нагрітого тіла. В результаті передачі теплоти відбуваються: нагрівання — охолоджування, паротворення — конденсация, плавлення — кристалізація. Теплообмін має важливе значення для проведення процесів випаровування, сушки, перегонки і ін..

    Тіла, які беруть участь в теплообміні  називаються теплоносіями.

    Теплообмінні  процеси можуть відбуватися тільки за наявності різниці температур між теплоносіями, тобто різниця  температур — рушійна сила теплообміну.

    Розрізняють стаціонарні і нестаціонарні  теплообмінні процеси. В періодично діючих апаратах при нагріванні або  охолоджуванні, де температури міняються  в часі, здійснюються нестаціонарні  процеси.

    В непреривнодіючих апаратах, де температури  в різних точках апарату не змінюються в часі, протікають стаціонарні процеси.

    Теплота від одного тіла до іншого може передаватися теплопровідністю, конвекцією і тепловим випромінюванням.

    Теплопровідність  — це процес передачі теплоти усередині тіла від одних частинок до інших унаслідок їх руху і взаємного зіткнення. Передача тільки за допомогою теплопровідності може відбуватися лише в твердих тілах.

    Конвекція — це процес розповсюдження теплоти в результаті руху і переміщення частинок рідин або газів. Перенесення теплоти можливе в умовах природної конвекції, при якій рух частинок викликаний різницею густини в різних точках об'єму, унаслідок різниці температур в цих крапках, і примусової конвекції при переміщенні всієї маси газу або рідини.

    Перенесення теплоти від поверхні твердого тіла до газоподібного або рідкого  середовища називається конвективною тепловіддачею або просто тепловіддачей.

    Процес  передачі теплоти від гарячої  рідини (газу), до холодної через стінку називається теплопередачей.

    При теплообміні теплота, що віддається більш нагрітим теплоносієм (Q₁), затрачується на нагрів більш холодного теплоносія (Q₂). Нехтуючи втратами теплоти, рівняння теплового балансу можна записати у вигляді: 

    Q = Q₁ = Q₂,                                                (1.1)

де   Q — теплове навантаження апарату, Вт. 

    Якщо  теплообмін здійснюється при зміні  агрегатного стану теплоносія (конденсація  пари, випаровування рідини і ін.), то в тепловому балансі повинні  бути враховані теплові ефекти, супроводжуючі  процес.

    Сукупність  значень температур у всіх точках тіла називається його температурним  полем. Температурні поля стаціонарні  і нестаціонарні. Стаціонарним (сталим) називається таке поле, в якому  температура в кожній крапці не міняється  в часі, якщо ж температура міняється, то поле буде нестаціонарним (несталим).

    Якщо  температура в двох сусідніх точках тіла рівні, то отже, ці крапки лежать на одній поверхні однакових температур, тобто на ізотермічній поверхні, і  теплота не може розповсюдяться уздовж всієї ізотермічної поверхні.

    Для переходу теплоти від однієї крапки до сусідньої необхідна наявність  між їх температурами деякої різниці, причому теплота розповсюджується у бік пониження температури.

    Для характеристики ступеня інтенсивності  зміни температури в різних точках температурного поля користуються величиною, яка називається температурним градієнтом.

    Тепловим  потоком називається кількість теплоти (в Дж), передана в одиницю часу (в с), і виражається в Дж/с, тобто у ватах (Вт).

    В різних точках температурного поля тепловий потік може бути різним по величині і по напряму. В нестаціонарному  температурному полі він міняється  і в часі.

    Величина  теплового потоку залежить від температурних  умов поля і від фізичних властивостей речовини.

    Основним  законом передачі теплоти теплопровідністю є закон Фурье. При дослідженні передачі теплоти в твердому тілі Фурье встановив, що кількість теплоти, що проходить через тіло, пропорційно падінню температури, часу і площі перетину, перпендикулярного напряму розповсюдження потоку теплоти.

    Коефіцієнт  теплопровідності показує кількість теплоти, що проходить унаслідок теплопровідності в одиницю часу через одиницю поверхні теплообміну при різниці температур між стінками на одиницю товщини стінки.

    Конвективний  теплообмін — це теплообмін між твердим тілом і рідиною (газом), що відбувається при їх зіткненні і одночасному перенесенні теплоти шляхом теплопровідності і конвекції. Такий випадок розповсюдження теплоти називається теплоотдачей. Конвективне перенесення теплоти пов'язано з рухом теплоносія. Рух середовища викликається різними причинами: вимушений рух виникає під дією якого-небудь збудника (насоса, вентилятора, мішалки), вільний рух — унаслідок різниці густини нагрітих і холодних частинок середовища, яке обумовлене наявністю різниці температур. В першому випадку це буде вимушена конвекція, в другому — природна конвекція.

    У всіх випадках руху теплоносія біля твердої  стінки утворюється тепловий прикордонний шар, термічний опір якого відрізняється від термічного опору теплоносія, що рухається.

    Основним  законом тепловіддачі є закон охолоджування Ньютона, згідно якому кількість теплоти Q, передана (або отримане) від теплообмінної поверхні до навколишнього середовища, прямо пропорційно поверхні теплообміну F, різниці температури поверхні t_Ct і температури навколишнього середовища t₁ а також часу τ, протягом якого йде теплообмін.

    Коефіцієнт  тепловіддачі α визначає кількість теплоти (в Дж), яка передається від 1 м² теплообмінної поверхні до рідини (або від рідини до 1м² теплообмінної поверхні) протягом 1с при різниці температур між теплообмінною поверхнею і рідиною 1К.

    Вимушена  конвекція відбувається під дією якого-небудь зовнішнього джерела енергії.

    При русі потоку теплоносія в теплообмінних  апаратах спостерігається вплив  поля температур на поле швидкостей.

    Процес  тепловіддачі при перебігу рідини в  трубах є складнішим в порівнянні з процесом тепловіддачі при обмиванні  поверхні необмеженим потоком. Рідина, що протікає оддалік поверхні, не випробовує впливу процесів, що відбуваються біля стінки. Перетин труб має кінцеві  розміри. В результаті, починаючи  з деякою відстанню від входу, рідина по всьому поперечному перетину труби випробовує дію сил в'язкості, відбувається зміна температур рідини як по перетину, так і по довжині  каналу. Все це позначається на інтенсивності  тепловіддачі. 

Тепловіддача  при подовжньому обмиванні пучка труб 

    Типовим прикладом є пучок труб, змонтований  в циліндровій сорочці без  поперечних перегородок (кожухотрубний  теплообмінник).

    Швидкість протікання рідини визначається в даному випадку розміром прохідного перетину між трубами. Еквівалентний діаметр  є діаметром перетину, обмеженого чотирма сусідніми трубами. Визначальна температура — це середня температура теплоносія. 

    Тепловіддача при поперечному обтіканні труб 

    Цей вид тепловіддачі має місце в  кожухотрубних теплообмінниках  при русі теплоносіїв в міжтрубному  просторі з поперечними перегородками  і в трубчастих підігрівачах, встановлених в димових каналах.

    Одиночна  труба. При поперечному обтіканні одиночної труби (рис. 1.1) на її лобовій частині утворюється прикордонний ламинарний шар, що має кінцеву товщину по всій течії від точки відриву. З кормової сторони потік відривається від поверхні труби, і виникають завихрення, що приводять до більш інтенсивної тепловіддачі в цій зоні.

    

    Рис. 1.1. Поперечне обтікання труби. 

    Пучок труб. Пучки труб характеризуються наступними параметрами:

• d — діаметр труб, м;
• t — крок труб, м;
• r — число рядів труб.

 

    На  форму потоку, оточуючого трубки, робить вплив взаємне розташування труб і величина крокової відстані t між ними (рис. 1.2). У першого ряду труб умови тепловіддачі підкоряються тим же закономерностям, що і у одиночних труб, а в другому і третьому ряді інтенсивність теплообміну зростає за рахунок турбулизації потоку при проходженні через пучок труб.

    Характер  перебігу потоку в міжтрубному просторі практично стабілізується при шаховому розташуванні труб починаючи з четвертим рядом, а при коридорному розташуванні – з сьомого ряду. 

    Теплообмін при природній конвекції 

    Природна  конвекція підтримується не штучним шляхом, а виникає сама, під дією різниці температур і обумовленої цим різниці густини в рідинах і газах. 

    

    Рис. 1.2. Поперечне обмивання пучка  труб:

    а) коридорне розташування труб; б) шахове розташування труб. 

    Якщо, наприклад, помістити в повітряний простір з постійною температурою нагрівальний елемент, то наступає теплообмін між елементом і навколишнім  повітрям. Частинки повітря, що знаходяться  поблизу елемента, нагріваються, густина  їх зменшується, унаслідок чого вони підіймаються. На їх місце поступають нові, більш холодні частинки, які, нагріваючись, теж підіймаються. Таким  чином, підйомна сила створюється за рахунок витіснення нагрітого повітря  більш важким холодним повітрям.

    Природна  конвекція виникає за рахунок  дії масових сил на елементи рідини або газу. Ці сили можуть мати різну  фізичну природу: сила тяжкості, відцентрова  сила, електромагнітні сили.