Теплообменные процессы и установки в транспортно-технологических комплексах.

Теплообмен это необратимый самопроизвольный процесс переноса теплоты от более нагретых тел (участков тел) к менее нагретым.

Под теплотой (количеством теплоты) понимают энергетическую характеристику, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в данном теплообменном процессе.

К теплообменным процессам относятся технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепловой энергии. К ним относятся нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение и конденсация.

 

 

Задачей теплопередачи является определение кинетических характеристик теплового процесса - средней разности температур и коэффициента теплопередач

Тепло при этом может распространяться различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводностью (кондукцией) называют процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении; тепловая энергия передается внутри тела от одних частичек к другим вследствие их колебательного движения. Процесс теплопроводности происходит в твердых телах и в тонких слоях жидкостей или газов.

Конвективным теплообменом (конвекцией) называют процесс переноса тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Тепловым излучением называется процесс распространения тепла в виде электромагнитных волн (инфракрасное излучение). В излучающем теле тепло превращается в энергию излучения, которая распространяется в пространстве. Встречая на своем пути какое-либо тело, лучистая энергия частично превращается в тепло, частично отражается от этого тела и частично проходит сквозь него.

Теплообменные процессы происходят в теплообменных аппаратах - устройствах, которые предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

В качестве теплоносителей в промышленности наибольшее распространение имеют насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов - аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор вида теплоносителя или хладагента определяется их назначением, температурами процесса и стоимостью.

Теплопередача между средами происходит в стационарных и нестационарных условиях. При стационарном (установившемся) процессе поле температур в аппарате не изменяется во времени. При нестационарном (неустановившемся) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы происходят в аппаратах непрерывного действия, а неустановившиеся - в аппаратах периодического, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия или изменении режима их работы.

При расчете теплообменных аппаратов изменение температур теплоносителей при их движении в теплообменнике учитывается введением в расчетную формулу среднего логарифмического температурного напора ΔТ_m. Влияние остальных факторов учитывается коэффициентом теплопередачи k, который по физическому смыслу представляет собой количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в один градус. Коэффициент теплопередачи зависит от физических свойств теплоносителей (вязкости, теплопроводности, плотности, теплоемкости), режима их движения, конструктивных особенностей аппарата (размеров, материала, состояния поверхности нагрева) и средней по поверхности нагрева разности температур теплоносителей.

Феноменологическое уравнение для расчета количества тепла, передаваемого в теплообменном аппарате за единицу времени записывается как:

(Вт), (1)

где k – коэффициент теплопередачи между средами, средний для всей поверхности теплообмена, Вт/(м² К); F – поверхность теплообмена в аппарате, м².

Значение среднего логарифмического напора ΔT_m зависит от начальных и конечных температур теплоносителей, а также взаимных направлений их движения.

Существует три основные схемы включения теплообменника: прямоточная, противоточная и перекрестная, а также множество смешанных схем, получаемых в результате комбинирования основных.

Расчет среднего температурного напора в случае прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей выполняется по формуле:

, (2)

где ΔT_н и ΔT_к – разность температур между теплоносителями на входе и выходе из аппарата.

а б

Рис. 1. Схемы изменения температур теплоносителей: а – прямоток; б - противоток

Прямоточная схема. При этой схеме движения (рис.1а) горячий и холодный теплоносители 1 и 2 движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении так, что на входе в аппарат тепло передается от горячего теплоносителя к холодному при относительно большой разности температур . На выходе из аппарата тепло передается от остывшего горячего теплоносителя к холодному при меньшей разности температур .

Противоточная схема. В этом случае (рис. 1б) теплоносители 1 и 2 движутся вдоль поверхности нагрева в противоположных направлениях так, что входящий в аппарат горячий теплоноситель отдает тепло уже подогретому теплоносителю, причем ; .

Если изменение разности температуры теплоносителей в теплообменном аппарате незначительно, то вместо среднего логарифмического напора можно воспользоваться среднеарифметическим напором:

. (3)

При – разница между среднеарифметическим и среднелогарифмическим температурными напорами не превышает 3%.

При одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата температурный напор в противоточном теплообменнике получается наибольшим, а в прямоточном – наименьшим. Благодаря большей величине температурного напора рабочая поверхность теплообмена при противоточной схеме (при прочих равных условиях) может быть принята меньшей, чем при прямотоке.

Для экспериментального определения коэффициента теплопередачи требуется знать количество тепла, переданного за единицу времени в теплообменном аппарате, среднюю разность температур ΔT_m между горячим и холодным теплоносителями и размер поверхности теплообмена F. Количество тепла определяется из уравнения теплового баланса по расходу теплоносителей, их теплоемкости и изменению их температуры в теплообменном аппарате.

В идеальном аппарате, который не имеющем потерь тепла в окружающую среду, количество тепла Q₁, отданного горячим теплоносителем, равняется количеству тепла Q₂, полученного холодным:

(4)

где С_р1 и С_р2 – удельные теплоемкости теплоносителей, Дж/(кг К); G₁ и G₂ – массовые расходы теплоносителей, кг/с.

При известном значении тепловой нагрузки Q коэффициент теплопередачи может быть вычислен по формуле: , (5)

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: