Навигация
Теоретические основы теплообменного процесса. Выбор конструкции аппарата
37105
знаков
18
таблиц
8
изображений
1 Теоретические основы теплообменного процесса. Выбор конструкции аппарата
Тепловые процессы — технологические процессы, которые протекают со скоростью, обусловленной законами теплопередачи.
Теплообменные аппараты — аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов.
Теплоносители — тела (среды), которые принимают участие в теплообмене.
Существует три способа переноса тепла: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение.
Теплопроводность – явление переноса тепловой энергии непосредственным контактом между частичками тела.
Конвективный теплообмен – процесс распространения в следствии движения жидкости или газа.
Естественная (свободная) конвекция обусловлена разностью плотности в разных точках объема теплоносителя, который возникает вследствие разности температур в этих точках.
Вынужденная конвекция обусловлена принудительным движением всего объема теплоносителя.
Тепловое излучение – процесс передачи тепла от одного тела к другому, распространением электромагнитных волн в пространстве между этими телами.
Теплоотдача — процесс переноса тепла от стенки до теплоносителя или в обратном направлении.
Теплопередача — процесс передачи тепла от более нагретого менее нагретому теплоносителю через разделяющую их поверхность или твердую стенку.
При проектировании теплообменных аппаратов тепловой расчет сводится к определению необходимой поверхности теплообмена F, (м2), по основному уравнению теплопередачи:
, (1.1)
| где | Q – тепловая нагрузка теплообменника, (Вт); Dtср – средняя разность температур, (0С); К – коэффициент теплопередачи, Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через 1 м2 стенки при разности между теплоносителями, равной 1 град. |
.Тепловую нагрузку теплообменника определяют из уравнения теплового баланса. Если пренебречь потерями тепла к окружающей среде, которые обычно не превышают 5%, то уравнение теплового баланса будет иметь вид:
Q=Q1=Q2, (1.2)
| где | Q1 и Q2 – количество тепла, которое отдал горячий теплоноситель и которое передано холодному теплоносителю соответственно, (Вт). |
Во время теплообмена между теплоносителями уменьшается энтальпия (теплосодержание) горячего теплоносителя и увеличивается энтальпия холодного теплоносителя. Уравнение теплового баланса (1.2) в развернутом виде:
Q=G1(i1п-i1к) =G2(i2к-i2п), (1.3)
| где | G1 и G2 – затрата горячего и холодного теплоносителя соответственно, i1п, i1к – начальная и конечная энтальпии горячего теплоносителя, i2п, i2к – начальная и конечная энтальпии холодного теплоносителя, |
; Если во время теплообмена не изменяется агрегатное состояние теплоносителей, энтальпии последних приравнивают произведению теплоемкости на температуру и тогда уравнение теплового баланса (1.3) будет иметь вид:
Q=G1c1(t1п-t1к) =G2c2(t2к-t2п), (1.4)
| где | c1 и с2 – средние удельные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей соответственно, t1п, t1к – температуры горячего теплоносителя на входе в аппарат и на выходе из него, (0С); t2к, t2п – температуры холодного теплоносителя на выходе из аппарата и на входе в него, (0С). |
; Из уравнения (1.4) можно найти затраты горячего или холодного теплоносителей при известных значениях других параметров. В случае использования в качестве горячего теплоносителя насыщенного водяного пара величин i1п, 
, и i1к, , в уравнении (1.3) будут соответственно энтальпиями пара, который поступает, и конденсата, который выходит из теплообменника. Уравнение теплового баланса, предполагая, что отдача тепла при охлаждении пара к температуре конденсации и при охлаждении конденсата незначительная:
Q=Gгр(i1п-i1к) =G2c2(t2к-t2п), (1.5)
| где | где Gгр – затрата греющего пара, |
Предполагая, что отдача тепла при охлаждении пара к температуре конденсации и при охлаждении конденсата незначительная, уравнение теплового баланса (1.5) можно записать в виде:
Q=Gгрr=G2c2(t2к-t2п), (1.6)
| где | r – удельная теплота конденсации, |
По уравнениям (1.5) и (1.6) определяют затраты водяного пара. Если греющий пар является влажным, то теплоту конденсации умножаем на степень сухости водного пара. Если имеем тепловые потери в окружающую среду, то величину тепловой нагрузки необходимо умножить на коэффициент, который учитывает тепловые потери. Энтальпию и удельную теплоту конденсации греющего пара определяют по справочникам [6,10]. Коэффициент теплопередачи К, 
, для плоской
теплообменной поверхности:
, (1.7)
| где | a1, a2 – коэффициенты теплоотдачи соответственно для горячего и холодного теплоносителя, Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м2 поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м2 к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 град. dст – толщина теплообменной стенки, (м); lст – коэффициент теплопроводности материала стенки, Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на один градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности. |
Коэффициенты теплоотдачи определяют из критерия Нуссельта, а последний находят по разным критериальным уравнениям в зависимости от конкретных условий теплообмена. В случае развитого турбулентного движения жидкостей в трубах и каналах (Re>10000):
Nu=
(1.8)
Для критериев Nu, Re и Pr за определяющую температуру принимается средняя температура жидкости, а для критерия Prст — температура стенки. По линейным размерам в критериях Nu и Re берется внутренний диаметр трубы или эквивалентный диаметр канала. При ламинарном движении (Re<2300):
Nu=
(1.9)
Для воздушного теплоносителя формулы (1.8) и (1.9) соответственно:
Nu=0,018Re0,8; (1.10)
Nu=0,13Re0,33Gr0,1. (1.11)
Для случая движения теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников:
Nu=С(dеRe)0,6Pr0,33, (1.12)
| где | С – коэффициент, который учитывает присутствие сегментных перегородок в межтрубном пространстве; dе – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, (м). |
, (1.13)
| где | f – плоскость поперечного сечения потока, (м2); П – периметр сечения потока, (м); D – внутренний диаметр кожуха, (м); d – внешний диаметр трубы, (м); z – количество ходов по трубному пространству; n – количество труб в одном ходе. |
При поперечном обтекании пучка труб (угол атаки 90о), шахматном и коридорном расположении труб соответственно:
Nu=
(1.14)
Nu=
(1.15)
Среднюю разность температур 
, (0С), в случае прямотечения и противотечения определяют как среднелогарифмическую разность:
, (1.16)
| где | Dtб, Dtм – большая и меньшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника, (0С). |
Если 
<2, то среднелогарифмическую разность можно заменить без заметной погрешности среднеарифметической разностью:
. (1.17)
Для аппаратов с перекрестным и смешанным течением теплоносителей средняя разность температур находится путем умножения значения среднелогарифмического температурного напора достигаемого при противотечейной схеме движения теплоносителей на поправочный коэффициент, который определяется по справочникам [4-6].
0 комментариев