Теплотехника - Чечеткин А.В.
Скачать (прямая ссылка):
200 400 600 800 1000 1200 1400 W0 1800 t;o-Рис. 2.71. Степень черноты газового объема С02
217
§ 2.7. ОСНОВЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Теплообменные аппараты нашли широкое распространение в химической технологии и применяются в процессах нагревания, охлаждения, испарения, конденсации, плавления, кристаллизации и т. д. Тепло-обменным аппаратом называется устройство, предназначенное для передачи теплоты от греющей среды к нагреваемой.
По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные. К поверхностным теплообменным аппаратам относятся рекуперативные, если теплоносители движутся одновременно относительно разделяющей их стенки, и регенеративные, если одна и та же поверхность нагрева омывается периодически то горючим, то холодным теплоносителем. В смесительных теплообменных аппаратах теплообмен происходит при смешении теплоносителей без разделяющей их твердой поверхности.
Особое место среди теплообменных аппаратов разных типов занимают тепловые трубы. Тепловой трубой называется испарительно-конденсационыое устройство, представляющее собой закрытую камеру, внутренняя полость которой выложена слоем капиллярно-пористого материала (фитилем). Один конец тепловой трубы служит зоной подвода, а противоположный — зоной отвода теплоты. За счет подвода теплоты жидкость, насыщающая фитиль, испаряется. Пар под действием возникшей разности давлений перемещается к зоне конденсации и конденсируется, отдавая теплоту парообразования. Конденсат под действием капиллярных сил возвращается по фитилю в испарительную зону. Происходит непрерывный перенос теплоты парообразования от зоны нагрева к зоне охлаждения (конденсации). Тепловые трубы не требуют затрат энергии на перекачку теплоносителя, они работают при малом температурном напоре, поэтому обладают большой эффективной теплопроводностью, превышающей на несколько порядков теплопроводность серебра или меди — наиболее теплопроводных материалов из всех известных. Для тепловых труб используется большое разнообразие теплоносителей в зависимости от интервала рабочих температур.
Тепловые трубы могут оказаться эффективным теплообменным устройством во многих химических производствах, где возникает необходимость термостатирования или регулирования технологического процесса. Особенности работы тепловых труб позволяют использовать их в условиях невесомости.
В большинстве случаев теплообмен можно с достаточной для практических расчетов точностью рассматривать как процесс, протекающий при постоянном давлении (р — const). Исходя из этого положения, для установившегося теплового режима, можно написать следующие основные уравнения:
уравнение теплового баланса
А/ь,
(2.373)
уравнение теплопередачи
Q = kF At.
(2.374)
219
В этих уравнениях индекс 1 относится к теплоносителю с более высокой температурой, а индекс 2-е более низкой температурой; RIAN — к. п. д. аппарата, учитывающий потери теплоты в окружающую среду. В общем случае А/ц = h* — h\; Ah2 = h2 — h2.
Если теплоноситель представляет собой однофазную жидкость, то Ah = срт [й — tf), а в области двухфазной жидкости (конденсирующийся пар или кипящая жидкость) Ah = г Ах, где г — теплота фазового перехода (испарения, конденсации), Ах — изменение паросодержания.
Из уравнения теплового баланса (2.373) обычно определяется расход теплоносителя или любая искомая температура, а из уравнения теплопередачи (2.374) — при конструктивном расчете - необходимая поверхность нагрева теплообменника.
При расчете теплообменных аппаратов особое значение имеет определение коэффициента теплопередачи к. Поверхностные теплообменники обычно изготовляют из труб, отношение толщины стенок которых к диаметру Ъ/d < 0,1. В таких случаях коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле для плоской стенки:
к- _L+A +_L- (2375>
<*i ?i h а2
Часто теплообмен между стенкой и теплоносителем происходит не только путем конвекции, но и излучения. Так, например, в котлах, печах и сушилках, обогреваемых продуктами сгорания топлива, при температурах выше 400 °С необходимо учитывать излучение в межтрубном пространстве трехатомных газов; при расчете теплоотдачи отопительных приборов и ограждающих поверхностей зданий и аппаратов учитывается лучистый теплообмен с окружающей средой и при невысоких температурах. При подсчетах а руководствуются оптимальными скоростями теплоносителей, зависящими от гидравлических сопротивлений аппаратов.
С увеличением скорости движения теплоносителей увеличиваются Re = wl/v, коэффициент теплоотдачи а и плотность теплового потока q = а Ar. Однако вместе со скоростью пропорционально w2 растет гидравлическое сопротивление и расход мощности на насосы, прокачивающие теплоноситель через теплообменный аппарат. Существует оптимальное значение скорости, определяемое сопоставлением увеличения интенсивности теплообмена и более интенсивного роста гидравлических сопротивлений с увеличением скорости.
Средний температурный напор. Расчет теплопередачи по уравнению (2.374) может быть сделан, если температуры теплоносителей в процессе теплообмена остаются постоянными, что бывает лишь в случае фазовых переходов (при конденсации и кипении). Чаще в процессе теплопередачи температуры теплоносителей изменяются. В таком случае тепловой поток определяется уравнением в интегральной форме:
