Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплообмен. Учебное пособие
.pdf
71
Решение. В замкнутой системе радиационного теплообмена, состоящей
12
1
1 2 2
1
,
11
1
A
F
A F A
11
F d l
22
F d l
12
1
0,57.
1 80 1
1
0,65 200 0,65
A
44
2
12
1 800 273 600 273
5,76. 15354,7 Вт/м .
1/ 0,8 1/ 0,4 1 100 100
q
Рис. 5.9. Система
из 2х труб
из 2-х серых тел, приведенная степень черноты рассчитывается по формуле
где
трубы;
– наружная поверхность внутренней
– внутренняя поверхность наружной
трубы.
Тогда приведенная степень черноты системы
Пример 2. Определить плотность результирующего теплового потока
при теплообмене излучением двух плоских поверхностей, если температура
одной поверхности 800 °С, ее степень черноты 0,8 и температура другой поверхности 600 °С, а её степень черноты 0,4.
Решение. Плотность результирующего теплового потока определяем по
формуле
Задача 1. Определить приведенную степень черноты системы, если трубопровод с наружным диаметром 0,1 м проходит в центре кирпичного квадратного канала со стороной 0,5 м. Степень черноты трубы 0,72. Степень черноты
стенок канала 0,85.
Задача 2. Чему равна степень черноты поверхности, если плотность теп-
лового излучения 21000 Вт/м2, а температура поверхности 700 °С?
Задача 3. Во сколько раз увеличится излучательная способность поверх-
ности твердого тела, если температура его возрастет со 127 °С до 327 °С?
72
Задача 4. Определить теплоту излучения 1 м неизолированного трубо-
12
0,75; 0,82
провода диаметром 25 мм, если температура его поверхности 110 °С, а температура стен в помещении 16 °С. Степень черноты материала трубопровода 0,8.
Задача 5. Определить приведенную степеь черноты системы, состоящей
из 2-х труб, если одна труба с наружным диаметром d1 = 50 мм находится внутри другой с внутренним диаметр d2 = 150 мм. Степень черноты
.
Задача 6. Определить теплообмен излучением между двумя параллель-
ными кирпичными поверхностями, если температура поверхностей 200 °С и
50 °С. Степени черноты поверхностей соответственно 0,8 и 0,9.
73
6. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Рис. 6.1. Схема градирни:
1 – насадка; 2 – сепаратор; 3 - вентилятор
6.1. Типы теплообменных аппаратов
Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя (горячего) к другому (холодному). В зависимости от способа передачи теплоты они бывают контактными, поверхностными и с промежуточным теплоносителем.
В контактных (смесительных) аппаратах теплообмен осуществляется
путем непосредственного соприкосновения и смешения горячей и холодной
жидкостей или газов. Эти аппараты применяются главным образом для охлаждения и нагревания газов водой или охлаждения воды воздухом. В них теплообмен сопровождается массообменом, который заключается либо в испарении
воды в газ, либо, наоборот, в конденсации влаги из газа.
Одним из основных параметров,
определяющих интенсивность процесса в смесительных аппаратах, является
величина поверхности соприкосновения теплоносителей. Для увеличения
поверхности контакта теплоносителей
их тщательно перемешивают, жидкости распыляются на мелкие капли с
помощью специальных форсунок. К
смесительным аппаратам относятся
скрубберы, градирни, струйные тепло-
обменники.
На рис. 6.1 изображена схема градирни – смесительного теплообменного
аппарата для охлаждения воды потоком атмосферного воздуха.
Поверхностные теплообменные аппараты разделяются на регенеративные и рекуперативные.
74
В регенеративных теплота горячих газов
Рис. 6.3. Схема трубчатого теплообменного
аппарата: а - с прямоточным движением
теплоносителей; б - с противоточным
движением теплоносителей
Рис. 6.2. Регенеративный
теплообменный аппарат
а
б
сначала аккумулируется в теплоемкой насадке
(кирпичах, керамической сыпучей массе, металлических листах, шарах), а затем передается
нагреваемому газу (воздуху) путем его продувания через горячую насадку. Непрерывный процесс теплопередачи между теплоносителями по
этой схеме осуществляется с помощью двух регенераторов (рис. 6.2). Когда в одном из них
происходит охлаждение горячего теплоносителя,
в другом нагревается холодный теплоноситель.
Затем аппараты переключаются с помощью кла-
панов 1 и 2, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении.
В рекуперативных теплооб-
менных аппаратах теплота от одного
теплоносителя к другому передается
через разделяющую их стенку, выполненную из материала с хорошей
теплопроводностью. Наиболее распространены трубчатые теплообменные аппараты (рис. 6.3), в которых
один теплоноситель движется в трубах, а другой в межтрубном пространстве.
менных аппаратах осуществляется по трем основным схемам: прямотока, про-
тивотока и перекрестного тока.
Движение жидкости в теплооб-
75
В схеме прямотока горячая и холодная жидкости движутся параллельно в
Рис. 6.4. Схема работы тепловой трубы с возвратом
конденсата под действием гравитационных сил
(термосифон)
одном направлении, а в схеме противотока в противоположных направлениях
(рис. 6.3). В схеме перекрестного тока движение одного теплоносителя перпендикулярно движению другого. На практике встречаются более сложные схемы,
включающие различные комбинации основных.
Принцип работы теп-
лообменного аппарата с
промежуточным теплоносителем заключается в том,
что теплота от одного теплоносителя к другому пере-
носится с помощью третьего
вспомогательного вещества. Это вещество нагревается в потоке горячего теплоносителя, а затем отдает аккумулированное тепло холодному теплоносителю.
Такой принцип передачи теплоты реализуется, например, в тепловой трубе
(рис. 6.4).
На горячем конце тепловой трубы за счет подвода теплоты испаряется
жидкость, а на холодном конденсируется полученный пар, отдавая через стенку
трубы теплоту конденсации нагреваемому теплоносителю. В зону испарения
конденсат возвращается самотеком, если холодный конец расположен выше горячего. Если он расположен ниже горячего конца используют специальные фитили, обеспечивающие движение конденсата вверх под действием капиллярных сил.
Выбор того или иного типа теплообменного аппарата в каждом конкретном случае должен быть обоснован технико-экономическим расчетом, поскольку каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.
76
6.2. Расчет теплообменных аппаратов
12
QQ
,
(6.1)
1
Q
2
Q
' ' ' '
''
1 1 1 1 2 2 2 2pp
Q G c t t G c t t
,
(6.2)
12
,
pp
cc
''
'
11
,tt
''
'
22
,tt
'
t
''
t
p
W G c
(6.3)
''
'
1 2 2 2
' ' '
21
11
.
W t t t
Wt
tt
(6.4)
Основными уравнениями при расчете теплообменного аппарата любого
типа являются уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.
Без учета тепловых потерь в теплообменном аппарате уравнение теплового баланса имеет вид:
где
времени (отдаваемая тепловая мощность ), Вт;
– количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем в единицу
– количество теплоты, вос-
принимаемое холодным теплоносителем в единицу времени (принимаемая тепловая мощность), Вт.
Для однофазных теплоносителей уравнение теплового баланса можно записать в виде:
где G1, G2 – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с;
– удельные массовые изобарные теплоемкости горячего и холодного
теплоносителей, Дж/(кг.К);
входе и выходе из теплообменника, C;
– температуры горячего теплоносителя на
– температуры холодного тепло-
носителя на входе и выходе из теплообменника, °C.
В практических расчетах в уравнение (6.2) подставляют среднее значение
изобарной теплоемкости в интервале температур от
пользуют понятие полной теплоемкости массового расхода теплоносителя
или водяного эквивалента (Вт/К):
Из уравнения (6.2) следует, что
до
. При этом часто
77
Уравнение (6.4) показывает, что отношение изменений температур одно-
,Q k tF
(6.5)
фазных теплоносителей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов.
На рис. 6.5 приведены графики изменения температуры горячего и холодного теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при прямоточной и
противоточной схемах движения теплоносителей в зависимости от соотношения их водяных эквивалентов.
Рис. 6.5. Характер изменения температуры теплоносителей по длине
теплообменника при прямотоке и противотоке в зависимости
от соотношения водяных эквивалентов
При использовании уравнения теплопередачи можно определить значение поверхности теплообмена в теплообменном аппарате, так как этот параметр
входит в уравнение
78
где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.К); F– площадь поверхности теп-
12
1
,
11
k
(6.6)
0,5
нар вн
dd
12
,
max min
max min
, если / 2
2
a
tt
t t t
(6.7)
max min
max min
max
min
, если / 2 ,
ln
л
tt
t t t
t
t
(6.8)
a
t
л
t
max min
и tt
t
лообмена, м2; t – средняя разность температур между горячим и холодным
теплоносителями или средний температурный напор, °С.
Даже теплообменных поверхностей в виде трубы коэффициент теплопередачи часто рассчитывают по формулам теплопередачи для плоской стенки,
поскольку толщина стенок у этих труб мала:
где
водности стенки, Вт/(м·К);
– толщина стенки трубы, м; – коэффициент теплопро-
– коэффициенты теплоотдачи от горячего
теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м2·К).
Коэффициенты теплоотдачи, входящие в эту формулу, обычно рассчиты-
вают по критериальным зависимостям.
Среднюю разность температур для прямоточной и противоточной схем
движения теплоносителей рассчитывают по формулам:
или
где
– среднеарифметическая разность температур;
рифмическая разность температур;
мальная разность между температурами обоих теплоносителей на концах теплообменной поверхности (рис. 6.5).
На практике чаще используются противоточные схемы движения, поскольку при одинаковых температурах входящих и выходящих теплоносителей
при противотоке всегда больше, чем при прямотоке. Согласно формуле (6.5)
– среднелога-
– максимальная и мини-
79
это означает, что для передачи одного и того же теплового потока Q при проти-
' ' ' '
21
tt
воточной схеме потребуется теплообменник меньшей площади, чем при прямотоке. Еще одно преимущество противоточного теплообменника заключается в
том, что холодный теплоноситель в нем можно нагреть до температуры более
высокой, чем температура греющего теплоносителя на выходе
(см.
рис. 6.5). В прямоточном теплообменнике этого сделать невозможно.
Кроме прямоточной и противоточной схем часто встречаются перекрестные схемы. Средняя разность температур при перекрестном токе меньше, чем
при противотоке, но больше, чем при прямотоке. При расчете t для сложных
схем движения теплоносителей вначале определяют t в предположении, что
теплообменник противоточный, а затем вводят поправки, численное значение
которых берут для каждого конкретного случая из справочников.
6.3. Виды теплового расчета
теплообменных аппаратов
При конструктивном расчете теплообменного аппарата известны начальные и конечные параметры теплоносителей, и необходимо рассчитать поверхность теплообменного аппарата. Порядок выполнения такого расчета следующий.
1. Из балансового уравнения определяют мощность теплового потока Q2,
которую должен получить холодный теплоноситель от горячего.
2. Пользуясь справочной информацией, задаются скоростями течения
теплоносителей и конструктивными особенностями теплообменного аппарата
(диаметрами труб, проходными сечениями для теплоносителей).
3. По методике, изложенной в гл. 3, рассчитывают коэффициенты теплоотдачи, а затем по формуле (6.6) коэффициент теплопередачи k.
4. По формуле (6.8) определяют значение t.
5. Из уравнения теплопередачи (6.5) находят площадь F идеального теп-
лообменного аппарата.
80
6. Задаются значением коэффициента использования поверхности тепло-
F
F
обмена
аппарата F'=F/
и рассчитывают площадь поверхности реального теплообменного
.
7. По известной площади F' рассчитывают длину трубок теплообменного
аппарата.
При поверочном расчете известна его конструкция, т. е. задана площадь
поверхности теплообмена F', кроме того, заданы начальные параметры теплоносителей. Необходимо рассчитать конечные параметры, т. е. проверить пригодность данного теплообменного аппарата для определенного технологического процесса. Сложность расчета заключается в том, что уже в самом его
начале необходимо знать конечные температуры теплоносителей, поскольку
они входят как в уравнение теплового баланса, так и в уравнение теплопередачи. Кроме того, необходимо знание средних температур теплоносителей для
определения значений теплофизических параметров, входящих в используемые
уравнения.
Одним из методов поверочного расчета является метод последовательных
приближений. Для этого задаются конечной температурой одного из теплоносителей, по уравнению теплового баланса рассчитывают конечную температуру
второго и проводят конструктивный расчет. Если полученная в результате
площадь F' не совпадает с площадью поверхности имеющегося теплообменника, расчет проводят вновь, задаваясь другим значением температуры теплоносителя на выходе.
6.4. Задачи
Пример. В противоточном водяном маслоохладителе двигателя внутрен-
него сгорания масло охлаждается от 65 °С до 55 °С. Температура охлаждающей
воды на входе и выходе соответственно 16 °С и 25 °С. Расход масла 0,8 кг/с.
Определить необходимую поверхность теплопередачи охладителя и расход во-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]