Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплотехника. Учебное пособие
.pdf
111
2
t
t
верхностью теплообмена служит именно поверхность этой
насадки.
12.2. Расчетные уравнения
Рассмотрим принцип расчета рекуперативных теплообменников, наиболее широко применяющихся в технологических
аппаратах. При тепловых расчетах теплообменных аппаратов
определяют либо поверхность F (м2) теплообмена, либо мощность теплового потока Q (Вт) и температуру нагреваемого теп-
лоносителя
Для решения этих задач используют уравнения теплового
баланса и теплопередачи:
уравнение теплопередачи
на выходе.
Q = КF
; (12.1)
ср
уравнение теплового баланса с однофазными тепло- и
хладоносителями (жидкость-жидкость):
Q – Q
= Glcp1(t
окр
/
1
– t
//
) = G2cp2(t
1
//
/
– t
), (12.2)
2
2
где Q – количество тепла, отданное горячим и принятое холод-
ным теплоносителем, Вт;
К – средний для всей поверхности теплообменника коэффи-
циент теплопередачи, Вт/(м2·К);
t– средний температурный напор между теплоносителями
в теплообменнике, К;
F – площадь теплопередающей поверхности теплообменни-
ка, м2;
Q
t
– потери тепла в окружающую среду, Вт;
окр
/
//
/
, t
и t
1
1
//
, t
– температура горячего и холодного теплоно-
2
2
сителя на входе и выходе из теплообменника.
Величина Gcp = W называется водяным эквивалентом. При
Q = 0:
/
//
//
(t
– t
) / (t
1
1
2
– t
/
) = W2 /W
2
1.
112
Чем больше водяной эквивалент, тем меньше изменяется
температура теплоносителя при прохождении через теплообменник.
Уравнение теплового баланса (пар – пар):
Q = G1(h
/
где h
//
,h
– энтальпия горячего теплоносителя на входе и выхо-
1
1
де из теплообменника;
/
//
h
,h
– энтальпия холодного теплоносителя на входе и вы-
2
2
ходе из теплообменника.
Характер изменения температурного напора зависит не
только от тепловых сред, но и от схемы их движения.
В зависимости от направления движения теплоносителей
относительно друг друга бывают схемы движения прямоточные
(а), противоточные (б), перекрестного тока (в) и смешанного
типа (г) (рис. 12.1).
/
1
– h
//
) = G2(h
1
//
/
– h
), (12.3)
2
2
Рис. 12.1. Схемы движения теплоносителей
в теплообменных аппаратах
12.3. Схема рекуперативного теплообменника «труба
в трубе» и характер изменения температуры
теплоносителей вдоль его поверхности
Для прямоточной схемы движения теплоносителей (рис.
12.2, а)
113
.
;
21
21
ttt
ttt
м
б
м
б
мб
t
t
tt
t
ln
Если tб / tм 2, то средний арифметический температур-
ный напор равен:
t = (tб + tм)/2. (12.4)
Рис. 12.2. Характер изменения температурного перепада:
а – при прямотоке; б – при противотоке
Если tб/tм 2, то средний логарифмический темпера-
турный напор равен:
(12.5)
Для противоточной схемы движения теплоносителей (рис.
12.2, б)
114
.
;
21
21
ttt
ttt
м
б
t
Дальнейший расчет осуществляется так же, как и для
прямоточной схемы.
12.4. Виды теплового расчета теплообменников
Наиболее простым является конструктивный расчет теп-
лообменника, при котором известны начальные и конечные параметры теплоносителей и необходимо рассчитывать поверхность теплообменника, т.е. фактически сконструировать теплообменник. Порядок выполнения такого расчета:
– из балансового уравнения определяют мощность теплового потока Q, которую нужно передать от горячего теплоносителя к холодному;
– пользуясь рекомендациями специальной литературы по
теплообменным аппаратам, задаются скоростями течения теплоносителей и конструктивными особенностями теплообменника (диаметрами трубок, проходными сечениями для теплоносителей);
– по методике, изложенной в гл. 9, рассчитывают коэффициенты теплоотдачи, а затем по формуле (11.6) – коэффициент
теплопередачи к;
– по формуле (12.5) определяют значение
– из уравнения теплопередачи (12.1) находят площадь поверхности теплообмена F;
– по известной площади F рассчитывают длину трубок
теплообменника.
При поверочном расчете известны конструкция теплооб-
менника и начальные параметры теплоносителей. Необходимо
рассчитать конечные параметры, т.е. проверить пригодность
теплообменника для имеющихся условий. Сложность расчета
заключается в том, что уже в самом его начале необходимо
знать конечные температуры теплоносителей, поскольку они
;
115
входят как и в уравнение теплового баланса, так и в уравнение
теплопередачи. При средней температуре, которую не найти без
знания конечных, берутся параметры теплоносителей в расчетах
коэффициентов теплоотдачи.
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
расчета площадь F не совпадает с площадью поверхности имеющегося теплообменника, расчет проводят вновь, задаваясь
другим значением температуры теплоносителя на выходе.
116
Часть вторая
ХОЛОДИЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Холодильная техника – это отрасль науки, занимающаяся изучением вопросов, связанных с охлаждением самых различных тел и поддержанием температуры в пространстве или
веществе ниже температуры окружающей среды.
Если температура тела выше температуры окружающей
среды, такое тело называют горячим, теплым или нагретым, а
самопроизвольное понижение его температуры до температуры
окружающей среды называют естественным охлаждением.
Понижение температуры тела ниже температуры окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а
само тело в этом случае называют холодным.
Искусственное охлаждение можно осуществлять двумя
способами:
1) с помощью другого вещества (тела), имеющего более
низкую температуру, и передачей тепла при изменении его агрегатного состояния (охлаждение водным льдом);
2) с помощью специальных охлаждающих устройств – холодильных машин и установок.
Различают две области холодильной техники по их темпе-
ратурному уровню:
– область умеренного холода (холодильная техника) –
диапазон от температуры окружающей среды (которую условно
считают равной 20 0C) до –120 0C;
– область глубокого холода (криогенная техника) – от –120 0C
до абсолютного нуля (нуля Кельвина) –273,15 0C.
Под телом следует понимать любое вещество независимо
от его агрегатного состояния.
117
Глава тринадцатая
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ
НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
13.1. Охлаждение за счет фазовых превращений
Для отвода теплоты от охлаждаемой среды в холодильной
технике используют следующие фазовые превращения.
Таяние водного льда и раствора солей. При превращении
1 кг льда в воду можно отвести 335 кДж теплоты, но теоретическим пределом понижения температуры охлаждаемой среды
(вещества) будет 0 °С.
Для достижения более низких температур используют
льдосоляные смеси. Наиболее низкая температура смеси определяется криогидратной точкой, когда в термодинамическом
равновесии находятся лед, соль и рассол (раствор). Этой точке
соответствует эвтектическая концентрация соли.
Значения низких температур и скрытой теплоты плавления будут зависеть от вида соли и ее концентрации.
Использование соли хлористого натрия (NaCl) позволяет
понизить температуру плавления льдосоляной смеси до –21,2 °С
при содержании соли 23,1 %. При этом скрытая теплота плавления будет равна 236,1 кДж/кг. Применяя в смеси с водным
льдом хлористый кальций (СaCl2) (29,9 %), можно понизить
температуру плавления смеси до –55 °С. Скрытая теплота плавления этой смеси будет равна 214 кДж/кг.
Сублимация сухого льда в качестве источника холода
предпочтительнее, так как отсутствие жидкой фазы (воды и раствора соли) позволяет избежать коррозии металлических элементов оборудования и необходимости удаления теплого рассола.
При атмосферном давлении сублимация сухого льда происходит при температуре –78,5 °С, а удельная теплота сублимации равна 574 кДж/кг. Но не следует при этом забывать о стоимости сухого льда.
Использование в качестве источника холода жидкого
азота (N2) также имеет свои достоинства. Нормальная темпера-
118
тура кипения жидкого азота (при атмосферном давлении) равна
–196 °С. Он не ядовит, не взрывоопасен. Удельная (скрытая)
теплота парообразования – около 200 кДж/кг, а с учетом теплоты, отводимой при нагревании холодного пара, общая отводимая теплота составляет около 400 кДж/кг. В последнее время
жидкий азот используют так же, как и сухой лед, в специальных
скороморозильных аппаратах для замораживания
Испарение – процесс парообразования, происходящий на
свободной поверхности жидкости и сопровождающийся понижением ее температуры ниже окружающей. В холодильной технике
этот эффект используют в градирнях – специальных аппаратах для
охлаждения воды, а также в испарительных конденсаторах.
При атмосферном давлении и температуре воды 0 °С
скрытая теплота испарения приблизительно равна 2500 кДж/кг.
Кипение – процесс интенсивного парообразования на по-
верхности нагрева при подводе теплоты. Получение низких
температур в результате использования процесса кипения
нашло наиболее широкое распространение. Температура кипения вещества зависит от давления: с уменьшением давления
температура кипения понижается и наоборот. Следовательно, с
помощью одного вещества можно получить интервал низких
температур, а выбирая вещества с нужными свойствами – любую из низких температур. Эффект отвода теплоты от охлаждаемой среды в процессе кипения жидкости при низких температурах широко используют в парокомпрессионных машинах. Такую, кипящую при низкой температуре, жидкость называют холодильным агентом (хладагентом), аппарат, где происходит этот
процесс, называют испарителем.
13.2. Адиабатное дросселирование
Адиабатное дросселирование – необратимое расширение
газа (жидкости) при его прохождении через устройство с малым
проходным сечением (дроссель, пористая перегородка). Это
один из основных процессов, протекающих в парокомпрессионной холодильной машине. Сущность его заключается в том, что
при прохождении жидкого хладагента через узкое сечение в ре-
119
гулирующем вентиле под действием разности давлений в конденсаторе и испарителе падение давления сопровождается понижением температуры всего потока.
Хладагент дросселируется мгновенно, и теплообмена
между ним и окружающей средой не происходит. Следовательно, это адиабатный процесс, и понижение температуры хладагента происходит в результате того, что при увеличении скорости движения в узком сечении внутренняя энергия молекул возрастает, и повышенное внутримолекулярное трение приводит к
тому, что часть жидкости переходит в парообразное состояние.
При этом температура всего потока понижается до температуры
кипения хладагента в испарителе.
Таким образом, после регулирующего вентиля хладагент
поступает в испаритель в виде парожидкостной смеси, и только
часть циркулирующего хладагента в действительности кипит в
испарителе и производит охлаждение. Эта величина, называемая
удельной холодопроизводительностью q0 ,будет меньше, чем
величина скрытой теплоты парообразования при данной температуре кипения.
13.3. Адиабатное расширение газа
с совершением внешней работы
Получение низких температур в результате адиабатного
расширения газа с отдачей полезной внешней работы возможно
при любом состоянии газа, так как температура изменяется в
сторону понижения. Кроме того, в отличие от дросселирования
величина понижения температуры газа при прочих равных
условиях больше и эффект возможен для идеального газа.
Адиабатное расширение газа в детандере (расширительная машина) используют в воздушных и газовых холодильных машинах, работающих в области глубокого холода.
13.4. Вихревой эффект
При подаче сжатого воздуха, имеющего температуру
окружающей среды, по тангенциальному вводу в трубу скорость
120
вращения воздуха будет обратно пропорциональна радиусу.
Центральная часть потока будет обладать большей скоростью,
чем периферийная. В связи с этим температура воздуха у стенки
трубы будет выше, а в центре – ниже, чем температура подаваемого в трубу воздуха.
Разделяя периферийную и центральную части потока,
можно получить потоки воздуха с низкой и высокой температурами. Это явление называется эффектом Ранка.
13.5. Термоэлектрический эффект
Заключается в том, что при прохождении постоянного
электрического тока через цепь, состоящую из двух разнородных металлов, один из спаев имеет низкую температуру, а другой – высокую.
Основными преимуществами термоэлектрических охлаждающих устройств (ТОУ) по сравнению с парокомпрессионными холодильными машинами является их надежность и бесшумность. Однако удельное электропотребление ТОУ в 4-5 раз
больше. Поэтому они находят применение в термостатах, небольших охладителях жидкости, бытовых холодильниках малой
емкости и специальных кондиционерах.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]