Методички для специальности "Машины и аппараты..." / Калишук_ПиАХТ_Ч

Основное уравнение теплопередачи устанавливает зависимость между количеством тепла, передаваемым от горячего к холодному теплоносителю, поверхностью теплоотдачи F, движущей силой процесса – разностью температур горячего t1 и холодного t2 теплоносителей и временем протекания процесса

где К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К).

Для стационарного теплообмена при условии постоянства температур теплоносителей вдоль всей поверхности, разделяющей их, можно записать, что тепловой поток пропорционален

(31.2)

Теплопередача при постоянной разности температур возможна, если оба теплоносителя меняют своѐ агрегатное состояние. Чаще всего оба теплоносителя или один из них в ходе процесса теплообмена меняют температуру. Поэтому в уравнении теплопередачи, представленном в интегральном виде, используется среднеинтегральное для всей поверхности теплообмена значение движущей силы

где KF – локальное значение коэффициента теплопередачи.

Величина коэффициента теплопередачи зависит от интенсивности теплоотдачи со стороны обоих теплоносителей, т. е. коэффициентов теплоотдачи

а также тепловой проводимости разделяющей их стенки .

( . (31.5)

Взаимосвязь коэффициента теплопередачи с коэффициентами теплоотдачи.

Рассмотрим следующую задачу. Горячий и холодный теплоносители,

Из приведѐнных уравнений видно, что теплопередачу лимитирует наибольшее термическое сопротивление. Коэффициент теплопередачи меньше по своей величине наименьшего из коэффициентов теплоотдачи, а также меньше величины тепловой проводимости стенки ⁄∑ Поэтому интенсифицировать теплопередачу следует, воздействуя в первую очередь на лимитирующую стадию, стадию с наибольшим термическим сопротивлением.

Для цилиндрической стенки, руководствуясь методикой, при помощи которой получено уравнение для плоской стенки, можно получить уравнение взаимосвязи коэффициента теплопередачи с коэффициентами теплоотдачи. Коэффициент теплопередачи Вт/м·К, отнесѐнный к единице длины цилиндрической стенки без учѐта термических сопротивлений загрязнений равен

Однако при толщине стенки, составляющей не более 15% от внутреннего диаметра достаточную точность при расчѐтах коэффициента теплопередачи даѐт более простое уравнение – уравнение для расчѐта коэффициента теплопередачи через плоскую стенку.

Теплопередача при переменных температурах теплоносителя. Средняя движущая сила теплопередачи.

Как указывалось ранее, часто при теплообмене температуры теплоносителей меняются вдоль поверхности их раздела. В непрерывных процессах теплообмена возможны прямоток (а), противоток (б), перекрѐстный ток (в) и смешанный ток (2) теплоносителей (см. схему)

Поэтому средняя движущая сила теплопередачи (средняя разность температур) зависит как от значений температур теплоносителей, так и от схемы их движения (температурной схемы).

Рассмотрим теплообмен, протекающий в стационарных условиях между двумя теплоносителями, движущимися прямотоком. Расходы горячего и

Тепловой баланс для теплообмена, протекающего в пределах элементарной

теплоносителей, изменяющих агрегатное состояние – при высокой удельной теплоте фазового перехода и плотности.

Теплоноситель должен обладать высокой транспортабельностью. В наибольшей мере этому требованию удовлетворяют текучие среды: жидкости, пары, газы. Желательно, чтобы текучий теплоноситель обладал низкой вязкостью, это обеспечит низкие значения затрат на его транспортировку.

Теплоноситель, обладающий высокими коэффициентами теплоотдачи, обеспечит снижение требуемых поверхностей теплообмена. Основными свойствами, определяющими высокие значения коэффициента теплоотдачи являются высокие теплопроводность, плотность и теплоѐмкость его, малая вязкость.

Теплоноситель должен быть безопасен в обращении: пожаровзрывобезопасен, нетоксичен, неагрессивен, некоррозионен. Он должен быть также химически и термически стоек, долговечен в использовании.

Вещества, используемые в качестве теплоносителей должны быть доступны и дешѐвы.

Основные нагревающие агенты и методы их использования

Самым древним теплоносителем являются топочные и дымовые газы. Топочные газы получают при сжигании различных топлив: природного газа, нефтепродуктов, каменного угля, горючих сланцев, дров и т. д. Технология получения топочных газов зависит от природы топлив. В качестве окислителя используется воздух. При этом топочные газы могут достигать температуры до 1700 – 1800 . Поэтому с помощью топочных газов можно осуществить нагрев других теплоносителей, тел до температуры 1300 – 1500 . При необходимости получения более высоких температур топочных газов применяют в качестве окислителя кислород или воздух, дополнительно обогащѐнный кислородом. За счѐт исключения или уменьшения доли газов, непосредственно не участвующих в химических взаимодействиях при горении, температура топочных газов может быть увеличена до 2500 и выше.

Топочные газы обладают невысокой теплопроводностью и уменьшают свою температуру при теплообмене. Поэтому процессы теплообмена с их участием необходимо вести при больших движущих силах ( не менее 50 -- 100 ) для обеспечения умеренных поверхностей теплообмена. Коэффициенты теплоотдачи от топочных газов невелики и, как правило, не превышают 60 Вт/(м2·К). При использовании топочных газов условия нагрева жѐсткие из-за больших перепадов температур.

Т.к. плотность и теплоѐмкость топочных газов невелики, транспортировка их на значительные расстояния экономически не выгодна. Поэтому их используют либо на месте получения для обеспечения проведения технологических процессов, либо для нагрева промежуточных теплоносителей (пара, воды и т. д.). В первом случае технологические установки снабжают топками.

Если топочными газами нагревают термочувствительные материалы, то их после топки охлаждают, разбавляя рециркулирующими отработанными газами или свежим воздухом. В топке же необходимо поддерживать соотношение расходов

топлива и окислителя, обеспечивающее оптимальные условия горения. Избыток окислителя к стехиометрическому расходу при сжигании газообразных топлив должен составлять , жидкого – до 10 %, твѐрдого – до 15%. Газообразное и пылевидное твѐрдое топливо сжигают в устройствах, называемых горелками, жидкое в топках распыляют форсунками. Кусковое твѐрдое топливо сжигают на колосниковых решѐтках.

Использование топочных газов вызывает выброс в окружающую среду продуктов сгорания и загрязнение еѐ СО2 ,СО, окислами азота, серы, золой и т. д. Значительное количество тепла теряется с отработанными топочными газами. Основным препятствием в утилизации тепла их при низких температурах является коррозионность, агрессивность. При охлаждении топочных газов повышается их влажность, влага, соединяясь с окислами, образует кислоты. Поэтому даже при рациональном использовании тепла топочных газов их температуру не следует снижать до 150

Достоинства топочных газов: доступность, дешевизна.

Вторым по распространѐнности греющим агентом является водяной пар. Он обладает очень высокой энергоѐмкостью (при конденсации 1 кг водяного пара выделяется до 2,25 МДж тепла), обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи, постоянство своей температуры при конденсации.

Основным недостатком водяного пара является то, что предел практического применения его ограничен 250 При дальнейшем увеличении температуры давление насыщенного водяного пара резко возрастает.

С целью снижения теплопотерь при транспортировке пар в котлах, где его получают, перегревают. Перед использованием в поверхностных теплообменниках он должен быть доведѐн до состояния насыщения за счѐт впрыска конденсата в пароулажнителях.

Расход глухого пара D (обогрев через стенку) составит

энтальпии пара и конденсата; степень сухости пара; удельная теплота конденсации.

При обогреве глухим паром важно обеспечить полную конденсацию пара в теплообменниках. С целью предотвращения проскока пара через линию отвода конденсата на этой линии устанавливают конденсатоотводчики. Присутствующие в паре неконденсирующиеся газы удаляют из зоны конденсации через воздушники для предотвращения ухудшения теплоотдачи.

Если допускается смешение конденсата греющего пара с нагреваемой средой, то эффективнее вести нагрев острым паром, паром, непосредственно вводимым в холодный теплоноситель. Ввод пара осуществляют через барботер, сопла и т. д. Расход острого пара D при этом

В качестве промежуточного греющего агента может быть использована горячая вода. Нагрев до 100 можно вести водой под небольшим избыточным давлением. Перегретая под давлением до 20 МПа вода может обеспечить нагрев до 350 Несомненные достоинства воды – высокая теплоѐмкость, теплопроводность, высокий коэффициент теплоотдачи. Недостатки воды как теплоносителя: изменение температуры вдоль поверхности установки, удорожание оборудования при нагреве водой свыше 100 Вода, используемая при температуре свыше 100 , должна быть обессолена и деаэрирована.

Минеральные масла используют при температурах ниже температуры их вспышки (как правило, до 300 . Достоинство – низкое давление паров. Недостатки: значительная вязкость, невысокая теплопроводность, сравнительно невысокие коэффициенты теплоотдачи. Минимальный температурный напор при

высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ) на основе дифенила. Они достаточно термостойки, малогорючи, малотоксичны, обладают невысокой вязкостью и давлением паров. Жидкие ВОТ при давлении до 1 МПа позволяют вести нагрев до 300 – 350 паровые – до 500

Для нагрева до температуры 500 – 550 могут использоваться расплавы солей и их смесей. Наиболее распространена легкоплавкая эвтектика – нитритнитратная смесь. Она обладает высокой теплопроводностью, при использовании достигаются большие коэффициенты теплоотдачи. Однако пожаро-взрывоопасна.

До температуры 300 нагрев может быть осуществлѐн жидкими металлами

– Na, K, Pb, Hg. Обеспечивают высокие коэффициенты теплоотдачи. Опасны, поэтому требуют высокой культуры производства.

Все указанные теплоносители, за исключением газов, являются промежуточными и многократно используются в циркуляционных системах (см. рисунок).

ТГ – топочные газы; ПТН и ПТО – промежуточный теплоноситель, нагретый и охлаждѐнный; НП – поток, подвергаемый нагреву.

Для нагрева до температуры, не превышающей 1000 , могут быть использованы электрические нагреватели сопротивления, до 400 индукционные.

Диэлектрические материалы могут быть нагреты токами высокой частоты, причѐм разогрев протекает равномерно по всему объѐму и с высокой скоростью. Нагрев до 2500 может быть осуществлѐн с помощью электрической дум.

Основные охлаждающие агенты и методы их использования

Различают охлаждение до обычных температур – температур не ниже температуры окружающей среды, и охлаждение до низких температур. Для охлаждения до обычных температур применяют в основном воду и воздух. Вода по сравнению с воздухом имеет лучшие теплотехнические показатели:

теплоѐмкость, теплопроводность и плотность еѐ выше, достигаются большие коэффициенты теплоотдачи.

Воду из естественных водоѐмов называют речной, еѐ начальная расчѐтная температура для климатических условий Беларуси составляет 10 – 15 Речная вода, используемая для охлаждения, проходит только очистку от грубых механических примесей. Из-за наличия солей жѐсткости перегрев еѐ недопустим. Поэтому конечная расчѐтная температура речной воды должна быть не выше 45 –

50

При больших расходах воды на охлаждение предприятия снабжены системами оборотного водоснабжения. Упрощѐнная схема системы оборотного водоснабжения представлена на рисунке. Вода, пройдя теплообменник 1 и нагревшись в нѐм подаѐтся насосом 2 в градирню 3. Градирня представляет собой теплообменник смешения, в котором противотоком движутся распыляемые вода и воздух, просасываемый осевым вентилятором, либо за счѐт естественной тяги. В градирне вода частично испаряется, и температура еѐ может достичь температуры точки росы. Охлаждѐнная в градирне вода направляется в теплообменники обратно для отбора тепла. Потери оборотной воды вследствие испарения восполняются по линии подпитки речной водой. Расчѐтная температура воды на выходе из градирни для Беларуси 20 – 25 на выходе из теплообменников – как и для речной воды.

При использовании речной воды можно охладить жидкие среды до температуры 20 – 25 газовые – до 35 – 40 При использовании оборотной воды жидкости охлаждают до 30 – 35 газы – до 45 – 50 Следует учитывать, что оборотная вода на порядок дешевле речной.

Воздух, как указывалось ранее, применяют для охлаждения оборотной воды в градирнях, для охлаждения воды при непосредственном контакте в оросительных теплообменниках. В поверхностных аппаратах воздушного охлаждения (АВО) с помощью воздуха охлаждают и конденсируют среды при

15 В циркуляционных системах от захоложенной, метанольной воды отбирают тепло в холодильниках, например, аммиачных.

Водные растворы хлористых солей обладают при значительных концентрациях низкой температурой замерзания. Минимальные значения температур замерзания для раствора NaCl – минус 21,2 (при концентрации 23,1% масс.), CaCl2 – минус 55 (при концентрации 29,9% масс.). При использовании указанных растворов (холодильных рассолов) можно достичь охлаждения других сред до температуры – 20

Широко применяется для получения низких температур жидкий кипящий аммиак (при атмосферном давлении кипит при – 34 В отличии от других хладоагентов, многократно использующихся в циркуляционных системах, его после испарения и отбора тепла, подвергают конденсации за счѐт компримирования, затем отводят тепло от жидкого аммиака.