Osnovy_teploperedachi_i_massoobmena_2015

Здесь

При проектировании новых аппаратов с толстой стенкой, имеющих цилиндрическую форму, рассчитывается площадь поверхности теплопередачи F1 или F2. Площадь поверхности теплопередачи такого аппарата F (м2) рассчитывается из основного уравнения теплопередачи

формуле (1.20)], и уравнения теплового баланса

Вт,

где и – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; – – изменение энтальпии горячего теплоносителя;

– – изменение энтальпии холодного теплоносителя.

1.5.3. Интенсификация процессов теплопередачи

Термин «интенсификация» означает увеличение теплового потока в процессе теплопередачи без увеличения площади поверхности аппарата:

Q KF tж 1 tж 2 ,Вт.

Последнее возможно путем увеличения коэффициента теплопередачи. В случае плоской стенки коэффициент теплопередачи рассчитывается по зависимости

12

-33 -

не сравняются по порядку ( 1 2 ). Дальнейшее увеличение К воз-

можно при одновременном увеличении 1 и 2 .

Приведенные рекомендации хотя и являются справедливыми, однако в реальных условиях не всегда выполнимы, особенно тогда, когда один из теплоносителей является газом с невысокой температурой. Например, если обдувать наружную поверхность батареи вынужденным потоком воздуха, то мы не можем получить значение коэффи-

1.5.4. Теплопередача через оребренную стенку

Допустим, что стенка с одной стороны имеет выступы – ребра. Форма ребер не обсуждается. Обозначим через F1 площадь поверхности гладкой части. Площадь поверхности ребристой стенки составит

Fр.с . F1 Fр . Коэффициент теплоот-

дачи со стороны гладкой части обозначим через α1,коэффициент теплоотдачи

со стороны ребер – через пр . Получим

формулу для теплового потока через такую стенку. Рис. 1.11 справедлив, ес-

ли 1 >> 2.

Тепловой поток в процессе теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности гладкой части стенки

При стационарном режиме тепловой поток путем теплопроводности составит

Тепловой поток от оребренной поверхности к потоку воздуха:

Решение этих уравнений совместно приводят нас к выражению

где пр – приведенный коэффициент теплоотдачи, который характе-

ризует интенсивность процесса теплоотдачи с поверхности гладкой части, интенсивность теплоотдачи с поверхности ребер и эффективность работы ребер

Эффективность работы ребер E является сложной функцией ряда переменных, максимальное значение которой Emax→1, если

отдачи – велико. Поэтому для его уменьшения необходимо увеличить площадь поверхности со стороны ребер, что учитывается коэффициентом оребрения

- 36 -

условий труда. В качестве материалов для тепловой изоляции используются материалы с малым значением коэффициента теплопроводности, не превышающим величины 0,2 Вт/ м·К.

В промышленности большинство аппаратов имеют цилиндрическую форму. При нанесении тепловой изоляции на аппараты цилиндрической формы следует иметь в виду, что увеличение толщины тепловой изоляции не всегда приводит к уменьшению потерь теплоты в окружающую среду. Поэтому проектирование тепловой изоляции, наносимой на теплообменные аппараты цилиндрической формы, начинают с выбора материала. Материал тепловой изоляции должен подбираться с учетом неравенства

2d2 ,

из 2

где d2 – диаметр аппарата, на который наносится тепловая изоляция

(рис. 1.12); α2– коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности тепловой изоляции в окружающую среду.

Выполним теоретическое обоснование выбора материала для тепловой изоляции, наносимой на теплообменные аппараты цилиндрической формы. Линейная плотность теплового потока в случае теплопередачи через цилиндрическую стенку со слоем изоляции запишется в виде

Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду ql необходимо, чтобы полное термическое сопротивление теплопередачи через цилиндрическую стенку со слоем изоляции

было больше полного термического сопротивления теплопередачи через цилиндрическую стенку без слоя изоляции:

называют критическим диаметром тепловой изоляции:

жающую среду необходимо сменить материал для тепловой изоляции,

неравенство не выполняется, поэтому необходимо сменить материал для тепловой изоляции. Например, выберем стеклянную вату, у которой

м К

– и теп-

- 40 -

ловая изоляция будет выполнять свою функцию.

1.7. Элементы классификации теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат – устройство, в котором теплота от потока горячего теплоносителя передается потоку холодного теплоносителя часто через разделяющую эти потоки стенку.

Теплообменные аппараты разделяют на следующие типы:

1.Рекуперативные, в которых перенос теплоты от одного теплоносителя к другому происходит через разделяющую их стенку. Такие аппараты, как правило, работают в стационарных условиях.

2.Регенеративные теплообменные аппараты, в которых теплота горячего теплоносителя вначале нагревает поверхность теплообменного аппарата и аккумулирует тепло горячего теплоносителя, затем горячий теплоноситель удаляется и на его место подается холодный теплоноситель, который воспринимает теплоту с уже нагретой поверхности. Аппараты этого типа работают в нестационарных условиях. Примером таких аппаратов являются различные воздухоподогреватели, например воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей.

Аппараты типов 1 и 2 относятся к теплообменным аппаратам, в

которых процесс теплопередачи неразрывно связан с поверхностью самого аппарата.

3. Смесительные теплообменные аппараты, в которых процесс теплопередачи между теплоносителями осуществляется за счет непосредственного контакта их и смешения. При смешении теплоносителей наряду с теплообменом имеет место и массообмен. Примером таких аппаратов являются градирни электростанций, в которых нагретая горячая вода, подаваемая на полочки градирни, частично испаряясь, соприкасается с атмосферным воздухом (рис.

внутренними источниками теплоты. В них, как правило, используется только один теплоноситель, который отводит теплоту, выделяющуюся в самом аппарате. Примером таких аппаратов являются электрические нагреватели излучения и ядерные реакторы.

1.7.1. Основы расчета теплообменных аппаратов

Следует различать два типа тепловых расчетов: конструкторский или проектный и поверочный расчет.

Конструкторский, или проектный, расчет выполняется при создании новых аппаратов. Главной целью такого теплового расчета является определение конечных размеров аппарата, то есть площади поверхности теплопередачи F (м2) и числа секций n. В данном случае тепловая производительность аппарата либо задана, либо может быть легко рассчитана по одному из теплоносителей.

Поверочный расчет выполняется для готового аппарата с целью, уточнения режима его работы. При этом необходимо рассчитать тепловую производительность аппарата Q (Вт) и конечные температуры теплоносителей .

Оба типа расчетов сводятся к совместному решению двух исходных уравнений – уравнения теплопередачи и уравнения теплового баланса:

(1.25)

В процессе теплопередачи горячий теплоноситель охлаждается, а холодный нагревается:

При этом подведенное тепло расходуется на изменение энтальпии h

запишем соотношение в виде

Вт.

Если теплота горячего теплоносителя целиком передается холодному теплоносителю, то

Знак минус показывает на то, что функция убывает. Уравнение теплового баланса с двумя теплоносителями может быть записано в виде