1 сем / экз

9.Опишите механизм парообразования при кипении жидкости. Как изменяется температура в её объёме? Изобразите графики зависимости коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока от движущей силы теплоотдачи при кипении. В каком из режимов кипения целесообразно проводить процесс?

Кипение -процесс интенсивного испарения, сопровождающ парообр в массе жидкости. Необходимо, чтобы Тж была выше Тнасыщ пара и д.б. Центра парообр Объемное кипение возникает при значит

перегреве жидкой фазы относит Тнасыщ Интенсивность теплообмена при пленочном кипении меньше, чем при пузырьковом.

Вопросы 2:

1.Изобразите профиль температур в поперечном сечении круглой трубы при течении в ней не изотермического потока жидкости. Что называют среднемассовой температурой жидкости? Напишите уравнения теплоотдачи и теплопередачи.

Общее уравнение теплопередачи IδQ = Kt Td AdT

QI = KT TA

IKT = (α11 + ∑ λδctct + α12 )−1

Уравнение аддитиности. Уравнение теплопередачи

IδQ = α1 (T1 − Tct1)d A

IδQ = α2 (Tct2 − T2)d A

IKT(коэф теплопередачи)-опред кол-вотеплоты передаваемой от более нагретого тела к менее за ед вр ед поглощения поверх, разделяющей их поверхности при ед разности Межд теплонос

I (коэф теплоотдачи)- одр кол-во теплоты, кот теплоноситель отдает за ед вр ед полгащения поверх тела при единичной разнице Т теплонос и поверх

2.Что является движущими силами этих процессов? Приведите определения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи. Что называют средней движущей силой

теплопередачи? Какие виды взаимного направления движения теплоносителей Вам известны; какой из них и почему преимущественно используется на практике?

Средняя движу сила теплопередачисредняя разность температур между горяч и холод теплосистем.

Виды взаимного направления направления систем

•Прямоток

•Противоток

•Смешанный ток

•Перекрестный ток

3. С какой целью осуществляется тепловая изоляция трубопроводов и аппаратов? Какие требования предъявляются к теплоизоляционным материалам? Каковы особенности теплоизоляции цилиндрических труб малого диаметра?

•Обеспечение норм санитарных условий(пониж Т поверхность до 40 с для предотвращения термического ожога)

•Уменьшение потерь в окр среду

Тепл изоляция теплоустойчивого на открытом воздухе оборудования защищаемого покрытия от атмосферных осадков, ветра. Устройство тепл изоляции необходимо осуществить в соответсвии с строительными нормами.

Для труб малого диаметра возможно замерзание теплоносителя поэтому трубы необходимо обеспечить достаточным слоем изоляции.

Применяют материалы с низкой теплопроводностью(К<0,2 Вт/м*К)

4. Какой критерий теплового подобия является определяемым, а какие - определяющими при расчёте коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции? Каков физический смысл указываемых Вами критериев?

Критерий INu является определяемым (т.е. в который входит та величина которую надо найти. I всегда надо рассчитывать. Определяющие всегда задаются физическими величинами).

NuI = αλL

νdρ Cp μ

Определяющие : IRe = μ Pr = λ

Критрерий Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена на границе раздела фаз Критерий Пранделя характеризует поле теплофизических величин потока жидкости. Критерий Рейнольдса характеризует соотношение сил энергии и вязкости

7.Как влияет взаимное расположение гладких труб в трубном пучке на величину коэффициента теплоотдачи при их поперечном обтекании потоком жидкости?

Процесс теплоотдачи еще более усложняется, если в поперечном потоке жидкости имеется не одна, а целый пучок (пакет) труб. По такому принципу построены большинство теплообменных аппаратов (радиаторы автомобиля). Применение пакетов труб позволяет создавать больше поверхности теплообмена при малых габаритах аппарата.

Характер движения жидкости, а следовательно и теплоотдача пакетов тру во многом зависит от их компоновки. По расположению труб пучки разделяются на коридорные и шахматные. Геометрическими характеристиками пучка является наружный диаметр трубок d и

Условия омывания первого ряда трубок в обоих случаях близки к омыванию одиночной трубки. Для последующих же рядов характер омывания существенно омывается.

Вкоридорном пучке все трубки второго и последующих рядов находятся в вихревой зоне впереди стоящих, между трубками по глубине пука получается застойная зона с относительно слабой циркуляцией жидкости. Поэтому здесь как лобовая, так и кормовая части трубок омываются менее интенсивнее, чем у одиночных трубок или трубок первого ряда.

Вшахматном пучке омывание глубоко расположенных трубок мало чем отличается от омывания первого ряда.

Такие режимы обтекания пучков труб накладывают своё влияние на изменение местного коэффициента теплоотдачи по поверхности трубок различных рядов.

Для первого ряда коридорных и шахматных пучков изменение α по окружности трубы носит такой же характер, как и для одиночной трубы.

Для второго и последующих рядов коридорного пучка max α находится не в лобовой точке, а под углом 500 от нее (т.е. в той точке, где происходит удар набегающих струй). Лобовая часть

непосредственному омыванию потоком не подвержена. В шахматных пучках max теплоотдачи для всех рядов труб приходиться на лобовую точку.

Вообще в пучках труб α зависит от скорости потока, физических свойств жидкости, расположения трубок и числа рядов.

На основе обобщения опытных данных было установлено, что теплоотдача первого ряда в пучке труб определяется начальной турбулентностью потока. Теплоотдача второго и третьего

рядов по сравнению с первым возрастает. Если теплоотдачу третьего ряда принять за 100%, то в шахматном и коридорном пучках теплоотдача первого ряда составит 60%, а второго в коридорном – 90%, в шахматном – 70%.

Причиной возрастания теплоотдачи является увеличение турбулентности потока при прохождении его через пучок. Начиная с третьего ряда турбулентность потока принимает стабильный характер, присущий данной компоновке пучка.

Установлено, что по абсолютному значению теплоотдача в шахматных пучках выше, чем в коридорных, что обусловлено лучшим перемешиванием жидкости в них αш> αк.

Для расчетов коэффициентов теплоотдачи в пучках труб рекомендовано следующее уравнение подобия:

С=0,23; n=0,65 – для коридорного пучка С=0,41; n=0,6 – для шахматного пучка

Это уравнение применимо для расчета всех жидкостей и газов при значениях от 103<Re<2*105. Для воздуха и 2-х атомных газов оно примет вид:

- коридорные пучки

- шахматные пучки (8а)

Вкачестве определяющей температуры в них принята средняя температура жидкости в пучке tж :

tж=0,5(t’+t”),

где t’ - температура жидкости на входе в пучок t”- температура жидкости на выходе из пучка.

Вкачестве определяющего линейного размера используется внешний диаметр труб.

Уравнения (8) и (8а) позволяют определить коэффициент теплоотдачи α для третьего и последующего рядов труб. Для труб первого ряда полученная величина умножается но коэффициент 0,6 (60%), а для тркб второго ряда на 09 (90%) для коридорного пучка и 0,7(70%) для шахматного.

Средняя величина для пучка в целом определяется по формуле:

(9)

где α1; α2… αn- коэффициенты теплоотдачи по рядам F1; F2… Fn - площади поверхностей труб в рядах

n - число рядов если F1= F=2…= Fn,

(9а)

Полученная величина αпуч относится к случаю набегания потока на пучок при угле атаке φ=900. Если φ<900, то полученную величину αпуч умножают на множитель ε’φ<1 для пучка, отличную от εφ для одиночной трубы. Учитывая особую важность поперечного обтекания пучков, для тепловых машин и аппаратов рассмотрим небольшой числовой пример

Воздухонагреватель предполагается выполнить из труб диаметром 38 мм, распложенных в коридорном порядке число труб в одном ряду 8, число рядов 5. Температура воздуха поступающего в подогреватель 200С, на выходе 800С. Температура стенок труб 1500С. Какой длины должны быть трубы, чтобы при скорости воздуха в узком сечение пучка ω=10 м/c тепловой поток составил бы Q=112 КВт

d = 38 t’=200C t”=800C tcт=1500C ω=10 м/c Q=112КВт

l-?

1) Найдем определяющую температуру tж=0,5(20+80)=500C средняя температура воздуха в пучке.

2)По определяющей температуре воздуха найдем его физические параметры (по таблицам)

λж=2,43·10-2 Вт/мК υж=17,95·10-6 м2/с 3)Определяем число Рейнольдса

Re=(ωd)/υ=(10·0,038)/17,95·10-6=21200

4)По формуле для коридорного пучка (8а) находим число Нуссельта (т.к. 103<Re<2·105) Nuж=0,216Re0,65=0,216·212000,65=136

5)Определим коэффициент теплоотдачи для 3,4,5 рядов α3,4,5=Nuж(λ/d)=136(2,43·10-2/0,038)=87 Вт/м2К

6)Определим α для 1 – ого и 2 – ого рядов α1= α3,4,5·0,6=87·0,6=52,2 Вт/м2К

α2= α3,4,5·0,9=87·0,9=78,3 Вт/м2К

7)Определим средний коэффициент теплоотдачи для пучка, т .к. F1=F2=…=F5 формула (9) упрощается

8)Определим плотность теплового потока в пучке q=α(tc-tж)=78,5(150-50)=7850 Вт/м2

9)Определим потребную поверхность трубок

10)Определим длину трубок у воздухонагревателя

z=8·5=40- число трубок.

8.В каком случае имеет место плёночная, а каком - капельная конденсация пара? Какое термическое сопротивление лимитирует перенос теплоты при плёночной конденсации? Как влияет наличие неконденсирующихся газов в паре на величину коэффициента теплоотдачи?

Конденсация представляет собой процесс перехода пара или газа в жидкое (твердое) состояние. Процесс конденсации возможен только при докритическом состоянии пара или газа. Этот процесс может быть осуществлен либо сжатием, либо охлаждением пара. Он всегда связан с отводом теплоты.

Конденсация может происходить как в объеме пара, так и на охлаждаемой поверхности теплообмена.

На практике процесс конденсации встречается в: 1)конденсаторах паровых турбин; 2)теплообменниках холодильных установок; 3)пароводяных теплообменных аппаратах;

4)опреснителях, устройствах для перегонки жидкостей в химической промышленности и т.п. Число факторов, влияющих на процесс передачи тепла при конденсации, значительно больше, чем в случаях теплообмена без измерения агрегатного состояния. Так, например, при конденсации важное значение имеют физикохимические свойства

поверхности тела, причем в сочетании с физикохимическими свойствами самой среды. Учет всех этих факторов является очень трудным, как в теоретическом, так и экспериментальном плане.

В энергетике, других областях техники чаще встречается конденсация пара на охлаждаемых поверхностях теплообмена. Конденсация пара на твердой поверхности теплообмена происходит в том случае, когда температура этой поверхности меньше температуры насыщения при данном давлении, т.е.

tстtн

На поверхности стенки при конденсации, образуется либо пленка, либо капли конденсатора, т.е. в данном случае мы имеем дело не только с теплообменом, но и массообменом.

Если жидкая конденсированная фаза образуется на поверхности в виде устойчивой пленки, то такая конденсация называется - пленочной, если в виде отдельных капель -капельной.

Пленочная конденсация имеет место в случае смачивания поверхности конденсатом, капельная - в случае не смачивания. Капельная конденсация - явление более предпочтительное. Для водяного пара, например, капельная конденсация может быть в том случае, если поверхность теплообмена покрытакаким-либожиром, маслом, топливом. Коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации примерно на порядок выше, чем при пленочной. Однако для водяного пара капельная конденсация - неустойчивое явление, т.к. жировая или масляная пленка смывается. Для ртути, например, капельная конденсация является основным видом (в бинарных установках).

При капельной конденсации пар соприкасается непосредственно со стенкой, в то время как при пленочной образуется пленка конденсата является дополнительным термическим сопротивлением. Для организации капельной конденсации на стенку наносят специальные вещества (Иногда их вводят в пар).

На практике в основном встречается пленочная конденсация.

При пленочной конденсации все тепло, выделяющееся на внешней границе пленки, отводится к поверхности охлаждения.

R конд=Rтерм спор пл+Rтерм сопр на гр раздела фаз. Почти в е терм сопр сосредоточенно в пленке конденсатора Если в паре содержится 1% неконд газов, то коф теплоотдачи уменьши в 2,5 раза

9.В каком случае коэффициент теплоотдачи будет иметь большее значение: при пузырьковом или при плёночном режиме кипения? Ответ обоснуйте соответствующим графиком.

Кипение – это процесс интенсивного парообразования за счет подвода теплоты к кипящей жидкости.

Для возникновения кипения необходимо, чтобы температура жидкости была выше температуры насыщения пара, а также наличие центров парообразования. Различают кипение на поверхности нагрева и кипение в объеме жидкости. Кипение на твердой поверхности идет с образованием паровой фазы в отдельных местах поверхности обогрева и обусловлено подводом теплоты к жидкости от соприкасающейся с ней поверхностью. Объѐмное кипение возникает при значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения. Наиболее важным в химической технологии видом кипения является кипение на поверхности.

Механизм кипения на поверхности сложнее, чем при обычной конвекции. Перенос теплоты и массы осуществляется пузырьками пара из пограничного слоя в объѐм жидкости. Интенсивность теплоотдачи очень велика.

Различают два режима кипения: пузырьковый I и пленочный II.

В области АВ перегрев жидкости мал (I T ≥ 5K), мало число активных центров парообразования, интенсивность теплообмена низка.

При дальнейшем повышении I T увеличивается число активных центров парообразования, и коэффициент теплоотдачи резко возрастает (отрезок ВС). Эту область называют областью пузырькового или ядерного кипения. Этот режим работы является основным для промышленных теплообменников-кипятильников.

При дальнейшем увеличении I T происходит слияние пузырьков пара на поверхности нагрева. Поверхность как бы покрывается пленкой пара, плохо проводящей теплоты. Это - область пленочного кипения. Коэффициент теплоотдачи резко снижается ( в десятки раз). Совершенно очевидно, что пленочный режим кипения крайне нежелателен.

Значения I T, коэффициента теплоотдачи и удельной тепловой нагрузки, соответствующие переходу от пузырькового режима к пленочному, называют критическими. В специальной литературе приводятся эмпирические зависимости, а также опытные данные, позволяющие определить эти критические значения.

Скорость переноса теплоты при кипении зависит от многих разнообразных факторов (физических свойств жидкости, давления, температурного напора, свойств

материала поверхности нагрева и многих других), учесть влияние которых на процесс и свести их в единую зависимость крайне сложно. Поэтому в литературе приводятся рекомендации многих авторов, которые на основе различных физических моделей получили расчетные зависимости для определения коэффициента теплоотдачи при кипении.

Часто эти зависимости имеют следующий вид: Iαkun = Aq0,6 (13.17) Коэффициент А - сложный комплекс многих величин, влияющих на интенсивность переноса теплоты при кипении.

Поскольку в настоящее время нет достаточно надежных обобщенных уравнений для расчета I при кипении, решая конкретную задачу определения коэффициента теплоотдачи при кипении, следует обращаться к специальной литературе.

10.Назовите области применения водяного пара как теплоносителя, его преимущества и недостатки по сравнению с другими теплоносителями. Какой пар - насыщенный или перегретый - преимущественно используется на практике?

Водяной пар явл наиболее распространенным теплоносителем в хим пром. На практике вод пар использ при 100-190 с Достоинства:

• Высокий коэф теплоотдачи от конд пара к стенке (5000-15000 Вт/MI 2K)

•Большое кол-во теплоты, выделенное при конд пара(2000-3000 кДж/кг)

•Возможность транспортировать на значит расстояния(при этом пар должен быть перегрет на 15-20К)

•Равномерность обогрева, Т конд пара постоянна по всей длине аппарата

•Возможность регулирования температуры пара путем изменения давления

•Водяной пар не токсичен, экология безопасен, не горюч и не взрывоопасен

Недостатки

•Значит возрастание давления с увеличением температуры вследствие того, что испльзование пара высоких температур возможно только на оборудовании, рассчитанных на высокое давление, что ограничивает применение вод пара

На практике используют насыщу вод пар, тк он легко конденсирует и отдает тепло

11.Каковы достоинства и недостатки использования топочных газов в качестве теплоносителя для подвода теплоты?

Достоинства:

•Наиболее высокий из всех теплоносителей интервал температур(для топоч газов 400-4000с)

•Относительно низкая стоимость, благодаря получению непосредственно сжиганием топлива

Недостатки :

•Малая удельная объемная теплоемкость( 1,5 кДж/MI 3K),что вызывает необходимость пропускания больших объемов газов

•Низкие коэф теплоотдачи(менее 50 Вт/MI 2K), что приводит к необходимости возд в аппаратах больших площ пов

•Неравномерность нагрева и плотность регулирования нагрева

•Коррозия стенок аппарат вследствие высоких Т и содерж коррозионно активных в-в

•Загрязн поверх теплопередачи продуктами сгорания

•Экологическая токсичность

12.Назовите известные Вам высокотемпературные промежуточные теплоносители. Укажите области и способы их применения.

•Вода (при высоком давлении)

•Минеральные масла

•Высокотемп орг темплонос(ВОТ)

13.Сопоставьте воду и воздух как теплоносители для отвода теплоты. Какие Вам известны способы экономии воды как охлаждающего теплоносителя?

Воздух

Достоинства:

•доступность(чаще всего не требует дон очистки и подготовки)

•Дешевизна

•Не загрязняет поверхность аппаратов

Недостатки :

•Необдимо прокачивать значительные объемы

•Низкий коэф теплоотдачи

Вода

Достоинства :

•Низкая стоимость

•?

•Высокий коэф теплоотдачи

•Не токс, экологичен Недостатки :