Уравнение теплопередачи при переменных температурах теплоносителей

Основы защиты воздушного бассейна (стр. 12 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Рисунок 4.11 — К выводу уравнения теплопередачи через плоскую стенку

Полученные выражения могут быть представлены в виде:

Сложив эти уравнения, получим:

(4.46)

При τ =1 множитель

Аналогично для цилиндрической стенки получаем:

(4.47)

При определении КЦ необходимо учитывать, с какой стороны цилиндра, проходит теплоноситель. Пример расчёта кожухотрубчатого теплообменника приведен в приложении В.

Теплопередача при переменных температурах теплоносителя

Процессы теплопередачи при постоянных температурах (как в случае плоской, так и цилиндрической стенок) распространены очень мало. Наиболее часто теплопередача протекает при переменных температурах теплоносителей.

Температуры теплоносителей обычно изменяются вдоль поверхности F разделяющей их стенки. При этом температуры теплоносителей могут оставаться постоянными во времени и выражаться зависимостью t=f(F), что характеризует установившиеся процессы теплообмена.

При неустановившихся процессах теплообмена возможны два случая:

температуры в каждой точке поверхности стенки изменяются только во времени, тогда t = φ(τ), такой случай возможен, например, при обогреве хорошо перемешиваемой жидкости через стенку насыщенным водяным паром, температуры теплоносителей изменяются и во времени и вдоль поверхности теплообмена t = φl(τ, F).

Теплопередача при переменных температурах зависит от направления движения теплоносителей. Возможны следующие варианты направления движения жидкостей друг относительно друга вдоль разделяющей их стенки:

1) параллельный ток, или прямоток (см. рисунок 4.12,а);

2) противоток (см. рисунок 4.12,6);

3) перекрестный ток (см. рисунок 4.12,в);

4) смешанный ток (простой (см. рисунок 4.12,г) и многократный (см. рисунок 4.12,д)).

Движущая сила процессов теплопередачи при переменных температурах изменяется в зависимости от вида взаимного направления движения теплоносителей. Поэтому выражение средней движущей силы (∆ср ) в общем уравнении теплопередачи также будет зависеть от относительного направления движения теплоносителей и характера организации процесса теплопередачи (непрерывный или периодический).

Уравнение теплопередачи при прямотоке и противотоке

Рисунок 4.12 — Схема направления движения жидкостей 1 и 2 при теплообмене

Пусть с одной стороны стенки (см. рисунок 4.13) движется G1 более нагретого теплоносителя, имеющего теплоемкость С1. С другой стороны стенки в том же направлении движется G2 более холодного теплоносителя с теплоемкостью С2. Допустим, что теплоемкости постоянны и теплообмен между движущимся прямотоком теплоносителями происходит только через

разделяющую их стенку (поверхностью F). Процесс теплопередачи является установившимся. По мере протекания теплоносителей вдоль стенки их температуры будут изменяться вследствие теплообмена. Соответственно будет меняться и разность температур ∆t. Температуры теплоносителей обычно изменяются вдоль поверхности F. На поверхности dF (см. рисунок 4.12) более нагретый теплоноситель охлаждается на dt1 холодный теплоноситель нагревается на dt2.

Рисунок 4.13 — Изменение температуры теплоносителей при параллельном токе

Уравнение теплового баланса для элемента поверхности dF имеет вид

где W1 и W2 водяные эквиваленты, равные:

Знак « — » указывает на охлаждение более нагретого теплоносителя в процессе теплообмена, следовательно,

и

Сложим эти выражения и обозначим . Тогда получим

Разделим переменные и проинтегрируем полученное выражение в пределах изменения ∆t вдоль всей поверхности теплообмена

При этом принимаем K=const.

где ∆tH — начальная разность температур (на одном конце

∆tK — конечная разность температур (на противоположном конце

Уравнение теплового баланса для всей поверхности теплообмена примет вид

и

Подставим выражение т в уравнение. При этом получим:

(4.48)

Сравнивая Q с основным уравнением теплопередачи, находим:

(4.49)

Из уравнения следует, что

Путем рассуждений, аналогичных приведенным выше, может быть получено уравнение теплопередачи для противотока жидкостей, подобное уравнению (4.49). Однако при противотоке теплоносителей (см. рисунок 4.13) уравнение теплопередачи имеет вид

Рисунок 4.14 — Противоток теплоносителей

4.5. Нагревание, охлаждение и конденсация

В процессе очистки газов широко распространены тепловые процессы — нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменниками называют аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда, и отдающие тепло, принято называть нагревающими агентами, а теплоносители с

более низкой температурой, чем среда, от которой они воспринимают тепло, — охлаждающими агентами.

В качестве прямых источников тепла используют главным образом дымовые газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку теплообменника нагреваемой среде, носят название промежуточных теплоносителей. К числу распространенных промежуточных теплоносителей (нагревающих агентов) относятся водяной пар и горячая вода, а также так называемые высокотемпературные теплоносители — перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости (и их пары), расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы.

В качестве охлаждающих агентов для охлаждения до обыкновенных температур (10. 30 °С) применяют в основном воду и воздух.

Выбор теплоносителя зависит в первую очередь от требуемой темпе­ратуры нагрева или охлаждения и необходимости ее регулирования. Кроме того, промышленный теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных его расходах. Соответственно он должен обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования. Желательно также, чтобы теплоноситель был негорюч, нетоксичен, термически стоек, не оказывал разрушающего влияния на материал теп­лообменника и вместе с тем являлся бы достаточно доступным и дешевым веществом.

Во многих случаях экономически целесообразным оказывается утили­зация тепла некоторых полупродуктов, продуктов и отходов производства, которые используются в качестве теплоносителей в теплообменных аппаратах.

6.4.1 Нагревающие агенты и способы нагревания

Нагревание водяным паром

Одним из наиболее широко применяемых греющих агентов является насыщенный водяной пар. Это объясняется существенными достоинствами его как теплоносителя. В результате конденсации пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе пара, так как теплота конденсации его составляет приблизительно 2,26∙103 Дж/кг (540 ккал/кг) при давлении 9,8∙104 Н/м2. Вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление переносу тепла со стороны пара мало. Это позволяет проводить процесс нагревания при малой поверхности теплообмена.

Важным достоинством насыщенного пара является постоянство температуры его конденсации (при данном давлении), что дает возможность точно поддерживать температуру нагрева, а также в случае необходимости регулировать ее, изменяя давление греющего пара.

При использовании тепла парового конденсата к. п. д. нагревательных паровых устройств довольно высок. Пар удовлетворяет также другим требованиям, предъявляемым к теплоносителям (доступность, пожаробезопасность и др.).

Основной недостаток водяного пара — значительное возрастание давления с повышением температуры. Вследствие этого температуры, до ко­торых можно производить нагревание насыщенным водяным паром, обычно не превышают 180. 190 °С, что соответствует давлению пара 1,0. 1,2 МПа. При больших давлениях требуется слишком толстостенная и дорогостоящая теплообменная аппаратура, а также велики расходы на коммуникации и арматуру.

Тепло перегрева пара мало по сравнению с его теплотой конденсации, а объем пара на единицу отдаваемого тепла значительно больше, чем для насыщенного пара, что приводит к увеличению диаметра паропроводов. Чтобы избежать увеличения расходов на транспортирование теплоносителя, перегретый пар увлажняют, смешивая его с горячей водой. При этом пар дополнительно испаряет некоторое количество воды и направляется в насыщенном состоянии в теплоиспользующие аппараты.

Ввиду того, что тепло перегрева относительно мало, коэффициенты теплоотдачи от перегретого пара значительно ниже, чем от насыщенного, и перегрев пара требует дополнительных затрат, перегретый водяной пар редко применяют в качестве нагревающего агента. Иногда используют небольшой перегрев его для компенсации тепловых потерь в подводящих паропроводах.

Нагревание горячей водой

Горячая вода в качестве нагревающего агента обладает определенными недостатками по сравнению с насыщенным водяным паром. Коэффициенты теплоотдачи от горячей воды, как и от любой другой жидкости, ниже, чем коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара. Кроме того, температура горячей воды снижается вдоль поверхности теплообмена, что ухудшает равномерность нагрева и затрудняет его регулирование.

Горячую воду получают в водогрейных котлах, обогреваемых топоч­ными газами, и паровых водонагревателях (бойлерах). Она нагревается обычно до температур не более 100 °С. Для температур выше 100 °С в качестве теплоносителя используют воду, находящуюся под избыточным давлением. Для нагревания водой применяют главным образом циркуляционные системы обогрева, которые описаны ниже.

В некоторых случаях для нагрева используют конденсат водяного пара.

Нагревание топочными газами

Дымовые или топочные газы относятся к давно применяемым нагревательным агентам. Топочные газы не потеряли своего значения до настоящего времени, так как позволяют осуществлять нагревание до высоких температур, достигающих 1000°С, при незначительном избыточном давлении в теплообменнике (со стороны газов). Наиболее часто топочные газы используют для нагрева через стенку других нагревательных агентов — промежуточных теплоносителей.

Наиболее существенными недостатками топочных газов являются: неравномерность нагрева, обусловленная охлаждением газа в процессе теплообмена, трудность регулирования температуры обогрева, низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к стенке [не болееВт/м2К)], возможность загрязнения нагреваемых материалов продуктами неполного сгорания топлива (при непосредственном обогреве газами). Значительные перепады температур между топочными газами и нагреваемой средой создают «жесткие» условия нагревания, которые недопустимы для многих продуктов и могут вызвать их перегрев.

Из-за относительно низкой удельной теплоемкости топочных газов их объемные расходы велики и транспортирование требует значительных затрат. Поэтому топочные газы обычно используют непосредственно на месте их получения.

Топочные газы получают, сжигая в топках печей твердое, жидкое или газообразное топливо. Кроме того, экономически целесообразно применение в качестве греющих агентов отходящих газов некоторых химических и других производств; температура этих газов достаточно высока и иногда достигает 500. 600 °С.

Нагревание перегретой водой

В качестве нагревательного агента перегретая вода используется при давлениях, достигающих критического (22,1 МН/м2) которому соответствует температура 374 °С. Поэтому с помощью перегретой воды возможно нагревание материалов до температур, не превышающих приблизительно 350 °С. Однако обогрев перегретой водой связан с применением высоких давлений, что значительно усложняет и удорожает нагревательную установку и повышает стоимость ее эксплуатации. Поэтому в настоящее время он вытесняется более экономичными способами нагрева другими высокотемпературными теплоносителями.

Для нагрева перегретой водой и другими жидкими теплоносителями используют установки с естественной и принудительной циркуляцией.

В установке с естественной циркуляцией (рисунок 4.12,а) жидкость заполняет нагревательную систему, состоящую из змеевика 1, обогреваемого в печи топочными газами, и теплоиспользующего аппарата 2, соединенных

подъемным трубопроводом 3 и опускным трубопроводом 4. Нагретая в змеевике 1 жидкость поднимается по трубопроводу 3, отдает тепло среде, нагреваемой в аппарате 2, и сама охлаждается. При этом ее плотность возрастает и жидкость возвращается в печь по трубопроводу 4 для последующего нагревания в змеевике 1. Таким образом, движение жидкости в замкнутом циркуляционном контуре происходит под действием разности плотностей нагретой и охладившейся жидкости.

Для того, чтобы свести к минимуму коррозию труб и устранить выделе­ние неконденсирующихся газов, ухудшающих теплообмен, всю нагрева­тельную систему заполняют дистиллированной водой, не допуская попа­дания в систему воздуха при ее заполнении и разогреве.

Расчет установок с естественной циркуляцией жидкого нагревающего агента ведут, исходя из равенства движущего напора в контуре и гидрав­лического сопротивления контура

(4.50)

а также равенства количества тепла Q, отданного нагревающим агентом в единицу времени и воспринятого в теплообменном аппарате

(4.51)

где h — разность уровней рабочей части теплообменного аппарата и змеевика в генераторе тепла, которая принимается равной разности отметок их средних сечений; g — ускорение свободного падения; ρ1, ρ2 — плотности нагревающего агента в подъемной и опускной трубах при температурах t1 и t2 соответственно (t1 > t2); G — расход циркулирующего нагревающего агента; I1 и I2— энтальпии теплоносителя в подъемной и опускной трубах; К, — коэффициент теплопередачи; F — поверхность теплообмена; tпр — температура нагреваемого продукта.

С помощью уравнений (4.50) и (4.51), а также с учётом уравнения Бернулли для определения гидравлического сопротивления контура, можно рассчитать диаметр d трубопровода и расход G любого жидкого нагревающего агента при естественной циркуляции.

Из правой части уравнения (4.50) видно, что движущий напор возрастает с увеличением h и разности плотностей нагретой и охладившейся жидкостей. Поэтому при обогреве с естественной циркуляцией теплоиспользующие аппараты располагают не менее чем на 4. 5 м выше печи или другого нагревательного устройства. Таким образом, общая высота

нагревательной установки должна быть весьма значительной. Однако даже в этих условиях скорость жидкости при естественной циркуляции мала, и поэтому тепловая производительность установок с естественной циркуляцией невелика.

Нагревание электрической дугой

Нагревание производят в дуговых печах, где электрическая энергия превращается в тепло за счет пламени дуги, которую создают между электродами. Над нагреваемым материалом либо помещают оба электрода, либо устанавливают над материалом один электрод, а сам материал выполняет роль второго электрода. Электрическая дуга позволяет сосредоточить большую электрическую мощность в малом объеме, внутри которого раскаленные газы и пары переходят в состояние плазмы. В результате удается получить температуры, достигающие 1500°С.

Дуговые печи применяют для получения карбида кальция и фосфора; крекинга углеводородов; в металлургии их широко используют для плавки металлов. В качестве нагревательных устройств такие печи не применяют вследствие неравномерности обогрева и трудности регулирования температуры нагрева.

6.4.2 Охлаждающие агенты, способы охлаждения и конденсации

Охлаждение до обыкновенных температур

Для охлаждения до обыкновенных температур (примерно до°С) наиболее широко используют доступные и дешевые охлаждающие агенты — воду и воздух. По сравнению с воздухом вода отличается большой теплоемкостью, более высокими коэффициентами теплоотдачи и позволяет проводить охлаждение до более низких температур.

В качестве охлаждающего агента применяют речную, озерную, пру­довую или артезианскую (получаемую из подземных скважин) воду. Если по местным условиям вода дефицитна или ее транспортирование связано со значительными расходами, то охлаждение производят оборотной водой — отработанной охлаждающей водой теплообменных устройств. Эту воду охлаждают путем ее частичного испарения в открытых бассейнах или чаще всего — в градирнях путем смешения с потоком воздуха и снова направляют на использование в качестве охлаждающего агента.

Достигаемая температура охлаждения зависит от начальной темпера­туры воды. Речная, озерная и прудовая вода в зависимости от времени года имеет температуру 4. 25 °С, артезианская вода 8. 15 °С и оборотная вода приблизительно 30°С (в летних условиях). При проектировании

теплообменной аппаратуры следует принимать в качестве расчетной начальную температуру воды для наиболее неблагоприятных (летних) условий с тем, чтобы обеспечить надежную и бесперебойную работу теплообменных устройств в течение всего года. Температура воды, выходящей из теплообменников, не должна превышать 40. 50 °С (в зависимости от состава воды), чтобы свести к минимуму выделение растворенных в воде солей, загрязняющих теплообменные поверхности и снижающих эффективность теплообмена.

Расход W воды на охлаждение определяют из уравнения теплового ба­ланса

(4.52)

где G — расход охлаждаемой среды;

с — средняя удельная теплоемкость этой среды;

сВ — удельная теплоемкость воды;

tН, tК — начальная и конечная температуры охлаждаемой среды;

t1, t2 — начальная и конечная температуры охлаждающей воды.

Вода используется для охлаждения главным образом в поверхностных теплообменниках (холодильниках). В таких холодильниках вода движется обычно снизу вверх для того, чтобы конвекционные токи, обусловленные изменением плотности теплоносителя при повышении температуры, совпадали с направлением его движения. Вода применяется также в теплообменниках смешения, например, разбрызгивается в потоке газа для охлаждения и увлажнения.

Когда температура охлаждаемой среды превышает температуру ки­пения воды при атмосферном давлении, охлаждение проводят при частичном испарении воды, что позволяет снизить расход воды на охлаждение. Такое испарительное охлаждение является по существу не только тешюобменным, но и массообменным процессом.

Испарительное охлаждение осуществляют в оросительных холодиль­никах, градирнях и других теплообменных аппаратах, причем образующийся в последних пар иногда используют в качестве низкотемпературного греющего агента.

Атмосферный воздух, несмотря на относительно низкие коэффициенты теплоотдачи, находит в последнее время все большее распространение в качестве охлаждающего агента. Для улучшения теплообмена отвод тепла воздухом осуществляется при его принудительной циркуляции с помощью

вентиляторов и увеличении поверхности теплообмена со стороны воздуха, например, путем ее оребрения. Опыт показывает, что при исполь­зовании воздушного охлаждения, например, в крупных промышленных конденсаторах паров, затраты и, следовательно, стоимость энергии на принудительную циркуляцию воздуха могут быть меньше расходов, свя­занных с водяным охлаждением, и воздушное охлаждение оказывается экономичнее водяного. Кроме того, применение воздушного охлаждения позволяет снизить общий расход воды, что особенно важно при ограничен­ности местных водяных ресурсов.

Воздух как охлаждающий агент широко используют в смесительных теплообменниках — градирнях. Они представляют собой полые башни, в которых сверху распыляется вода, а снизу вверх движется нагнетаемый вентиляторами воздух. Для увеличения поверхности контакта между водой и воздухом в градирне помещают насадку, например, деревянную хордовую насадку.

Охлаждение до низких температур

Для достижения температур более низких, чем можно получить с помощью воды или воздуха (например, 0°С), при условии, что допустимо разбавление среды водой, охлаждение проводят путем введения льда или холодной воды непосредственно в охлаждаемую жидкость.

Количество льда Gл (кг), потребное для охлаждения, определяется из уравнения теплового баланса

(4.53)

где G — масса охлаждаемой жидкости, кг;

Св — удельная теплоемкость воды;

с — удельная теплоемкость охлаждаемой жидкости, кДж/(кг×К);

tК, tn — конечная и начальная температуры охлаждаемой жидкости, °С;

335,2 кДж/кг — теплота плавления льда.

Вода, образовавшаяся в результате плавления льда, принимает конеч­ную температуру охлаждаемой жидкости.

Для охлаждения до значительно более низких температур, чем 0 °С, применяют холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей (например, аммиака), сжиженные газы (СО2, этан и др.) или холодильные рассолы. Эти агенты используют в специальных холодильных установках, где при их испарении тепло отнимается от

охлаждаемой среды, после чего пары сжижаются путем компрессии или абсорбируются и цикл замыкается.

Конденсация пара (газа) может быть осуществлена либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Далее рассмотрены только процессы конденсации, прово­димые путем охлаждения паров водой и холодным воздухом.

Конденсацию паров можно использовать в процессах очистки, а также для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, обычно отводят из аппарата, где они образуются, в отдельный закрытый аппарат, служащий для конденсации паров — конденсатор, охлаждаемый водой или воздухом.

Объем получаемого конденсата в тысячу и более раз меньше объема пара, из которого он образовался. В результате в конденсаторе создается разреженное пространство, причем разрежение увеличивается с умень­шением температуры конденсации. Последняя, в свою очередь, тем ниже, чем больше (при прочих равных условиях) расход охлаждающего агента и ниже его конечная температура.

Одновременно с процессом конденсации в рабочем пространстве кон­денсатора происходит накопление воздуха и других неконденсирующихся газов, которые выделяются из жидкости, а также проникают через не­плотности аппаратуры из окружающего воздуха. По мере накопления неконденсирующихся газов и возрастания их парциального давления’ уменьшается разрежение в аппарате. Поэтому для поддержания вакуума на требуемом уровне необходимо непрерывно отводить из конденсатора неконденсирующиеся газы. Обычно эти газы откачивают с помощью вакуум-насоса. Одновременно вакуум-насос предотвращает колебания давления, обусловленные изменением температуры охлаждающего агента. По способу охлаждения различают конденсаторы смешения и поверхностные конденсаторы.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и получаемый конденсат смешивается с последней. Конденсацию в таких аппаратах обычно проводят в тех случаях, когда конденсируемые пары не представляют ценности. При этом для улучшения теплообмена между водой и паром поверхность соприкосновения между ними увеличивают путем распределения воды в паровом пространстве в виде капель, струек и т. д.

В зависимости от способа отвода воды, конденсата и неконденсирую­щихся газов конденсаторы смешения делятся на мокрые и сухие. В мокрых конденсаторах вода, конденсат и газы откачиваются одним и тем же мокровоздушным вакуум-насосом. В сухих, или барометрических, конденсаторах вода и конденсат удаляются совместно самотеком, а газы откачиваются отдельно посредством сухого вакуум-насоса.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внешних или внутренних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Таким образом, получаемый конденсат и охлаждающий агент отводятся из конденсатора раздельно, и конденсат, если он представляет ценность, может быть использован. Так, поверхностные конденсаторы зачастую применяют в тех случаях, когда снижение и охлаждение конечного продукта, получаемого, например, в виде перегретого пара, являются завершающей операцией производственного процесса.

Вместе с тем поверхностные конденсаторы более металлоемки, чем конденсаторы смешения, а следовательно, более дороги и требуют больших расходов охлаждающего агента. Последнее объясняется тем, что стенка, разделяющая участвующие в теплообмене среды, оказывает добавочное термическое сопротивление. Это вызывает необходимость повышения средней разности температур.

В качестве поверхностных конденсаторов в принципе могут быть использованы теплообменники различных типов, но наиболее часто при­меняют трубчатые и оросительные холодильники-конденсаторы.

6.4.3 Конструкции теплообменных аппаратов

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена (глухую стенку);

2) теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Значительно реже применяются в химической промышленности ре­генеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами (насадкой), заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теплоносителем.

Поверхностные теплообменники наиболее распространены, и их конст­рукции весьма разнообразны. Рассмотрим наиболее распространенные.

Кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. На рисунке 4.15 показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 8. К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред I движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая II — в межтрубном пространстве.

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, — в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные» зоны.

Трубы в решетках обычно равномерно размещают по периметрам правильных шестиугольников, т. е. по вершинам равносторонних треугольников (рисунок 4.16,а), реже применяют размещение труб по кон­центрическим окружностям (рисунок 4.16,6). В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рисунок 4.16,в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель — обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников.

Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой, причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки. Кроме того, используют закрепление труб сваркой, если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой, применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников, допускающих свобод­ное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.

РисунокКожухотрубчатые одноходовой (а) и многоходовой (б) теплообменники:

/—корпус (обечайка); 2 — трубные решетки; 3—трубы; 4 — крышки; 5 — перегородки

в крышках; 6 — перегородки в межтрубном пространстве

РисунокСпособы размещения труб в теплообменниках’.

а—по периметрам правильных шестиугольников; б—по концентрическим окружностям;

в—по периметрам прямоугольников (коридорное расположение)

Пример расчета теплообменника представлен в приложении В.

ПРАВИЛА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

УСТАНОВОК ОЧИСТКИ ГАЗА
I. Общие положения

1.1. Эти Правила разработаны в соответствии с Законами Украины “Об охране окружающей природной среды” и “Об охране атмосферного воздуха”, постановлений Кабинета Министров Украины “Об утверждении Положения о Министерстве охраны окружающей природной среды Украины” и “Об утверждении Положения о Государственной экологической инспекции”.
1.2. В этих Правилах термины употребляются в таком значении:
многоступенчатая установка очистки газа — установка, которая состоит из двух или более аппаратов очистки газа, что работают последовательно;
газопиловий поток — газ, содержащий загрязняющее вещество или загрязняющие вещества в любом агрегатном состоянии и организованно отводится от источника образования загрязняющих веществ и (или) стационарного источника загрязнения атмосферы;
государственный инспектор по охране окружающей природной среды — Главный государственный инспектор Украины по охране окружающей природной среды и его заместители, главные государственные инспекторы по охране окружающей природной среды Автономной Республики Крым, областей, городов Киева и Севастополя и их заместители, главные государственные инспекторы по охране окружающей природной среды Черного, Азовского морей и их заместители, старшие государственные инспекторы по охране окружающей природной среды и государственные инспекторы по охране окружающей природной среды, старшие государственные инспекторы по охране окружающей природной среды соответствующей территории и государственные инспекторы по охране окружающей природной среды соответствующей территории;
загрязняющее вещество — вещество химического или биологического происхождения, или поступает в атмосферный воздух и может прямо или косвенно оказывать негативное влияние на здоровье человека и состояние окружающей природной среды;
концентрация загрязняющего вещества — количество загрязняющего вещества, которое содержится в единице объема газа, который поступает в атмосферный воздух, мг/м3;
массовый расход загрязняющего вещества (мощность выброса) — количество вещества, выбрасываемого в атмосферный воздух за единицу времени, г/с, кг/ч, т/год;
массовая концентрация загрязняющего вещества — отношение массы загрязняющего вещества к объему выделенного при отборе пробы газа, мг/м3;
объемный расход газопылевого потока — отношение объема газопылевого потока к единице времени, м3/с;

Теплопередача при переменных температурах теплоносителей

В технике наиболее часто процессы теплообмена протекают при изменении температуры теплоносителей либо по поверхности теплообмена (Dt/д = 0 и T = (F), либо по поверхности и во времени одновременно . В первом случае процесс является стационарным, во втором — нестационарным. При этом большое влияние на процесс теплообмена оказывает относительное движение теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена различают следующие схемы относительного движения теплоносителей (рис. 11-16): 1) Прямоток (или Параллельный ток), При котором теплоносители движутся в одном и том же направлении (рис. 11-16,а); 2) Противоток, При котором теплоносители движутся в противоположных направлениях (рис. 11-16,6); 3) Перекрестный Ток, При котором теплоносители движутся по отношению друг к другу во взаимо перпендикулярном направлении (рис. 11-16, В); Смешанный ток ( простой — рис. 11-16,г и Многократный – рис.11.16,д), при котором один теплоноситель движется в одном направлении, а другой — попеременно как прямотоком, так противотоком.

Относительное движение теплоносителей существенное влияние сказывает на величину движущей силы процесса теплообмена.

Будем рассматривать установившийся процесс теплопередачи. При этом температуры в каждой точке стенки не меняются во времени, но изменяются вдоль ее поверхности. Полагаем, что теплоёмкости теплоносителей не зависят от температуры, т. е. с= const.

Предположим, что теплоносители движутся Прямотоком (рис.11—17,А). Через элементарную площадку dF в единицу времени проходит теплота dQ в количестве (пренебрегая изменением вдоль этой поверхности температуры теплоносителей), определяемом формуле

DQ=KdF t. (11.76)

Из теплового баланса следует: для более нагретого теплоносителя dQ = — G1c1dt1 (причем знак минус указывает на снижение величины dt1), а для менее нагретого dQ = G2C2Dt2. Отсюда Dt, = -dQ/(G1c1); Dt2 = DQ/(G2c2).

Рис. 11-17. К выводу уравнения теплопередачи при переменных температурах теплоносителей: а-при прямотоке; б-при противотоке

Изменение температурного напора

Dtl — Dt2= — DQ/(Glcl) — dQ/(G2c2) = — dQ = — dQm,

D(t1-t2)=d( t)= — dQm,

С учетом выражения (11.76)

D( f)= —MKdF t.

Разделив переменные, проинтегрируем полученное выражение

От t н до tк и от 0 до F:

= —MK .

Ln( ) = —MKF, (11.77)

Где и — соответственно начальная и конечная разности температур (см. рис, 11-19) между теплоносителями (на концах теплообменника).

Из уравнения (11.77) следует, что

Е-mKF, (11.78)

Т. е. при прямотоке температуры теплоносителей изменяются криволинейно.

Для всей поверхности теплопередачи F Тепловой поток Q Можно определить по формулам

.

Подставив последнее выражение для величины Т В уравнение (11.77), получим

Переписав это уравнение относительно теплового потока, имеем:

(11.79)

Сопоставляя уравнения (11.730 и (11.79), можно заключить, что отношение

(11.80)

В Уравнении (11.79) является новым выражением движущей силы процесса теплопередачи, или среднего температурного напора, представляющего собой Среднелогарифмическую разность темпеPАтур; Уравнение теплопередачи в этом случае приобретает вид (I 1.2а):

Q = KF .

Это уравнение получено при условии К = const, но в действительности коэффициент теплопередачи зависит от температуры. Поэтому следует иметь в виду, что в уравнение (11.2а) подставляют среднее (по всей поверхности теплообмена) значение коэффициента теплопередачи, определяемое по выражению (11.72). Чем меньше интервал изменения температур теплоносителей, тем меньше изменение их физических свойств, а следовательно, и меньше изме­нение коэффициента теплопередачи вдоль поверхности теплообмена.

Для Противотока (рис. 11-17,6), используя методику вывода уравнения (11.2а) для прямоточного движения теплоносителей, по пучим следующее уравнение:

Q = KF (11.81)

Где -большая и меньшая разности температур теплоносителей на концах теплообменников.

Таким образом, средняя движущая сила при противотоке

(11.82)

Рис. 11-18. К определению движущей силы процесса теплопередачи при смешанном токе теплоносителей

При отношении

Процессы и аппараты упаковочного производства

Виды мешков и их особенности

Для переноса, транспортировки и складирования разных сыпучих материалов чаще всего используются именно мешки. Это практичная и вместе с ним доступная тара. Для изготовления изделий применяют разные материалы, но самым популярным …

Фото и пояснение к видео упаковочного аппарата(формирователя пакетов)

Фото к этому видео:

Упаковочные материалы оптом

Упаковка играет важную роль при хранении, транспортировке и продаже любой продукции. Электроника и бытовая техника, одежда, обувь и товары пищевой промышленности – все они должны быть упакованы в соответствии с …

Продажа шагающий экскаватор 20/90

Цена договорная
Используются в горнодобывающей промышленности при добыче полезных ископаемых (уголь, сланцы, руды черных и
цветных металлов, золото, сырье для химической промышленности, огнеупоров и др.) открытым способом. Их назначение – вскрышные работы с укладкой породы в выработанное пространство или на борт карьера. Экскаваторы способны
перемещать горную массу на большие расстояния. При разработке пород повышенной прочности требуется частичное или
сплошное рыхление взрыванием.
Вместимость ковша, м3 20
Длина стрелы, м 90
Угол наклона стрелы, град 32
Концевая нагрузка (max.) тс 63
Продолжительность рабочего цикла (грунт первой категории), с 60
Высота выгрузки, м 38,5
Глубина копания, м 42,5
Радиус выгрузки, м 83
Просвет под задней частью платформы, м 1,61
Диаметр опорной базы, м 14,5
Удельное давление на грунт при работе и передвижении, МПа 0,105/0,24
Размеры башмака (длина и ширина), м 13 х 2,5
Рабочая масса, т 1690
Мощность механизма подъема, кВт 2х1120
Мощность механизма поворота, кВт 4х250
Мощность механизма тяги, кВт 2х1120
Мощность механизма хода, кВт 2х400
Мощность сетевого двигателя, кВ 2х1600
Напряжение питающей сети, кВ 6
Более детальную информацию можете получить по телефону (063)0416788

Уравнение аддитивности термических сопротивлений.

Лекция 11

Автор Моргунова Е.П.

Теплопередача в поверхностных теплообменниках

В поверхностных теплообменниках перенос тепла от более нагретого к менее нагретому теплоносителю происходит через разделяющую их стенку. В некоторых теплообменных аппаратах температура теплоносителей не меняется вдоль поверхности теплопередачи (например, испарители, в которых более нагретый теплоноситель конденсируется при постоянной температуре, а менее нагретый кипит при постоянной температуре). В основе расчета поверхности таких теплообменников лежит основное уравнение теплопередачи:

Движущая сила , в данном случае определяется как разница между температурой конденсации и температурой кипения теплоносителей.

Значительно чаще встречаются теплообменные аппараты в которых температуры теплоносителей изменяются вдоль поверхности теплообменников (например, подогреватели, холодильники, конденсаторы и др.) Основное уравнение теплопередачи в этом случае имеет вид:

Расчет средней движущей силы при переменных температурах теплоносителей будет рассмотрен ниже.

Рассмотрим перенос тепла от более нагретого к менее нагретому теплоносителю в поверхностных теплообменниках. Тепловой поток Q пропорционален движущей силе , поверхности теплопередачи F и обратно пропорционален общему термическому сопротивлению R (рис.1).

, где К – коэффициент теплопередачи.

Общее термическое сопротивление можно представить в виде суммы сопротивлений отдельных стадий переноса тепла:

Рис.1 . Перенос тепла через стенку в поверхностных теплообменниках.

— сопротивление теплоотдачи со стороны более нагретого теплоносителя;

— коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке ;

— сопротивление стенки;

; и — теплопроводность стенки и её толщина;

— сопротивление теплоотдачи со стороны менее нагретого теплоносителя;

— коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю

Теплопередача при постоянных температурах теплоносителей.

Уравнение аддитивности термических сопротивлений.

Определим количество тепла, передаваемого в единицу времени от более нагретого теплоносителя к менее нагретому через многослойную стенку (рис. 2) при установившемся процессе. Предположим, что стенка состоит из двух слоев: первого слоя толщиной и теплопроводностью и второго слоя толщиной и теплопроводностью

.

Рис.2. Профиль температур при переносе тепла через многослойную стенку.

Температуры по поверхности со стороны более и менее нагретых теплоносителей постоянны. Поверхность теплопередачи F.

Количество тепла, передаваемого от более нагретого теплоносителя к стенке за период времени равно:

Q= F

То же самое количество тепла передается посредством теплопроводности через каждую стенку:

Q= F

Q= F

Количество тепла, отдаваемого стенкой менее нагретому теплоносителю за период времени :

Q= F

Из представленных уравнений выразим термические сопротивления:

= =

= =

и — термические сопротивления более нагретой и менее нагретой сред;

и — термические сопротивления стенок.

Сложим полученные уравнения и представим их относительно теплового потока Q:

Сравним полученное уравнение с основным уравнением теплопередачи:

, где K – коэффициент теплопередачи;

Получим: , где — общее термическое сопротивление R.

Полученное уравнение называют уравнением аддитивности термических сопротивлений.