1 Основы теории теплообмена. Роль тепловых процессов и аппаратов. Виды теплообмена и теплообменных процессов. Основные теплофизические свойства веществ

Название	1 Основы теории теплообмена. Роль тепловых процессов и аппаратов. Виды теплообмена и теплообменных процессов. Основные теплофизические свойства веществ
Дата	24.02.2023
Размер	7.02 Mb.
Формат файла
Имя файла	shpory_piakht.docx
Тип	Документы #953140
страница	2 из 5

1 2 3 4 5

11 Промышленные теплоносители. Классификация промышленных теплоносителей и общие требования, предъявляемые к ним. Основные нагревающие агенты и методы их использования. Основные охлаждающие агенты и методы их использования.

Промышленные теплоносители - ряд материалов, функцией которых при протекании технологических процессов является только перенос тепла. Теплоносители, отдающие тепло, называют греющими или нагревающими агентами.

В промышленности используют: жидкие, паровые, газовые и твёрдые теплоносители. Они могут быть различны по химическому составу: неорганические, органические, соли, металлы и т. д.

Требования: теплоноситель должен обеспечивать нагрев или охлаждение технологического потока до заданной температуры; должен обладать высокой энергоёмкостью, должен обладать высокой транспортабельностью; высокий коэффициент теплоотдачи, высокая теплопроводность, плотность и теплоёмкость, малая вязкость теплоносителя; должен быть безопасен в обращении; пожаро- и взрывобезопасен, нетоксичен, неагрессивен ; химически и термически стоек, долговечен в использовании, должен быть доступным и дешевым.

Основные греющие теплоносители

-топочные (дымовые) газы. Топочные газы получают при сжигании различных топлив: природного газа, нефтепродуктов, каменного угля, горючих сланцев, дров и т. д. Топочные газы обладают невысокой теплопроводностью и, отдавая тепло, значительно уменьшают свою температуру. Поэтому процессы теплообмена с их участием экономически целесообразно вести в жестких условиях нагрева рабочих тел или других теплоносителей, т. е. при больших разностях температур (как правило, не менее 50 – 100). Достоинства топочных газов: доступность, дешевизна.

-водяной пар. Он обладает очень высокой энергоёмкостью, обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи, имеет постоянную температуру при конденсации. Основным недостатком водяного пара является то, что предел практического применения его ограничен. При дальнейшем увеличении температуры давление насыщенного водяного пара резко возрастает

-перегретая и горячая вода. Перегретая вода имеет давление до 20 МПа, используя ее можно обеспечить нагрев технологических сред, материалов до температуры порядка 350ºC. Горячая вода имеет температуру не выше 100ºC и находится под небольшим избыточным давлением. В основном горячая вода используется для нужд теплофикации при непосредственном обогреве жилых и производственных помещений. Достоинствами воды как теплоносителя являются ее высокие теплоёмкость, теплопроводность, коэффициент теплоотдачи. Недостатки воды как теплоносителя следующие: изменение температуры вдоль поверхности установки, удорожание оборудования из-за повышения требований к нему.

Основные охлаждающие агенты:

Для охлаждения до обычных температур применяют в основном воду и воздух.

Вода -по сравнению с воздухом имеет лучшие теплотехнические показатели: высокие теплоёмкость, теплопроводность и плотность, достижение намного больших коэффициентов теплоотдачи. Воду из естественных водоёмов называют речной, её начальная расчётная температура для климатических условий Беларуси составляет от 10 до 15ºC.

Речная вода, используемая для охлаждения, проходит очистку только от грубых механических примесей.

12 Кожухотрубчатые теплообменники. Теплообменник типа «труба в трубе»

При относительной простоте конструкции они обладают достаточно большой удельной поверхностью теплообмена. Cамый простой из них – одноходовый по трубному и межтрубному пространству теплообменника с неподвижными трубными решётками. При этом между теплоносителями осуществляется теплообмен (горячий теплоноситель отдаёт тепло холодному через стенки труб)

Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головой 1 – кожух; 2 – трубная решетка; 3 – трубы; 4 – крышка; 5 и 6 – штуцера трубного пространства; 7 и 8 – штуцера межтрубного пространства; 9 – перегородка в распределительной камере; 10 – крышка плавающей головы; 11 – трубная решетка плавающей головы. И – испаритель; К – конденсатор; Х – холодильник; Т – теплообменник; Н – с неподвижным закреплением труб; К – с линзовым компенсатором на кожухе; У– с U-образными трубами; П – с плавающей головой; В – вертикальный; Г – горизонтальный.

Кожухотрубчатый теплообменник с U–образными трубами 1 – кожух; 2 – трубная решетка; 3 – U–образные трубы; 4 – крышка; 5 и 6 – штуцера трубного пространства; 7 и 8 – штуцера межтрубного пространства; 9 – перегородка в распределительной камере.

Труба в трубе:

Двухтрубный секционный теплообменник 1 – теплообменная труба; 2 – кожуховая труба; 3 – кольцевая заглушка; 4 и 5 – штуцера межтрубного пространства; 6 – калач (отвод на 180º) Для небольших расходов теплоносителей при небольших поверхностях теплообмена используют теплообменники “труба в трубе”

13 Змеевиковые теплообменники. Теплообменники с оребренными трубами.

Змеевиковые теплообменники используются для нагревания и охлаждения технологических сред, а также для их конденсации и испарения при необходимости передачи или отвода, как правило, сравнительно небольшого количества тепла. Змеевиковый теплообменник 1 – корпус теплообменника (аппарата); 2 – змеевик; 3 и 4 – штуцера.

Оребренные теплообменники:

Ребристые трубчатые теплообменники наиболее эффективны в условиях, когда коэффициенты теплоотдачи по обеим сторонам стенки различаются значительно. Как правило, в ребристых теплообменниках жидкость или конденсирующий пар проходит внутри трубок, а воздух или дымовые газы, имеющие меньший коэффициент теплоотдачи, по внешней ребристой поверхности.

14. Тепловые рубашки. Теплообменники смешения.

Тепловые рубашки в основном выполняют на наружных поверхностях емкостных и колонных аппаратов. Они служат для нагрева или охлаждения технологической среды в этих аппаратах. Рубашка выполняется в виде оболочки, повторяющей форму охватываемой ею части аппарата. В указанную оболочку врезаны штуцера 3 и 4 для подвода и отвода теплоносителя. Каналом для прохода теплоносителя является пространство между стенками аппарата и рубашки. Рубашечные теплообменники имеют относительно малую поверхность теплообмена (по отношению к объему среды в аппарате). Поэтому они применяются лишь в тех случаях, когда нужно подвести (отвести) относительно небольшое количество тепла.

a - емкостной аппарат с рубашкой; б - рубашка из полутруб; в – рубашка из уголков;

1 -корпус; 2 - рубашка; 3 и 4 - штуцера для подвода и отвода теплоносителя из рубашки; 5 - стенка аппарата;

6 - полутруба; 7 - уголок

Теплообменники смешения (контактные) по сравнению с поверхностными при одинаковой тепловой нагрузке являются более компактными из-за более высокой интенсивности теплообмена. Более высокая интенсивность теплообмена в теплообменниках смешения обусловлена непосредственным контактом теплоносителей, отсутствием разделяющей их стенки (т.е. отсутствием термического сопротивления разделяющей стенки).

Барометрический конденсатор 1 – корпус 2 – барометрическая труба; 3 – полки; 4 – барометрический ящик; 5 – штуцер для входа пара; 6 – штуцер для подачи воды; 7 – штуцер для отвода смеси конденсата и воды; 8 – штуцер для отвода неконденсирующихся газов; 9 – штуцер сообщения с атмосферой. Потоки: П – пар; В – вода; К+В – смесь конденсата и воды; НГ – неконденсирующиеся газы; А – сообщение с атмосферой.
15. Основные методики подбора и расчётов теплообменника.

Задание на подбор и расчёт теплообменника включает: расход теплоносителя и его природу; его начальные и конечные параметры (температуры и агрегатное состояние на входе и на выходе, давление). Подбор теплообменника выполняют на основании ориентировочных или подробных (поверочных) расчетов. Чаще всего выбирают стандартизованные аппараты. Ориентировочный расчет – один из этапов подробного расчета. Порядок действий при подборе и расчете поверхностных теплообменников следующий.

1. По расходу заданного теплоносителя и его параметрам определяют тепловую нагрузку Q .

2. Выбирают второй теплоноситель и задаются его параметрами. По Q рассчитывают расход этого теплоносителя

3. Принимают прямоток или противоток теплоносителей, рассчитывают ср t .

4. Выбирают конструкцию теплообменника. Решают, какой из теплоносителей направить в трубное пространство, а какой – межтрубное.

5. Принимают ориентировочный коэффициент теплопередачи Kор , рассчитывают ориентировочную поверхность теплообмена Fор : Q ор F ор K   t ср. (3.1)

6*. Если один из теплоносителей, не изменяя агрегатного состояния, движется по каналам теплообменника, то определяют их сечение, при котором обеспечивается турбулентность.

7. По найденной Fор (при необходимости – и сечению каналов) выбирают подходящий теплообменник с параметрами, близкими к расчетным. На этом ориентировочный расчёт и выбор аппарата заканчивают. При необходимости выполняют поверочный расчёт.

16. Сущность и применение процесса выпаривания. Методы выпаривания. Материальный баланс выпарного аппарата.

Выпаривание – процесс концентрирования жидких растворов нелетучих или малолетучих веществ, растворённых в летучих растворителях, осуществляемый путём частичного испарения растворителя при кипении раствора. Выпаривание применяют для получения растворённых веществ в концентрированном виде либо чистых растворителей.

Нагревающим агентом при выпаривании чаще всего является водяной пар (первичный пар).

Пар растворителя, получаемый при выпаривании раствора, называют вторичным.

Выпаривание проводят при различных давлениях: под пониженным, под атмосферным и под избыточным. Использование пониженного давления позволяет проводить процесс при меньших температурах, что необходимо при переработке термочувствительных растворов.

Методы: Однократное выпаривание проводят в однокорпусных выпарных установках. Многократное выпаривание осуществляют в многокорпусных выпарных установках, состоящих из нескольких выпарных аппаратов. Выпарные аппараты и установки могут быть непрерывно и периодически действующими.

Уравнение материального баланса по потокам продуктов:

G-расходы исходного и упаренного раствора соответственно, кг/c

W-расход вторичного пара , кг/с

Уравнение материального баланса по потокам растворенного вещества:

Х- массовая доля растворённого вещества в исходном и упаренном растворе соответственно, кг/кг

Используя эти уравнения, получим:

17. Температура кипения раствора. Депрессии.
Температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя (конденсации его пара) на величину температурных потерь (депрессий).

Депрессии: температурная, гидростатическая и гидравлическая.

Температурная депрессия: это разность температур кипения раствора и чистого растворителя при одинаковом давлении, которая вычисляется по формуле:

.

Температурная депрессия зависит от: состава раствора и давления.

Для давления, отличного от атмосферного, величину

можно рассчитать, используя формулу Тищенко:

-темп-ра кипенения растворителя при заданном давлении, ºС

r – удельная теплота парообразования растворителя при этом же давлении, Дж/кг

– температурная депрессия для раствора заданного состава при кипении его под атмосферным давлением, град

Гидростатическая депрессия: это разность температур кипения раствора в глубинном слое и на его свободной поверхности – поверхности раздела с вторичным паром:

.

Гидравлическая депрессия: это разность температур вторичного пара над поверхностью кипения раствора и над поверхностью конденсации этого пара:

.

Тепловой баланс выпарного аппарата:

Температуру кипения раствора в выпарном аппарате кип t , ºС, вычисляют

18. Тепловой баланс выпарного аппарата. Удельный расход греющего пара на выпаривание.

Выпаривание – процесс концентрирования жидких растворов нелетучих или малолетучих веществ, растворённых в летучих растворителях, осуществляемый путём частичного испарения растворителя при кипении раствора.

Удельный расход греющего пара на выпаривание водных растворов d, кг/кг, характеризует энергетическую эффективность процесса и вычисляется следующим образом:

D - Расход греющего пара на выпаривание, кг/с,

W – расход вторичного пара, кг/с.

1 – греющая камера; 2 – сепаратор; 3 – днище; 4 – кипятильные трубы; 5 – циркуляционная труба; 6 – каплеуловитель.

19. Общая и полезная разность температур при выпаривании. Порядок расчета выпарного аппарата.
Общей разностью температур Δt_общ, град, при выпаривании называют разность температур первичного греющего пара и вторичного пара при его конденсации:

Для многокорпусной выпарной установки суммарная общая разность температур Δt_общ , град, определяется как разность температур первичного греющего пара и вторичного пара в последнем корпусе при его конденсации t_конд, ºС:

Полезная разность температур – это движущая сила теплообмена в выпарном аппарате Δt_пол ,град - разность температур греющего пара (теплоносителя) и кипения раствора:

При выражении температуры кипения раствора через температуру конденсации вторичного пара и депрессии Δt_пол вычисляется по формулам:

Порядок расчёта выпарного аппарата

Выпарные аппараты являются по сущности разновидностью теплообменных. Главным конструктивным параметром выпарного аппарата, который определяется в ходе его расчёта, является площадь поверхности теплопередачи F, м². По рассчитанной величине F подбирают стандартный выпарной аппарат либо проектируют новый.

Площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата определяется при применении основного уравнения теплопередачи следующим образом:

, где Q – тепловая нагрузка (расход тепла на выпаривание), Вт;

K – коэффициент теплопередачи от греющего пара к упариваемому раствору, Вт/(м² ·град).

АЛГОРИТМ:

-Используя уравнения материального баланса, рассчитывают недостающие расходы продуктов (по заданным производительности по исходному раствору и составам исходного и упаренного растворов)
-Выбирают режим выпаривания (под атмосферным, избыточным или пониженным давлением), тип и конструкцию выпарного аппарата в зависимости от свойств раствора (термостойкость, вязкость, температура кипения под атмосферным давлением, склонность к кристаллизации и накипеобразованию, наличие механических включений и т.д.), производительности и др. факторов.
-Рассчитывают ориентировочное значение тепловой нагрузки выпарного аппарата Q_ор , Вт, по формуле:

r_атм – удельная теплота конденсации вторичного пара при атмосферном его давлении,Дж/кг.

-Рассчитывают ориентировочное значение площади поверхности теплопередачи выпарного аппарата F_ор , м² :

, где q_ор – ориентировочная величина плотности теплового потока в выпарных аппаратах выбранного типа при выпаривании подобных растворов (по справочным данным), Вт/м² .

-Выбирают выпарной аппарат с площадью поверхности теплопередачи F , м² , близкой к рассчитанной ориентировочной F_ор. Для выбранного аппарата определяют его геометрические параметры, влияющие на величину коэффициентов теплоотдачи со стороны греющего пара и раствора.
- Определяют температуру конденсации вторичного пара t_конд , рассчитывают депрессии Δ' , Δ'' и Δ''' и температуру кипения раствора t_кип.
-Выбирают параметры греющего пара.
-Рассчитывают Δt_пол и при необходимости Δt_общ в выпарном аппарате.
- Составляют уравнения теплового баланса выпарного аппарата. Используя их, рассчитывают тепловую нагрузку (расход тепла на выпаривание) Q.
- Рассчитывают расход греющего пара.
- Рассчитывают коэффициенты теплоотдачи от греющего пара к теплопередающей стенке, от стенки к раствору, коэффициент теплоотдачи K.
- Определяют расчетную площадь поверхности теплопередачи выпарного аппарата F_р , м²

- Сравнивают площади поверхности теплопередачи F и F_р. При правильном выборе выпарного аппарата его площадь поверхности теплопередачи должна быть больше расчетной на 10 – 40%.
- Проводят необходимые конструктивные расчеты.

20.Многокорпусные выпарные установки. Выбор числа корпусов выпарной установки.

В многокорпусных выпарных установках (МВУ) первичный греющий пар используется для обогрева только одного корпуса. Обогрев остальных корпусов осуществляется вторичным паром соседних корпусов.

С целью использования вторичного пара в качестве греющего нужно обеспечить условия, при которых температура вторичного пара в одном корпусе МВУ будет выше, чем температура кипения раствора в соседнем корпусе этой же МВУ. Для этого устанавливают различные режимы работы корпусов установки, создавая в них различные давления. За счёт различия давлений температуры кипения раствора и вторичного паров в корпусах также неодинаковы.

Наиболее распространённой МВУ является прямоточная, схема которой на примере двухкорпусной представлена на рисунке:

Прямоточные МВУ применяются, если при выпаривании необходимо достичь значительного изменения концентраций при относительно небольших температурах (физико-химических) депрессиях. Одним из их достоинств является то, что отсутствует потребность в насосах для перекачивания раствора из корпуса в корпус.

1 2 3 4 5