Учебное пособие по Теплотехнике. УП ТЕПЛОТЕХНИКА (2 вар, 07). Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических
 Скачать 6.53 Mb.
|
|
ГЛАВА 16. Процесс теплопередачи 16.1. Сложный теплообмен и теплопередача В теплотехнических устройствах и аппаратах явления теплопроводности, конвекции и теплового излучения протекают одновременно и определённым образом влияют друг на друга. В практических расчётах разделение таких сложных процессов на элементарные явления не всегда возможно и целесообразно. Обычно результат совокупного действия отдельных элементарных явлений приписывается одному из них, имеющему наибольшую интенсивность. Так, например, если одновременно имеет место процесс конвекции и лучистого теплообмена, то характеристикой процесса является коэффициент теплоотдачи , где - учитывает влияние конвекции; - теплового излучения. Суммарная плотность теплового потока , где - конвективная составляющая; - лучистая составляющая ( - приведённый коэффициент излучения системы тел). Исходя из этого, суммарная плотность теплового потока . Тогда . Приняв среднее значение температуры , можно упростить зависимость для до вида . Теплопередача представляет из себя явление переноса тепловой энергии от нагретого теплоносителя к холодному через твердую стенку. При теплопередаче одновременно происходят процессы конвекции, теплопроводности и лучистого теплообмена. Важнейшей характеристикой этого явления служит коэффициент теплопередачи k, значение которого определяется количеством теплоты, переданной в единицу времени через единицу поверхности разделительной стенки при определённой разности температур. При этом расчётная формула имеет вид или , где – соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей. 16.2. Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенки А). Однослойная плоская стенка (рис. 16.1). При установившемся тепловом состоянии количество тепловой энергии, переданное от горячего теплоносителя к стенке путём конвекции, равно количеству теплоты, переданному через стенку теплопроводностью и равно тепловой энергии, отданной холодному теплоносителю. Для плотности теплового потока q можно записать три уравнения: ; ; . Рис. 16.1. К расчёту однослойной плоской стенки Решая совместно, получим . С другой стороны . Исходя из этого, значение коэффициента теплопередачи Таким образом, чтобы вычислить значение коэффициента теплопередачи k надо знать коэффициенты теплоотдачи и , а также толщину стенки и коэффициент теплопроводности материала, из которого она изготовлена . Для случая многослойной стенки используется зависимость . Б). Однородная цилиндрическая стенка (рис. 16.2). Рис. 16.2. К расчёту цилиндрической стенки Для цилиндрической поверхности плотность теплового потока по длине трубы: ; ; . Решая эти три уравнения совместно, получим откуда линейный коэффициент теплопередачи (на 1 м трубы) . Если разделительная стенка состоит из нескольких слоев, то используется зависимость: . В большинстве технических задач необходимо стремиться к увеличению числа k. Этого можно достичь, уменьшая толщину стенки, повышая коэффициент теплопроводности материала, интенсифицируя процессы теплоотдачи. 16.3. Тепловая изоляция Если требуется снизить теплопередачу, то для этого необходимо увеличить термическое сопротивление. В большинстве случаев это достигается путём нанесения на стенку слоя тепловой изоляции. Тепловой изоляцией называется всякое вспомогательное покрытие, которое способствует снижение потери тепловой энергии в окружающую среду. Основной причиной применения тепловой изоляции является необходимость сокращения тепловых потерь (с целью экономии топлива, или создания возможности осуществления технологических процессов). Санитарные нормы требуют поддержания температуры поверхности (с которой возможен контакт человека), не выше 45 °С. Для тепловой изоляции могут применяться любые материалы с низкой теплопроводностью, однако собственно изоляционными называется такие вещества, коэффициент теплопроводности которых при t = 50100 °С меньше 0,2 Вт/(м×°К). При выборе материала изоляции необходимо учитывать условия его работы: а) температуру изолируемой поверхности; б) механические свойства изоляции; в) способность изоляции поглощать влагу. В большинстве практических случаев используют многослойную изоляцию, включающую материалы с различными свойствами. Расчёт изоляции производится в следующем порядке: а) устанавливаются допустимые тепловые потери объекта при наличии изоляции ; б) выбирают материал изоляции; в) задавшись температурой на поверхности изоляции, определяют среднюю температуру изоляции: ; , при этом температуру стенки можно принять равной температуре жидкости внутри трубы ( ); г) зная значение , рассчитывают коэффициент теплопроводности ; д) рассчитывают толщину изоляционного слоя . Выбор материала для тепловой изоляции трубопровода. При наложении тепловой изоляции на трубопроводы тепловые потери уменьшаются не пропорционально увеличению толщины изоляции. Более того, при неправильном выборе материала изоляции тепловые потери растут. Это связано с тем, что у изолированного трубопровода внешняя поверхность увеличивается и условия теплоотвода улучшаются. Рассмотрим тепловое сопротивление изолированного и неизолированного трубопровода: , . Прирост термического сопротивления . Для снижения тепловых потерь необходимо чтобы 0 тогда условие эффективности изоляции имеет вид , где – поправочный коэффициент, при . Если материал изоляции выбран неверно, то есть , то тепловые потери с поверхности трубопровода будут расти. При неправильном выборе изоляции тепловые потери будут расти до определённого максимального значения (рис. 16.3), имеющего место при критическом диаметре изоляции . Рис. 16.3. Зависимость тепловых потерь от диаметра изоляции Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала Дайте определение процессу теплопередачи. Какие тепловые процессы одновременно происходят при теплопередаче? Дайте характеристику коэффициенту теплопередачи. Запишите обобщающее уравнение теплопередачи. Как найти коэффициент теплопередачи для случая плоской стенки? Как найти коэффициент теплопередачи для случая цилиндрической стенки? Как определить конвективную составляющую теплового потока? Как определить лучистую составляющую теплового потока? Какой процесс рассматривается при распространении теплоты внутри стенки? Как рассчитать тепловой поток от горячего теплоносителя к стенке? Как рассчитать тепловой поток от стенки к холодному теплоносителю? Как рассчитать тепловой поток внутри плоской или цилиндрической стенки? Дайте определение тепловой изоляции. В каких случаях необходимо применять тепловую изоляцию? Какие материалы применяются для тепловой изоляции? Какими основными свойствами должна обладать тепловая изоляция? Объясните порядок расчета тепловой изоляции. Как выбрать материал для изоляции трубопровода? Что характеризует критический диаметр изоляции? Когда тепловые потери с поверхности изоляции на трубопроводе возрастают? ГЛАВА 17. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 17.1. Классификация теплообменных аппаратов. Теплоносители Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называют устройства, предназначенные для обмена тепловой энергией между греющей и обогреваемой рабочими средами. Рабочие среды в теплообменниках принято называть теплоносителями. Необходимость передачи теплоты от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники: в энергетике, химической, металлургической, нефтяной, пищевой и др. отраслях промышленности. В аппаратах бытовой техники также встречаются различные теплообменные аппараты. Тепловые процессы, происходящие в теплообменных аппаратах могут быть самыми разнообразными: нагрев, охлаждение, испарение, конденсация, плавление и т.д. Обычно применяют следующую классификацию теплообменных аппаратов: по назначению: подогреватели, конденсаторы, охладители, испарители, пароперегреватели и т. д.; по принципу действия: поверхностные и смешивающие. В аппаратах поверхностного типа теплоносители разграничены твердыми стенками, частично или полностью участвующими в процессе теплообмена между ними. Поверхностью нагрева теплообменника называют часть поверхности этих стенок, через которую передается тепловая энергия. Поверхностные теплообменные аппараты делятся на два типа: 1. Рекуперативные аппараты, в которых теплообмен между теплоносителями происходит через разделительную стенку. 2. Регенеративные аппараты, в которых два или большее число теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. Во время соприкосновения поверхность нагрева сначала аккумулирует тепловую энергию, забирая ее от нагретой среды, а затем отдает другому теплоносителю. Смешивающими называют такие теплообменники, в которых тепло и массообмен происходит при непосредственном контакте и смешении теплоносителей. Смешивающие теплообменники называют также контактными. В качестве теплоносителей в зависимости от назначения производственных процессов могут применяться самые разнообразные газообразные, жидкие и твердые вещества. С точки зрения технической и экономической целесообразности их применения теплоносители должны обладать следующими качествами: 1. Иметь достаточно большую теплоту парообразования, плотность и теплоемкость, малую вязкость. 2. Иметь необходимую термостойкость и не оказывать неблагоприятного воздействия на материалы аппаратуры (неагрессивные, химически стойкие, без шламов). 3. Быть недорогими и достаточно доступными в отечественных ресурсах. При выборе теплоносителей в каждом конкретном случае необходимо учитывать их термодинамические и физические свойства, а также технико –экономические показатели теплообменных аппаратов. Наиболее часто используются в качестве греющих теплоносителей: а) водяной пар; б) горячая вода; в) дымовые и топочные газы. В таблице 17.1 представлены достоинства и недостатки рассматриваемых греющих теплоносителей: Таблица 17.1. Характеристика греющих теплоносителей
Имеется ряд других высокотемпературных теплоносителей, в том числе минеральные масла, органические соединения, расплавы солей и металлов. Низкотемпературные теплоносители представляют собой вещества, кипящие при t< 0 °C. Это такие вещества, как аммиак NH3 , двуокись углерода СO2, сернистый ангидрид SO2, а также фреоны, которые применяются в холодильной технике в качестве хладагентов. Конструкции теплообменных аппаратов могут быть самыми разнообразными в зависимости от области их применения. 17.2. Конструкторский и поверочный расчет аппаратов поверхностного типа Конструкции теплообменных аппаратов весьма разнообразны, однако для всех теплообменников применяется общая методика их теплотехнических расчетов. Существует два вида расчетов: конструкторский (проектный) и поверочный. Конструкторский расчет выполняется при проектировании теплообменного аппарата, когда заданы теплопроизводительность установки, типы теплоносителей, их расходы и параметры. В таблице 17.2. представлена последовательность конструкторского расчета (теплотехнической части). Таблица 17.2. Последовательность конструкторского расчёта
Целью такого расчета является определение поверхности теплообмена и конструктивных размеров, выбранного типа аппаратов. Конструкторский расчет включает тепловой расчет, гидравлический и механический расчет. Поверочный расчет проводится для установления возможности применения имеющихся или стандартных теплообменных аппаратов для необходимых технологических процессов. 17.2.1. Определение физических параметров и скоростей движения теплоносителей Теплообмен между теплоносителями существенно изменяется в зависимости от физических свойств и параметров движущихся сред, а также от гидродинамических условий движения, физические параметры теплоносителей зависят от температуры и определяются по справочникам в зависимости от выбранной температуры среды . где , – начальное и конечное значение температуры теплоносителя. Основными физическими величинами рабочих сред обычно являются плотность, вязкость, теплопроводность, теплоемкость, температура кипения, теплота парообразования или конденсации и т.п. Все теплофизические характеристики можно приближенно находить по их линейной зависимости от температуры (при ): ; ; . Физические параметры вещества в справочниках представлены в виде диаграмм, номограмм или таблиц. Выбор оптимальной скорости потока имеет большое значение для качественной работы теплообменного аппарата, так как при увеличении скорости движения интенсифицируется теплообмен, а следовательно уменьшается поверхность нагрева. Но чрезмерное увеличение скорости может привести к резкому увеличению гидравлического сопротивления установки, что создает перерасход энергии на перекачку, приведет к появлению гидравлических ударов и вибрации конструкции. Скорость определяется при известном расходе теплоносителя по следующей формуле , где - эквивалентный диаметр проходного сечения. Обычно максимальное значение скорости выбирается в соответствии с критическим значением числа : , гарантирующим переход к турбулентному режиму движения потока. Критическое число берётся как справочное значение для заданных условий движения среды и её вида. |