Файл: 4. 1 Основные виды тепломассообменного (тмо) оборудования и их классификация.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.10.2023
Просмотров: 56
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
-
Дисциплина «Тепломассообменное оборудование»
4.1 Основные виды тепломассообменного (ТМО) оборудования и их классификация
ТМО аппараты – устройства для передачи теплоты от одного тела к другому. Теплоносители – тела, воспринимающие и отдающие тепло.
Процессы передачи теплоты в ТМО аппаратах могут сопровождаться изменением температуры теплоносителя или проходить без изменения таковой (испарение, конденсация, плавление, кристаллизация, сублимация и др.). Также в ТМО аппаратах могут происходить более сложные процессы: растворение, сушка (дегидратация) и химические реакции.
В пром. технике применяется большое разнообразие ТМО аппаратов. Их вид зависит от области применения и от экономических требований.
Классификация ТМО аппаратов:
1
) по назначению: подогреватели, охладители, испарители, конденсаторы, пароперегреватели, генераторы и др.;2) по схеме движения теплоносителя: прямоточные, противоточные, смешанного типа, перекрестного хода;
3
) по принципу действия:а) рекуперативные – передача тепла идет непрерывно, причем кол-во и направление теплового потока не изменяются;
б) регенеративные – процесс теплообмена проходит в несколько этапов, при соприкосновении с горячим теплоносителем регенератор получает тепло и аккумулирует его, далее пропускают холодный теплоноситель, который воспринимает это тепло. Для совершения непрерывного процесса используют 2 и более камер, направление движения теплоносителя постоянно меняется.
в) смесительные (контактные) – непрерывное соприкосновение и смешение теплоносителей. В процессе теплообмена может участвовать 2 и более теплоносителей (оросительные камеры, градирни, деаэраторы, скрубберы);
4) по роду материала: сталь, чугун, стекло, керамика, графит, свинец;
5) по виду теплопередающей поверхности: трубчатые (с прямыми трубами, U-образными, спиральными, змеевиками), оребренные (ошипованные), спиральные, пластинчатые;
6) по ходу движения теплоносителя: одноходовые, многоходовые;
7) по сборке конструкции: секционные, несекционные;
8) по компоновке поверхностей нагрева: труба в трубе, кожухные, без ограничивающего кожуха (смесительные);
9) по режиму работы: непрерывного действия, периодического действия.
4.2 Основные виды теплоносителей, применяемых в ТМО оборудовании
В качестве теплоносителей в зависимости от назначения аппарата могут применяться различные жидкие, газообразные и твердые тела.
Самый распространенный – водяной пар. Основное достоинство – легко получить и можно транспортировать по трубопроводам на большие расстояния. Интенсивная теплоотдача при конденсации пара позволяет в несколько раз сократить поверхности теплопередачи. Конденсация пара сопровождается значительным уменьшением его энтальпии, поэтому для передачи большого количества тепла не требуется больших весовых количеств водяного пара. Постоянство температуры конденсации позволяет гибко регулировать и соблюдать режим работы аппарата. Основной недостаток: с повышением температуры резко повышается давление. Водяной пар применяют только при умеренных температурах (до 200 оС), давление – до 12 атм.
Горячая вода также получила широкое распространение. Она может приготовляться не только в котельных, но и в технологических тепловых аппаратах (котлы-утилизаторы, печи). Можно транспортировать на большие расстояния, при этом падение температуры на 1 км составляет примерно 1 оС. Достоинство: высокий коэффициент теплоотдачи. Однако, горячую воду, получаемую в отопительной котельной, используют крайне редко, т.к. колебание температуры в сезоне 70…130 оС, а летом отопительные системы отключены.
Дымовые газы в качестве теплоносителя применяются только в месте их получения для непосредственного обогрева различных тел, и как промежуточный теплоноситель для нагрева воды и воздуха. Могут применяться для нагрева тел, выпарки, термической обработки. Достоинство: высокие температуры при небольших давлениях. Недостатки: запыленность, пожароопасность, тяжелые условия работы персонала, нетранспортабельность.
Масла и высококипящие жидкости применяют также при атмосферном давлении. Самый распространенный – глицерин (tплав = 270 оС). Их применяют при температурах ниже точки кипения. Основное требование: высокие температуры кипения, низкие температуры затвердевания, высокий коэффициент теплоотдачи, малая коррозионная активность, нетоксичность, пожаробезопасность, дешевизна.
4.3 Теплофизические характеристики теплоносителей (теплоемкость, плотность, вязкость, теплопроводность)
В качестве теплоносителей применяются самые разнообразные вещества – воздух, газы, вода, масла и др. В зависимости от рода и физических свойств этих веществ теплоотдача протекает различно и своеобразно. Для каждого теплоносителя физические свойства имеют определенные значения и зависят от температуры и/или давления.
1) Теплоемкость – количество теплоты, которое необходимо подвести к рабочему телу, чтобы изменить его температуру до заданной. Удельная теплоемкость, кДж/кг·оС – количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на один градус. При постоянном давлении теплоемкость обозначается ср (изобарная), при постоянном объеме сv (изохорная). Теплоемкость определяется только экспериментально:
.2) Плотность, кг/м3 – масса вещества в единице объема:
. Величина, обратная плотности – удельный вес, м3/кг.3) Вязкость. Все реальные жидкости обладают вязкостью; между частицами и слоями, движущимися с различными скоростями, всегда возникает сила внутреннего трения, противодействующая движению. Согласно закону вязкого трения Ньютона эта сила равна
, где μ – коэффициент динамической вязкости, который представляет собой силу трения, приходящуюся на единицу поверхности соприкосновения двух жидких слоев, «скользящих» друг по другу при условии, что на единицу длины нормали п к поверхности скорость движения ω изменяется на единицу.В уравнение теплопередачи часто входит отношение коэффициента вязкости к плотности – коэффициент кинематической вязкости ν = μ/ρ.
4) Теплопроводность – способность вещества проводить тепло. Закон теплопроводности Фурье:
, где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К), численно равен количеству теплоты, проходящей в единицу времени, через единицу поверхности, при разности температур в один градус, на единицу длины один метр. Коэффициент теплопроводности зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры и определяется экспериментально, при расчетах пользуются справочными данными. Материалы с λ ≤ 0,23 Вт/(м·К) считаются теплоизоляционными.4.4 Способы теплопередачи в теплообменном оборудовании
Теплопередача – сложный процесс, который при изучении разделяют на простые явления. Различают три элементарных способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
1) Теплопроводность – процесс распространения теплоты путем непосредственного соприкосновения микрочастиц, имеющих различные температуры, или соприкосновение тел (или их частей), когда тело не перемещается в пространстве. Процесс теплопроводности связан с распределением температур внутри тела. Температура характеризует степень нагрева и тепловое состояние тела. Совокупность значений температур в различных точках пространства в различные моменты времени называется температурным полем (стационарным или нестационарным). Изотермическая поверхность – геометрическое место точек одинаковой температуры. Любая изотермическая поверхность разделяет тело на две области: с большей и меньшей температурой; теплота переходит через изотермическую поверхность в область более низкой температуры. Количество теплоты ΔQ, Дж, проходящее в единицу времени Δτ, с, через произвольную изотермическую поверхность, называется тепловым потоком Q, Вт.
Характеристика теплового потока – плотность теплового потока (удельный тепловой поток).
Математическое выражение закона теплопроводности Фурье:
.Множитель λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К),численно равен количеству теплоты, проходящей в единицу времени, через единицу поверхности, при разности температур в один градус, на единицу длины один метр.
2) Конвекция – перемещение макроскопических частей среды (газа, жидкости), приводящее к переносу массы и теплоты. На процесс теплоотдачи конвекцией влияют:
1. Характер движения жидкости около твердой стенки (свободное или вынужденное – ламинарное или турбулентное). Режим течения жидкости определяется не только скоростью, но и безразмерным комплексным числом Рейнольдса Re = ωl/υ.
2. Физические свойства или род жидкости. На теплоотдачу влияют плотность, теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, кинематическая вязкость жидкости.
3. Условия теплового режима (например, изменение агрегатного состояния).
4. Температурный напор ΔT – разность температур между твердой стенкой и жидкостью.
5. Направление теплового потока Q (теплоотдача от горячей стенки к холодной жидкости больше).
6. Геометрические размеры тела, которые влияют на толщину пограничного слоя.
7. Направление теплоотдающей поверхности.
Процесс конвективного теплообмена описывается законом Ньютона
, Вт,где α– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К), численно равный количеству теплоты, передаваемому от жидкости к твердой поверхности в единицу времен, через единицу поверхности при перепаде температур между стенкой и жидкостью в один градус.
3) Все тела непрерывно посылают в окружающее их пространство электромагнитные волны различной длины. Излучение волн всегда трансформируется в тепловую энергию. Для световых и инфракрасных лучей (0,4…800 мкм) это превращение выражено наиболее сильно, и эти лучи называются тепловыми, а процесс их распространения – тепловым излучением или радиацией. Интенсивность теплового излучения резко увеличивается с ростом температуры.
Падающий на тело лучистый поток состоит из трех частей: отраженная, поглощенная и пропущенная. Отражательная способность R – отношение отраженной энергии к энергии, падающей на тело (полной). Поглощательная способность А - отношение поглощенной энергии к энергии, падающей на тело (полной). Пропускательная способность D - отношение энергии, прошедшей через тело, к энергии, падающей на тело (полной).
В соответствии с законом сохранения энергии: R + A + D = 1.
Суммарная теплопередача лучеиспусканием (закон лучистого теплообмена), Вт,
,где εп – приведенная степень черноты системы тел; со=5,67 Вт/(м2·К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; F – площадь теплопередающей поверхности, м2.
Эти процессы протекают одновременно, влияют друг на друга - сложный теплообмен. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью или молекулярным переносом теплоты. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между жидкостью и твердым телом называют теплоотдачей. Перенос теплоты от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку –