Файл: 236.pdf

материала провода не зависит от температуры и равно ρ= 0,0175 Ом мм2/м, сила тока I = 825 А, температура поверхности провода не должна превышать θ = 50оС.

2.3. Конвективный теплообмен при свободном движении теплоносителей.

Свободным называется движение жидкости (газа) вследствие разностей плотностей нагретых и холодных частиц, обусловленной их разностью температур. При движении жидкости (газа) вдоль (около) поверхности образуется пограничный слой, толщина которого лимитизируется разностью температур ∆t = θ - t или ∆t’=t-θ , входящей в критерий Грасгофа. Следовательно, зависимости, характеризующие теплоотдачу при свободном движении жидкости (газа) будут иметь вид [1] для горизонтальных труб диаметром d1:

при 103 Gr(Pr) 108

по (6.4) 2. Количество тепла, переданного бензолом

Q = Gбrб = 2,33× 408,5 = 953 КВт

по (6.5) 3. Средний температурный напор, рис.6.3

по (6.2) 4. Расход охлаждающей воды

Q=Gвcp(t2’’-t2’’), Gв=953/(4,19*(40-10))=7,59 кг/c;

5.Выбираем материал труб – сталь λ = 40 Вт/м*K;

6.Т.к. лимитирующая стадия теплообмена– теплоотдача от поверхности труб к охлаждающей воде, то режим движения ее должен быть турбулентным.

7.Исходя из справочных данных [2] коэффициент теплопередачи пары бензол – вода может быть

Кор=600÷800Вт/м2к. Принимаем Кор = 700 Вт/м2к. 8. Ориентировочная поверхность теплообмена

расчетом, чтобы скорость движения воды w, определяемая

достаточной, чтобы Re > 2*103.

59

Пример. В кожухотрубчатом ТА конденсируется G=8400 кг/час насыщенных паров бензола под давление р=400 мм рт.ст. с помощью холодной воды. Рассчитать теплопередачу бензола с водой и произвести проектный выбор ТА.

Решение начинаем с выбора расположения ТА и направления потоков рабочих тел.

Принимаем горизонтальное расположение ТА, так

как αкон гор > αкон вер и направляем воду в трубное пространство, а пары бензола – в межтрубное, рис. 6.3.

cp=4,19Кдж/кг, ν=0,920х10-6 м2/c, λ=0,608 Вт/м К, Prt = 6,22.

Основные расчетные формулы

по (6.1) 1.Q = K∆tсрF

58

При движении жидкости (газа) в ограниченном пространстве (каналы, узкие щели), гидродинамика пограничного слоя усложняется, что влияет на теплообмен, который определяется из следующих соображений [1]:

где δ - толщина прослойки (щели), м; θ1, θ2-температуры на поверхностях щели, оС; λэкв - эквивалентный коэффициент теплопроводности жидкости (газа), который определяется как λэкв = λсреды ×εк ,

Значения εк находятся из зависимостей [1]

Пример. Определить потерю тепла путем конвекции вертикальным паропроводом диаметром d=100 мм и высотой H=4 м, если температура поверхности θ =170 оС, а температура воздуха вдали от него t=30оС.

Справочные данные [1]:

При t =30оС, λ=0.0267 Вт/мК, υ =16х10-6 м2/c, Pr=0.70,

Gr * Pr =1,135 *1012 * 0,7 = 8 *1011

27

по (2.3.-3.) получаем Nu = αλH = 0,15( 8* 1011 )0,33 =140

α = Nuλ = 140* 0,0267 = 9,3 Вт/м2К

H 4

Потери тепла Q = α(θ - t )F = 9.3х(170 – 30)х 3.14 х 0.1х 4 = 1620 Вт = 1.62 кВт.

/2.3.-1/. Определить коэффициент теплоотдачи от вертикальной стенки топки к окружающему спокойному воздуху, если известно, что температура воздуха вдали от поверхности tθ = 0оС, температура поверхности стены θ=60оС, а высота стенки H= 3 м.

/2.3.-2/. Определить тепловой поток с 1 м2 поверхности вертикального варочного котла цилиндрической формы, если поверхность котла имеет температуру θ =80оС, высота котла H =2 м. Охлаждение происходит путем свободной конвекции, а температура окружающего воздуха в помещении tж = 20оС.

/2.3.-3/. Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности и плотность теплового потока через воздушную прослойку шириной 10 мм, имеющуюся в закалочной муфельной печи между наружным металлическим кожухом и внутренним огнеупорным слоем, если температура наружной поверхности огнеупорного слоя θ1=150оС.

/2.3.-4/. Определить количество тепла, переданное воде круглой цилиндрической трубой при естественной конвекции, если температура охлаждающей воды t = 10оС, температура поверхности трубы θ = 90оС, наружный

28

определяется на основе совместного решения уравнения

(6.1) и (6.2) и имеет вид:

средний температурный напор для ТА для теплоносителей, движущихся по схеме противоток, рис 6.2, определяется по формуле (6.5), но вычисления производят, вычитая из большей разности меньшую

Рис.6.2. ∆tб - ∆tм .

Температурные графики для случая, когда один теплоноситель изменяет свое агрегатное состояние, а другой нет, рис. 6.2 а, а когда оба изменяют свое агрегатное состояние, рис. 6.2 б.

а) б)

Рис. 6.2.

57

t1’, t1’’, t2’, t2’’ - соответственно, температуры теплоносителей на входе и выходе из ТА, оС; r1 , r2 - скрытые теплоты конденсации и парообразования, Кдж/кг.

а) б)

рис. 6.1.

К основным элементам кожухотрубчатого ТА относятся (рис. 6.1): 1 – смесительные камеры, 2 – трубки, 3 – трубные решетки, 4 – кожух. Теплоноситель 1 в количестве G1 с температурой t1’ входит в камеру смешения и движется по трубкам 2, и выходит с температурой t1’’(охлаждаясь, рис. 6.1а).

Теплоноситель 2 в количестве G2 с температурой t2’ входит в межтрубное пространство, омывает трубки с наружной стороны и нагревается (рис.6.1а).

Для теплоносителя 1 мы имеем теплообмен при продольном омывании, для теплоносителя 2 - при поперечном омывании пучков труб.

Температурный график (рис. 6.1а) свидетельствует о движении теплоносителей в ТА по принципу прямоток.

Движущая сила в ТА или средний температурный напор ∆t в уравнении (6.1) для схемы прямоток, когда теплоносители не изменяют своего агрегатного состояния,

56

диаметр трубы d н = 10 мм, длина трубы L = 50 см. Труба расположена горизонтально.

/2.3.-5/. Определить коэффициент теплоотдачи и тепловой поток от вертикальной трубы с θ = 120оС, к воздуху при t = 20оС, если высота трубы H = 2, 4, 5, 6 м, а dн = 120 мм. Построить график α =f (H).

/2.3.-6/. В помещении имеются 4 вертикальных паропровода одинаковой высоты H = 4 м, имеющие одинаковую температуру наружной поверхности θ = 110оС, с наружными диаметрами 50, 100, 150 и 200 мм.

Определить коэффициент теплоотдачи и тепловой поток от каждого паропровода к окружающему воздуху, имеющего температуру 10оС и построить график зависимости теплового потока от диаметра, если взаимное тепловое влияние трубопроводов исключено.

/2.3.-7/. Определить потери тепла с 1 м2 вертикальной стенки высотой H = 5 м с температурой θ = 90оС к окружающему воздуху в летнее и зимнее время, если температура воздуха в летнее время t =10, 20, 30оС, а в зимнее t = 0, -10, -20оС.

Построить график α= f (t).

/2.3.-8/. Нагреватель представляет собой горизонтальную цилиндрическую трубку с наружным диаметром d н = 20 мм и θ =90оС.

Определить коэффициенты теплоотдачи, если этот нагреватель используется для поддержания постоянной температуры t = 40оС воздуха, воды и масла МК путем естественной конвекции.

/2.3.-9/. Определить потери тепла путем конвекции через вертикальную воздушную прослойку толщиной 30

29

мм, если температуры стенок равны θ1 = 200оС и θ2 = 40оС. Как изменится тепловой поток, если прослойка будет заполнена маслом МК?

/2.3.-10/. Вертикальная трубка диаметром dнар =20мм, высотой 1 м, имеющая температуру θ = 20оС, полностью опущена в воду с температурой 90оС. Как изменится коэффициент теплоотдачи в условиях охлаждения, если температура воды равна t = 20оС, а температура трубки

θ=90оС?

/2.3.-11/. Исследование тепловых потерь горизонтального паропровода в зависимости от температуры его наружной поверхности в условиях естественной конвекции дало следующие результаты:

Найти обобщенную критериальную зависимость для теплоотдачи, если диаметр паропровода dнар = 30 мм, а температура окружающего воздуха вдали от паропровода Тж = 303 К.

3. Конвективный теплообмен при изменении агрегатного состояния

теплоносителя.

При изменении агрегатного состояния теплоносителя (жидкость – пар или пар – жидкость) гидродинамика пограничного слоя значительно сложнее и отличается от

30

регенераторы, в которых одна и та же поверхность омывается то горячим, то холодным теплоносителями; смесительные, в которых одновременно присутствуют процессы тепло- и массообмена; в) по направлению движения теплоносителей в ТА: прямоточные, противоточные и смешанного типа.

6.1. Методы расчета теплообменных аппаратов.

Существуют два метода расчета ТА: поверочный, когда известна площадь теплообмена F и надо проверить пригодность ее для данного технологического процесса; проектный, когда необходимо для данного технологического процесса определить поверхность теплообмена.

В основе анализа и расчета теплопереноса в ТА лежит уравнение теплопередачи (5.3):

Q = k∆tсрF (6.1).

где К рассчитывается по формулам (5.2), (5.8), (5.11). Количество теплоты, передаваемое в ТА

теплоносителями в зависимости от их состояния (п.5.1, 5.2., 5.3), - из уравнения теплового баланса:

Q = G1c p1( t1'−t1'' ) = G2c p2 ( t2''−t2' ) (6.2) Q = G1r1 = G2c p2 ( t2''−t2' ) (6.3)

Q = G1r1 = G2r2 (6.4)

где G 1,G2 - массовый расход теплоносителей, кг/ч; кг/c; cp1 , cp2 - теплоемкости теплоносителей, Кдж/кгхК;

55