Сложный теплообмен и типы теплообменных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Сложный теплообмен и типы теплообменных аппаратов

1. Сложный теплообмен

Разделение теплопереноса на теплопроводность, конвекцию и излучение удобно для изучения этих процессов. Однако на практике часто встречается сложный теплообмен, при котором теплота передаётся двумя или даже тремя способами одновременно. Наиболее распространённым случаем сложного теплообмена является теплоотдача от поверхности к газу (или от газа к поверхности). При этом имеет место конвективный теплообмен между поверхностью и омывающим её газом, и, кроме того, та же самая поверхность излучает и поглощает энергию, обмениваясь потоками излучения с газом и окружающими предметами. В целом, интенсивность сложного теплообмена в этом случае характеризуют суммарным коэффициентом теплоотдачи

? = ?к+ ?л (1)

При этом считается, что конвекция и излучение независимы друг от друга. Конвективный коэффициент теплоотдачи считают по формуле

Ф = Q/? = ? · (t'ст - t'ж); Фк = ?к · (t'ст - t'ж)·F; (2)

В этой формуле за температуру теплоносителя t'ж принимают температуру газа (воздуха) вдали от нагретой поверхности

t'ж = t'г. Фк = ?к · (t'ст - t'г)·F (3)

Отсюда находим

?к = Фк /[ (t'ст - t'г)·F] (4).

Аналогично находятся и остальные коэффициенты теплоотдачи, полный и лучистый:

? = Ф /[ (t'ст - t'г)·F] (5)

?л= Фл /[ (t'ст - t'г)·F] (6).

Значения лучистого теплового потока рассчитываются по формуле

Фл = ?прС0· [(Т1/100)4 - (Т2/100)4] · F.

Для случая сложного теплообмена, когда поверхность твёрдого тела, нагретая расположенным внутри её электрическим нагревателем, отдаёт тепло в неограниченную воздушную среду, полный тепловой поток можно приравнять мощности нагревателя

Ф= I ·U (7).

Приведенный коэффициент черноты в этом случае равен коэффициенту черноты нагретой поверхности и формулу для лучистого теплового потока можно записать в виде:

Фл = ? ·С0· [(Тст/100)4 - (Тг/100)4] · F (8)

Теплопередачей называется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители.

Примерами теплопередачи являются: передача теплоты от греющей воды нагревательных элементов (отопительных систем) к воздуху помещения; передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах; передача теплоты от раскаленных газов к охлаждающей воде (жидкости) через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания; передача теплоты от внутреннего воздуха помещения к наружному воздуху и т. д. При этом ограждающая стенка является проводником теплоты, через которую теплота передается теплопроводностью, а от стенки к окружающей среде конвекцией и излучением. Поэтому процесс теплопередачи является сложным процессом теплообмена.

При передаче теплоты от стенки к окружающей среде в основном преобладает конвективный теплообмен.

1) Теплопередача через плоскую стенку.

Рассмотрим однослойную плоскую стенку толщиной ? и теплопроводностью ?

Рис.1 Теплопередача через плоскую стенку.

Температура горячей жидкости (среды) tж*, холодной жидкости (среды) tж**.

Количество теплоты, переданной от горячей жидкости (среды) к стенке по закону Ньютона-Рихмана имеет вид:

Ф = ?1 · (tж* - t1) · F,

где ? 1 - коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой tж* к поверхности стенки с температурой t1; F - расчетная поверхность плоской стенки.

Тепловой поток, переданный через стенку, определяется по уравнению:

Ф = (? / ? ? · (t1 - t2) · F.

Тепловой поток от второй поверхности стенки к холодной среде определяется по формуле:

Ф = ?2 · (t2 - tж**) · F,

где ?2 - коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой t''ж

Решая эти три уравнения получаем:

Ф = (tж* - tж**) * F * К,

где К = 1/[(1/ ? 1 )+ (?/? ? + (1/ ? 2) ]- коэффициент теплопередачи, или R0 = 1/К = (1/ ? 1 )+ (?/? )+ (1/ ? 2) - полное термическое сопротивление теплопередачи через однослойную плоскую стенку. 1/? 1; 1/? 2 - термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки;

?/? - термическое сопротивление стенки.

2) Теплопередача через цилиндрическую стенку

Принцип расчета теплового потока через цилиндрическую стенку аналогичен случаю для плоской стенки. Рассмотрим однородную трубу с теплопроводностью ?, внутренний диаметр трубы d1, наружный диаметр d2, длина L. Внутри трубы находится горячая среда с температурой tж*, а снаружи холодная среда с температурой tж** Количество теплоты, переданной от горячей среды к внутренней стенке трубы по закону Ньютона-Рихмана имеет вид: Ф = ?·d1· ? 1·L·(tж* - t1), где ?1 - коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой tж* к поверхности стенки с температурой t1;

Тепловой поток, переданный через стенку трубы определяется по уравнению:

Ф = 2· ? · ? ·l·(t1 - t2) / ln (d2/d1).

Тепловой поток от второй поверхности стенки трубы к холодной среде определяется по формуле:

Ф= ? ·d2· ? 2·L·(t1 - tж**),

где ? 2 - коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой tж**. Решая эти три уравнения получаем:

Ф= ? L·(tж* - tж**) * К,

где Кl = 1/[1/(? 1d1)+ 1/(2 ? ln(d2/d1) + 1/(? 2d2)] - линейный коэффициент теплопередачи, или Rl = 1/ Кl = [1/(? 1d1)+ 1/(2 ? ln(d2/d1) + 1/(? 2d2)] - полное линейное термическое сопротивление теплопередачи через однослойную цилиндрическую стенку. 1/(? 1d1), 1/(? 2d2) - термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки; 1/(2 ? ln(d2/d1) - термическое сопротивление стенки.

2.Типы теплообменных аппаратов

Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость - горячая среда, передает теплоту другой жидкости - холодной среде. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и упругие жидкости, воздух и газы в самом широком диапазоне давлений и температур. По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные.

В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту второй жидкости - холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью. На рис.2. изображена схема регенеративного теплообменника. Горячие газы нагревают стальные листы барабана. При вращении барабана нагретые листы попадают в область холодного воздуха и отдают ему тепло. Нагретый воздух затем подаётся в печь, а охлаждённые газы выходят в атмосферу. Происходит частичное восстановление теплоты, уносимой из печи (регенерация).

В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей к холодной жидкости происходит при непосредственном смешении обеих жидкостей, например смешивающие конденсаторы.

Особенно широкое развитие во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку. На рис.3 изображена схема такого теплообменника. Нагретые газы (дымовые), двигаясь по трубам, через стенку отдают тепло воздуху, омывающему трубы. Нагретый воздух затем подаётся в топку.

Теплообменные аппараты могут иметь самые разнообразные назначения - паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т. д. Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими. В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трем основным схемам. Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называется прямотоком (рис.4,а) Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется противотоком (рис.4,б). Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется перекрестным током (рис.4,в). Кроме этих основных схем движения жидкостей, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы. Расчет теплообменных аппаратов Целью теплового расчета является определение поверхности теплообмена, а если последняя известна, то целью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей. Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Уравнение теплопередачи:

Ф = k·F·(t1 - t2 ),

теплоперенос теплопередача теплообменный

где Ф- тепловой поток, Вт, k - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м2град), F - поверхность теплообмена в аппарате, м2, t1 и t2 - соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей. Для нахождения площади нагрева F необходимо знать тепловой поток Ф, коэффициент теплопередачи к и среднюю разность температур рабочих тел. Для различных теплообменных аппаратов коэффициент теплопередачи зависит от свойств жидкостей, характера и направления их движения через теплообменник, температуры жидкостей, свойств материала разделительной перегородки и качества её обработки. Значения к выбирают для различных материалов и теплообменников по специальным таблицам. При определении средней разности температур следует исходить из того, что температура жидкости в теплообменнике меняется по сложному закону. При прохождении через теплообменный аппарат рабочих жидкостей изменяются температуры горячих и холодных жидкостей. На изменение температур большое влияние оказывают схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов. На рис.5 представлены температурные графики для аппаратов с прямотоков, а на рис.6 для аппаратов с противотоком. Как видно из рис.5, при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя. При противотоке (рис.6) конечная температура холодной жидкости может быть значительно выше конечной температуры горячей жидкости. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду, при одинаковых начальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температур

Рис. 2. Схема регенеративного теплообменника. 1-барабан; 2-кожух; 3- газовый короб; 4-воздушный короб; 5-уплотнители.

Рис. 3. Схема рекуперативного теплообменника. 1-выходной короб воздуха; 2-трубы; 3-трубная доска; 4-перепускной воздушный короб; 5- входной короб

Рис.4.

Рис.5

Рис.6 между рабочими жидкостями, или температурный напор ?t.

Литература

1. Теплотехника - Баскаков А.П. 1991г.

2. Теплотехника - Крутов В.И. 1986г.

3. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция - Тихомиров К.В. 1981г.57.

4. Теплотехнические измерения и приборы - Преображенский В.П.1978г.

Размещено на Allbest.ru