WWW.DOCX.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Интернет материалы
 

«рис.4.1 Процесс стационарный, точка, считаем, что высота и длина стенки гораздо больше толщины стенки, следовательно. Поскольку, имеем: (4.2) Очевидным ...»

4. Тепловые процессы и аппараты

4.1 Теплообмен

4.1.1 Кондуктивный теплообмен в плоской стенке

Т

Рассмотрим плоскую стенку из однородного

Т1 материала. Общее уравнение нестационарной

теплопроводности Фурье имеет вид:

Т2

Х (4.1)

рис.4.1

Процесс стационарный, точка, считаем, что высота и длина стенки гораздо больше толщины стенки, следовательно.

Поскольку, имеем:

(4.2)

Очевидным решением этого уравнения является:

откуда:

(4.3)

Из полученного уравнения 4.3 видно, что в плоской стенке распределение Т является прямолинейным.

Граничные условия:

при,

при.

Находим и,.

(4.4)

Распределение T по толщине :

(4.5)

Поток тепла за счет теплопроводности определяется по закону Фурье:

(4.6)

(4.7)

Здесь - характеризует тепловую проводимость стенки, а - термическое сопротивление стенки.

Для многослойной стенки:

(4.8)

Количество теплоты: (4.9)

Расход тепла:

(4.10)

Здесь F – поверхность пластины, t – время.

4.1.2. Кондуктивный теплообмен в цилиндрической стенке.

Исходное уравнение в цилиндрической системе координат.

(4.11)

R1

T1

T2

rr

R2



Рис.4.3

Считаем, что процесс теплообмена стационарный и длина цилиндра достаточно велика для того, чтобы пренебречь потоком тепла к его торцам вдоль оси. При этих условиях температура является функцией только одной координаты – радиуса :

или

(4.12)

Написав уравнение (4.12) в виде:

и разделив переменные, получаем:

Выполняя интегрирование, находим:

Положив, что С=lnC1,где С1 – некоторая новая постоянная, получаем:

Вторичное интегрирование дает:

(4.13)

Постоянные интегрирования находим из граничных условий:

при

при

Отсюда

Окончательно: (4.14)

Как видно из (4.14) имеет место логарифмический закон распределения температуры по радиусу цилиндра.

Градиент температуры на внутренней поверхности цилиндра равен:

Поток тепла за счет теплопроводности

(4.15)

Количество теплоты:

(4.16)

Здесь F – внутренняя поверхность цилиндра, t – время.

Расход тепла

(4.17)

Если труба многослойная:

(4.18)

Здесь - общая разница температуры.

4.1.3 Конвективный теплообмен в плоском пограничном слое и трубах при ламинарном и турбулентном режимах течения.

При конвекции перенос теплоты происходит макрообъемными частицами потока теплоносителя. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Как известно, теплопроводность – явление молекулярное, конвекция – явление макроскопическое, при котором в переносе теплоты участвуют целые слои теплоносителя с разными температурами. Конвекцией теплота переносится намного быстрее, чем теплопроводностью. Конвекция у поверхности стенки аппарата затухает.

Конвективный перенос теплоты описывается уравнением Фурье-Кирхгофа. Закономерности течения описываются уравнением Навье-Стокса (ламинарный режим) и Рейнольдса (турбулентный режим), а также уравнением неразрывности.





Вязкость жидкости зависит от температуры. Поэтому вышеперечисленные уравнения должны быть решены совместно, возникает так называемая сопряженная задача. В последнее время разработаны аналитические решения основных задач теплоотдачи к ламинарным потокам жидкости с учетом зависимости физических свойств жидкости от температуры. Для турбулентных течений все сложнее, однако, можно использовать приближения, численные решения с помощью компьютерных технологий.

Для решения этих уравнений необходимо установить условия однозначности, которые включают начальные и граничные условия. Граничные условия теплообмена могут быть заданы различным способом:

Граничные условия первого ранга – задается распределение температуры стенки

(4.19)

простейший случай, когда ТС=const;

Граничные условия второго ранга – задается распределение теплового потока на стенке:

(4.20)

Граничные условия третьего ранга – задается распределение температуры среды, окружающей канал и коэффициент теплоотдачи от среды к стенке или наоборот:

(4.21)

При течении жидкости возникают тепловой и гидромеханический пограничный слой:.

Кинетика формирования теплового пограничного слоя определяется критерием Пекле (), гидродинамического -.

Процессы термической и гидродинамической стабилизации происходят одновременно.

Относительная скорость этих процессов зависит от критерия Прандтля:.

(4.22)

Если, то ; если, то.

Для газов 0,6 < Pr < 1

Для жидких металлов 5·10-3 < Pr < 5·10-2

Для воды и органических жидкостей 1< Pr < 200 до 104.

При Pr=1 профили скоростей и температур совпадают.

Для установившегося процесса теплоотдачи к жидкости, движущегося между двумя параллельными пластинами, уравнение Фурье-Кирхгофа преобразуется к виду:

(4.23)

Считаем, что теплофизические свойства жидкости постоянны, профиль скорости стабилизирован. Примем тепловые граничные условия первого рода. Профиль скорости для ламинарного течения между пластинами имеет вид:

Y

h (4.24)

h X

рис 4.3

Решая уравнение (4.23) с граничными условиями, находим функцию Т(x,y), что позволяет найти тепловой поток q у стенки.

(4.25)

Можно найти также среднюю температуру жидкости:

(4.26)

Здесь и- количество теплоты и масса жидкости, проходящие через рассматриваемое сечение, соответственно.

,

Здесь - половина расстояния между пластинами, - ширина канала. Далее находим локальный коэффициент теплоотдачи :

Для определения среднего значения для всего канала нужно усреднить значения по его длине :

(4.27)

в зависимости от значения может быть определено локальное и среднее значение критерия

Длина термического начального участка:

рис.4.4

В конечном счете, для определения коэффициента теплоотдачи изменяется формула:

(4.28)

Здесь А, - определяется из решения. Комплекс вводится для учета зависимости вязкости от температуры.

и - значения критерия при температуре стенки и при средней по сечению температуре жидкости Тср

Конвективная теплоотдача при движении жидкости в круглой трубе описывается уравнением Фурье-Кирхгофа:

(4.29)

Пусть, тепловые граничные условия первого рода и течение жидкости в трубе ламинарное с профилем скорости:

(4.30)

Алгоритм решения такой же, как для плоской пластины. Находим далее тепловой поток:

и Тср. Затем переносим к критериальной форме представления результатов.

Длина термического начального участка.

рис.4.5

(4.31)

Турбулентный режим. Теплоотдача при турбулентном режиме существенно отличается от теплоотдачи при ламинарном режиме. В ядре потока процесс переноса протекает с большой скоростью. Поэтому определяющую роль играет пограничный слой. В ядре потока коэффициент турбулентной теплопроводности гораздо больше молекулярного, а у стенки.

Для плоской пластины: (4.32)

Это уравнение должно быть решено совместно с уравнениями, описывающими профиль скорости. В вязком подслое распределение Wx может быть принято.

(4.33)

Wx – скорость на внешней границе гидродинамического пограничного слоя.

Алгоритм решения задачи такой же, как и для ламинарного движения жидкости. Решение получено для случая Pr =1.

Для случая круглой трубы в уравнение (4.29) необходимо вместо принимать.

Для расчета при движении потока вдоль плоской стенки предлагается формула:

(4.34)

При развитом турбулентном течении в трубах и каналах рекомендуется формула:

(4.35)

Если, то, если, то

Теплообмен с телами сложной формы.

Трубы некруглой формы. Теплоотдача при турбулентном течении по трубам некруглой формы может быть рассчитана по формулам для круглой формы, введя эквивалентный диаметр. При определении ив качестве характерного линейного параметра необходимо брать.Движение жидкости в межтрубном пространстве рассчитывается также с использованием.

Для некруглых труб числона стабилизированном участке для тепловых граничных условий первого порядка получено:

600

2a a

2b a

;

2b

2a

, ; ;

2b 2b

2a 2а

, ;, ;,

Теплоотдача по змеевику определяется так же, как для трубы с введением поправочного коэффициента, который больше одного. Чем меньше, тем больше этот коэффициент.

Поперечное обтекание пучка труб.

Шахматное расположение труб.

(4.36)

Коридорное расположение труб.

(4.37)

рис.4.6.

В этих формулах в качестве характерного линейного параметра введен наружный диаметр трубы а скорость считается по самому узкому поперечному сечению между трубами и по средней температуре потока. По определены все физические константы.

4.1.5. Теплообмен при изменении теплофизических характеристик теплоносителя и его фазового состояния.

Для жидкого однофазного теплоносителя характерны изменение теплофизических характеристик от температуры и давления. Как показывает анализ, происходит существенное изменение вязкости от температуры.

Изменение необходимо учитывать в исходных уравнениях. Если задача решена без учета, то в конечную форму обработки результатов в виде критериального уравнения вводят соотношение.

Зависимость оптимальных характеристик от температуры и давления незначительны.

Часто в процессе теплообмена нагреваемые или охлаждаемые материалы изменяют агрегатное состояние: испаряются, конденсируются, плавятся или кристаллизуются. Особенности таких процессов теплообмена заключаются в том, что тепло подводится к материалам или отводится от них при постоянной температуре и распространяется не в одной, а в двух фазах.

4.1.5.1 Теплоотдача при конденсации пара.

Основная особенность процесса – тепло подводится и отводится при постоянной температуре.

Теплоотдача при конденсации насыщенных паров представляет собой одновременный перенос теплоты (определяемой теплотой парообразования) и массы (определяемой количеством сконденсированного пара).

Молекулы пара переносятся к охлаждаемой стенке вихрями турбулентного потока, конденсируются, и при этом происходит резкое уменьшение его объема, таким образом, возникает собственное поступательное движение к стенке. Образовавшийся конденсат стекает по стенке, а к стенке подходит собственный пар. Перенос теплоты и основной массы пара к стенке идет настолько быстро, что степень турбулизации потока не оказывает существенного влияния на процесс и не учитывается в расчетах.

На хорошо смачиваемых поверхностях возникает жидкая пленка конденсата, на не смачиваемой (плохо смачиваемой) поверхности образуются капли. При капельной конденсации коэффициент теплоотдачи в несколько раз выше, чем при пленочной конденсации. Однако организация капельной конденсации дороже пленочной. Поэтому на практике используется пленочная конденсация. Еще, в общем, процессе процесс теплопереноса, перенос тепла при пленочной конденсации не является лимитирующим. При пленочной конденсации пара термическое сопротивление сосредоточено в пленке конденсата.

00

Уравнение Фурье-Кирхгофа:

Процесс стационарный, т.е. остается:

(4.38)

Граничные условия: при

при

Интегрирование уравнения (4.38) с учетом граничных условий дает:

(4.39)

Отсюда:

Как известно тепловой поток на границе фаз:

(4.40)

Получаем. Следовательно, определение коэффициента теплоотдачи сводится к определению толщины пленки конденсата.

Задача определения толщины пленки решается. Определяется скорость, далее расход конденсата (она на высоте переменная), далее определяется и.

(Коган, стр. 326-327).

(4.41)

Здесь теплота испарения.

Однако авторы учебников предлагают, в основном, критериальные зависимости вида:

Здесь критерий Галилея (характеризует отношение сил тяжести к силам вязкого трения), критерий конденсации (характеризует отношение теплоты фазового перехода к теплоте охлаждения конденсата на твердой стенке).

Для ламинарного режима:

(4.42)

для вертикальной стенки горизонтальная стенка (труба) с=0.72.

Для турбулентного потока:

(4.43)

Все физические константы определяются при средней температуре процесса

Формулы (4.42) и (4.43) получены для неподвижного пара. Теплоотдача при конденсации паров зависит от скорости и направления течения паров, от состояния поверхности конденсации, от состава паров и их перегрева.

- увеличивается, если поток уменьшает, и наоборот. Шероховатость увеличивает и уменьшает.

Конденсация паровых смесей. При конденсации паровой смеси ее состав меняется, что вызывает изменение температуры конденсации, равного, в конечном счете температуре конденсации самого низкокипящего компонента смеси. Таким образом, процесс конденсации паровой смеси протекает при переменной разности температур, значение которой зависит не только о физико-химических свойств смеси, но и от структуры потока охлаждающей жидкости и паровой смеси.

Конденсация парогазовой смеси. При наличии в паре даже небольших примесей воздуха или других неконденсирующихся газов резко уменьшается. Содержание в водяном паре 1% воздуха уменьшает на 60%, 3% воздуха – на 80%.

Инертные газы скапливаются у поверхности пленки, возникает дополнительное термическое сопротивление.

4.1.5.2 Теплоотдача при кипении жидкостей.

Этот вид теплоотдачи отличается высокой интенсивностью и часто встречается в химической технологии – выпаривание, перегонка жидкостей, испарители…

Для возникновения кипения необходимо, чтобы и наличие центров парообразования.

Различают кипение на поверхности нагрева и кипение в объеме жидкости. Кипение на поверхности – обусловлено подводом теплоты к жидкости от соприкасающейся с ней поверхностью. Кипение в объеме жидкости – обусловлено наличием внутренних источников теплоты, или значительного перегрева жидкости, возникающего, например, при внезапном снижении давления (ниже равновесного).

Рассмотрим кипение на поверхности:

Для передачи теплоты от стенки к кипящей жидкости необходим перегрев стенки относительно температуры насыщения.

В области АВ перегрев мал, мало активных центров парообразования, теплообмен определяется законами свободной конвекции около стенки,.

812165227965

ВС – перегрева больше, больше центров парообразования, - резко возрастает. Происходит турбулизация пограничного слоя около стенки (рис.4.9)

Пузыри, поднимаясь и увеличиваясь в объеме, увлекают значительные массы жидкости. На это место поступает новая порция жидкости, таким образом, реализуется циркуляция жидкости. Здесь.

Рис.4.9

При происходит слияние близко образующихся пузырей. Если пузырька, то на поверхности стенки образуется паровая пленка, создающая дополнительное термическое сопротивление процессу теплоотдачи. Такой режим кипения называется пленочным.

Для воды

Рассмотрим движение пузырька. Достигнув определенного диаметра, пузырек отрывается от поверхности:

(4.44)

Здесь - краевой угол смачивания, - коэффициент поверхностного натяжения. В момент отрыва пузырька сила поверхностного натяжения жидкости, которая удерживает пузырек, равно Архимедовой подъемной силе. Поднимаясь, пузырек увеличивается в объеме за счет испарения жидкости внутри пузырька, сплющивается и приобретает форму гриба. Гриб имеет сложную траекторию, дробится и коалесценцизуется.

Таким образом, транспорт теплоты при пузырчатом кипении состоит из переноса теплоты от стенки к жидкости, а затем жидкостью теплота передается внутренней поверхности пузырьков в виде теплоты испарения.

Передача теплоты от стенки непосредственно пузырю ничтожно мала. Для того, чтобы теплота от жидкости передавалась пузырькам пара, жидкость должна иметь Т несколько ниже температуры пара. Поэтому жидкость несколько перегрета относительно температуры насыщенного пара над поверхностью кипящей жидкости.

Скорость переноса теплоты при кипении зависит от физических свойств жидкости, давления,, свойств материала стенки, и.т.д.

Учесть все это трудно, трудно предлагать единую зависимость. Поэтому для определения в литературе предлагаются различные физические модели. Но общепринятой модели нет. Формальный вид:

(4.45) (n=0.6-0.7)

А – сложный комплекс многих величин. Иногда предлагают критериальное уравнение вида:

(4.46)

Значения A, m, n – обычно определяют экспериментально.

4.1.6. Теплообмен при непосредственном контакте

теплоносителей.

Этот случай химической технологии встречается реже, чем теплопередача через разделяющую стенку. Однако, иногда (охлаждение воды воздухом в аппарате с зернистым слоем и др.) такой вид теплообмена значительно проще организовать.

Система газ – жидкость. Теплообмен сопровождается процессами переноса массы из одной фазы в другую. Если жидкость охлаждается, то происходит испарение части жидкости и распространение ее в газовом потоке.

Испарение – переход вещества из жидкого состояния в газообразное, при температуре большей, чем температура кипения жидкости при заданном давлении.

В непосредственной близости к поверхности жидкости, газовая фаза насыщена паром с парциальным давлением, меньшим давления насыщенного пара.

В нашем случае, поэтому возникает поток из жидкости в газовую фазу. Этот поток переносит энергию (энтальпия испарения). В процессе испарения жидкость охлаждается (адиабатическое испарение):

(4.47)

Здесь температура газа,

температура мокрого термометра. (низшая температура жидкости, испаряющуюся и движущуюся над ней парогазовой смеси.)

Основное сопротивление в системах газ – жидкость сосредоточено в газовой фазе.

Примеры из химической технологии: скрубберы и градирни. Подобные процессы теплообмена сопровождаются процессами переноса массы из одной фазы в другую. Следовательно, перенос тепла идет дополнительно за счет массопередачи. При испарении, конденсации, сорбции и др. идет совместный процесс тепло - и массообмена. Они очень сложны. Поэтому нет достаточных обобщений.

рис.4.10

Система твердые частицы (неподвижная) – газ. Процесс теплообмена состоит из переноса теплоты из сплошной фазы теплоносителя к поверхности частиц материала (внешняя теплоотдача) и переноса теплоты внутри частиц.

Теплоотдача при движении теплоносителя через неподвижный слой зернистого материала зависит от

размера и формы частиц

пористости слоя

физических свойств теплоносителя и др.

предложен рад зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи:

(4.48)

Здесь экспериментальные данные, при разных значенияхони разные.

Расчет переноса теплоты внутри твердой частицы существенно сложнее.

Соотношение между внешним и внутренним теплопереносом характеризуется критерием Био:

(4.49)

для шара.

Здесь коэффициент теплоотдачи, характерный размер, - теплопроводность твердого материала.

При малых значенияхосновное сопротивление во внешней фазе;

При больших значенияхосновное сопротивление внутри твердой фазы.

Для первого случая – расчет по формуле (4.48)

Для второго – материалы в специальной литературе.

Теплообмен в псевдоожиженном слое. Благодаря большой поверхности большой поверхности твердых частиц теплообмен в псевдоожиженном слое протекает очень интенсивно. Расчет затруднен из-за невозможности определения истинной поверхности и действительной разности температур между твердыми частицами и газом (жидкостью)

Теплообмен в псевдоожиженном слое складывается из конвективного переноса тепла от среды к твердым частицам и переноса тепла в твердой частице теплопроводностью.

Обработка опытных данных критериальная: для переноса тепла от среды к частице

(4.50)

,,

В аппарате с псевдоожиженным слоем идет интенсивный теплообмен между слоем и стенкой. С увеличением скорости потока среды увеличивается, достигает, затем начинает уменьшаться.

4.1.7. Радиационно-конвективная теплоотдача.

Тепловое излучение.

Во всех телах, температура которых выше 0К происходит превращение тепловой энергии в лучистую. Носители лучистой энергии являются электромагнитные колебания. Тепловое излучение аналогично излучению света: поглощается, отражается и преломляется.

Длины волн теплового излучения лежат, в основном, в невидимой (инфракрасной) части спектра и имеют длину 0,8 – 40 мк. Световые волны 0,4 – 0,8 мк. Интенсивность светового излучения возрастает с повышением температуры тела, и при С лучистый теплообмен между твердыми телами и газами приобретает доминирующее значение.

QU QR

QA

QD

Рис. 4.11 (4.51)

QR – отражение, QD - проходит, QA- отражение.

Преобразуем (4.51).

(4.52)

Если А=1 (R и D =0), тогда тело полностью поглощает все падающие на него лучи, тело абсолютно черное.

Если R=1(D и A =0), полное отражение лучей, тело абсолютно белое.

Если D=1 (R и A =0), тело абсолютно прозрачное.

При D =0, R+A =1 – серые тела.

Полное количество энергии, излучаемое в единицу времени через единицу поверхности, называется излучательной способностью Е:

(4.53)

Для абсолютно черного тела по закону Стефана-Больцмана:

(4.54)

Здесь - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для серых тел (4.55)

Здесь С - коэффициент излучения серого тела.

Теплообмен при излучении.

(4.56)

Здесь - коэффициент взаимного излучения двух тел, Т1 и Т2 температура в К более и менее нагретого тел соответственно.

Предположим, происходит перенос теплоты от стенки аппарата в окружающую среду. Тогда:

(4.57)

Здесь в оС. Находим :

(4.58)

В комплексе - температура в К.

- количество теплоты, отдающейся в окружающую среду, за счет излучения за единицу времени, через единицу площади и при разнице температур в 1ОС.

Перенос теплоты в окружающую среду идет за счет теплоотдачи и теплового излучения: (4.59)

(4.60)

Имея в виду соотношение (4.57) получим:

(4.61)

Здесь - общий коэффициент теплоотдачи.

4.1.8. Оптимизация и интенсификация теплообмена.

Задача оптимизации по критерию :

(4.62)

Оптимизация по какому-то параметру. Далее: первая производная равна 0, вторая производная положительна.

Многопараметрическая оптимизация более сложная задача.

Методы интенсификации теплообмена:

Активные методы – механическое воздействие на поверхность (вращение или вибрация поверхностей, перемешивание жидкости и.т.д.), пульсация давления вдув и отсос пограничного слоя.

Пассивные методы, в основе которых лежит воздействие на поток формой поверхности теплообмена: винтовые, локальные, пластинчатые закручиватели потока, различные оребрения поверхности теплообмена. Смысл разрушение пристенных слоев жидкости.

Обработка:

Юрейцер

Кирпиков (4.63)

Гухман

Олимжиев

Назмеев

Использование пленочного течения для интенсификации теплообмена, Чем меньше толщина пленки, тем лучше. Однако, возможны разрывы пленки жидкости. Для каждого случая определяют минимальную плотность орошения.

Особенность пленочного течения: малое время прогрева пленки, это особенно важно для термолабильных материалов.

Центробежные пленки ещё лучше.

4.2 Промышленные способы передачи тепла.

Все тепловые процессы и установки разделяют на высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные и криогенные:

Высокотемпературные – 400-2000 0С (огнетехнические процессы, нагревательные печи)

Среднетемпературные - 150-700 0С (ректификация, сушка, выпарка)

Низкотемпературные – -150-150 0С (отопительные, вентиляционные кондиционеры, холодильные установки)

Криогенные – Т< -150 0С (разделение воздуха).

Теплообменники (ТО) – аппараты для передачи тепла от одного вещества к другому. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями (ТН).

4.2.1. Виды теплоносителей.

ТН классифицируются по назначению, агрегатному состоянию и диапазону рабочих температуры и давления (Т и p).

1. по назначению:

греющий ТН;

охлаждающий ТН, хладоноситель;

промежуточный ТН;

сушильный агент.

2. по агрегатному состоянию:

- однофазные ТН;

многофазные (двух-) ТН;

Однофазные:

низкотемпературная плазма;

газы;

неконденсирующиеся пары;

не кипящие и неиспаряющиеся при данном давлении жидкости;

растворы;

зернистые материалы.

Много (двух-)фазные:

кипящие, испаряющиеся жидкости;

конденсирующиеся пары;

плавящиеся, затвердевающие материалы;

пены;

аэрозоли;

эмульсии, суспензии и.т.д.

3. по диапазону температур:

высокотемпературные ТН (дымовые, топочные газы, расплавы солей, жидкие металлы);

среднетемпературные ТН (водяной пар, вода, воздух);

низкотемпературные ТН (при атмосферном давлении );

криогенные.

С увеличением давления растет и температура кипения жидкостей.

(Бакластов А..М. Промышленные ТМО процессы и установки 1986 г.)

А качестве прямых источников тепловой энергии на химических предприятиях используют толочные (дымовые) газы и электроэнергию. Вещества, передающие от этих источников теплоту, в ТО называют промежуточными ТН. Наиболее распространенные промежуточные ТН:

водяной пар, насыщенный;

горячая вода;

перегретая вода;

органические жидкости и их пары;

минеральные масла, жидкие металлы.

Требования к ТН:

большая,.

высокое значение теплоты парообразования;

низкая вязкость;

негорюч, нетоксичен, термостоек;

дешевизна.

Рассмотрим более конкретно наиболее распространенный метод – нагревание водяным насыщенным паром.

При конденсации насыщенного водяного пара выделяется значительное количество теплоты. Насыщенный водяной пар используют при МПа, что соответствует температурам нагревания до 190 0С. Выше – экономически невыгодно.

Преимущества насыщенного водяного пара:

высокий коэффициент теплоотдачи от конденсированного пара к стенке,

равномерность обогрева ();

возможность регулирования температуры путем изменения давления;

возможность передачи на большие расстояния.

Недостатки насыщенного водяного пара:

увеличение давления с увеличением температуры (основное).

Постепенно увеличивается содержание неконденсированных газов(N2, O2, CO2, и.т.д.).

Острый пар – пар, конденсирующийся непосредственно в нагреваемой среде, глухой пар – пар, отдающий свою теплоту через разделяющую твердую стенку, мятый пар – отработанный пар.

Острый пар используется в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с образующимся при конденсации пара конденсатом.

жидкость

Нагретая

Жидкость

пар

Уравнение теплового баланса:

(4.64)

Рис 4.12Здесь D – масса сухого острого пара, Н – энтальпия, L – масса нагреваемой жидкости, с – теплоемкость нагреваемой жидкости, - теплоемкость конденсата, Т1 и Т2 – температура жидкости до и после нагрева, QП – потери тепла в окружающую среду, t – время.

Острый пар применяется редко, наиболее часто глухой пар.

продукт

пар

паровая

рубашка

конденсоотводник

слив

продукта

отводная линия

конденсат

рис.4.13

Пар конденсируется на поверхности аппарата, и стекает в воде пленки по поверхности стенки.

Уравнение теплового баланса:

(4.65)

Более высокого уровня температуру (чем для водяного пара) можно получить при конденсации паров высокотемпературных органических теплоносителей – ВОТ.

P

Mпа

8

6

4

2 дифениловая

смесь

0 100 200 300 Т0С

рис.4.14

4.2.2. Классификация и конструкция теплообменников.

Теплообменники различаются по назначению, принципу действия, конструктивным и другим признакам.

По назначению:

подогреватели

испарители

паропреобразователи

конденсаторы

холодильники

радиаторы и.т.д.

требования к теплообменникам:

возможность проведения технологического процесса;

высокий коэффициент теплопередачи;

низкое ;

устойчивость поверхности теплообмена против коррозии;

доступность поверхности теплообмена для чистки.

По принципу действия:

поверхностные (рекуперативные, регенеративные)

контактные (смесительные).

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагрева. Сначала поверхность аккумулирует теплоту, а потом отдает и охлаждается.

4.2.2.1. Рекуперативные теплообменники.

Кожухотрубчатые теплообменники:

Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу (I), охлаждаемый – сверху вниз противотоком. Кожухотрубчатые теплообменники – самые распространенные.

I

4

2

1

II

3

II

5

Рис.4.15. Кожухотрубчаиый теплообменник:

1 – кожух, 2 – трубные решетки, 3 – трубы,

4 – крышка, 5 – днище, I,II – теплоносители.

I I I I

II II

II II

2-х 4-х

рис.4.16. многоходовые (по трубному пространству)

кожухотрубные теплообменники.

Многоходовые теплообменники применяются для увеличения скорости движения теплоносителя. При этом увеличивается и коэффициент теплопередачи.

II II

I I

Рис.4.17 многоходовой (по межтрубному пространству)

Кожухотрубный теплообменник.

Если разность температур труб и кожуха больше 500С, то они удлиняются неодинаково. Тогда возникают большие напряжения в трубных решетках. В наших случаях используются теплообменники с линзовым компенсатором, плавающей головкой, U – образные.

I I I I I

II II II II

II II

I

линзовый компенсатор плавающая головка U–образный

рис.4.18. Кожухотрубный теплообменник

с компенсацией температурных удлинений.

Теплообменник «труба в трубе» для малых тепловых нагрузок.

Змеевиковые теплообменники:

II I

I

II

Рис.4.19.

Змеевики внутри погружены в теплоносители. Бывают наружные змееваловые теплообменники (до 6Мпа). Змеевиковые теплообменники просты. Скорости теплоносителей в змеевике небольшие, поэтому коэффициенты теплопередачи небольшие.

Теплообменники с оребренными трубами. Коэффициент теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи резко отличаются по величине. Пример: нагрев воздуха конденсирующим паром:

Рис.2.20. Элементы теплообменника с оребрениями.

Пластинчатые теплообменники.

Поверхностью теплообмена в этих теплообменниках является гофрированные параллельные пластины.

I

II

элемент теплообменника

II

I

Рис.4.21. пластинчатый теплообменник

В этих теплообменниках реализуется большие скорости

При небольших реализуются большие коэффициенты теплопередачи.

Спиральные теплообменники.

Спиральные теплообменники в отличие от пластинчатых теплообменников компактны. Однако они сложны в изготовлении, не могут работать при высоких давлениях (до 1Мпа).

рис.4.22

Теплообменники с двойными стенками.

ТО с рубашками используются для проведения химических реакций. Они обычно работают под избыточным давлением. В зависимости от технологического процесса они носят название: автоплавов, нитраторов, полимеризаторов, варочных аппаратов и.т.д. Для увеличения коэффициента теплоотдачи от стенки к содержимому аппарата внутри него устанавливают мешалки (механические, пневматические)

4.2.2.2. Регенеративные теплообменники.

Для повышения эффективности теплотехнических систем, работающих в широком диапазоне температур, используются регенеративные теплообменники. Аккумуляция теплоты происходит в слое насадки. Слой насадки периодически омывается потоками горячего и холодного теплоносителя.

I – горячий теплоноситель,

II – холодный теплоноситель.

Переключение регенераторов производится автоматическими клапанами.

Каждый цикл состоит из двух периодов: разогрева насадки и ее охлаждения.

Рис.4.24. Регенератор с неподвижной насадкой.

Регенерирующиеся вращающиеся подогреватели применяются для подогрева воздуха дымовыми газами из котлов..

«+» - процесс непрерывный (постоянная температура нагретого воздуха)

«-» - расход энергии на вращение.

Регенератор с падающей насадкой работает в непрерывном режиме.

Во всех регенеративных аппаратах возможно использование специальных гранул. При нагревании покрытия ядро гранулы начинает плавиться.

Гранула имеет дополнительное тепло, равное скрытой теплоте плавления материала ядра. При охлаждении гранул все тепло отдается, происходит затвердевание ядра.

II I

насадка

камера нагрева

горячие газы

газы

II I

гор.

Ядро возд.

хол.

покрытие камера возд.

охлаждения

гранула

рис.4.25. рис.2.26.

4.2.2.3. Смесительные теплообменники. (СТО)

В СТО передача тепло от одного теплоносителя к другому происходит при их непосредственном соприкосновении или смешении, термическое сопротивление стенки (разделяющей теплоносители) отсутствует.

Наиболее часто СТО применяют для конденсации паров, нагревания и охлаждения воды и паров. По принципу устройства СТО подразделяют на барботажные, полочные, насадочные и полые (с разбрызгиванием жидкости).

воздух

вода

пар

нагретая

жидкость

пар

вода + конденсат

а) б)

вода воздух

к вакуумному

насосу

ловушка вода

форсунки

вода

пар

пар

барометрическая

труба

вода + конденсат

вода

в) г)

рис.4.27.

а) барботажный смесительный теплообменник для нагрева воды

б) насадочный теплообменник-конденсатор

в) полочный барометрический конденсатор

г) полый скруббер

4.2.3. Методика расчета теплообменника.

Рассмотрим рекуперативный теплообменник, например кожухотрубчатый теплообменник.

Различают проектный и проверочный расчеты теплообменников.

Цель проектного расчета – определение необходимой площади (F) и режима работы теплообменника для обеспечения заданного переноса теплоты от одного теплоносителя к другому.

Цель проверочного расчета – определение количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей в данном теплообменнике с заданной площадью (F) при заданных условиях его работы.

Основы расчетов: уравнения теплопередачи и тепловых балансов.

4.2.3.1. Проектный расчет теплообменников.

Задано: расход, одного из теплоносителей, другого теплоносителя.

Расход тепла определяется по основному уравнению теплопередачи:

(4.66)

тепловой баланс можно записать следующим образом:

(4.67)

Здесь расходы теплоносителей; начальная и конечная энтальпия более нагретого теплоносителя; конечная и начальная энтальпия менее нагретого теплоносителя, то

С – теплоемкость теплоносителя при.

Если агрегатное состояние не меняется, то находится как среднеарифметическое:

Среднюю движущую силу определяют как среднелогарифмическую:

(4.68)

для модели идеального вытеснения.

Рис.4.28.

Для противотока уравнение (4.68) имеет вид:

(4.69)

Если то.

В аппаратах с противотоком больше, чем в аппаратах с прямотоком.

Определение коэффициента теплопередачи K:

(4.70)

Значение (приближенное) можно брать из справочников, или же определить (приближенно) по критериальным уравнениям типа.

По известным определяют предварительное значение F.

4.2.3.2. Проверочный расчет теплообменника.

Проверочный расчет теплообменника проводят после выбора типа и конструкции теплообменника (нормализованного). Производят уточненный расчет. Далее сопоставление и, если расчет прекращают.

4.3. Выпаривание.

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления летучего растворителя в виде паров. Выпаривание обычно проводится при кипении. Обычно из раствора удаляется только часть растворителя, так как вещество должно оставаться в текучем состоянии.

Существует три метода выпаривания:

поверхностное выпаривание, которое осуществляется путем нагревания раствора на теплообменной поверхности за счет подвода тепла к раствору через стенку от греющего пара;

адиабатическое выпаривание, которое происходит путем мгновенного испарения раствора в камере, где давление ниже, чем давление насыщенного пара;

выпаривание путем контактного испарения, при котором нагревание раствора осуществляется при прямом контакте между движущимся раствором и горячим теплоносителем (газом или жидкостью).

В химической технологии, в основном применяется, первый метод выпаривания. Далее о первом методе.

В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах применяется насыщенный водяной пар (греющий или первичный). Выпаривание – типичный теплообменный процесс – перенос теплоты за счет конденсации насыщенного водяного пара и кипения раствора.

В отличии от обычных теплообменников выпарные аппараты состоят из двух основных узлов (рис.4.29):

греющей камеры или кипятильника,

сепаратора.

Сепаратор предназначен для улавливания капель раствора из пара, который образуется при кипении. Этот пар называется вторичным или соловым.

рис.4.29 однокамерная выпарная установка.

1-сепаратор, 2-греющая камера,

3-циркуляционная труба, 4-конденсатор, 5-барометрическая труба.

В зависимости от давления вторичного пара различают выпаривание при. Выпаривание при - снижается температура кипения раствора, при -вторичный пар используется в технологических целях. Температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя. Например, для насыщенного раствора NaCl (26%), для воды.

Вторичный пар, отбираемый из выпарной установки для других нужд, называется экстра паром.

4.3.1. Классификация и конструкция выпарных установок.

Выпарная установка, состоящая из одного выпарного аппарата, называется однокорпусной (рис.4.29).

Выпарная установка, состоящая из 2 или более выпарных аппаратов, называется многокорпусной. В многокорпусной выпарной установке свежий пар подают только в первый корпус. Из первого корпуса, образовавшийся вторичный пар поступает во второй корпус этой же установки в качестве греющего, в свою очередь вторичный пар второго корпуса поступает в третий корпус в качестве греющего и.т.д.

Периодическое выпаривание проводят при малых производительностях и до высоких концентраций раствора. Выпарные установки, в основном, работают в непрерывном режиме.

Многокорпусные выпарные установки могут быть прямоточными, противоточными и комбинированными.

вода

вторичный пар к вакуумному

насосу

греющий

пар п-пар

исходный к к к

раствор

рис.4.30 многокорпусная выпарная установка

прямоточного типа.

Прямоточные выпарные установки распространены наиболее широко.

конденсатор

вторичный пар вторичный пар

свежий

пар

к к к

насос насос насос

рис.4.31 противоточная многокорпусная выпарная установка.

Поскольку давление в каждом последующем корпусе меньше, чем в предыдущем, для перемещения раствора нужны насосы.

Конструкции выпарных аппаратов:

Выпарной аппарат с Выпарной аппарат с Выпарной аппарат с

естественной циркуляцией естественной циркуляцией вынужденной конвекцией

(зоны нагрева и кипения совпадают)

рис 4.33В пленочном выпарном аппарате исходный раствор поступает в трубы снизу и заполняет и заполняет одну четверть трубы. Происходит кипение раствора, образующийся пар увлекает раствор в виде кольцевой пленки. Кольцевая пленка при кипении испаряется.

Рис 4.33а

Пленочный выпарной аппарат

(пленка восходящая)

Роторные выпарные аппараты применяются для выпаривания высоковязких пастообразных продуктов. Вращающиеся лопасти ротора распределяют раствор по стенке корпуса за счет силы тяжести. Стенка аппарата обогревается паром.

4.3.2. Однокорпусное (однократное) выпаривание.

Процесс выпаривания непрерывный.

Материальный баланс по общему количеству продуктов:

(4.71)

Здесь расходы исходного и упаренного растворов,; выход вторичного пара,.

Материальный баланс по нелетучему продукту:

(4.72)

где концентрация растворенного продукта в исходном и упаренном растворе, 1кг на 1кг продукта.

Искомые величины:

(4.73)

(4.74)

По двум исходным уравнениям три величины найти невозможно, поэтому одной из величин, например, задаемся.

Тепловой баланс.

(4.75)

Здесь расход греющего пара, ; энтальпия, ; потери теплоты в окружающую среду, ; теплота концентрирования, равная теплоте растворения, но с обратным знаком.

Индексы н – начальное, к – конечное, ВП – вторичный пар, п – потери, ГК – конденсат греющего пара.

Запишем частный случай, рассматривая исходный раствор как смесь упаренного раствора и испаряемой влаги при постоянной температуре кипения:

(4.76)

где – удельная теплоемкость воды при температуре.

Тогда получим:

(4.77)

количество теплоты, выделяющееся в выпарном аппарате при конденсации.

нагревание исходного сырья от до.

теплота на испарение растворителя при

При небольшой степени концентрирования и хорошей изоляции выражение мало и ей можно пренебречь.

Если предположить, что, то есть раствор поступает в аппарат при температуре кипения, то

(4.78)

отсюда

(4.79)

теплота парообразования;

теплота конденсации греющего пара.

Если в качестве греющего пара используют насыщенный водяной пар, а упаривают водный раствор, то. Это означает, что на испарение 1кг растворителя затрачивается 1кг греющего пара. Реально, то есть пара необходимо больше на.

Основная расчетная формула:

(4.80)

Искомая величина, коэффициент теплопередачи определяется по известным формулам. Возникает проблема расчета полезной разности температур.

4.3.3. Температурные потери.

Обычно в выпарных установках известны давления греющего пара и вторичных паров, то есть их температуры. Разность между температурами греющего и вторичного паров называют общей разностью температур выпарных аппаратов:

(4.81)

Общая разность температур связана с полезной разностью температур соотношением:

(4.82)

(4.83)

здесь концентрационная температурная депрессия.

гидростатическая температурная депрессия.

гидравлическая температурная депрессия.

определяют как разницу температур кипения раствора и чистого растворителя при :

(4.84)

Таким образом, температура образующегося при кипении раствора вторичных паров ниже, чем температура кипения самого раствора, то есть часть температур теряется бесполезно.

характеризует повышение температуры кипения раствора с увеличением гидростатического давления. Обычно по высоте кипятильника определяют среднее давление, и для этого давления определяют среднюю температуру кипения раствора.

(4.85)

здесь давление в аппарате, плотность парожидкостной смеси (),высота кипятильных труб.

(4.36)

где температура кипения раствора при, температура вторичных паров при давлении.

Гидравлическая температурная депрессия связана с потерей давления насыщенных вторичных паров при прохождении через каплеотбойник и при движении по трубопроводам. При снижении давления падает температура насыщенного пара.

4.3.4. Многокорпусное выпаривание.

В многокорпусном выпарной установке вторичный пар предыдущего корпуса используется в качестве греющего пара в последующем корпусе. Такая организация выпаривания приводит к значительной экономии греющего пара. Если принять по всем корпусам, то общий расход греющего пара на процесс уменьшается пропорционально числу корпусов. Практически, в реальных условиях такое соотношение не выдерживается, оно, как правило, ниже.

Материальный баланс.

Уравнения материальных балансов для многокорпусной выпарной установки представляют собой систему уравнений, записанных для каждого корпуса в отдельности. Уравнения материальных балансов позволяют определить количество испаренной воды в установке и концентрацию растворенного вещества по корпусам при условии, если задан закон распределения испаренной воды по корпусам.

(4.87)

(4.88)

для первого корпуса:

(4.89)

для второго корпуса:

(4.90)

для n-корпуса:

(4.91)

Тепловой баланс:

Уравнение теплового баланса для n-корпуса:

(4.92)

Здесь:

- расход греющего пара для n-корпуса

- расход вторичного пара.

- расход исходного раствора.

- расход упаренного раствора.

- энтальпия греющего пара.

- энтальпия исходного раствора.

- энтальпия упаренного раствора.

- энтальпия вторичного пара.

- энтальпия конденсата греющего пара.

С помощью системы уравнений тепловых балансов для всех корпусов и уравнений баланса испаряемой жидкости определяют расход греющего пара в первом корпусе, расходы выпаренной воды в каждом корпусе и их тепловые нагрузки.

4.3.5. Полезная разность температур в многокорпусной установке и ее распределение по корпусам.

(4.93)

(4.94)

где температура греющего пара в первом корпусе, температура вторичного пара, поступающего в барометрическую камеру.

(4.95)

Величина небольшая, обычно, ее не рассчитывают, принимают для каждого аппарата ~ 1-1.50C.

распределяют между выпарными аппаратами различными способами.

1 способ.

Поверхности теплопередачи по корпусам равны: (4.96)

2 способ. Суммарная поверхность теплообмена корпусов установки минимальна.

(4.97)

1способ.

в корпусе (4.98)

(4.99)

и.т.д. (4.100)

2 способ. (Без вывода) для любого n-го корпуса:

(4.101)

Похожие работы:

«Поисково-спасательные суда и катера 42545-4127500 Проект 537 Осьминог 1 АЛАГЕЗ ТОФ 1989 Примечания Головное судно Эльбрус ЧФ списано в 1997 г. 1079509779000 т м л. с. уз м миль (уз) суток человек 12390/14300 173,825,17,5 212650 20,4 15000 (10)/5000 (20) 60 315 + Оборудование До четырех различных глубоко...»

«Марафон1 тур Родиться под счастливой звездой. Астрономия – наука о небе. Не так давно рядом с этой великой наукой существовала наука астрология. Астрологи уверяли, будто судьба человека зависит от того, под какой звездой он родился. Составляя гороскопы – особые таблицы расположения звёзд на небе, з...»

«АНКЕТА ДЛЯ ЖЕНЩИН Ф.И.О. _ Дата "_"_20 г. ЧАСТЬ 1 Секция АНет/ Редко Иногда Часто Очень часто1. Несварение желудка после еды 0 1 4 82. Чрезмерная отрыжка, вздутие живота после еды 0 1 4 83. Спазмы в желудке во время или после еды 0 1 4 84. Ощущение, что е...»

«Иммунопрофилактика 314007554610    Вакцинация является основным профилактическим методом предупреждения опасных инфекций, угрожающих жизни ребенка. Вакцинопрофилактика применяется вот уже н...»

«Сценарий литературно-музыкальной гостиной "Гимн СЕРЕБРЯНОМУ веку и его тайны" Оформление класса: 4 пары столов, покрытых скатертями, на столе свечи На сцене 2 ведущих. Презентация "Поэты серебряного века" Музыка: вальс Е.Доги из кинофильма "Мой ласковый и нежный зверь" 1 ведущий: Сегодня мы со...»

«Измерение самооценки по методике Дембо-Рубинштейн Самооценка – ценность, которая приписывается индивидом себе или отдельным своим качествам. Главные функции, которые выполняются самооценкой, – регуляторная, на осно...»

«Утверждаю Директор школы _ Непомилуева В.А. Контрольная работа по русскому языку 2 четверть 3 класс1. Спишите текст. Дождик прошел по садовой дорожке, Капли на ветках висят, как сережки, Тронешь березку – она встрепенется И засмеется, До слез засмеется. 2. Уст...»

«КОНТРАКТ No. CONTRACT No. г.Москва 30.09.2014 Moscow 30.09.2014 Открытое акционерное общество Нефтяная компания Роснефть (Россия), далее именуемое "Продавец", в лице Директора Департамента трейдинга нефтью и нефтепродуктами Д. Ныр...»

«Сценарии церемонии награждения финалистов конкурса "Ученик года-2013"Действующие лица: Пётр I ( Лаврухин Дима) Меншиков (Мисинева Саша) Боярин (Галина Васильевна) Ваня его сын (Ирина Мильевна) Нянька — служанка Вани (Марина Валентиновна) Дарья дочь боярина Тугоухова ((Наталья Петровна)Луша её...»

«Взрывоопасные, легковоспламеняющиеся, токсические вещества Взрывоопасные вещества Водород Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отнош...»

«Контрольная работа по английскому языку за 1 полугодие 10 классДобавить артикль, если нужно: Russia _Africa UK _Gobi Desert Alps Elbrus Moscow Arctic Ocean Baikal Volga Вставить подходящие слова. A1 _ its geographical position Australia is called the Land Down Under. A2 _ most Australians live near the sea, sport is very popular, espec...»

«Требования к устной речи ребенка, поступающего в 1 класс С момента рождения до поступления в школу ребенок проходит важный этап в своем развитии. За этот период он усваивает огромное количество информ...»

«Косвенная речь Reported speech1. Превратите следующие предложения в косвенную речь. Fred said: “I have invented a new computer program”. They told me: “We were really happy.” She said: “I live in a big apartment.” He told her: “I am going to the fish market.” Betty said: “I found my passport.”...»

«Класс 7 Тема урока: Природные зоны Африки.Цели урока:1) определить положение природных зон на материке Африка и показать их на географической карте.2) познакомиться с характерными особенностями природных зон Африки, п...»

«Что взять с собой в Хадж ? Ежегодные практические советы на бытовые вопросы Хаджа.Этот вопрос волнует особенно тех, кто первый раз едет исполнить пятый столп Ислама.На основе некоторого опыта предлагаем Вам следующий набо...»








 
2017 www.docx.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - интернет материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.