3.6 Тепловые процессы и аппараты

Основные виды передачи тепла

1.Теплоповодность – перенос тепла вследствие беспорядочного движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул, либо колебанием атомов или диффузией свободных электронов. В твердых телах теплопроводность явл. обычно основным видом распространения тепла.

2.Конвекция – перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объектов газа или жидкости. Перенос тепла возможен в условиях естественной или свободной конвекции, обусловленный разностью плотностей в различных точках объёма жидкости или газа, возникающей вследствие разности температур в этих точках или принудительном движении всего объёма жидкости.

3.Тепловое излучение – это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны изучать энергию, которая поглощается другими и снова превращается в тепло. Таким образом осуществляется лучистый теплообмен. Он складывается из процессов лучеиспускания и луче поглощения. В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним из указанных способов, а комбинированным путем, например, при теплообмене между твёрдой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением.

Теплопередача –процесс перехода тепла от более нагретого тела к менее нагретому, вещества участвующие в прроцессе называются теплоносителями.

В непрерывно действующих аппаратах температура в различных точках не изменяется во времени и протекающий процесс теплообмена явл. установившимся. В периодически действующих аппаратах, где температура меняется во времени, осуществляются не установившиеся процессы теплообмена.

–тепловой баланс.

–основное уравнение теплопередачи.

При противоточном движении теплоносителей средняя разность температур всегда выше, поэтому процесс теплопередачи идет эффективней.

Теплопередача в теплообменных аппаратах пути ее интенсификации

Обычно в теплообменных аппаратах один из теплоносителей движется по трубам, с помощью которых чаще всего в технике формируется поверхность теплопередачи. Поэтому для расчета и рациональной эксплуатации теплообменников важно знание основных закономерностей переноса теплоты при движении теплоносителя в трубах.

Другой способ интенсификации, не приводящий к существен­ному повышению гидравлического сопротивления, заключается в следующем. Путем выдавливания снаружи трубы с помощью специального устройства на внутренней стенке трубы образуются небольшие по высоте (1-2 мм) выступы. Расстояние между выступами равно диаметру трубы или несколько меньше его. При турбулентном движении жидкости в потоке за зауженным участком трубы возникают вихри, которые существенно турбулизуют пограничный слой и тем самым резко снижают его термическое сопротивление. При этом коэффициент теплоотдачи увеличивается несколько раз. К конструктивным способам интенсификации процесса теплоотдачи можно отнести также использование различных вставок внутри труб, приводящих к завихрению потока, также установку перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников, с помощью которых увеличивают скорость движения жидкости и ее турбулизацию вследствие чередующегося изменения направления потока.

К эффективным технологическим методам интенсификации теп­лообмена относятся создание пульсаций потока жидкости, а также проведение процесса в тонких каналах, при течении жидкости в виде тонкой пленки и др.

Конструкции теплообменных аппаратов.

Трубные теплообменники.

1. Кожухотрубчатые теплообменники.

1-корпус, 2-трубные решетки, 3-трубки, 4, 5 –крышки

2. Двухтрубные теплообменники («труба в трубе»).

1-внутренние трубы, 2-наружные трубы, 3-калачи, 4-соединительные патрубки

3.

Змеевиковые теплообменники.

1-корпус, 2-змеевики, 3-Ме прокладка

4. Оросительные теплообменники.

1-трубы, 2-калачи, 3-желоб для распределения охлаждающей воды, 4-корыто для сбора воды

2. Спиральный теплообменник.

Компенсация температурных напряжений

Температурные напряжения возникают из-за разности температур между кожухом и трубами. Если эта разность больше 50°, то на корпус устанавливают компенсаторы:

• Линзовые, наиболее часто используются. Компенси­рующая способность линзового компенсатора увеличивается пропорционально числу линз, однако применять более четырех линз не реко­мендуется, так как теплообменник теряет осе­вую жесткость. При установке компенсаторов на горизонтальных аппаратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия с заглушками для слива воды или теплоносителя при гидроиспытаниях и ремонте.

• Из плоских элементов.

• Из элементов сферы.

• Тороидальных.

• и др.

Испарение и конденсация

1. Испарение –это процесс перехода жидкости в пар за счет подведения теплоты.

–тепловой баланс.

–если известно количество пара.

Конструкции испарителей могут быть вертикальными и горизонтальными. Чаще всего являются кожухотрубчатыми теплообменниками.

2. Конденсация –процесс перехода пара или газа в жидкое состояние за счет охлаждения или сжатия.

Аппараты для конденсации называются конденсаторы и бывают 2 типов:

• Поверхностные –представляют собой трубчатые теплообменные аппараты, где конденсация пара происходит за счет омывания поверхности труб хладогентом.

• Смесительные (смешения) –охлаждение и конденсация происходит при непосредственном впрыскивании охлаждающей жидкости в аппарат.

Определение количества теплоты:

• На 1 стадии, когда происходит охлаждение пара то температуры конденсации, определяется по пару:

• На 2 стадии, в процессе конденсации, не происходит изменения температуры, а только фазовый переход из пара в жидкость:

• На 3 стадии происходит охлаждение конденсата до температуры при которой он удаляется из аппарата:

Коэффициент теплопередачи определяется для каждой стадии: