Проект розрахунку кожухотрубного теплообмінника безперервної дії (стр. 2 из 8)
Тепловіддача при поперечному обтіканні труб.
Цей вид тепловіддачі має місце в кожухотрубних теплообмінниках при русі теплоносіїв в міжтрубному просторі з поперечними перегородками і в трубчастих підігрівачах, встановлених в димових каналах.
Одиночна труба. При поперечному обтіканні одиночної труби (рис. 1.1) на її лобовій частині утворюється прикордонний ламинарний шар, що має кінцеву товщину по всій течії від точки відриву. З кормової сторони потік відривається від поверхні труби, і виникають завихрення, що приводять до більш інтенсивної тепловіддачі в цій зоні.
Рисунок 1.1 - Поперечне обтікання труби
Пучок труб. Пучки труб характеризуються наступними параметрами:
d — діаметр труб, м;
t — крок труб, м;
r — число рядів труб.
На форму потоку, оточуючого трубки, робить вплив взаємне розташування труб і величина крокової відстані t між ними (рис. 1.2). У першого ряду труб умови тепловіддачі підкоряються тим же закономерностям, що і у одиночних труб, а в другому і третьому ряді інтенсивність теплообміну зростає за рахунок турбулизації потоку при проходженні через пучок труб.
Характер перебігу потоку в міжтрубному просторі практично стабілізується при шаховому розташуванні труб починаючи з четвертим рядом, а при коридорному розташуванні – з сьомого ряду.
Теплообмін при природній конвекції.
Природна конвекція підтримується не штучним шляхом, а виникає сама, під дією різниці температур і обумовленої цим різниці густини в рідинах і газах.
а)коридорне розташування труб; б)шахове розташування труб.
Рисунок 1.2 - Поперечне обмивання пучка труб
Якщо, наприклад, помістити в повітряний простір з постійною температурою нагрівальний елемент, то наступає теплообмін між елементом і навколишнім повітрям. Частинки повітря, що знаходяться поблизу елемента, нагріваються, густина їх зменшується, унаслідок чого вони підіймаються. На їх місце поступають нові, більш холодні частинки, які, нагріваючись, теж підіймаються. Таким чином, підйомна сила створюється за рахунок витіснення нагрітого повітря більш важким холодним повітрям.
Природна конвекція виникає за рахунок дії масових сил на елементи рідини або газу. Ці сили можуть мати різну фізичну природу: сила тяжкості, відцентрова сила, електромагнітні сили.
Розглянемо процес природної конвекції, викликаний різницями гравітаційних сил, обумовленими перепадами температур і, як наслідок, різницями густини середовища. В даному випадку тепловіддача залежить від форми і розмірів поверхні нагріву, температур поверхні і теплоносія, коефіцієнта об'ємного розширення і інших фізичних властивостей. Швидкість руху рідини не робить впливу на тепловіддачу, тому критерій Рейнольдса виключається з рівнянь тепловіддачі при природній конвенції.
Тепловіддача при конденсації пари.
Якщо пара стикається із стінкою, температура якої нижче за температуру насичення, то він конденсується на стінці він осідає на ній у вигляді рідини. Розрізняють три види конденсації пари на твердій поверхні.
Плівкова конденсація, коли конденсат стікає по поверхні у вигляді суцільної плівки (має місце на поверхнях при інтенсивній конденсації).
Краплинна конденсація, коли конденсат випадає на поверхні у вигляді окремих крапель (має місце на незмочуваних поверхнях охолоджування).
Змішана конденсація, коли частина поверхні покрита краплями, а частина — плівкою конденсату.
При краплинній конденсації можна одержувати високі коефіцієнти тепловіддачі. Стійкий характер краплинна конденсація має лише в апаратах, поверхня охолоджування яких не змочується конденсатом завдяки фізичним властивостям рідкої фази, наприклад в конденсаторах ртутної пари, а також при періодичному введенні в пару ефективних гидрофобизаторов.
Основне рівняння теплопередачі.
В більшості практичних випадків взаємодія теплоносіїв відбувається через деяку поверхню розділу, яка в загальному випадку може розглядатися як багатошарова тверда стінка. Наприклад, в трубчастих теплообмінниках теплообмін відбувається через стінку труби і два шари забруднень з обох боків стінки.
Цей вид теплообміну називається теплопередачей. Кількість передаваної теплоти визначається основним рівнянням теплопередачі:
Q = KF∆tcp(1.2)
де Q — тепловий потік, тобто кількість теплоти, передавана через поверхню теплообміну в 1 с, Вт;
К — коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2К);
F — площа поверхні теплопередачі, м2;
∆tср — середня різниця температур гарячого і холодного теплоносія, К.
Коефіцієнт теплопередачі К показує, яка кількість теплоти переходить в одиницю часу від більш нагрітого до менш нагрітого теплоносія через розділяючу їх стінку площею 1 м2 протягом 1 с, при різниці температур між теплоносіями 1К.
На рис. 1.3 показана передача теплоти через плоску стінку.
Рисунок 1.3 – Передача теплоти через плоску стінку
Теплопередача через циліндрову стінку.
Розглянемо передачу теплоти теплопровідністю через циліндрову стінку (рис. 1.4) завдовжки l, внутрішнім радіусом rв і зовнішнім радіусом rн. Температури внутрішньої і зовнішньої поверхонь постійні і рівні t1і t2, відповідно, тобто процес теплообміну був сталий.
Хай t1 > t2 і температура змінюється тільки в радіальному напрямі.
Для циліндрової стінки поверхня її в деякому перетині, що відповідає поточному радіусу r, складає F = 2rl. Підставивши значення F в рівняння Фурье з урахуванням того, що rн/rв = dH/dв, і провівши ряд перетворень, отримаємо:
Q = 2π/τ(t1-t2)|(ln dH/dв). (1.4)
Рисунок 1.4 - Теплообмін через циліндрову стінку
Це рівняння показує, що по товщині циліндрової стінки температури змінюються по логарифмічному закону.
Рушійна сила процесу теплопередачі.
Рушійною силою теплопередачі є різниця температур між гарячим і холодним теплоносієм.
Найбільш часто теплопередача в промисловій апаратурі протікає при змінних температурах теплоносіїв. Температури теплоносіїв змінюються уздовж поверхні розділяючої їх стінки, тому в теплових розрахунках користуються середньою різницею температур ∆tср, яка і входить в рівняння теплопередачі.
Кількість теплоти, передавана через поверхню при теплообміні, пропорційно середньої різниці температур.
При рівномірному і невеликому падінні температур по довжині поверхні нагріву або охолоджування середня різниця температур буде середньоарифметичною.
При більш інтенсивному теплообміні і великих різницях температур, тобто при ∆tб/∆tм> 2, падіння температур по довжині поверхні нерівномірно. В цьому випадку середня різниця буде середнєлогарифмичною, що змінюється по кривій від початкової до кінцевої різниці температур теплоносіїв.
Теплопередача, при змінних температурах залежить від взаємного напряму руху теплоносіїв уздовж розділяючої їх стінки. Паралельний струм, або прямоток, — теплоносії (1 і 2) рухаються в одному напрямі (рис.1.5, а). Протитечія — теплоносії рухаються в протилежних напрямах (рис.1.5,б). Перехресний струм — теплоносія рухаються взаємно перпендикулярно один іншому (рис.1.5, в). Змішаний струм — один з теплоносіїв рухається в одному напрямі, а інший — як прямотоком, так і протитечією до першої (рис.1.5,г).
а — прямоток; б — противоток; в — перекрестный струм;
г — змішаний струм; 1, 2—теплоносії
Рисунок 1.5 - Варіанти напряму руху теплоносіїв уздовж розділяючої їх стінки:
Найпоширенішими видами руху є прямоток і протитечія. Проте застосування протитечії більш економічно, ніж прямотока. Це витікає з того, що середня різниця температур при протитечії більше, ніж при прямоток, а витрата теплоносіїв однакова (при однакових початкових і кінцевих температурах теплоносіїв) і швидкість теплообміну при протитечії більше.
Зіставлення температурних режимів роботи теплообмінних апаратів при прямотокі і протитечії переконує, що при прямотоке (рис.1.6, а) максимальний температурний натиск має місце біля входу в теплообмінник. Потім цей натиск зменшується, досягаючи мінімального значення на виході з апарату. При протитечії (рис.1.6,б) теплове навантаження більш рівномірне, а кінцева температура нагріваючого середовища може бути вищою за кінцеву температуру охолоджуючого середовища. Це дозволяє при регенерації теплоти забезпечити більш високий підігрів середовища, що нагрівається, а при охолоджуванні – понизити витрату охолоджуючого агента або при тій же витраті знизити кінцеву температуру охолоджуваного середовища.
а—прямоток; б—противоток
Рисунок 1.6 - Характер зміни температур теплоносіїв:
В інженерних розрахунках для визначення сумарного коефіцієнта тепловіддачі користуються емпіричними рівняннями.
Для зменшення втрат теплоти в оточуюче середовище апарати і трубопроводи покривають матеріалами теплоізоляцій з низькою теплопровідністю. Як матеріали теплоізоляцій використовують скловату, азбест, пробкові плити, совелит і ін. Ізоляція повинна бути термостійкий, негігроскопічний, дешевою і довговічною.