Основы теплового расчета теплообменных аппаратов

 

Содержание

 

1. Основы теплового расчета теплообменных аппаратов……………………..2

2. Криогенные машины и установки. Назначение, устройство, основные элементы криогенных машин и установок……………………………………...4

3. Теплопередача. Основные законы теплопередачи…………………………...9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основы теплового расчета теплообменных аппаратов

 

Теплообменными аппаратами называют устройства, в которых происходит передача теплоты от одного тела к другому. Тела, которые отдают или принимают теплоту, называют теплоносителями. Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных в технике процессов. 
По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Выделяются еще теплообменные устройства, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляется за счет внутренних источников теплоты. 
Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Примером таких аппаратов являются котлы, подогреватели, конденсаторы, выпарные аппараты и др. 
Регенераторы – такие теплообменные аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. В регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, а рекуперативные теплообменные аппараты большей частью работают в стационарном режиме. 
Так как в регенеративных и рекуперативных аппаратах процесс передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела, то их еще называют поверхностными. 
В смесительных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей. Типичным примером таких теплообменников являются градирни. В градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом. Воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды. 
Независимо от принципа действия теплообменные аппараты, применяющиеся в различных областях техники, имеют свои названия. Однако с теплотехнической точки зрения все аппараты имеют одно назначение – передачу теплоты от одного теплоносителя к другому или поверхности твердого тела к движущимся теплоносителям. Последнее и определяет те общие положения, которые лежат в основе теплового расчета любого теплообменного аппарата. 
Основные положения и уравнения теплового расчета 
Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и поверочными. 
Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов, целью расчета является определение поверхности теплообмена. 
Поверочные тепловые расчеты выполняются, в случае если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей. Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета. Ниже названные уравнения приводятся для рекуперативных теплообменников. 

Уравнение теплового баланса. Изменение энтальпии теплоносителя вследствие теплообмена определяется соотношением 
 
. Здесь и в дальнейшем индекс «1» означает, что данная величина отнесена к горячей жидкости, а индекс «2» - к холодной. Обозначение (штрих) соответствует данной величине на входе в теплообменник, (два штриха) – на выходе.

Полагая, что ср=const и dh=cpdt, предыдущие уравнения можно записать: 
 
Удельная теплоемкость ср зависит от температуры. Поэтому в практических расчетах в уравнение подставляется среднее значение изобарной теплоемкости в интервале температур от t' до t''. 
При рассмотрении теплообменных аппаратов с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей следует различать аппараты: 
1) прямого тока; 2) противоточные; 3) перекрестного тока; 4) со сложным направлением движения теплоносителей (смешанного тока).

 

2. Криогенные машины и установки. Назначение, устройство, основные элементы криогенных машин и установок.

 

К криогенным машинам в настоящее время можно отнести низкотемпературные машины, которые предназначены для производства холода на температурном уровне, как правило, ниже 120 К и перекачивания криогенных жидкостей. К таким машинам следует отнести расширительные машины – детандеры, криогенные газовые машины (КГМ), работающие по различным циклам, и криогенные насосы для перекачивания криогенных жидкостей.

Детандеры – это расширительные низкотемпературные машины, служащие для производства холода путем расширения рабочего тела с понижением температуры и отдачей внешней работы (энергии).

 Термин «детандер» происходит  от французского слова «dе'tendre», что означает уменьшение давления, и введен выдающимся французским ученым, академиком и создателем первого в мире детандера Жаком Клодом.

Детандеры получили широкое распространение в качестве генератора холода в воздухоразделительных установках (ВРУ), в гелиевых и водородных рефрижераторных и ожижительных системах для получения жидких гелия, водорода  и других низкотемпературных жидкостей. В последнее время они стали широко применяться в ожижителях природного газа.

По принципу действия детандеры представляют собой энергетические машины, в которых одновременно с производством холода вырабатывается еще и работа в виде механической и электрической энергии, которую можно использовать в качестве привода различных машин и систем. Однако они отличаются от традиционных энергетических машин  (паровых и газовых турбин, двигателей и т.п.), прежде всего температурным уровнем их работы. Если энергетические машины работают при температурах T выше температуры окружающей среды , т. е. , то детандеры работают при температурах T ниже , т. е. . Главным назначением энергетических машин является производство работы, а  главным назначением детандеров – производство холода. Это отличие детандеров накладывает на них особые условия работы, конструктивного оформления и эксплуатации.

Криогенные газовые машины (КГМ) представляют собой низкотемпературные установки, в которых осуществляется весь обратный термодинамический цикл, предназначенный для производства холода. В КГМ одновременно сосредоточены и компрессор для сжатия газов и детандер для расширения газа, и теплообменные аппараты для передачи теплоты (холода).

 

 

Так, КГМ Стирлинга – это криогенная установка, в которой одновременно размещаются поршневой компрессор, поршневой детандер – вытеснитель, теплообменный аппарат для отвода тепла сжатия, регенеративный    теплообменник  и теплообменник нагрузки  для отвода холода  на низкотемпературном уровне. Реализация в такой криогенной машине целого цикла позволяет существенно сократить габаритные размеры и массу установки. Поэтому КГМ  получили наибольшее распространение в микрокриогенной технике. Их также используют в качестве генераторов

холода  в малых воздухоразделительных установках, гелиевых системах небольшой холодопроизводительности, для переконденсации паров при длительном хранении криогенных жидкостей, для ожижения воздуха и т.п.

 

 

Рис. 1. Схема криогенной установки с однократным дросселированием.

 

Рис. 2. Схема криогенной установки с двойным дросселированием

 

 

 

 

 

 

 

3.Теплопередача. Основные законы теплопередачи

 

Теория теплопередачи, или теплообмена, представляет собой учение о процессах распространения теплоты в пространстве с неоднородным полем температур. Существуют три основных вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Теплопроводность — это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов). Конвекция осуществляется путем перемещения в пространстве неравномерно нагретых объемов среды. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Тепловое излучение характеризуется переносом энергии от одного тела к другому электромагнитными волнами. Часто все способы переноса теплоты осуществляются совместно. Например, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом неизбежно соприкосновение частиц, имеющих различные температуры. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Частным случаем конвективного теплообмена является теплоотдача — конвективный теплообмен между твердой стенкой и движущейся средой. Теплоотдача может сопровождаться тепловым излучением. В этом случае перенос теплоты осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества — массообменном, который проявляется в установлении равновесной концентрации вещества. Совместное протекание процессов теплообмена и массообменна называется тепломассообменном.

 

 

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела. В чистом виде явление теплопроводности наблюдается в твердых телах, неподвижных газах и жидкостях при условии невозможности возникновения в них конвективных токов. Передача теплоты теплопроводностью связана с наличием разности температур тела. Совокупность значений температур всех точек тела в данный момент времени называется температурным полем. В общем случае уравнение температурного поля имеет вид:

 

где t — температура тела; х, у, z — координаты точки; τ — время. Такое температурное поле называется нестационарным и отвечает неустановившемуся режиму теплопроводности. Если температура тела не изменяется с течением времени, то температурное поле называется стационарным. Тогда

,   .

 

 

 

 

 

 

Температура может быть функцией одной, двух и трех координат, соответственно температурное поле будет одно-, дву- и трехмерным. Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля:

;   ;   .

 

Закон Фурье

Согласно гипотезе Фурье, количество теплоты d2Qτ, проходящее через элемент изотермической поверхности dF за промежуток времени dτ, пропорционально температурному градиенту :

.

 

Здесь множитель λ называется коэффициентом теплопроводности. Знак минус указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры. Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока:

.

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. Гребер Г., Эрк С., Григулль У., Основы учения о теплообмене, пер. с нем., М.,2009 г; – 239 с.;
2. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. – М.: Госэнергоиздат, 2008 г; – 418 с.;
3. Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое проектирование). / Учеб. пособие для энергетических вузов и факультетов. – М.: Энергия, 2005 г;– 408 с.;
4. С.С. Червяков «Основы холодильного дела», М, 2009 г; – 335 с.;
5. Шорин С. Н., Теплопередача, 2 изд., М2002 г; Михеев М. А., Михеева И. М., Основы теплопередачи, 2 изд., М.,2003 г; – 456 с.;