Расчет трубчатого теплообменника

 

61. Классификация  теплообменных аппаратов

По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные. регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. В зависимости от конструкции разделяются на кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», змеевиковые, пластинчатые, спиральные, оросительные и аппараты с рубашками. Особую группу составляют трубные выпарные аппараты.

 

В регенеративных теплообменниках одна и та же теплообменная  поверхность омывается попеременно  горячим и холодным теплоносителями. При омывании горячим теплоносителем поверхность нагревается за счет его теплоты, при омывании поверхности холодным теплоносителем она охлаждается, отдавая теплоту. Таким образом, теплообменная поверхность аккумулирует теплоту горя чего теплоносителя, а затем отдает ее холодному теплоносителю.

В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном взаимодействии теплоносителей. Бывают:

мокрого (предназначен для конденсации пара водой, хлаждающая вода вводится в конденсатор через сопла) и сухого (взаимодействие пара и охлаждающей воды происходит в противотоке) типов. Теплота в них передается от одного теплоносителя к другому при их смешении.

62. Общие закономерности  технологических процессов

Общие кинетические закономерности процессов пищевой  технологии, за исключением механических процессов, формулируются в виде общего закона: скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. Величина, обратная сопротивлению, называется коэффициентом скорости процесса.

Согласно определению общее кинетическое уравнение имеет вид

где V— количество массы  или энергии; F— площадь, через которую проходит масса или энергия; т — продолжительность процесса; — движущая сила; R— сопротивление; К — коэффициент скорости, обратный сопротивлению.

В общем случае движущей силой процесса является разность потенциалов, а в частных случаях  — перепад давлений р между входом потока в трубопровод или аппарат и выходом потока из трубопровода или аппарата (для гидромеханических процессов), разность температур между теплоносителями, обменивающимися теплотой (для теплообменных процессов), разность концентраций распределяемого между фазами вещества (для массообменных процессов). Коэффициенты скорости процессов зависят от режимов движения потоков материалов, которые определяются законами гидродинамики.

Материальный баланс составляют на основании закона сохранения массы: количество поступающих материалов ΣG_в должно быть равно количеству конечных продуктов ΣG_K, получаемых в результате проведения процесса:

ΣG_в=ΣG_K. 

На основании  материального баланса определяют выход продукта, т.е. выраженное в процентах отношение полученного количества продукта к максимально возможному. Выход продукта рассчитывают на единицу затраченного сырья.

Материальный баланс составляют для всех веществ либо для одного вещества за выбранную единицу времени или за одну операцию.

Тепловой баланс составляют на основе закона сохранения энергии: количество энергии ΣQ_н, введенной в процесс, должно быть равно количеству выделившейся энергии:

ΣQ_н = ΣQ_к + ΣQ_п, 

где ΣQ_к — количество отводимой теплоты; ΣQ_п — потери теплоты в окружающее пространство.

Вводимая в  процесс теплота ΣQ_н складывается из теплоты Q₁ поступающей с исходными материалами, подводимой, например, теплоносителями, теплоты Q₂ и теплоты физических или химических превращений Q₃

Количество  отводимой теплоты ΣQ_к складывается из теплоты, уходящей с конечными продуктами и отводимой теплоносителями.

Из теплового  баланса определяют расход греющего пара, воды и других теплоносителей.

63. Материальный  баланс процессов разделения

Разделению  подлежит неоднородная система, состоящая  из вещества а (дисперсионная фаза) и взвешенных частиц b (дисперсная фаза).

G_c — количество исходной смеси, кг;

х_с — содержание вещества b в исходной смеси, мае. %;

G_п — количество продукта, кг;

х_а — содержание вещества b в очищенном продукте, мае. %;

G₀ — количество осадка, кг;

х₀ — содержание вещества b в осадке, мае. %;

д_а и д_b — плотности веществ а и b.

При отсутствии потерь веществ материальный баланс разделения можно представить так:

по общему количеству веществ G_c=G_п+G₀;

по количеству взвешенных веществ (дисперсной фазе)

 

Совместное решение этих уравнений позволяет определить количество очищенного продукта

Содержание  взвешенных частиц в очищенном продукте и в осадке выбирается в зависимости от технологических требований и зависит от метода разделения.

Эффективность разделения характеризуется эффектом разделения

64. Определение  средней разности температур  при теплообмене

Движущая сила теплообменных процессов — разность температур теплоносителей.

Для определения средней  температуры строят температурный  график и из него в каждом конкретном случае движения среды устанавливают  большую и меньшую разности температуры.

 и .

Затем устанавливают величину соотношения между ними, и если:

 

65. Критерии  гидродинамического подобия

Из соотношения  сил инерции и трения получим  безразмерный комплекс , который называется критерием Рейнольдса и характеризует гидродинамическое подобие:

Здесь d — диаметр трубопровода; d является характерным линейным размером, μ — динамическая вязкость; v — скорость

Из соотношения  сил давления и инерции получим  критерий Эйлера

 ,

а из соотношения  сил тяжести и инерции —  критерий Фруда

Fr=gd/v².

Отношение сил инерции позволяет получить критерий гомохронности Ho=vτ/d, который характеризует временное подобие в нестационарных процессах.

Полученные  критерии подобия, за исключением критерия Эйлера, состоят только из параметров, входящих в условия однозначности, следовательно, они являются определяющими, а критерий Эйлера — определяемым (давление не входит в условия однозначности и является искомой величиной).

На основании  второй теоремы подобия связь  между критериями представим в виде критериального уравнения

Eu=f(Re, Fr, Но, Г),

где Г=lld — параметрический критерий; l — длина трубопровода.

Для стационарного  процесса из уравнения следует исключить  критерий гомохронности Но:

Eu=f₁(Re, Fr, Г).

В случае развитого  турбулентного режима силы тяжести  не оказывают влияния на движение жидкости и уравнение имеет вид

Eu=f₂(Re, Г), 

 

 

70. ОТСТАИВАНИЕ

Отстаивание -- разделение жидкой грубодисперсной  системы (суспензии, эмульсии) на составляющие её фазы под действием силы тяжести. В процессе отстаивания частицы (капли) дисперсной фазы выпадают из жидкой дисперсионной среды в осадок или всплывают к поверхности. Отстаивание как технологический приём используют для выделения диспергированного вещества или очистки жидкости от механических примесей. Эффективность отстаивания возрастает с увеличением разницы в плотностях разделяемых фаз и крупности частиц дисперсной фазы. При отстаивании в системе не должно быть интенсивного перемешивания, сильных конвекционных потоков, а также явных признаков структурообразования, препятствующих седиментации. Отстаивание -- распространённый способ очистки жидкостей от грубодисперсных механических примесей (см. Отстойники). Его используют при подготовке воды для технологических и бытовых нужд, обработке канализационных стоков, обезвоживании и обессоливании сырой нефти, во многих процессах химической технологии. Оно является важным этапом в естественном самоочищении природных и искусственных водоёмов. Отстаивание применяется также для выделения диспергированных в жидких средах различных продуктов промышленного производства или природного происхождения.

Процесс разделения гетерогенных систем можно существ енно интенсифициров ать, проводя процесс под действием  центробежных сил. Для создания поля центробежных сил обычно используют два технических приема: первый обеспечивает вращательное движение потока в неподвижном аппарате, при втором – поток направляют во вращающийся аппарат, где он начинает вращаться вместе с аппаратом. В первом случае процесс проводят в циклоне и называют циклонным; во втором в отстойных (осадительных) центрифугах, а процесс называют отстойным (осадительным) центрифугированием. Если в отстойной центрифуге обрабатывается малоконцентрированная суспензия, причем задачей обработки является полное удаление частиц дисперсной фазы из жидкости, т.е. осветление последней (очистка машинных масел от тонких взвесей), то такая центрифуга называется осветляющ ей, а процесс центрифугирования центробежным осветлением.

К отстойным центрифугам относятся  тарелочные сепараторы, с по-

мощью которых производится сепарирование эмульсий и осветление

тонких суспензий.

71.СХЕМЫ ДВИЖЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ СРЕД

Противоток. В противоточном теплообменнике два теплоносителя движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях. 

Параллельное однонаправленное течение. В теплообменниках этого типа два теплоносителя движутся также параллельно друг другу, но в одном и том же направлении.

Перекрестный ток. В теплообменнике с перекрестным током два теплоносителя движутся иод прямым углом друг к другу. Например, первый поток может течь внутри труб, собранных в пучок, тогда как второй поток может двигаться в пространстве между трубами в направлении, в целом перпендикулярном оси этих труб.

Перекрестный ток с противотоком. В некоторых случаях конфигурация течения теплоносителей в реальных теплообменниках приблизительно соответствует идеализированным схемам, приведенным на рис. 4. Эти схемы классифицируются как перекрестный ток с противотоком. Теплообменники со смешанным течением теплоносителей (перекрестный ток с противотоком) можно рассматривать как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции. Чем больше число ходов в таком теплообменнике, тем ближе ои по экономичности к противоточному варианту.

 
Рис. 4. Схема теплообменников со смешанным движением теплоносителей (перекрестный ток с противотоком),показаны двух-, трех- и четырехходовые теплообменники. Возможное число ходов, естественно, не ограничено.

Многоходовое течение в межтрубном пространстве и трубах. В пределах одного теплообменника можно осуществить комбинацию некоторых характерных черт, свойственных теплообменникам с однонаправленным движением теплоносителей и противоточным теплообменникам. Это достигается поворотом труб внутри единого корпуса. Такие повороты можно осуществлять многократно. 

Имеются и другого класса теплообменники, именуемые регенераторами, в которых два потока теплоносителей проходят через одно и то же пространство попеременно. В регенераторах теплота, переданная от одного из теплоносителей твердым стенкам канала, аккумулируется ими, а затем отдается второму теплоносителю, когда наступает его очередь движения через аппарат.

72.ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ. 3я ТЕОРЕМА  ПОДОБИЯ

Объединение математических методов с экспериментом с  помощью теории подобия позволяет распространить результаты единичного опыта на целую группу явлений. Понятие подобия распространяется на любое физическое явление. Физические явления считаются подобными, если они относятся к одному и тому же классу, протекают в геометрически подобных системах, и подобны все однородные физические величины, характеризующие эти явления. Однородными называются такие величины, которые имеют один и тот же физический смысл и одинаковую размерность. Таким образом, для подобных физических явлений в сходственных точках и в сходственные моменты времени любая величина φ′ первого явления пропорциональна величине φ′′ второго явления, т. е. φ′=cφ·φ′′. При этом каждая физическая величина φ имеет свой множитель преобразования cφ′ численно отличный от других. Аналогично геометрическому подобию уравнения, описывающие подобные физические явления, после приведения их к безразмерному виду становятся тождественно одинаковыми. При этом в сходственных точках все одноименные безразмерные величины, в том числе и безразмерные параметры, будут равны.

Первая теорема подобия (теорема Ньютон-Бертрана): подобные явления характеризуются численно равными критериями подобия.

Вторая теорема подобия (теорема Бэкингем-Федермана): решение любого дифференциального уравнения, связывающего между собой переменные, влияющие на процесс, может быть представлено в виде зависимости между критериями Кподобия. Такие уравнения называются уравнениями обобщенных переменных, или критериальными уравнениями

Третья теорема  подобия (теорема Киринчен-Гухмана): явления подобны, если их определяющие критерии равны. Положение 1. Создание модели возможно, если критерии подобия (безразмерные комплексы), составленные из величин, характеризующих только ее системные (материальные) параметры, равны соответствующим критериям изучаемой системы-оригинала.  
Положение 2. В созданной, согласно положению 1, модели осуществление процессов, подобных оригиналу, возможно, если критерии подобия, содержащие только параметры процессов, входящих в условия однозначности и в том числе начальные условия (параметры исходного режима, возмущений и отклонений), в модели и оригинале соответственно одинаковы.  
Положение 3. Осуществление модели согласно формулировкам 1 и 2 возможно в сколь угодно сложных анизотропных, нелинейных или имеющих вероятностно заданные параметры системах при условии одновременного соблюдения соответствующих дополнительных положениях, сформулированных ниже. 

69.Движущая  сила массообменных процессов

Процессы массообмена - процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую. Движущая сила этих процессов - разность химических потенциалов. Как и в любых других процессах, движущая сила массообмена характеризует степень отклонения системы от состояния динамического равновесия. В пределах данной фазы вещество переносится от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. Поэтому обычно в инженерных расчетах приближенно движущую силу выражают через разность концентраций, что значительно упрощает расчеты массообменных процессов.

Движущая сила массообменных процессов есть разность между рабочими и равновесными концентрациями. Движущая сила характеризует степень отклонения системы от равновесия. При установлении равновесия между фазами массообмен между ними прекращается.

Массообменные процессы широко используются в промышленности:

-для разделения жидких  и газовых гомогенных смесей,

- для их концентрирования,

-для защиты окружающей  природной среды (прежде всего  для очистки сточных вод и  отходящих газов).

Классификация и общая  характеристика. Наибольшее распространение получили следующие массообменные процессы: