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 и в качестве характерного линейного параметра необходимо брать .Движение жидкости в межтрубном пространстве рассчитывается также с использованием .

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

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.

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.

Лекция 18 Особенности расчета конденсаторов-холодильников. Промышленные способы подвода и отвода тепла

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.

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.

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 .

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.

Jптимизация 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.

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).

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.

В качестве прямых источников тепловой энергии на химических предприятиях используют тоgочные (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.