Сложный вид теплообмена теплопередача

Теплопередачей называется передача теплоты от горячей среды к холодной через разделяющую их стенку.

Этот процесс состоит из трех последовательных процессов:

1) Теплоотдача от жидкости к стенке при разности температур с коэффициентом теплоотдачи ;

2) теплопроводность внутри стенки при разности температур на поверхностях стенки с коэффициентом теплопроводности ;

3) теплоотдача от стенки к жидкости при разности температур с коэффициентом теплоотдачи .

Теплопередача через плоскую однородную стенку:

1) Количество тепла, переданного определяется уравнением теплопередачи:

, (2.34)

- тепловой поток, Вт;

- коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

- поверхность теплообмена, м²;

- время, с.

Удельный тепловой поток: q=К ^.(t _ж1 -t _ж2) (2.35)

Рис. 2.5

Коэффициент теплопередачи показывает какое количество тепла передается от горячей среды к холодной через 1 м² поверхности в единицу времени при разности t-р горячей и холодной среды в 1 ⁰С

(2.35)

где - коэффициент теплоотдачи от жидкости 1 к стенке;

- коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости 2;

- толщина стенки, м;

- коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м^.К).

Для многослойной стенки коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

; (2.36)

Для однослойной цилиндрической стенки коэффициент теплопередачи определяется по уравнению;

(2.37)

где: Q - тепловой поток, Вт;

d₁ - наружный диаметр стенки, м;

d₂ - внутренний диаметр стенки, м;

l - длина;

Теплообменные аппараты:

Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором нагрев одной среды происходит за счет охлаждения другой.

По способу передачи тепла теплообменники делятся на 3 группы:

1) Регенераторы;

2) Рекуператоры;

3) Смесители или контактные.

Регенеративные аппараты – это теплообменники, в которых имеется стенка попеременно принимающая или отдающая тепло. Наиболее часто они используются для утилизации тепла дымовых газов. Сначала в теплообменники подаются горячие дымовые газы – при этом насадка нагревается, далее охлаждение газа отводится и в теплообменники подается холодный воздух, который забирает тепло и отводится. И так периодически. В данном случаи нагрев холодной среды не основной процесс. Основным является охлаждение насадки или стенки для дальнейшего охлаждения с ее помощью дымовых газов.

Стенка Насадка

Рис.2.6-Регенеративные теплообменные аппараты.

Рекуператоры – это теплообменники в которых теплообмен между горячей и холодной средой происходит через разделяющую стенку (конденсаторы, подогреватели).

Они наиболее широко применяются в технике и в различных технологических процессах.

Горячая среда

Рис. 2.7-Теплообменный аппарат типа «труба в трубе»

1-кожух; 2-трубки; 3-трубная решетка; 4-крышка; 5-штуцер.

Рис. 2.8-Кожухотрубчатый теплообменный аппарат.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит за счет непосредственного контакта и смешения горячего и холодного теплоносителей. Таким образом, передача тепла происходит одновременно с массопередачей.

В теплообменных аппаратах данного типа среды либо однородны, либо разделимы (пар+вода; гор.вода+холл.вода).

Движение теплоносителей относительно друг друга в теплообменных аппаратах может быть организовано по следующим схемам:

1) прямоток: обе среды двигаются параллельно в одном направлении;

2) противоток: среды двигаются параллельно в разных направлениях;

3) перекрестный ток: среды двигаются под углом друг другу.

При проектировании теплообменных аппаратов искомой величиной является их площадь поверхности нагрева.

При расчете теплообменных аппаратов составляются два основных уравнения: уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.

Уравнения теплового баланса:

,

, (2.38)

где М₁, М₂ – массовый расход горячей и холодной среды [кг/с];

С_р1, С_р2- массовая теплоемкость горячей и холодной среды при p=const.

Теплоемкость среды выбирается по таблице для горячей и холодной среды при соответствующей средней температуре. При прямотоке характер изменения температур имеет вид:

Рис.2.8

- температура горячего и холодного теплоносителя на входе в теплообменник; ⁰С

- температура горячей и холодной сред

на выходе из теплообменника; ⁰С

Средняя температура горячего теплоносителя:

(2.39)

По ней выбирают С_р1.

Средняя температура холодного теплоносителя:

(2.40)

По ней выбирают С_р2

Произведение МС_р=W – водяной эквивалент.

Уравнение теплопередачи

, (2.41)

где: - среднелогарифмический температурный напор;

F- поверхность теплообмена, м²;

К- коэффициент теплопередачи, Вт/м²К

Среднелогарифмический тепловой напор определяется:

(2.42)

При противотоке схема следующая:

Рис 2.9

(2.43)

Как правило, целью расчета является площадь поверхности теплообменника:

(2.44)

Площадь поверхности теплообменного аппарата при прямотоке больше, чем при противотоке; то есть противоток дает белее интенсивные теплообмен при одних и тех же условиях, или, при заданном Q, меньшую поверхность теплообмена.

Контрольные вопросы.

1.Какими способами передается теплота в твердых, жидких и газообразных телах?

2. От чего зависит количество передаваемого тепла теплопроводностью?

3. От чего зависит количество передаваемого тепла при конвективном теплообмене?

4. Чем отличается вынужденная конвекция от свободной?

5. Какие параметры процесса теплообмена характеризуют критерии Прандтля и Грасгофа?

6. Во сколько раз коэффициент теплоотдачи в газах меньше коэффициента теплоотдачи в жидкостях при свободном движении (свободной конвекции)?

7. В какой степени зависит коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене от скорости жидкости?

8. Чем отличается коэффициент теплопередачи от коэффициента теплоотдачи?

9. Во сколько раз увеличится количество излучаемой энергии абсолютно черного тела, если повысить его температуру в два раза?

10. Как определяется средний температурный напор между теплоносителями в рекуперативных теплообменниках?

11. Чем отличаются регенеративные теплообменники от рекуперативных?

12. При каких температурах принимаются в расчетах теплофизические свойства теплоносителей?