Теплообмінні апарати виробництва та технологічні способи отримання тепла

Лекція №6

Контроль

Література: Основні процеси машини та апарати хімічних виробництв

Питання за лекцією:

1. Поняття теплообміну та його види. Стисла характеристика;

2. Означення теплового потоку та його густини. Математичне визначення;

3. Поняття температурного поля, ізотермічної поверхні і градієнту температури;

4. Закон теплового балансу, сутність та рівняння;

5. Означення теплопровідності. Тепловий потік та його густина при теплообміні теплопровідністю.

6. Закон Фур’є. Визначення. Математичне представлення.

7. Рівняння кількості теплоти через одношарову стінку, спрощена модель теплообмінника, як ОК;

8. Означення конвекції, тепловий потік та його густина при конвективному теплообміні;

9. Закон Ньютона - Ріхмана. Визначення. Математичне представлення.

10. Рівняння кількості теплоти через що передається при конвективному теплообміні, спрощена модель теплообмінника, як ОК;

11. Охарактеризувати теплообмін випромінюванням, потік випромінювання та його густина при теплообміні випромінюванням;

12. Закон Стефана-Больцмана. Поняття чорного тіла. Класифікація тіл за здатністю до поглинання випромінювання.

Самостійна робота:

Основні процеси машини та апарати хімічних виробництв (стр. 116-120)

1. Поняття подібних явищ. Змістовність геометричної та часової подібності.

2. Змістовність фізичної та крайової подібності (початкові та граничні умови)

3. Формулювання та зміст 1 теореми подібності.

4. Формулювання та зміст 2 теореми подібності.

5. Формулювання та зміст 3 теореми подібності.

6. Формулювання та зміст 4 теореми подібності.

Теплообмін між гарячим і холодним середовищем через роздільну тверду стінку є одним з найважливіших і часто використовуваних у техніці процесів. Наприклад, утворення пари заданих параметрів у котлоагрегатах ґрунтується на процесі передавання теплоти від одного теплоносія до іншого. У багатьох теплообмінних пристроях, які застосовуються в різних галузях промисловості, основним робочим процесом є процес теплообміну між теплоносіями. Такий теплообмін називають теплопередачею.

Теплопередача в реальних ТС виконується одночасної декількома видами теплообміну. Широкого використання знайшов вид теплопередачі на основі теплообміну теплопровідністю та конвекцією.

Теплообмінним апаратом називають пристрій, призначений для нагрівання чи охолодження теплоносія. В ягості теплоносія застосовують рідину або газ. Теплоносії бувають гріючими і нагрівними. Так, наприклад, гарячий газ у топці котла є гріючим теплоносієм, а вода в котлі — нагрівним; вода в опалювальному радіаторі — гріючий теплоносій, а повітря, що розносить теплоту по приміщенню,— нагрівний.

За принципом дії теплообмінні апарати поділяють на рекуперативні, регенеративні і з внутрішнім тепловиділенням.

У рекуперативних теплообмінних апаратах теплота від гріючого теплоносія до нагрівного передається через роздільну (звичайно металеву) стінку. До них належать: парогенератори, пароперегрівники, водопідігрівники, повітряпідігрівники й різні випарні апарати. Рекуперативні теплообмінні апарати поділяють на прямоточні, протитечійні, перехресної течії та змішаної течії.

У прямоточному теплообмінному апараті холодний і гарячий теплоносії проходять паралельно в одному напрямку (рис. 5.1, а). У протитечійному апараті теплоносії проходять паралельно, але в протилежних напрямах (5.1, б).

Рекуперативні апарати прості за будовою, компактні і забезпечують сталість температур теплоносіїв у часі. В основному апарати виготовлено з металу. Теплотехнічно протитечійні апарати більш вигідні, ніж прямоточні. Критерієм для оцінки їхньої ефективності є середній температурний напір Dt_ср тобто середня різниця температур гріючої і нагрівної рідини. У протитечійній схемі майже завжди, Dt_ср більший, ніж у прямоточній, тому вони більш компактні та металоємні.

У регенеративних теплообмінних апаратах та ж сама поверхня нагрівання (чи охолодження) по черзі омивається гарячим та холодним теплоносієм через певні проміжки часу. Спочатку по каналах регенератора пропускають гарячий теплоносій — продукти згоряння доменних і мартенівських печей, вагранок тощо. Поверхня нагрівання регенератора, відбираючи теплоту від гарячих газів, нагрівається, а потім віддає цю теплоту холодному теплоносію.

Регенеративні теплообмінники застосовують у металургійних, скловарних та інших аналогічних печах, куди треба подавати підігріте повітря.

У змішувальних теплообмінниках теплообмін здійснюється при безпосередньому стиканні і змішуванні гарячого й холодного теплоносіїв. Змішувальними теплообмінними апаратами є градирні, скрубери тощо.

Апарати з внутрішнім тепловиділенням дістали таку назву тому, що всередині самого апарата відбувається якийсь технологічний процес з виділенням теплоти. Для того щоб охолодити стінки апарата, застосовують теплоносій (не два, як звичайно, а один), який забирає теплоту від стінок і таким чином охолоджує їх. До таких апаратів належать ядерні реактори, електронагрівники та інші пристрої, в яких технологічний процес відбувається з виділенням теплоти і підвищенням температури.

На ступінь теплопередачі впливає стан поверхонь, через які відбувається теплообмін. Забруднення поверхонь стінок пилом, сажею, накипом, призводить до зниження коефіцієнту теплопровідності до 0,1... 0,2 Вт/(м • К) та аварійних ситуацій.

Розглянемо спрощену модель рекуперативного теплообмінника. Теплопередача відбувається на основі теплообміну теплопровідністю та конвекцією через одношарову стінку (рис. 5.2), товщина якої дорівнює d. Теплопровідність матеріалу стінки дорівнює l. Температури середовищ, що омивають стінку зліва й справа, відомі і дорівнюють t1 і t2. Припустимо, що t1 > t2. Тоді температури поверхонь стінки будуть відповідно tст1 > tст2. Треба визначити густину теплового потоку q, що проходить крізь стінку від гріючого середовища до нагрівного.

У стаціонарному режимі роботи ТС, теплота, віддана стінці першим теплоносієм (гарячим), передається через неї другому теплоносію (холодному). Теплообмін відбувається в 3 фази: конвекція-теплопровідність-конвекція. Оскільки площа контакту в усіх фазах однакова, то густина теплового потоку відповідно також буде однаковою в процесі теплообміну.

.

Повний температурний напір дорівнює:

,

звідки знайдемо значення густини теплового потоку:

Знаменник останнього виразу представляє собою коефіцієнт теплопередачі Кт.

Враховуючи втрати через стан забруднення поверхон (Кз) зпапишемо вираз для кількості теплоти, що передається нагрівному теплоносію

Дата добавления: 2014-01-14