2..5 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.