Заврин В.Г. Тепломассообменное оборудование предприятий

Подождите немного. Документ загружается.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

характеризует геометрические параметры ТТ,

′

⋅ς⋅δ

=Φ

– физические свойства теплоносителя. (5.14)

Процесс передачи теплоты

Q от наружной поверхности испарителя

к наружной поверхности конденсатора осуществляется в зоне испарения

и зоне конденсации.

В зоне испарения теплота

Q передается от наружной поверхности стен-

ки ТТ с температурой

через стенку корпуса и фитиль теплопроводностью:

()

ипи

фи

ст

FttQ −

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(5.15)

где

– площадь поверхности зоны испареняи;

ф.и

– толщина фитиля в зоне испарения;

– температура пара внутри тепловой трубы.

Аналогично для зоны конденсации получим

()

ккп

фк

ст

FttQ −

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(5.16)

где

– площадь поверхности зоны конденсации;

ф.к

– толщина фитиля в зоне конденсации;

– температуранаружной поверхности стенки в зоне конденсации.

Если

ф.и

= δ

ф.к

=δ

, совместное решение уравнений для зон испарения

и конденсации получит вид

()

ки

FFR

−

(5.17)

где

ф.иф.истст

λδλδ +=R .

По уравнению можно найти тепловую нагрузку ТТ при известном пе-

репаде температур (t

– t

), размерах и форме ТТ. Но в этих уравнениях не

учитывается гидравлическое сопротивление при движении жидкости по фи-

тилю ТТ и потока пара внутри трубы, определяемое соотношением (5.10).

Поэтому после определения передаваемой ТТ теплоты необходимо найти

значения максимальной теплопередающей способности ТТ по уравнению

(5.11) и эти значения сравнить. ТТ будет передавать требуемое количество

теплоты Q, если Q ≤ Q

Верхний предел теплопередающей способности ТТ может ограничи-

ваться следующими факторами: предельной скоростью движения пара, когда

на выходе из зоны испарения скорость пара становится равной скорости зву-

ка; капиллярной структурой, так как суммарные гидравлические потери при

движении жидкости и пара внутри ТТ не должны превышать капиллярного

напора, создаваемого пористым телом; ограничениями, связанными с кризи-

сом кипения жидкости в пористом материале; ограничениями, св

язанными

с замерзанием теплоносителя внутри ТТ.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

6. СОВМЕСТИМОСТЬ МАТЕРИАЛА

И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ

Основным фактором при выборе материалов для корпуса и фитиля ТТ

является их совместимость с теплоносителем. Это связано с тем, что в ре-

зультате химических реакций или разложения теплоносителя, коррозии

и эрозии корпуса и фитиля могут ухудшаться теплопередающие свойства ТТ,

например, при гидролизе воды в водно-алюминиевой ТТ при выделении га-

зообразного водорода.

Свойств

а фитилей существенно влияют на теплопередающую способ-

ность ТТ. Фитили должны иметь высокую проницаемость К, малый радиус

пор R′, достаточную теплопроводность скелета и должны смачиваться жид-

ким теплоносителем.

Металлы Тепло-

носитель

Al Cu Fe Ni Ti

Азот да да да да –

Метан да да – – –

Аммиак да – да да –

Метанол нет да да да –

Вода нет да нет да да

Калий – – – да нет

Натрий – – – да нет

Перед заправкой трубы теплоносителем материал трубы, а так же сам

теплоноситель, должны быть дегазованы. Это важно для высокотемператур-

ных труб (t > 400

С), так как с увеличением температуры интенсивность вы-

деления газов увеличивается. Поэтому при длительной работе ТТ жесткое

требование предъявляется к предварительному вакуумированию и качеству

сварных соединений. Фитильные структуры ТТ могут выполняться в виде за-

сыпки, пористых органических веществ, многослойных металлических сеток,

металлического войлока, закрытых капилляров, резьбовых канавок, продоль-

ных канавок.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

7. ТЕРМОСИФОНЫ

Термосифоны представляют собой герметически замкнутый объем,

часть которого заполнена жидким теплоносителем. Часто называют в техни-

ке трубами Перкинса. Тепловой поток плотностью q подводится к нижней

части термосифона, а отводится от верхней (рис. 12).

Рис. 12. Схемы

аботы те

моси

онов

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

При подводе теплоты к жидкому теплоносителю в зоне нагревания про-

исходит процесс испарения или кипения жидкости; образующиеся пары под-

нимаются вверх и конденсируются на внутренней стенке тепловода. Образо-

вавшийся конденсат стекает в зону нагревания за счет сил гравитации.

В зависимости от геометрии термосифонной трубы различают термоси-

фоны цилиндрические и плоские, а в зависи

мости от места подвода теплоты

к испарителю – термосифоны с торцевым и боковым подводом.

Механизм физических процессов, происходящих во внутренней полости

термосифонного элемента, меняется в зависимости от конструкции термосифо-

на и условий подвода теплоты в зоне испарения и кипения и отвода теплоты

в зоне конденсации. Возврат рабочей жидкости из конденсатора в испаритель за

счет сил гравитации и перенос пара из зоны испарения в зону конденсации при

больших длина

х тепловода сильно влияет на теплопередающую способность

термосифона. Остальные процессы – кипение и конденсация – различны

в зависимости от ориентации поверхности, на которой они протекают.

Для области кипения увеличение числа центров парообразования опре-

деляет высокое значение коэффициента теплоотдачи α в зоне нагрева.

В случае наличия в термосифоне нейтрального газа в зоне нагрева могут

образовываться снаряды пара, которые могут выбрасываться в зо

ну конден-

сации вместе с нейтральным газом, в результате происходит перемешивание

и снижается интенсивность конденсации.

Коэффициент теплоотдачи в зоне конденсации может быть определен

критериальным уравнением для конденсации пара при стекании конденсата

по плоской стенке.

Наиболее распространены термосифоны с боковым подводом теплоты.

В зави

симости от количества залитого теплоносителя в зоне подвода тепло-

ты, теплового потока на стенке и диаметра термосифона могут осуществ-

ляться два режима работы:

1. Режим стекающей пленки. Количество залитого теплоносителя нахо-

дится в полном соответствии с передаваемым тепловым потоком – пленка

жидкости покрывает при работе только внутреннюю поверхность термоси-

фона. Избыток жидкости в ниж

ней части тепловода отсутствует.

2. Режим двухфазной среды. Уровень заливки может колебаться в пре-

делах 0,3÷0,8. Режим имеет качественное различие в термосифонах различ-

ной геометрии. В термосифонах относительно малого диаметра перемещение

паровой фазы из зоны нагревания в зону конденсации осуществляется в виде

«снарядов», в термосифонах с большим диаметром происходит всплытие от-

дельных пузырьков пара без объединения их в паровые пробки – барботаж-

ный режим.

Тепловой поток, передаваемый термосифоном от наружной стенки термо-

сифона с температурой t

к наружной стенке конденсатора t

. При заданных тем-

пературах жидкости и пара, известной толщине стенки термосифона δ и ее теп-

лопроводности λ для установившегося режима запишем систему уравнений:

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

; )(δλ

и1и

FttQ

⋅

−

⋅

(7.1)

;)(α

и1и

FttQ

−

(7.2)

;)(α

к2пк

FttQ

−

(7.3)

,)(δλ

к2

FttQ

⋅

−

⋅

(7.4)

где F

и F

– площади поверхностей теплообмена в зоне испарения и кон-

денсации;

и α

– коэффициенты теплоотдачи в этих зонах;

– температура насыщения.

Температурные напоры в каждом слое:

;

1и

⋅

=−

;

ии

⋅

=−

;

кк

2п

⋅

=−

⋅

=−

(7.5)

Сложив левые и правые части уравнений и учтя, что t

= t

, получим

()

.λα1α1λδ

кккииики

FFFFQtt

=−

(7.6)

Величина

кккиии

λδα1α1λδ FFFF

является полным термическим

сопротивлением термосифона. Для расчета теплового потока по уравнению

(7.6) необходимо знать α

и α

. Они могут быть определены эксперименталь-

но для конкретного теплоносителя. При развитом процессе кипения α

в среднем на 30 % выше, чем для аналогичных условий при кипении в боль-

шом объеме.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

8. ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В СЛОЕ

В зависимости от поведения частиц различают плотный и кипящий

слои. В плотном слое при продувании газом частицы сохраняют касание ме-

жду собой. Параметром, определяющим состояние слоя, является порозность

ε – отношение объема пустот между частицами ко всему объему слоя. Для

плотного слоя

ε = 0,35÷0,55. Для кипящего слоя ε > 0,6, но частицы не выно-

сятся из слоя.

Особенности теплообмена в плотном слое:

1) температура на поверхности насадки определяется внешним и внут-

ренним теплообменом;

2) внешний теплообмен от одного элемента насадки к другому осущест-

вляется теплопроводностью, излучением и конвекцией;

3) внутренний теплоперенос определяется размером и формой элемен-

тов насадки, их теплопроводностью, теплообменом на поверхности. Для иде-

альной насадки кон

такт точечный, поэтому теплопроводностью можно пре-

небречь. В реальном слое контакт поверхностный, и между частицами пере-

дается теплота теплопроводностью. Внешний теплообмен в плотном слое

происходит излучением от одного элемента к другому и конвекцией. Вслед-

ствие небольших размеров каналов роль излучения газов при нагреве неве-

лика. Излучение от элемента к элемент

у следует учитывать при температурах

выше 500

С. По высоте каналов происходит сильная турбулизация газового

потока, поэтому конвективная составляющая играет большую роль.

Если Bi ≤ 0,25, то частицы, составляющие слой, можно рассматривать

как термически тонкие и в тепловых расчетах влияние внутреннего теплово-

го сопротивления не учитывать. Теплообмен в этих условиях будет опреде-

ляться внешней задачей.

При рассмотрении теплообмена в слое части

ц исходят из допущений

(см. рис. 13):

1) слой частиц однороден по своему фракционному составу;

2) тепловой поток от газа к частицам в любой точке слоя определяется

законом Ньютона q = α (t

– t

) – произведением коэффициента теплоотдачи

и разностью температур между газом и поверхностью частиц;

3) коэффициент теплоотдачи от газа к частицам одинаков для всех точек

поверхности частиц и не зависит от высоты и сечения слоя;

4) теплофизические свойства частиц слоя и газа не зависят от темпера-

туры и принимаются средними;

5) передача теплоты в газе и в слое от частиц

ы к частице путем тепло-

проводности отсутствует;

6) изменение объема газа и слоя, связанные с изменением температуры,

невелики, ими пренебрегают;

7) поток газа по сечению слоя постоянен по времени и равномерен по

сечению;

8) стенки аппарата идеально теплоизолированы для газа.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Рассмотрим неподвижный слой насадки, в котором пренебрегаем пере-

течками теплоты по материалу насадки в продольном и поперечном направ-

лениях.

Выделим слой поперечным сечением 1 м

, порозностью ε и установим

закономерности формирования температурных полей в таком слое при его

нагревании или охлаждении.

Выделим элементарный слой dy на расстоянии Y от сечения ввода газа

в слой. Через этот элементарный слой газ проходит за время dτ, со скоро-

стью, отнесенной к свободному сечению W

Полное изменение энтальпии газа в элементарном слое будет опреде-

ляться изменением ее по пути потока газов и по времени; например, при ох-

лаждении слоя насадки

τ, ερτ ρ

ερ

ερτ

ερ

ггггг

гггггг1

ddy

dТ

Cddy

dТ

ddy

dТ

Cddy

CQd

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

=⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

(8.1)

где

()

υτ =∂ dy

;

гг

ευ W=

;

– скорость газа в пространстве между частицами;

– удельная (массовая) теплоемкость газа;

– плотность газа.

Количество теплоты, которую газ получает за счет охлаждения насадки

слоя

,τ)(α

ddyTtQd

⋅−=

(8.2)

где α

– объемный коэффициент теплоотдачи, отнесенный на единицу объе-

ма слоя;

Т и t – температура газа и насадки.

Газ

Рис. 13. Теплообмен в плотном слое

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Приравнивая правые части (8.1) и (8.2), после сокращения получаем

уравнение теплообмена для газа

ερ)(α

ггг

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

⋅=−

WCTt

(8.3)

Если положить, что изменение энтальпии материала происходит в эле-

ментарном слое только по времени, то

ρ)(α

насм

∂

⋅−=−

CTt

(8.4)

где С

– удельная (массовая) теплоемкость материала;

нас

= ρ

(1– ε) – насыпная плотность слоя, состоящего из материала

с плотностью ρ

Величиной, определяющей интенсивность теплообмена в слое, является

объемный коэффициент теплоотдачи α

. Его связь с поверхностным

,)ε1( Фαα1α

−

⋅

=⋅

(8.5)

где Ф – коэффициент формы насадки, равный 6,0 для частиц сферической

формы.

Значение коэффициента теплоотдачи рассчитывают по критериальным

уравнениям, например, по формулам В. Н. Тимофеева:

сл

= 0,106 Re

сл

при Re < 200; (8.6)

сл

= 0,106 Re

сл

0,67

при Re > 200. (8.7)

Особенность расчета чисел Нуссельта и Рейнольдса для слоя состоит

в том, что в качестве линейного размера используют диаметр частиц, а ско-

рость газа определяют в свободном сечении слоя

сл

= α

⋅d ⁄ λ

; Re

сл

= W

го

⋅d ⁄ v

. (8.8)

Теплопроводность газа λ

и кинематическую вязкость v

рассчитывают

по его средней температуре.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

9. АППАРАТЫ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ

Принцип образования. Если под слой зернистого материала, располо-

женного на решетке, подавать поток теплоносителя, то при плавном увели-

чении скорости от нуля до первого критического значения W

′, происходит

обычный процесс фильтрации, при котором твердые частицы неподвижны,

порозность слоя ε неизменна, а его гидродинамическое сопротивление Δр

возрастает с ростом скорости W.

При достижении скорости W

′ гидродинамическое сопротивление зерни-

стого слоя становится равным его весу, слой взвешивается, нарушается кон-

такт частиц, они получают возможность перемещаться и перемешиваться;

слой расширяется, в нем наблюдается проскакивание газовых пузырьков.

При дальнейшем росте скорости потока до некоторого значения W

′′ слой

продолжает расширяться и интенсивность движения частиц увеличивается.

При W > W

′′ твердые частицы начинают выноситься из слоя. Скорость W

′ –

скорость начала псевдосжижения, W

′′ – скорость начала уноса (см. рис. 14).

Явление поршневого кипения наблюдается в трубах небольшого диа-

метра. Для улучшения работы установок с кипящим слоем применяют

мешалки.

В теплообменных аппаратах коэффициент теплоотдачи между кипящим

слоем и поверхностью теплообмена увеличивается с повышением скорости

движения частиц в фильтрующем газовом потоке до определенного макси-

мального значения, которому соответствует зн

ачение оптимальной скорости

потока газа, набегающего на решетку. При дальнейшем повышении скорости

газа увеличивается порозность слоя и уменьшается объемная концентрация

частиц, и коэффициент теплоотдачи уменьшается. Максимальное значение

коэффициента теплоотдачи рассчитывают:

при ламинарном режиме движения слоя в пределах от W

кр

до W

опт

;PrАr0087,0Nu

45,0

16,0

45,0

33,042,0

max

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅=

(9.1)

при турбулентном режиме в пределах от W

кр

до W

опт

.PrАr019,0Nu

16,0

13,0

1,0

33,05,0

max

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅=

(9.2)

Формула для ламинарного режима справедлива для:

15 ≤ Ar ≤ 10

; 0,8 ≤ С

/С

≤ 1,3;

129 ≤ D/d < 575; 263 ≤ Н

/d ≤ 945;

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

для турбулентного режима:

2,6⋅10

≤ Ar ≤ 8,5⋅10

; 0,8 ≤ С

/С

≤ 1,2;

14 ≤ D/d < 67; 17 ≤ Н

/d ≤ 120.

Для определения оптимальной скорости газа, соответствующей макси-

мальному значению коэффициента теплоотдачи, для частиц неправильной

формы рекомендуются уравнения:

Рис. 14. Различные состояния слоя зернистого материала

при прохождении через него потока газа (жидкости):

а – неподвижный слой; б – кипящий слой при w ≥ w

' ; в – слой с барботажем газовых пу-

зырей; г – поршнеообразный слой; д – слой со сквозными каналами; г – унос твердых

частиц при w > w

''; ж – фонтанирующий слой; 1 – корпус аппарата; 2 – опорно- распредели-

тельная решетка; 3 – твердые частицы; 4 – газовые пузыри; 5 – газовые «пробки»; 6 – сквозные

каналы; 7 – фонтан; 8 – осевое ядро слоя; 9 – сползающий слой твердых частиц