Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Основы расчета и выбора теплообменных аппаратов





Передача теплоты от более нагретого к менее нагретому телу осуществляется тремя видами теплообмена: теплопроводностью, конвективным и лучистым теплообменами. При расчете теплообменных аппаратов передача теплоты осуществляется теплопроводностью.

Теплопроводность – это процесс распространения теплоты в рабочем теле посредством передачи кинетической энергии от более нагретых молекул к менее нагретым.

Поверочный расчет и выбор теплообменного аппарата (теплообменника) производится с целью подогрева нефтепродукта для снижения его вязкости и увеличения текучести. Подогрев осуществляется для неподвижной массы нефтепродукта, кг, или движущегося нефтепродукта с массовым расходом, кг/с.

Количество теплоты Q, Дж, необходимое для нагрева нефтепродукта массой М, кг, на требуемую величину изменения температуры, определяют из выражения [16, 17]:

, (9.3)

где ср – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг∙К);– разность температур в начале и конце нагрева нефтепродукта.

При нагреве нефтепродуктов берут среднее значение теплоемкости, равное 2100 Дж/(кг∙К).

Определив требуемую величину Q, по заданному времени разогрева нефтепродукта рассчитывают и выбирают тип нагревательного устройства, его мощность.

Расчет теплообменников непрерывного действия основан на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи[17].

В процессе расчета теплообменника обычно определяют тепловойпоток Ф, Дж/с (Вт), передаваемый через поверхность теплообмена.

Тепловые потоки, идущие от горячего теплоносителя Ф1 к холодному нефтепродукту Ф2, могут быть определены по формулам:

; (9.4)

, (9.5)

где cp1и cp2– изобарные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей; mt1и mt2– массовые расходы этих теплоносителей, кг/с; температуры горячего (индекс 1) и холодного (индекс 2) теплоносителей

При установившемся режиме теплообмена . При этом равенстве получается баланс теплового потока(уравнение теплового баланса).

Определив требуемое значение теплового потока Ф, находим необходимую площадь F поверхности теплообмена горячего теплоносителя (нагревателя), используя уравнение теплопередачи:

, (9.6)

где к – средний, постоянный для поверхности F коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К); – средний по поверхности F температурный напор между теплоносителями, °С.

Массовые секундные расходы теплоносителейmt 1и mt 2, кг/с, определяются по следующим формулам:

а) если известна площадь живого сечения канала теплообменника Fсеч, скорость w теплоносителя, а также плотность, то расход определяется из выражения

; (9.7)

б) если известен тепловой поток и изменение температуры теплоносителя, то расход соответствующего теплоносителя определяется из выражений (9.4)
и (9.5)

. (9.8)

Массовый расход нефтепродукта зависит от времени слива-налива. Например, при времени слива, равном 3 часа, для железнодорожной цистерны, содержащей 40 000 кг, массовый расход составит mt = 3,7 кг/с (40 000/3/3600).

Для расчета коэффициента теплоотдачи при турбулентном режиме течения в трубах и каналах при движении теплоносителя за счет внешних сил установлена зависимость (критерий Нуссельта) [16, 17]

(9.9)

где индекс «dэ» устанавливает, что в качестве характерного линейного размера берется эквивалентный диаметр канала, равный отношению учетверённой
площади поперечного сечения канала Fсеч к его периметру (читается пи)
dэ = 4 Fсеч / , а индекс «ж» – что физические свойства теплоносителя определяются по средней температуре жидкости(газа).

Для трубы круглого сечения dэ = d , а для кольцевого канала , где d н и d в , соответственно, наружный и внутренний диаметры.

Если режим движения ламинарный, то

(9.10)

По формулам 9.9 и 9.10 определяется число Нуссельта для труб любой формы поперечного сечения – круглого, квадратного, прямоугольного, кольцевого.

Для понимания характера приведённой выше зависимости важно знать физический смысл входящих в неё критериев.

Критерий Нуссельта

. (9.11)

Безразмерный критерий Нуссельта есть соотношение термического сопротивления теплопроводности в пограничном слое жидкости к термическому сопротивлению теплоотдачи от жидкости к стенке или наоборот.

Определив критерий Нуссельта, находят значение коэффициента теплоотдачи α, Вт/(м2∙К), например, со стороны горячего теплоносителя к стенке по формуле .

Критерий Рейнольдса: , (9.12)

где ν – кинематическая вязкость, м2/с.

Критерий Re есть соотношение сил инерции к силам вязкости.

Критерий Прандтля: . (9.13)

Безразмерный критерий Прандтля характеризует соотношение вязкости к молекулярной силе в потоке.

Для воды при изменении ее температуры от 30 до 100 °С значение критерия Прандтля меняется от 5,42 до 1,75.

Для водяного пара на линии насыщения при изменении его температуры от 100 до 200 °С критерий Прандтля изменяется незначительно (1,08 – 1,36).

Для масла МС-20 с понижением температуры от 100 до 20 °С кинематическая вязкость, мм2/с, повышается с 20 до 1125, а число Прандтля увеличивается с 315 до 15400.

Более точные значения числа Прандтля для конкретного теплоносителя и его температуры берутся из справочника [17].

Множитель представляет собой поправку, учитывающую зависимость физических свойств теплоносителя (в основном вязкости) от температуры и направления теплового потока. Для газов .

Коэффициент теплопередачи для плоской стенки и труб сd1 /d2 < 0,5 определяется по формуле

, (9.14)

где – толщина стенки, м; λ – теплопроводность материала стенки, через которую переносится теплота, Вт/ (м∙К) или Вт/[м2 ∙(К/м)];

α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя к стенке и co стороны холодного теплоносителя.

Коэффициент теплопроводности λ характеризует способность вещества проводить теплоту. Значение λ характеризует количество теплоты, Дж, которое проходит за 1 секунду (Дж/с – тепловой поток, измеряемый, Вт) через
1 квадратный метр поверхности при падении температуры в 1 градус на 1 метр пути теплового потока, Вт/[м2∙(К/м)] или Вт/ (м∙К).

Путь теплового потока – это, например, толщина стенки трубы, длина, высота пластины, м.

Ниже приводятся значения λ, Вт/ (м∙ К), для некоторых материалов, из которых могут быть выполнены отдельные детали теплообменников: сталь
10 – 63; сталь 15 – 54,4; сталь 30 – 50,2; сталь хромистая, нержавеющая
3Х13 – 25,1; латунь (60 % меди и 40 % цинка) – 106;дюралюминий – 159 [17].

Средний температурный напор. Разность температур горячего и холодного теплоносителей называется температурным напором . Характер изменения температурного напора вдоль поверхности теплообмена зависит от схемы движения теплоносителей и соотношения водяных эквивалентов и . Различают следующие схемы течения теплоносителей: прямоток, противоток, перекрёстный ток, смешанный ток, многократный перекрёстный ток (рис. 9.5).

 

 

Рис. 9.5. Схемы движения теплоносителей

 

Температурный напор вдоль поверхности теплообмена при прямотоке изменяется сильнее, чем при противотоке. Вместе с тем среднее значение температурного напора при противотоке больше, чем при прямотоке. За счёт этого при противотоке теплообменник получается компактнее. Поэтому с теплотехнической точки зрения всегда следует отдавать предпочтение противотоку над прямотоком.

Средний логарифмический температурный напор определяется по формуле

. (9.15)

Среднеарифметическийтемпературный напор

(9.16)

всегда больше среднелогарифмического. При отношении температурные напоры отличаются на 2 – 3 %. Здесь и , соответственно, наибольшая и наименьшая разность температур между горячим теплоносителем и холодным на входе и выходе из теплообменника.

Площадь поверхности теплообмена. Площадь поверхности теплообмена F определяется после определения коэффициента теплопередачи k и среднего температурного напора

. (9.17)







Дата добавления: 2015-10-12; просмотров: 1048. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.025 сек.) русская версия | украинская версия