Общетеоретические сведения

Теплообмен — это необратимый самопроизвольный процесс переноса теплоты в простран­стве с неравномерным распределением температуры. Он происходит вследствие обмена внутренней энергией меж­ду отдельными элементами, областями рассматриваемой среды, в ходе которого теплота переходит из ее более на­гретых мест в менее нагретые.

Перенос теплоты осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излуче­нием.

Теплопроводность — это молекулярный перенос теп­лоты в пространстве за счет индивидуального (хаотиче­ского, поступательного, колебательного, вращательного) движения частиц, составляющих вещество, в котором про­исходит теплообмен. Этот процесс возможен в газообраз­ных, жидких и твердых средах.

Конвекция — это перенос теплоты в пространстве движущимися макрообъемами жидкости или газа в том или ином направлении. Перенос теплоты неразрывно свя­зан с переносом самой среды. Различают естественную конвекцию, происходящую естественным путем и вызван­ную чаще всего разностью плотностей среды в разных ее частях, и вынужденную конвекцию, обусловленную дей­ствием какого-либо исполнительного механизма (насоса, вентилятора и т. д.).

В технике и в быту часто происходят процессы тепло­обмена между различными жидкостями (средами), разде­ленными твердой поверхностью, где совместно действуют конвекция и теплопроводность, и такой теплообмен назы­вается конвективным теплообменом или теплоотдачей.

Теплообмен излучением — это теплообмен, обусловлен­ный превращением части внутренней энергии одного ве­щества в энергию излучения, переносом ее в пространстве и поглощением другим веществом. В данном случае пере­нос теплоты в пространстве происходит посредством элек­тромагнитных волн.

Устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой, называют теплообменными аппаратами, или теплообменниками.

Среды, участвующие в процессе теплообмена, называют теплоносителями.

По принципу действия и конструктивному исполнению теплообменники подразделяются на поверхностные, контактные (смесительные) и с внутренним источником теплоты.

Поверхностные теплообменники — устройства, в ко­торых процесс передачи теплоты связан с поверхностью твердого тела, т. е. теплообмен от одной среды к другой происходит через разделительную стенку. Они, в свою оче­редь, разделяются на рекуперативные и регенеративные теплообменники.

Рекуперативные теплообменники — такие устройства, где два теплоносителя с различными температурами текут в пространствах, разделенных твердой стенкой (калориферы, отопительные приборы, конденсаторы, парогенераторы).

Регенеративные теплообменники — устройства, в ко­торых одна и та же поверхность нагрева через определен­ные промежутки времени омывается в последовательной очередности горячей и холодной средой (воздухоподогре­ватели мартеновских и доменных печей). Передача тепло­ты осуществляется с помощью специального аккумулято­ра теплоты — насадок (керамических тел, металлической стружки, гофрированной ленты и т. д.).

Смесительные теплообменники — устройства, в кото­рых процесс тепломассообмена происходит при непосред­ственном соприкосновении и перемешивании теплоноси­телей (градирни, деаэраторы).

Теплообменники с внутренними источниками тепло­ты — устройства с одним теплоносителем, в котором отво­дится теплота, выделенная в самом теплообменнике (элек­тронагреватели, ядерные реакторы).

Наиболее часто в практике встречаются рекуператив­ные теплообменники. Их простейшим представителем является теплообменник «труба в трубе» (рис. 4), в котором один из теплоносителей проходит по внутренней трубе, второй — в кольцевом зазоре между трубами. Этот теплообменник применяют при небольших значениях передаваемого теплового потока Q (местное горячее водоснабжение), так как в противном случае он становится громоздким и металлоемким.

 

Рис. 4 - Теплообменник типа «труба в трубе»:

1 — внутренняя труба; 2 — наружная труба; 3 — соединительная труба; 4 — соединительный штуцер; I, II — теп­лоносители.

 

Другой наиболее распространенный тип рекуператив­ного теплообменника — кожухотрубный, принципиальное устройство которого показано на рис. 5.

Рис. 5 - Кожухотрубный теплообменник:

1 — кожух; 2 — труба; 3 — трубная ре­шетка; 4 — штуцер; 5 — днище; 6 — опор­ная лапа; I, II — теплоносители.

 

 

Теплообменник представляет собой трубу большого диаметра (кожух 1), к торцам которого приварены дис­ки с соосными отверстиями (трубные доски или решет­ки), в отверстия трубных решеток на всю длину кожуха вставлены трубы малого диаметра, приваренные или при- вальцованные к трубным решеткам. Каждая из трубных решеток закрыта снаружи крышкой. К кожуху и крыш­кам приварены штуцеры I и II для подачи и отвода тепло­носителей, один из которых проходит по трубному про­странству теплообменника (I), а другой — по межтрубно­му пространству (II).

Преимущества кожухотрубного теплообменника:

· компактность;

· возможность больших поверх­ностей теплообмена;

· удобство в эксплуатации;

· технологичность в изготовлении.

Недостаток — затрудненная очи­стка межтрубного пространства.

К рекуперативным аппаратам также относится пластинчатый те­плообменник. Он представляет со­бой собранный в пакет набор гофри­рованных пластин (рис. 6), омы­ваемых с одной стороны горячим теплоносителем, с другой — холод­ным.

Гофрировка пластин обеспечи­вает турбулизацию потоков и, как следствие, высокие значения коэф­фициентов теплоотдачи.

Этот теплообменник характеризуется:

• высокой интенсивностью теплообмена;

• компактностью;

• доступностью поверхности теплообмена для чистки

разборных теплообменников.

Теплообменники на базе радиаторов относятся тоже к рекуперативным теплообменникам, где горячий теплоно­ситель — вода, а холодный теплоноситель — воздух. До­стоинство таких аппаратов заключается в малом сопротив­лении проходу воздуха, что позволяет применять его в при­точных системах вентиляции с естественным движением воздуха.

Недостаток — большая металлоемкость и боль­шие габариты.

 

Рис. 6 – Пластинчатый теплообменник:

1,2 — отверстия для про­хода теплоносителя I, II.

Теплопередача – это процесс теплообмена между двумя движущимися средами через разделяющую их стенку или через поверхность физического раздела между ними. Посредством теплопередачи осуществляется теплообмен:

• воздуха помещений с наружным воздухом через ограждающие конструкции зданий;
• в системах отопления;
• в теплообменных аппаратах.

Количественной характеристикой сложного процесса теплопередачи является коэффициент теплопередачи К, численно равный количеству теплоты, переданной в единицу времени от одной жидкости к другой при разности температур между ними в 1 градус.

Количество теплоты может быть отнесено к единице длины, единице поверхности или единице объема. При этом единица измерения коэффициента теплопередачи соответственно будет Вт/(м∙°С); Вт/(м²∙°С); Вт/(м³∙°С). Взаимная связь между коэффициентом теплопередачи, с одной стороны, и коэффициентами теплопроводности и теплоотдачи, с другой стороны, зависит от формы стенки, отделяющей горячую стенку от холодной.

Рассмотрим теплопередачу через плоскую стенку. Будем считать, что процесс теплопередачи — стационарный (ус­тановившийся), т. е. тепловой поток, передаваемый через конструкцию, постоянный.

Введем следующие обозначения:

• t_в, t_н — температуры по обе стороны стенки, °С;

• t_ст1, t_ст2 – температуры поверхности стенки, °С

Примем t_в > t_н. Согласно условию стационарности про­цесса, имеем q_в=q_𝜆=q_н =q.

Теплопередачу через стенку можно представить тремя уравнениями:

• от внутренней (горячей) поверх­ности ограждения

q_в = α_в(t_в – t_ст1) (1)

где α_в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности от греющего теплоносителя, Вт/(м²∙°С).

• теплопроводностью внутри плоской стенки:

(2)

где 𝜆 – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м∙°С).

δ – толщина стенки, м.

 

• от внешней (холодной) поверхности к охлаждающему контуру:

 

q_н = α_н(t_ст2 – t_н) (3)

где α_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности к охлаждающему теплоносителю, Вт/(м²∙°С).

Сложив почленно уравнения (1)-(3) и выразив q, получим уравнения теплопередачи через плоскую стенку:

; (4)

; (5)

; (6)

. (7)

где R₀ — сопротивление теплопередаче стенки, (м²∙°С)/Вт; K — коэффициент теплопередачи стенки, Вт/(м²∙°С).

Рис. 7 – Распределение температуры от внутренней стенки к наружной.

 

Коэффициент теплопередачи К зависит от многих факторов:

• вид и конструктивные особенности теплообменников;
• температурный напор Δt при эксплуатации аппарата;
• расход теплоносителя, кг/с;
• скорость движения воды в теплообменнике и режим течения;
• другие факторы (подвод теплоносителя к прибору, загрязненность внутренней поверхности, наличие воздуха и пр.)

Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²∙°С), можно определить по формуле:

, (8)

где F – площадь теплообменной поверхности, м²;

Q – количество тепла, передаваемого горячим контуром в единицу времени, Вт;

Δt_ср – средний температурный напор между теплоносителями, °С.

Площадь теплообменной поверхности F, м², определяется по формуле:

(9)

где d – диаметр внутренней трубы, м; равный 16 мм для теплообменника «труба в трубе» и 9 мм для кожухотрубного теплообменника;

l – длина внутренней трубы, м; равная 650 мм для теплообменника «труба в трубе» и 680 мм для кожухотрубного теплообменника;

n – количество внутренних труб, шт.

Количества тепла Q, Вт, передаваемого горячим контуром в единицу времени, определяется по формуле:

 

, (10)

 

 

где с_в – теплоемкость воды, кДж/(кг˚С), равная 4,19.

М – расход воды, кг/с.

Средний температурный напор между теплоносителями Δt_ср, °С, определяется как средняя логарифмическая величина между наибольшей разницей температур Δt_б, °С, между теплоносителями и наименьшей Δt_м, °С разности температур.

На рисунке 8 представлены схемы распределения температур по длине теплообменника при прямотоке (рис. 8а) и противотоке (рис. 8б).

а) прямоток б) противоток

Рис. 8 - Схемы изменения температуры по длине теплообменника

Средний температурный напор Δt_ср, °С, зависит от схемы включения теплоносителей в теплообменном аппарате (прямоток или противоток)

Прямоток Противоток

(11)

 

(12)

 

(13)

 

 

Лабораторная работа 7