Спиральный теплообменник

1.1.9 Определение  температуры стенки 

           Для определения коэффициентов  α  необходимо знать температуру  стенки t_ст.1 и t_ст.2. Расчет ведется с применением уравнений теплоотдачи и теплопередачи.

      Количество  теплоты, получаемое холодным теплоносителем: 
 

                                                         ,                        (1.40) 
 

      Количество  теплоты, получаемое холодным теплоносителем:  
 

                                                                                (1.41) 
 

        Исходя  из этих уравнений,  находим температуры стенки:  
 

                            t_ст.1 = t₁ – (Q/ α₁F)                 t_ст.2 = t₂ + (Q/ α₂F)              (1.42)

        

      Согласно  уравнению  теплопередачи (1.6), подставим  значение Q в предыдущие уравнения и произведя сокращения, получим окончательные формулы для определения температур поверхностей стенки:

                            

                                    ,       ,          (1.43) 
 

где: t₁ и t₂ – температуры горячего и холодного теплоносителей, К;

       ∆t_ср – средняя разность температур между теплоносителями,⁰С. 
 

1.1.10 Лучеиспускание 

      Почти всегда наряду с теплопроводностью  и конвекцией в тепловых процессах  участвует и лучеиспускание. При  нагревании тел часть тепловой энергии  превращается в лучистую.

      Носителем лучистой энергией является электромагнитные колебания с различными длинами волн. Они известны под названием рентгеновских, ультра фиолетовых, световых, инфракрасных лучей. Колебания, свойственные тепловым лучам, лежат в инфракрасной, невидимой глазам части спектра, в диапазоне 0,8 – 40 мкм.

      При прохождении тепловых лучей через  пространство действительны законы, установленные оптикой для видимых  лучей с длиной световой волны (0,4 – 0,8 мкм).

      Лучеиспускание  свойственно всем телам. При попадании  на тела лучистая энергия частью поглощается, частью отражается, частью проходит сквозь них. Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, переходит в теплоту. Часть энергии, которая отражается и проходит сквозь тела может поглощаться другими телами. В результате этих явлений осуществляется лучистый теплообмен. По способности тел пропускать, отражать и поглощать лучистую энергию различают абсолютно прозрачные, абсолютно белые и абсолютно черные тела.

      Тела, которые поглощают всю падающую на них энергию, называются абсолютно  черными.  Тела, которые полностью отражают лучистую энергию, называются абсолютно белыми, а полностью пропускающие – абсолютно прозрачными.

      Практически не существует тел, обладающих идеальными свойствами. Все реальные тела способны поглощать, отражать, пропускать только часть падающих на них лучей. Все тела, которые поглощаются, отражаются, пропускают только часть падающей на них лучистой энергии, называют серыми телами. [1,с 204] 

1.1.11 Закон   Стефана – Больцмана 

      Стефан (1879г.) нашел опытным путем, а Больцман (1884г.) вывел теоретически зависимость между лучеиспускательной способностью  и температурой, называемую законом Стефана – Больцмана:  лучеиспускательная способность серого тела Е пропорциональна четвертой степени его температуры Т и коэффициенту лучеиспускания серого тела С: 
 

                                                      ,                  (1.44) 
 

где Е - лучеиспускательная способность серого тела;

      Т – абсолютная температура,  К;

      С - коэффициент лучеиспускания  серого тела, Вт/(м²∙К⁴).  

      Сопоставив  энергию излучения серого тела с  энергией излучения черного тела при той же температуре, получим  характеристику тела, называемую относительной  излучательной способностью или  степенью черноту тела ε: 
 

                                                         _,                     (1.45) 
 

где Е₀ – лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, Вт/м²; 

       С₀ = 5,7 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/ (м² К⁴  ).

                                  

      Отсюда  С = ε С₀ =5,7 ε Вт / (м² ∙ К⁴ ). При ε = 0÷1 значение С = 0 ÷5,7 Вт (м²_* К⁴ ).

      Количество  теплоты, переходящее от более нагретого  тела к менее нагретому посредством  лучеиспускания, определяется по уравнению:  
 

                                        ,             (1.46) 

где  Q _Л – количество теплоты, передаваемое лучеиспусканием в единицу времени, Вт;

        F– площадь поверхности излучения,  м² ;

        С₁ – ₂ – коэффициент взаимного излучения, Вт/(м²∙К⁴ );

         Т ₂  – температура поверхности менее нагретого тела, К ;

    Т₁ – температура поверхности более нагретого тела, К ;

    φ – угловой коэффициент, определяемый формой и размерами участвующих  в теплообмене поверхностей, их взаимным расположением в пространстве и расстоянием между ними                  

1.1.12 Закон Кирхгофа 

      Связь лучеиспускания и лучепоглощения выражена законом Кирхгофа.

      Шероховатая поверхность, на которую падают тепловые лучи, лучше поглощает лучистую энергию, чем гладкая поверхность. Кирхгоф  доказал, что  и лучеиспускательная способность такой поверхности должна быть выше, чем у гладкой.

      По  закону Кирхгофа :А=ε, т.е. коэффициент  лучепоглощения тела А равен степени  его черноты при тех же условиях.

      Для абсолютно черного тела коэффициенты лучепоглощения и 5:49 лучеиспускания равны единице.[1,c 205] 

1.1.13 Совместная  теплоотдача лучеиспусканием и  конвекцией 

    Практически всегда теплота передается одновременно двумя или тремя видами переноса (теплопроводностью, конвекцией, лучеиспусканием). Рассмотрим совместную теплоотдачу излучением и конвекцией на примере определения потерь теплоты стенками аппарата в окружающую среду.

      Количество  теплоты Q_л, передаваемое лучеиспусканием от стенки к среде, определяется уравнением 

             

             ,              (1.47) 
 

где С_{1– 2φ} – коэффициент взаимного излучения Вт/(м²∙К⁴ );

       Т ₁ – температура стенки, К;

       Т ₂ – температура среды, К;

       F – площадь поверхности стенки аппарата,м².

      Умножив и разделив правую часть уравнения  на Т ₁ - Т ₂,получим  
 

             ,            (1.48) 
 

где α_л = С_{1– 2}[(Т ₁ /100)⁴ – ( Т ₂ /100 )⁴ ] /(Т ₁ – Т ₂ ) – коэффициент теплоотдачи при лучеиспускании,  Вт/(м²∙К⁴ ). 

      Количество  теплоты передаваемое стенкой путем  конвекции, будет равно: 
 

             ,           (1.49) 
 

 где   α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, определяемый по соответствующим формулам для свободного или вынужденного движения. 

      Для совместной теплоотдачи излучением и конвекцией имеем: 
 

              ,                     (1.50) 
 

      Обозначив суммарный коэффициент теплоотдачи  конвекцией и излучением           α_л + α_к = α, получим: 

             ,      (1.51) 

1.1.14 Потери теплоты  в окружающую среду. 

           В инженерных  расчетах для определения суммарного коэффициента теплоотдачи пользуются эмпирическими уравнениями.

      Для расчета тепловых потерь аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре поверхности  аппарата до 150⁰С можно воспользоваться уравнением:  
 

             ,          (1.52) 
 

где   α- суммарный коэффициент теплоотдачи  конвекцией и лучеиспусканием,

Вт/ (м² ∙К);

        ∆t^___ разность температур поверхности аппарата и окружающего воздуха, К. 

      Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду аппараты и трубопроводы покрывают теплоизоляционными материалами с низкой теплопроводимость (λ<0,232 Вт/ (м∙К)). В качестве теплоизоляционных материалов используют стекловату, асбест, пробковые плиты, совелит и др. Изоляция должна быть термостойка, негигроскопична, дешева и долговечна. Наиболее экономичной толщиной изоляции является та, при которой затраты на изоляцию и потери теплоты минимальные.

                   Требования, предъявляемые к теплоносителям  в химической промышленности.

      Проведение технологических процессов в химической промышленности в большинстве случаев связано с теплообменом.

      Во  всех теплообменных устройствах  химической промышленности основным рабочим  процессом являются процесс теплообмена  между теплоносителями.

      Теплоносители аккумулируют тепловую энергию, полученную от источника теплоты, и отдают ее в теплообменных аппаратах.

      Выбор теплоносителей зависит от требуемой  температуры и необходимости  ее регулирования.

      Каждый  теплоноситель характеризуется, прежде всего, определенными температурным диапазоном его применения. Если для достижения какой-либо температуры могут быть применены несколько теплоносителей, то выбор проводят по соображениям экономичности и безопасности работы. Кроме того, промышленный теплоноситель должен обеспечить интенсивность теплообмена при уменьшении собственного расхода, для чего он должен обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, теплоемкостью и удельной теплотой парообразования.

        

      Теплоноситель не должен оказывать отрицательного влияния на материал аппарата.

      В качестве теплоносителей в теплообменных  аппаратах применяют: водяной пар, горючие жидкости, пары высококипящих  жидкостей, топочные газы, а также  электрообогрев.

      В ряде случаев в качестве теплоносителей применяют вторичные  энергоресурсы.

      Расход  теплоносителей определяют из уравнений  теплового баланса.[1, с 206] 
 

1.2 Аппаратурный обзор 

Классификация теплообменников. 

      Теплообменники - это устройства, в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой  средами.

      В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение, затвердевание и сложные комбинированные процессы. Теплообменные аппараты применяются практически во всех отраслях промышленности и в зависимости от назначения называются подогревателями, испарителями, конденсаторами, регенераторами, парообразователями, скрубберами, кипятильниками, выпарными аппаратами и т.д.