8344

размеры которых много больше расстояния между ними, был размещен параллельно им экран. Сопоставим лучистый теплообмен при стационарном режиме между параллельными стенками без экрана и с экраном, принимая С1=С2=С и используя формулы (7.23) и (7.24). Если экрана нет, то плотность теплового потока равна

Так как коэффициенты излучения стенок и экрана одинаковы, то приведенные коэффициенты излучения всех систем также будут одинаковы

Сопоставление этой формулы с формулой (7.28), в которой С12=Спр, показывает, что постановка экрана с таким же коэффициентом излучения, как у стенок, приводит к уменьшению плотности теплового потока в два раза. Аналогично можно показать, что при двух параллельных экранах плотность теплового потока уменьшится в три раза, а при n экранах – в n+1 раз. Таким образом, при одинаковых коэффициентах излучения имеем

Если коэффициенты излучения экрана и стенок не одинаковы (С1 С2 Сэ), то при одном экране получим

Здесь коэффициенты С1э Сэ2 С12 и определяются по формуле (7.24) приведенного коэффициента излучения. Это соотношение позволяет показать, что уменьшение Сэ повышает эффективность экрана. Например, при Сэ =0,3 и С1=С2=5,25 один экран уменьшает плотность теплового потока в 30 раз. Эффективность экрана при уменьшении коэффициента излучения повышается. Это обусловлено тем, что повышается его отражательная способность. Но уменьшение плотности теплового потока связано не только с отражением экрана, но и с уменьшением перепада температур.

7.4. Теплообмен при излучении и поглощении газов

Различают несветящиеся и светящиеся газовые среды. Свечение газовой среды обусловлено наличием в ней раскаленных частиц сажи, угля, золы. Ниже рассматриваются особенности излучения несветящейся газовой среды, к которой относятся чистые газы и пары. Одноатомные газы (гелий, аргон и др.) и двухатомные, состоящие из однородных атомов (азот, кислород и др.), обладают чрезвычайно малой поглощательной способностью, поэтому их относят к диатермичным телам. Трехатомные и многоатомные газы (углекислый газ, водяной пар, сернистый ангидрид, аммиак и др.) способны излучать и поглощать заметные количества энергии. Газы излучают и поглощают не все длины волн, а отдельные участки длин волн или имеют линейчатый спектр излучения и поглощения и носят объемный характер. Количество поглощаемой (и излучаемой) газом энергии зависит от толщины газового слоя и концентрации в нем поглощающих (и излучающих) молекул. Концентрацию этих молекул проще всего оценить парциальным давлением данного компонента смеси газов. Так как толщина газового слоя и парциальное давление излучающего (и поглощающего) компонента в равной мере влияют на число участвующих в теплообмене молекул, то степень черноты газа и его

поглощательную способность выбирают в зависимости от параметра р , где – средняя длина луча в пределах газового слоя. Эта длина луча подсчитана для различных форм газового объема и приводится в справочниках. Степень черноты газов зависит и от абсолютной температуры, поэтому εg f T, p .

Хорошо изучена степень черноты газов, содержащих Н2О и СО2, например, продукты сгорания углеводородных топлив. Для смеси, содержащей эти газы, степень черноты определяют по формуле

Эти опытные данные получены при давлении газовой смеси 0,98 бар. С увеличением общего давления смеси газов при p =const степень черноты отдельных газов возрастает. Поправки для учета влияния давления на степень черноты СО2 и Н2О даны в справочной литературе. Полосы излучения и

82

поглощения в спектрах СО2 и Н2О частично совпадают, поэтому излучение Н2О частично поглощается СО2, и наоборот. Это взаимное поглощение учитывает поправка , величина которой составляет 2 4%, поэтому ее иногда пренебрегают. В диапазоне температур 0 20000С степень черноты бесконечно толстого слоя газа составляет: Н2О=0,75 0,4 и СО2=0,32 0,2.

На практике представляет интерес лучистый теплообмен между газом и твердой оболочкой (стенкой). Плотность теплового потока, которая передается газом, содержащим СО2 и Н2О, можно определить по эмпирической формуле

A g – поглощательная способность газа при температуре стенки.

Эффективная степень черноты стенки больше действительного ее значения, так как стенка будет не только излучать, но и отражать часть

Теплообмен излучением в светящихся газовых средах имеет свои особенности. При горении углеводородных топлив пламя, которое называют факелом, непрозрачно и имеет желтоватую окраску. Последние обусловлены содержанием большого количества раскаленных мелких частиц углерода, золы, размерами от 0,05 мк до 0,25 мм. Излучение факела по природе ближе к твердым телам, чем к газам. Концентрация и размеры частиц в факеле, которые из-за большого их количества излучают значительно больше энергии, чем газ, зависят от вида сжигаемого топлива, конструкции и размеров топки, концентрации воздуха в топливовоздушной смеси.

Для ориентировочной оценки потока тепла при лучистом теплообмене между факелом и радиационной поверхностью используют формулу

εпр ε f ε с – приведенная степень черноты системы;

εf – степень черноты факела, которая выбирается в зависимости от от

вида и способа сжигания топлива ( ε f 0,4 0,85).

Температура факела Tf определяется как средняя геометрическая из теоретической температуры горения топлива Т1 и температуры газа на выходе из топки Т2, т. е. Tf T1 T2 .

8.Теплообменные аппараты

8.1.Основные понятия и определения

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. Передача тепла от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники: в энергетике, в химической, металлургической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности. В котельной установке тепло, выделившееся при горении топлива, передается воде и пару. Котельный агрегат, таким образом, можно рассматривать как совокупность теплообменных аппаратов. В обычной отопительной батарее тепло передается от горячей воды к воздуху, находящемуся в комнате. Тем самым такие батареи являются теплообменными аппаратами. В газотурбинных установках осуществляют процесс регенерации тепла, путем его передачи в теплообменнике от отработанных продуктов сгорания к сжатому воздуху. В теплообменных аппаратах протекающие тепловые процессы могут быть самыми разнообразными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и более сложные процессы, являющиеся комбинацией перечисленных. В теплообменных аппаратах могут участвовать в процессе теплообмена несколько теплоносителей: теплота от одного из них может передаваться нескольким и от нескольких к одному. Широкое распространение теплообменных аппаратов обусловило многообразие их конструкций.

8.2. Основные виды теплообменных аппаратов

По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными теплообменными аппаратами являются устройства, в которых две жидкости с разными температурами протекают в пространстве, разделенном твердой стенкой. При теплообмене между теплоносителями в аппаратах такого типа плотность теплового потока в каждой точке поверхности разделительной стенки сохраняет постоянное направление. Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменного аппарата. Рекуперативные теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от направления движения теплоносителей. Если

84

тепло-носители движутся в одинаковом направлении, то такие теплообменные аппараты называют прямоточными. При взаимно противоположных направлениях движения теплоносителей теплообменные аппараты называют противоточными. В теплообменных аппаратах с перекрестным током теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях. При этом возможен однократный и многократный перекрестный ток. Возможны и более сложные схемы движения теплоносителей.

Конструктивно рекуперативные теплообменные аппараты, как правило, выполняются с трубчатыми и пластинчатыми рабочими поверхностями. В трубчатых теплообменниках пучки труб, скрепленные с помощью трубных решеток, ограниченны кожухами и крышками с патрубками. Полость внутри трубок, над трубными решетками, ограниченная крышками, заполнена одним теплоносителем. Межтрубное пространство, ограниченное кожухом и трубными решетками, заполнено Вторым теплоносителем. В пластинчатом теплообменнике рабочая поверхность образована набором плоских параллельных пластин. Между пластинами каналы объединены через один общими коллекторами и образуют, таким образом, полости для горячего и холодного теплоносителей.

Регенеративными теплообменными аппаратами являются устройства, в которых одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При теплообмене между теплоносителями в аппаратах такого типа плотность теплового потока в каждой точке поверхности периодически меняет направление. При соприкосновении с горячим теплоносителем в период нагрева стенка аккумулирует тепловую энергию, а затем в период охлаждения отдает ее холодному теплоносителю. Поэтому рабочие стенки такого теплообменника должны обладать хорошей теплоемкостью. Особенностью регенеративных теплообменных аппаратов является нестационарный режим теплообмена. Поэтому такой теплообменник, чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периодов нагрева и охлаждения, должен иметь две параллельно работающие секции. Внутренняя полость регенеративного теплообменного аппарата заполняется насадкой, которая выполняется из керамического кирпича, металла и других материалов. В практике нашли применение регенеративные теплообменные аппараты с вращающейся насадкой. Известны две конструктивные схемы такого теплообменника. Первая из них представляет аппарат с дисковым ротором и осевым движением теплоносителей, а Вторая – теплообменник с барабанным ротором и радиальным движением теплоносителей. Объем теплообменника с помощью стенок и уплотняющих устройств разделен на две полости. Через одну из полостей протекает горячий теплоноситель, а через другую – холодный. Во время работы теплообменника ротор его вращается с угловой скоростью 6 15 об/мин. Поэтому нагретые элементы насадки непрерывно переходят из полости горячего в полость холодного газа, а охладившееся элементы – наоборот. Эти теплообменники обладают высокой компактностью, т.е. большим отношением

85

поверхности теплообмена к объему теплообменника. Однако при неодинаковых давлениях теплоносителей перетекание газа из одной полости в другую в местах уплотнения снижает их эффективность.

Смесительными теплообменными аппаратами являются устройства, в которых горячий и холодный теплоносители непосредственно соприкасаются друг с другом. Такие смесительные теплообменники называют контактными. Для смесительных теплообменных аппаратов целесообразно использовать такие теплоносители, которые легко разделить на выходе из теплообменного аппарата, например, вода и воздух. Эффективность смесительных теплообменных аппаратов зависит от поверхности соприкосновения теплоносителей, которая определяется степенью дробления жидкости. Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей размещают насадку, которая представляет собой слой «кускового» материала, например, куски керамики, кокса или деревянные решетки. Смесительные теплообменные аппараты нашли широкое применение в промышленности. К ним относятся, например, кондиционеры для термовлажностной обработки воздуха в установках кондиционирования. Для очистки воздуха или газов от золы, пыли, смолы и прочих примесей посредством промывки их водой применяют скрубберы. На электрических станциях большие количества циркуляционной воды от конденсаторов паровых турбин охлаждают за счет тепломассообмена ее с воздухом в градирнях.

Из трех рассмотренных выше видов теплообменных аппаратов наиболее широкое и разностороннее применение находят рекуперативные теплообменные аппараты.

8.3.Тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата

Внастоящее время имеется, по крайней мере, три типа задач, связанных с тепловым расчетом теплообменных аппаратов.

1.Выбор теплообменного аппарата из серии типовых по каталогам.

2.Конструирование нового теплообменного аппарата, не связанного ограничениями каталогов или проектирование новой серии аппаратов.

3.Поверочный расчет теплообменного аппарата в связи с изменением технологических параметров процесса.

Конструктивный расчет теплообменного аппарата ставит своей целью определение величины рабочей поверхности теплообмена. При этом известен поток передаваемой теплоты или массовые расходы теплоносителей и изменение их температуры по длине аппарата.

Поверочный расчет теплообменного аппарата выполняется для теплообменника с известной величиной рабочей поверхности теплообмена. В результате расчета определяются температуры теплоносителей на выходе из теплообменника и поток передаваемого тепла.

Врекуперативном теплообменнике процесс теплообмена описывается уравнением теплового баланса и уравнением теплопередачи. В стационарных условиях, с учетом потерь, поток тепла, отводимый от горячего теплоносителя,

86

равен потоку тепла, подводимого к холодному теплоносителю. Поэтому

где G – массовый расход теплоносителя;

ср – изобарная удельная массовая теплоемкость теплоносителя; Т – температура теплоносителя;

– коэффициент полезного действия теплообменника, учитывающий потери тепла в окружающую среду и равный 0,97 0,995;

С – теплоемкость массового расхода теплоносителя; 1, 2 – индексы, относящиеся соответственно к первичному (горячему) и

Вторичному (холодному) теплоносителям;, – штрихи, относящиеся соответственно к входу в теплообменник и к его

выходу.

Обозначим изменение температуры по длине всего теплообменника черезТ. Тогда, пренебрегая тепловыми потерями =1, соотношение (8.1) можно записать в виде

Следовательно, чем больше теплоемкость массового расхода теплоносителя С, тем меньше меняется его температура в пределах теплообменника. Из уравнения теплопередачи для того же потока теплоты получим

температурного напора между теплоносителями для всего теплообменника. При конструктивном расчете из этой формулы определяется рабочая

поверхность теплообменника

Для расчета рабочей поверхности по этому соотношению коэффициент теплопередачи определяется, как это было показано в главе 3, обычно по формулам плоской стенки, так как в трубчатых теплообменниках трубки имеют небольшую толщину. Когда в пределах аппарата на отдельных участках рабочей поверхности условия теплообмена различны, то коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи рассчитываются для каждого участка в отдельности. Среднее значение коэффициента теплопередачи для всей рабочей поверхности теплообменника определяют по формуле

где k i – коэффициент теплопередачи каждого участка; Fi /F – относительная площадь этого участка;

n – число участков, на которое подразделена рабочая поверхность.

87

Для определения среднего температурного напора запишем уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса для элемента рабочей поверхности dx прямоточного теплообменника, как это показано на рис. 8.1.

dQ C1dT1 C2 dT2 ,

где знак минус обусловлен падением температуры первичного теплоносителя по длине теплообменника.

Т T

Из последнего уравнения можно получить

x, Fx

Заменив в этом равенстве dQ из формулы (8.6) и разделив переменные, имеем

Если подставить это выражение в (8.9) и заменить в нем величину kF из уравнения (83), то получим окончательную формулу для средне логарифмического температурного напора

88

ln T

Эта формула применяется не только для прямоточного, но и для противоточного теплообменника. Подставив (8.10) и (8.5) в формулу (8.4), получим окончательно величину рабочей поверхности теплообменника. Решения для среднего температурного напора в случае более сложных схем движения теплоносителей имеют громоздкий характер. Поэтому для таких схем движения теплоносителей средний температурный напор определяют по формуле

теплоносителей и приводятся в справочной литературе [1, 4, 6]. При одинаковых температурах теплоносителей на входе и на выходе теплообменного аппарата в противоточном теплообменнике температурный напор будет наибольшим, а прямоточном – наименьший. В случае противоточной схемы движение теплоносителей и прочих равных условиях благодаря большой вели-чине температурного напора рабочая поверхность теплообмена будет наименьшей. Если по конструктивным причинам нет ограничений на выбор схемы движения теплоносителей, то противоточный теплообменник предпочтительнее прямоточного. При С1/С2 0,05 или С1/С2 10 и при kF/C1 0 обе схемы движения теплоносителей становятся равноценными. Первое условие соответствует малому изменению температуры одного из теплоносителей по длине теплообменника. Второе условие означает, что средний температурный напор существенно превышает изменение температуры одного из теплоносителей.

Как было показано выше, коэффициенты теплоотдачи определяются из уравнений подобия. В эти уравнение входят теплофизические свойства жидкостей, которые выбирают при определяющей температуре. Весьма часто в качестве такой температуры рассчитывают среднюю температуру теплоносителя. Для теплоносителя с большей величиной теплоемкости массового расхода С, у которого температура в пределах теплообменника изменяется меньше, средняя температура теплоносителя рассчитывается по соотношению, если С1 С2

Средняя температура Второго теплоносителя определяется по формуле