учебник по ОПОВ

перемещения жидкости вдоль поверхности теплообмена, размеров и формы поверхности теплообмена, плотности, вязкости, теплопроводности, удельной теплоёмкости, а также коэффициента объёмного расширения движущейся жидкости. Эта зависимость является очень сложной и не устанавливается теоретическим путем. Поэтому для определения α используют опытные данные, обработанные методом теории подобия, получив при этом зависимости, которые справедливы для данного вида явлений.

Передача тепла излучением

Лучеиспускание свойственно всем телам.

Носители лучистой энергии – фотоны, обладающие количеством движения и электромагнитной массой. Тепловое излучение характеризуется длиной волны от 0,4 мкм до 800мкм.

Твердые и жидкие тела излучают энергию сплошным спектром различных длин волн от ультрафиолетовых до инфракрасных. Интенсивность теплового излучения твердых тел возрастает с повышением температуры. При температуре более 600°С тепловое излучение в них доминирует над другими способами передачи теплоты

Газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн. Такое излучение называют селективным. Излучение и поглощение энергии в газах объемное.

При попадании на тела лучистая энергия частично поглощается, отражается, проходит сквозь них. Поглощенная энергия превращается в теплоту.

Физические тела пропускают, отражают и поглощают тепловую энергию. В зависимости от способности тел пропускать, отражать и поглощать тепловую энергию различают абсолютно прозрачные, абсолютно белые и абсолютно чёрные тела. Абсолютно прозрачные тела пропускают всю поступающую энергию теплового излучения. Абсолютно белые тела полностью отражают, а абсолютно черные тела поглощают всю подводимую энергию. В природе практически нет тел, обладающих такими идеальными свойствами. Реальные тела способны лишь частично пропускать. Отражать и поглощать подводимую энергию. Такие тела называют серыми.

Законом лучеиспускания является закон Стефана-Больцмана.

150

С1-2 – коэффициент взаимного излучения, зависит от взаимного расположения тел, Вт/м2·К4

T2 – абсолютная температура менее нагретого тела, К

T1 – абсолютная температура поверхности более нагретого тела, К

- угловой коэффициент, определяется формой, размерами, взаимным расположением в пространстве, расстоянием между участвующими в теплообмене поверхностями. Значения углового коэффициента берут в справочнике.

Коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием αл – это количество теплоты,

отдаваемое или воспринимаемое стенкой площадью 1 м2 за счет излучения в течение 1 с при разности температур 1 К. Размерность αл Вт /(м2·К).

Для того, чтобы защитить от нагрева или попадания излучения какое-либо тело, между ним и излучателем необходимо установить экран, изготовленный из материала с хорошими отражательными свойствами. Для снижения лучистого теплообмена между телами необходимо уменьшать температуру излучающего тела и приведенную степень черноты. Если это практически невозможно, устанавливают экран между телами. Например, если лучистый теплообмен происходит между двумя плоскими параллельными поверхностями, то установка между ними тонкостенного плоского экрана (параллельно поверхностям) из металлического листа с такой же, как у рассматриваемых поверхностей, степенью черноты уменьшает лучистый теплообмен между поверхностями в 2 раза.

Установка двух экранов снижает лучистый теплообмен в 3 раза, установка n экранов снижает теплообмен в (n + 1) раз.

Метод применяют для снижения лучистого теплообмена между излучающим телом и корпусом установки в высокотемпературных вакуумных аппаратах, где конвективный теплообмен отсутствует.

Совместная теплоотдача лучеиспусканием и конвекцией

Потери теплоты от стенок аппарата в окружающую среду излучением и конвекцией равны:

Тпов, Тo - соответственно температуры наружной поверхности аппарата и окружающей среды, ºС

привед – приведенный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2·К

Для расчета тепловых потерь аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре поверхности аппарата до 150 ºС используют уравнение:

- суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием, Вт/м2 · К

Т – разность температур поверхности аппарата и окружающего воздуха, К

Основное уравнение теплопередачи

Теплопередачей называется процесс теплообмена через поверхность раздела. Например, в трубчатых теплообменниках теплота передается через стенку трубы и два слоя загрязнения: снаружи и внутри.

Количество теплоты, передаваемой в единицу времени, определяется основным

уравнением теплопередачи:

где К – коэффициент теплопередачи, Вт /(м2·К)

F – поверхность теплообмена, м2

Рис. 2.6.1. Характер изменения температуры при теплопередаче через плоскую стенку:

Т1 – температура горячего теплоносителя; Т2 – температура холодного теплоносителя; Тст1 – температура стенки со стороны горячего теплоносителя; Тст2 – температура стенки со стороны холодного теплоносителя; δст – толщина стенки; λст – коэффициент теплопроводности стенки; Q – количество теплоты, передаваемое в единицу времени от горячего теплоносителя к холодному

Коэффициент теплопередачи – это количество теплоты, которое передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку площадью 1 м2 в течение 1 с при разности температур теплоносителей 1 К.

где

з1 и з1 – толщина загрязнения и коэффициент его теплопроводности c внешней стороны трубы;

з2 и з2 – толщина загрязнения и коэффициент его теплопроводности c внутренней стороны трубы;

ст и ст – толщина стенки и коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлена труба;

α1 – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке;

152

α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением стенки, а величина ст / ст – термическим сопротивлением стенки.

Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи К, Вт/м2·К:

От конденсирующегося пара к воде (конденсаторы, подогреватели) – 8003500;

От конденсирующегося пара к органическим жидкостям (подогреватели) –

120 – 340;

От конденсирующегося пара органических веществ к воде ( конденсаторы)

–300 – 800;

От газа к газу при р = 0,1МПа при вынужденном движении – 10-40;

От газа к жидкости ( газовые холодильники) – 10 – 60 и т.д.

Основное внимание при выборе типа и конструкции тепловой изоляции нужно обращать на получение возможно большего термического сопротивления стенки 1/ К. Величину К рассчитывают по уравнениям в зависимости от профиля поверхности стенки.

По уравнению теплопроводности рассчитывают изменения температуры в стенке и температуру наружной поверхности стенки Тст, которая должна быть по возможности меньше.

Коэффициенты теплопроводности теплоизоляторов при 50 – 100ºС должны быть менее 0,25 Вт/м·К.

Движущая сила тепловых процессов

Движущая сила процесса теплопередачи – разность температур между горячим и холодным теплоносителями. В тепловых расчетах используют среднюю разность температур Тср, т.к. температуры теплоносителей изменяются вдоль поверхности разделяющей их стенки.

Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через поверхность при теплообмене, пропорционально средней разности температур. Таким образом, основное уравнение теплопередачи имеет вид:

Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей вдоль разделяющей их стенки. Различают три типа движения холодного и горячего теплоносителей в теплообменниках: прямоток, противоток и смешанный ток.

153

Параллельный ток, или прямоток – теплоносители движутся в одном направлении.

Противоток – теплоносители движутся в противоположных направлениях.

Смешанный ток – один из теплоносителей движется в одном направлении, а другой – попеременно, то прямотоком, то противотоком к первому.

Рис. 2.6.2. Характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при их прямоточном (а) и противоточном (б) движении: Т1н, Т1к – начальная и конечная температуры горячего теплоносителя; Т2н, Т2к – начальная и конечная температуры холодного теплоносителя; Тб, Тм –большая и меньшая разности температур теплоносителей

При прямотоке один из теплоносителей охлаждается от температуры Т1н до Т1к, другой нагревается от Т2н до Т2к. При прямотоке разность температур теплоносителей на входе в теплообменник Тб = Т1н - Т2н, а на выходе из

среднеарифмическая величина:

Тср = (ΔТб - Тм) / ln(ΔТб / Тм)

При перекрестном токе теплоносителей и смешанном токе в многоходовых теплообменниках:

Тср = εТ · Тсрпротивоток

где εТ – поправочный коэффициент к средней разности температур Тсрпротивоток, рассчитанной для случая противоточного движения теплоносителей. Значения поправочного коэффициента берут из графиков.

Помышленные способы подвода и отвода теплоты

Различают прямые источники тепла и промежуточные теплоносители.

Прямыми источниками тепла являются:

154

Топочные (дымовые) газы

Электроэнергия

Вещества (среды), передающие от этих источников теплоту нагреваемой среде,

называются промежуточными теплоносителями – водяной пар, горячая вода, перегретая вода, высококипящие органические жидкости и их пары, минеральные масла, жидкие металлы и т.д.

Требования к выбору теплоносителя:

Обеспечение высокой интенсивности теплопередачи

Высокие значения теплоемкости, теплоты парообразования

Низкая вязкость при высоких значениях плотности

Низкая токсичность, негорючесть, термостойкость, низкое корродирующее действие на материал аппарата

Температурный интервал нагревания, необходимость его регулирования

Необходимый расход теплоносителя определяют из уравнения теплового баланса. Тепловые процессы нагревания и охлаждения жидкостей и газов, конденсации паров в промышленности проводят в аппаратах, которые называют теплообменниками. Теплоносители, отдающие тепло, называют нагревающими агентами, теплоносители, воспринимающие теплоту – охлаждающими агентами.

2.6.2 Нагревающие агенты и способы нагревания

Нагревание водяным паром

Одним из наиболее распространенных теплоносителей является водяной пар. Достоинства насыщенного водяного пара как теплоносителя:

Высокой коэффициент теплоотдачи 5000-15000 Вт/м2. К

Большое количество тепла, выделяющегося при конденсации 1 кг пара – 2260 -1990 кДж при давлении Р = 0,1 -1,2 МПа

Равномерность обогрева, т.к. при конденсации температура пара остается постоянной

Возможность тонкого регулирования температуры нагревания путем изменения давления пара

Возможность транспортировки пара по трубопроводам на большие расстояния

155

Основной недостаток насыщенного пара – это значительное увеличение давления с повышением температуры.

Так при температуре 180 °С его давление составляет около 1МПа. При таком давлении необходимо использовать прочную толстостенную, дорогую аппаратуру. Обычно применяют водяной пар, имеющий температуру до 180 – 190 °С. Перегретый пар получают на специальных установках – пароперегревателях. В качестве теплоносителя его применяют редко, так как по теплосодержанию он почти не отличается от насыщенного пара, но имеет меньший коэффициент теплоотдачи.

Различают «глухой» и «острый» водяной пар.

«Острый» пар вводится через специальные устройства - барботёры в нагреваемую среду и смешивается с ней. Способ применяется в том случае, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом.

При нагревании «глухим» паром нагреваемая жидкость не соприкасается с паром и отделена от него стенкой теплообменного аппарата. Такой нагрев применяется очень часто, так как в этом случае продукт не разбавляется конденсатом и не изменяет своего состава. Схема обогрева «глухим» паром представлена на рис.2.6.3.

При неполной конденсации пара в теплообменнике часть его будет уходить с конденсатом, расход пара повышается. Для отвода парового конденсата без выпуска пара применяют специальные устройства – конденсатоотводчики, работающие непрерывно или периодически (с открытым или закрытым поплавком).

Рис. 2.6.3. Схема обогрева глухим насыщенным паром: 1 – теплообменник; 2 – обводная линия; 3 - конденсатоотводчик

Нагревание горячей водой

Вода является самым доступным теплоносителем. Её можно использовать для нагрева рабочей среды до температуры 100ºС. Горячую воду получают в паровых

156

и электрических нагревателях – бойлерах и водогрейных котлах с применением топочных газов.

Недостатком горячей воды как теплоносителя является во много раз более низкий коэффициент теплоотдачи, чем при использовании конденсирующегося пара. Кроме того нагревание горячей водой сопровождается снижением ее температуры вдоль теплообменной поверхности, что затрудняет регулирование температуры и ухудшает равномерность обогрева. Использование перегретой воды для нагревания до 350 ºС связано с высоким давлением, что неэкономично.

В теплообменных установках при обогреве обычно используют циркуляцию теплоносителя. Различают схемы циркуляционного обогрева жидкими нагревающими агентами с естественной и принудительной циркуляцией.

При естественной циркуляции теплоноситель циркулирует за счет разности его плотностей в нагретом (после нагревательной печи) и охлажденном (после теплообменника) виде. При циркуляции горячей воды со скоростью 0,2 м/с высота расположения теплообменника относительно печи должна составлять не более 4 – 5м.

При принудительной циркуляции жидкость перекачивается по замкнутому циклу с помощью насоса, за счет чего увеличивается скорость циркуляции (до 2,5 м/с) и, соответственно, интенсивность теплообмена.

Рис.2.6.4. Схема циркуляционного обогрева жидким нагревающим агентом: а - обогрев с естественной циркуляцией; б – обогрев с принудительной циркуляцией; 1 – печь; 2 – теплообменник; 3 – насос

Нагревание высокотемпературными органическими теплоносителями

Для нагрева до высоких температур в промышленности используют высококипящие органические жидкости: минеральные масла, глицерин, нафталин, этиленгликоль, дифенил, дифениловый эфир, дитолилметан, арохлоры, многокомпонентные высококипящие органические теплоносители (ВОТ), кремнийорганические жидкости и др.

Пары высококипящих жидкостей применяют для нагрева химических продуктов до температур выше 150-170°С, когда использование водяного пара становится

157

экономически невыгодным из-за необходимости высоких давлений. Наибольшее распространение для этих случаев получила дифенильная смесь.

Дифенильная смесь (Даутерм А) состоит из 26,5% дифенила и 73,5% дифенилоксида.

Достоинства:

возможность получения высоких температур без применения высоких давлений ( tкип = 258°С, r = 220 кДж/кг при р = 0,1 МПа ; tкип = 380°С, r = 220 кДж/кг при р = 0,8 МПа )

использование для обогрева в жидком (до 250 °С) и парообразном (до 380 °С) состояниях. Коэффициент теплоотдачи при конденсации ее паров равен 1200-1700 Вт/м2 К

большая термическая стойкость, низкая температура плавления (12°С)

практически взрывобезопасность и слабая токсичность

не вызывает коррозии металлов

Глицерин – применяют при нагревании до температуры 220 - 250 °С. Он не ядовит и невзрывоопасен, обеспечивает равномерный обогрев аппаратов, дешевле дифенильной смеси.

Минеральные масла - используют при нагревания различных продуктов до температуры 300 °С. Различают ароматизированные и обычные минеральные масла. В качестве нагревающего агента обычно используют масла с высокой температурой вспышки: цилиндровые и компрессорные масла. Распространенными марками являются АТМ-300, Мобильтерм – 600. Масла относятся к недорогим теплоносителям, но имеют относительно низкие значения коэффициента теплоотдачи и легко разлагаются, образуя на стенках отложения, ухудшающие теплообмен.

Силиконовые теплоносители (кремнийорганические соединения, полиорганосилоксаны) используют тогда, когда нужно нагреть химические продукты до температуры 300°С. Эти теплоносители обладают высокой химической и термической стойкостью, низкой температурой плавления, хорошей теплоотдачей, высокой химической инертностью.

Дитолилметан (ДТМ) – используют до 300°С. Имеет tпл = -30°С, tкип = 296 °С.

Моноизопропилдифенил (МИПД) – используют до 400 °С. Имеет tпл = -27 °С, tкип = 290 °С.

Нагревание расплавами неорганических солей и жидкими металлами

Нитрит - нитратная смесь содержит 40% нитрита натрия, 7% нитрата натрия, 53% нитрата калия. Имеет температуру плавления 142 °С. Такую смесь

158

используют при нагревании до 550 °С. Установки, на которых применяют расплавы солей, должны быть герметичны и защищены инертным газом. Смесь применяют при обогреве с принудительной циркуляцией. Нитрит-нитратная смесь

– сильный окисляющий агент, не должна соприкасаться с воздухом.

Жидкие металлы: литий, натрий, калий, ртуть, свинец, некоторые сплавы используют для нагревания до 300 - 800 °С. Эффективным теплоносителем является сплав свинца и висмута Рb + Bi. Он имеет высокий коэффициент теплоотдачи, в обращении безопасен. Ртуть, свинец и его сплавы используют в химических реакторах для отвода реакционной теплоты. Жидкие металлы, в основном, применяют на атомных электростанциях.

Нагревание топочными газами

Топочные газы образуются при сжигании жидкого, газообразного топлива в специальных топках. Непосредственное нагревание топочными газами осуществляется в трубчатых печах, в печах для реакционных котлов или автоклавов. Нагревание топочными газами используют до 1000 -1100°С.

Для снижения температуры до 500-800°С их смешивают с воздухом. После этого они направляются в теплообменный аппарат, охлаждаются, отдавая тепло нагреваемым продуктам. Из теплообменника они дымососом отводятся в атмосферу.

панели раскаляется и испускает большой поток теплового излучения. Образовавшиеся высокотемпературные топочные газы поступают в первую по ходу радиационную часть печи. В ней теплота передается к радиационной нагреваемой поверхности 4 змеевика за счет излучения. В конвективной части

159