Тепломассообмен. Основные законы и механизмы переноса теплоты, импульса и вещества в материальной среде. Теплопроводность: температурное поле; гипотеза Био-Фурье; краевая задача и условия однозначности; частные случаи теплопроводности; стационарный теплообмен, страница 9

            в) смесительные системы – принцип передачи тепла путем контактного смешивания – одинакового химического состава (компрессоры, струйные, вакуум-инжекторы). Эти аппараты позволяют повышать давление, вакуум.

            д) системы, использующие явление тепловых труб, капилляров.

            Тепловая труба – герметичный сосуд, заполненный легко кипящей жидкостью, которая конденсируясь отдает теплоту (смачивание).

            Конструкторский  расчет рекуператоров (проектный расчет рекуперативного теплообменного аппарата).

            Цель расчета: определение потребной поверхности теплообмена, выбор геометрических размеров, конструкции. По этим размерам нужно либо построить, либо выбрать стандартный аппарат.

            Модель расчета:

1 – горячий; 2 – холодный; «’» – вход; «’’» – выход.

Уравнение теплопередачи:

тепловая мощность,

где средний коэффициент теплопередачи (мало изменяется по площади теплообмена, а если он изменяется значительно, то его осредняют по площади теплообмена); средний температурный напор, разность температур между средней температурой горячего и средней температурой холодного теплоносителя (зависит от схемы включения, конструкции); потребная площадь теплообмена.

            Так как течение медленное и высота не играет роли  то основным видом энергии является энтальпия. Как правило, потери от поверхности малы, учитываются в конце расчета, определяем нужно ли покрывать изоляцией.

            Теплообмен протекает в форме теплопередачи:  

 зависит от процессов, которые протекают. Если это нагреватель или охладитель без фазовых переходов, то используют обычно теплоемкости:

            Если в теплообменном аппарате всегда стараться, чтобы были минимальными аэро- и гидродинамическое сопротивления  то процесс будет близок к изобарному.

            Для расчета  необходимо рассчитать теплоемкости.

            Для расчета по последним формулам, необходимо использовать последнее приближение, потому что зависит от  Для определения температуры холодного теплоносителя на выходе  необходимо подбирать расход, т. е. чем больше  тем меньше  При охлаждении водой принимают большие расходы. Для газов сложнее найти температуру.

            Для воздуха: если расход охлаждаемого воздуха повышать то будет расти  но при этом увеличатся потери, мощность вентилятора растет, увеличивается эксэргия, снижаются габариты и стоимость.

            Для расчета необходимо определить средний температурный напор, который определяется  приближенном методом в инженерной практике: а) определение напора для прямотока или противотока (теплообменник «труба в трубе»). Схема включения таких теплоносителей приводит к следующему распределению напора по длине. прямоток (теплоносители движутся параллельно). Температура изменяется по логарифмическому закону.

В данном случаи рассматриваются охладители и нагреватели. Для расчета нужно определить средний температурный напор

            В случаи прямотока можно определить практически постоянство температуры стенки. Очевидно, что  будет располагаться ближе к температуре того теплоносителя, у которого меньше термическое сопротивление  и больше коэффициент теплоотдачи  Это позволяет снизить термическое сопротивление теплообменных поверхностей и является достоинством.

            В случаи противотока  можно получить больший тепловой напор – I-е достоинство.  II-е достоинство: температура холодного теплоносителя на выходе  может быть больше, чем температура горячего теплоносителя на выходе  Это имеет большое значение, поэтому противоток применяется чаще. Его недостатком является переменчивость температуры стенки. Возникают термические напряжения на разрыв, что иногда приводит к растрескиванию поверхности, что вынуждает использовать различные конденсаторы.

            Для расчета среднего температурного напора можно получить зависимость: средний температурный напор при параллельном течении теплоносителей, где температурные напоры на границах теплообмена:

            В инженерной практике необходимо учитывать высокую сложность определения среднего температурного напора для сложных схем включения: в качестве базового используют противоток.

– схема перекрестно-противоточного включения.

            При поперечном обмывании (обтекании) труб можно обеспечить достаточно высокую теплоотдачу, а при противотоке  повышается. Если 3-4 – количество поворотов находят по номограмме.

            Почему применяют сложные схемы, если

            При использовании сложных схем включения пытаются повышать коэффициент теплопередачи  и при этом получить как можно меньший температурный напор.

            Для выбора геометрических размеров теплообменных поверхностей используют уравнение стационарности (уравнение для расхода). При этом учитывают необходимость сопротивлений при течении теплоносителей.

            В тепловом расчете определяют: массовый расход;

            сопротивление, которое зависит от потерь на местные сопротивления, потери от ускорения потока, сопротивление «самотяги».

            Для того, чтобы повысить  необходимо повысить  при этом растет

            Увеличиваются затраты энергии на прокачку теплоносителей:  

где политропный КПД насоса, вентилятора; средний удельный объем.

            Используя эти формулы, выбирают поверхность теплообмена для создания компактных теплообменников компактность, которые имеют минимальные размеры и минимальную стоимость. Необходимо при малых сопротивлениях обеспечить высокий уровень теплопередачи. Очень мощным путем для создания компактных аппаратов является использование оребренных поверхностей теплообмена.