41179

Гидромеханический расчет теплообменных аппаратов

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

При течении жидкости через теплообменный аппарат возникает гидравлическое сопротивление и давление на входе в аппарат всегда больше чем давление на выходе. Подбор нагнетателя осуществляется по расходу жидкости и гидравлическому сопротивлению теплообменника . Мощность на валу нагнетателя определяется по формуле 1554 где V объемный расход жидкости [м3 с]; ΔР – гидродинамическое сопротивление; η – к. а Гидравлическое сопротивление трения имеет место только когда реализуется безотрывное течение жидкости в канале.

Русский

2013-10-23

361 KB

23 чел.

PAGE  8

Лекция 7

15.6 Гидромеханический расчет теплообменных аппаратов

В теплообменных аппаратах интенсивность теплообмена и потери давления тесно связаны как физически, так и экономически. Чем больше скорость теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее при заданной теплопроизводительности теплообменник и, следовательно, меньше капитальные затраты. Но при этом растет сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные затраты (затраты на прокачку теплоносителей). Поэтому при проектировании теплообменников необходимо решать совместную задачу о выборе выгодного соотношения между тепловыми и гидродинамическими характеристиками теплообменника.

Перейдем далее к собственно гидромеханическому расчету теплообменных аппаратов.

При течении жидкости через теплообменный аппарат возникает гидравлическое сопротивление и давление на входе в аппарат , всегда больше, чем давление  на выходе.

- представляет собой гидравлическое сопротивление аппарата.

Гидравлическое сопротивление теплообменного аппарата необходимо учитывать при выборе типа соответствующего нагнетателя (насоса, компрессора и т.д.) для прокачки теплоносителя.

Подбор нагнетателя осуществляется по расходу жидкости и гидравлическому сопротивлению теплообменника .

Мощность на валу нагнетателя определяется по формуле

,     (15-54)

где V - объемный расход жидкости [м3/с];

ΔР – гидродинамическое сопротивление;

η – к.п.д. нагнетателя.

В случае, когда при прохождении через теплообменный аппарат теплоноситель не изменяет свое агрегатное состояние, гидравлическое сопротивление аппарата рассчитывается по зависимости

,    (15-55)

где ΔРтр – гидравлическое сопротивление трения;

ΔРм - потери давления на местное сопротивление;

ΔРн - потери давления вследствие неизотермичности потока;

ΔРс – потери давления на преодоление самотяги.

В формуле (15-55) знак ∑ означает, что общее сопротивление равно сумме соответствующих его составляющих для отдельных участков по направлению движения теплоносителей.

Рассмотрим более подробно отдельные составляющие общего гидравлического сопротивления ΔР.

а) Гидравлическое сопротивление трения имеет место только  когда реализуется безотрывное течение жидкости в канале. Это сопротивление обусловлено вязкостью жидкости. Гидравлическое сопротивление трения определяется по следующей формуле

,      (15-56)

ξ – коэффициент гидравлического сопротивления трения; безразмерная величина, характеризующая соотношение сил трения и инерционных сил потока;

L – длина канала;

d – гидравлический диаметр канала, который в общем случае для труб некруглого поперечного сечения определяется как  (здесь F - площадь поперечного сечения; U - смоченный периметр);

ρ, W – плотность и скорость течения жидкости в трубе.

Величина ξ в общем случае зависит от режима течения (т.е. от Re) и шероховатости стенок канала. Для гладких труб имеются формулы по определению величины ξ.

б) Потери давления на местных сопротивлениях обусловлены деформацией потока жидкости при преодолении различных местных препятствий (таких как внезапное расширение и сужение канала, поворот и т.д.)

,     (15-57)

где λ – коэффициент местного сопротивления; его величина зависит от характера местного сопротивления и определяется на основе эмпирических сведений.

с) Потери давления вследствие неизотермичности ΔРН обусловлены изменением плотности потока жидкости при изменении его температуры.

Сопротивление ΔРН существенно только для газовых теплоносителей, плотность которых в большой степени зависит от температуры.

Сущность этого понятия рассмотрим на примере течения неизотермического потока газа в канале постоянного поперечного сечения f.

В соответствии с уравнением сплошности скорость потока

,       (а)

где m – постоянный массовый расход.

Рассмотрим случай, когда при течении газа его температура возрастает (т.е. имеет место нагрев газа).

Т.к. по направлению течения газа его температура растет, то его плотность наоборот уменьшается. Поэтому, как следует из уравнения сплошности (а), скорость газа возрастает ().

Таким образом, вследствие  неизотермичности  происходит увеличение кинетической энергии потока. Что возможно только за счет его потенциальной энергии, т.е. за счет уменьшения давления () при нагреве газа.

В случае охлаждения газа по направлению его течения, плотность газа увеличивается, а скорость  уменьшается.

Уменьшение кинетической энергии потока приводит к увеличению его потенциальной энергии, т.е. к увеличению давления при охлаждении газа, и соответственно .

Потери давления , обусловленные неизотермичностью потока, в рассматриваемом случае представимы в виде:

      (15-58)

Индексы 1,2 относятся величины соответственно ко входному и выходному сечениям канала.

д) Потери давления на преодоление самотяги имеют место только в случае, когда рабочее пространство теплообменного аппарата сообщается с окружающей средой. Например, хвостовые поверхности котельного аппарата. Рассмотрим столб газа. Давление столба газа на свое основание равно: .

Такой же столб воздуха создает давление . Сопротивление самотяги вычисляется по формуле:

.      (15-59)

Знак «+» берется при движении теплоносителя сверху – вниз (потоку надо преодолеть самотягу).

Знак «–» - при движении газа снизу вверх, когда самотяга способствует движению потока.

Вопросы к разделу 15.6

  1.  Какие соображения (в части интенсивности теплообмена и гидравлического сопротивления потоку) следует принимать во внимание при выборе характеристик теплообменного аппарата.
  2.  По какой формуле определяется мощность на валу нагнетателя?
  3.  Привести зависимость для расчета гидравлического сопротивления теплообменного аппарата.
  4.  При каких условиях реализуется гидравлическое сопротивление трения?
  5.  Привести зависимость для расчета гидравлического сопротивления трения.
  6.  Чем обусловлены потери давления на местных сопротивлениях?
  7.  Привести зависимость для расчета потери давления на местных сопротивлениях.

13.6. Общие представления о процессе кипения

Кипением называется процесс образования пара внутри объема жидкости, перегретой относительно температуры насыщения.

Так как в процессе фазового перехода «жидкость-пар» поглощается теплота парообразования, то для стабильного протекания процесса кипения необходимо обеспечить теплоподвод к объему кипящей жидкости.

Следует отметить принципиальное отличие  между процессом  кипения и процессом испарения.

Как известно  из физики, процесс испарения – это парообразование с поверхности раздела жидкой и газообразной (паровой) фаз, который происходит  при  любой температуре жидкости.  Данный процесс обусловлен вылетом за пределы объема жидкости наиболее быстрых молекул жидкости,  обладающих наибольшей кинетической энергией.

Что же касается  кипения, то данный процесс может иметь место, если  весь объем  жидкости, либо какая, то его часть  перегреты относительно температуры насыщения.  

Различают кипение  на поверхности тела и в объеме жидкости, перегретой относительно температуры насыщения.

В первом случае  паровая фаза возникает   на поверхности теплообмена в виде отдельных пузырьков пара.

При объемном кипении возникновение пузырьков  пара возможно в любой точке объема жидкости.

Объемное  кипение  жидкости  возможно лишь при значительном перегреве  жидкости относительно температуры насыщения.

Такие перегревы могут иметь место, например:

- при наличии в объеме жидкости внутренних источников теплоты;

- при резком снижении  давления, под которым находится жидкость.

В этом случае температура жидкости становится значительно выше температуры насыщения, соответствующей новому давлению.

В технике чаще приходится сталкиваться  с процессами кипения, происходящими на поверхности твердого тела. В виду этого  мы будем рассматривать  подробно  именно эти процессы.

С точки зрения инженерных приложений  рассматривают отдельно такие два процесса кипения на поверхности твердого тела:

1. Процесс кипения в большом объеме  в условиях естественной циркуляции жидкости.   

        2. Процесс кипения жидкости при вынужденном течении жидкости в трубах и каналах.

В зависимости от плотности теплового потока на поверхности нагрева  различают пузырьковое  и пленочное кипение.

При пузырьковом  кипении образование паровой фазы  происходит в виде пузырьков пара, возникающих в отдельных точках поверхности нагрева, так называемых центрах парообразования.

Экспериментальные исследования,  включающие и фотографирование процесса, показывают, что в качестве центров парообразования  могут  выступать неровности, шероховатости, микротрещины на  теплообменной поверхности, заполненные паром данной жидкости  или газом.

Отмечается, что образование пузырьков пара может происходить также за счет случайного  скопления быстрых молекул в перегретой жидкости.

Для возникновения процесса пузырькового кипения необходимо выполнение двух условий:

1. Существование необходимого перегрева  жидкости относительно температуры насыщении, что возможно если >;

2. Наличие центров парообразования на поверхности нагрева.

Экспериментально удавалось подогревать каплю воды без кипения  при атмосферном давлении до температур выше температуры насыщения (=1000С). Указанные опыты проводились  с каплей очищенной дегазированной воды (т.е. при отсутствии центров парообразования), которую  подогревали  во взвешенном состоянии в нагреваемом вазелиновом масле.  

 Рассмотрим  суть механизма  пузырькового кипения.

При пузырьковом кипении наблюдается интенсивная турбулизация пограничного слоя жидкости пузырьками пара.

Кроме того, при всплытии пузырьки пара выталкивают из перегретого пристенного слоя жидкости перегретые порции жидкости, что способствует интенсификации  молярного переноса  тепла.

Следствием такого механизма процесса пузырькового кипения  является очень высокая интенсивность  теплоотдачи.

Например, при кипении воды при атмосферном давлении, если      Р =1 бар,   , то .

Ввиду  высокой интенсивности теплоотдачи в процессе пузырькового кипения, данный процесс используется как один  из лучших способов охлаждения высоконагруженных теплообменных поверхностей.  

При этом значение плотностей  тепловых потоков  могут достигать 9 .

При пленочном кипении жидкости  теплообменная   поверхность  отделена  от жидкости паровой пленкой.

Основные режимы  кипения:

а) пузырьковое;   б) пленочное.

Возникновение  режима пленочного  кипения  обусловлено  такими причинами:

1. Плохая смачиваемость жидкостью  теплообменной   поверхности.

Как уже отмечалось,  если угол смачивания <  900 , то жидкость  хорошо смачивает  поверхность, если  > 900 – то плохо смачивает поверхность.

В зависимости  от смачивающей способности жидкости изменяется форма  парового пузыря, возникающего  на поверхности теплообмена.

Если жидкость   хорошо смачивает поверхность теплообмена, то образуются   пузырьки  с  тонким основанием, которые легко отрываются от поверхности теплообмена.

Если же жидкость  плохо смачивает  поверхность теплообмена, то    пузырьки пара  как бы распластываются на  поверхности, так что увеличение () на стенке может привести  к слиянию пузырьков в паровую пленку.

Таким образом, несмачивающая жидкость  как бы предрасположена  к возникновению процесса пленочного кипения.

2. Другой причиной возникновения  пленочного кипения являются высокие  на поверхности теплообмена. Это приводит к тому,  что даже в случае  хорошо смачивающей жидкости число действующих центров парообразования становится настолько большим, что это приводит к слиянию   пузырьков пара в паровую  пленку.

Механизм пленочного  теплообмена  характеризуется тем,  что поверхность теплообмена изолируется от жидкости паровой пленкой.

За счет всплесков жидкость проскальзывает  через паровую пленку, достигая поверхности теплообмена, на которой происходит  очень быстрое превращение жидкости в пар и паровая пленка  восстанавливается. При достижении больших  паровая пленка становится стабильной, так что жидкость не достигает  поверхности теплообмена.

  При этом на  внешней поверхности паровой пленки  периодически  образовываются пузырьки  сложной  формы, которые отрываются от поверхности  раздела фаз и уходят в объем жидкости.

Теплопроводность пара в 20-40 раз меньше, чем у жидкости. А подвод теплоты  от греющей  поверхности к жидкости через паровую пленку осуществляется путем  теплопроводности.

Вследствие этого интенсивность теплоотдачи при  пленочном  кипении в десятки   раз  меньше  чем при пузырьковом кипении.

В зависимости от характера перегрева жидкости  относительно температуры  насыщения различают:

        а) кипение насыщенной жидкости;

б) кипение недогретой жидкости.

В первом случае весь объем  жидкости перегрет относительно температуры насыщения.

Во втором случае перегрев  жидкости  относительно температуры насыщения наблюдается только непосредственно у поверхности стенки. Основной же объем жидкости недогрет до температуры насыщения.

Кипение насыщенной жидкости       Кипение недогретой  жидкости


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

60667. Знакомый и незнакомый Я. Воспитательный час 43.5 KB
  Мотивация Мы продолжаем цикл На пути к успеху Тема сегодняшнего часа раздумий Знакомый и незнакомый Я Работа в группах: Интересна ли эта тема для вас Чего вы ожидаете от нашего общения Какую цель перед собой вы ставите...
60668. Приёмы пришивания пуговиц. Шитьё игольницы 93 KB
  Задачи: учить работать с иглой и пуговицами; учить пришивать пуговицы; обучить выполнению шва назад иголку; развивать образное мышление речь творческий подход к делу; воспитывать интерес к созданию работы...