WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


«1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ...»

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

________________________________________________________

А.С. ГОРШЕНИН

МЕТОДЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Самара Самарский государственный технический университет УДК 536.24:621.1.016.4 К 36 Рецензент: доктор. техн. наук, проф. В.А. Кудинов Горшенин А.С.

К 36 Методы интенсификации теплообмена:/учеб. пособ./ Горшенин А.С.- Самара. Самар.гос.техн.ун-т, 2009.- 82 с.:ил.

ISBN 5-89552-073-1 Рассмотрены вопросы по расчету интенсификации конвективного и лучистого теплообмена.

Предназначено для студентов по специальностям 140104 ”Промышленная теплоэнергетика” и 140105 “Энергетика тепловых технологий”, 140106 «Энергообеспечение промышленных предприятий»

УДК 536.24:621.1.016.4 К 36 А.С. Горшенин 2009 ISBN 5-89552-073-1 Самарский государственный технический университет, 2009 Оглавление Введение.

1. Роль теплообмена и теплообменных аппаратов в промышленной теплоэнергетике.

2. Основные виды теплоносителей.

3. Способы интенсификации теплообмена.

4. Интенсификация конвективного теплообмена

4.1. Интенсификация конвективного теплообмена при изменении термического сопротивления

4.2. Интенсификация конвективного теплообмена при изменении скорости потока

4.3. Интенсификация конвективного теплообмена за счет оребрения и ошиповки поверхности теплообмена 4.3.1. Интенсификация конвективного теплообмена за счет оребрения поверхности теплообмена 4.3.1.1. Продольные ребра 4.3.1.2. Радиальные ребра 4.3.2. Интенсификация конвективного теплообмена за счет ошиповки поверхности теплообмена 4.3.3. Оптимальные формы продольных ребер 4.3.4. Расчет оребренных поверхностей Интенсификация теплообмена при использовании 4.4.

пластинчатых и спиральных теплообменников 4.4.1. Пластинчатые теплообменники 4.4.1.1. Разборные пластинчатые теплообменники 4.4.1.2. Неразборные (паяные) пластинчатые теплообменники 4.4.1.3. Полуразборные (со сварными кассетами) пластинчатые теплообменники 4.4.2. Спиральные теплообменники

4.5. Интенсификация конвективного теплообмена за счет искусственной турбулизации потока

5. Интенсификация лучистого теплообмена

6. Интенсификация процессов сжигания топлива Приложения Библиографический список Оглавление ВВЕДЕНИЕ Вопросы повышения эффективности работы установок промышленной теплотехники, увеличения съема продукции с единицы производственной площади и уменьшения удельных расходов тепла имеют важное значение, так как распространение таких установок повсеместное, а количество потребляемого ими топлива достаточно велико. Топливо является основным энергетическим ресурсом, и любой его перерасход в течение сколько-нибудь длительного времени ведет к повышению себестоимости продукции. Во многих случаях тепловые установки работают с низкой степенью использования тепла топлива вследствие ошибок сделанных при проектировании или небрежного монтажа, невнимательной эксплуатации, плохого использования контрольно – измерительных приборов, недостаточной квалификации обслуживающего персонала, неудовлетворительного инструктажа и отсутствия других организационно – технических мероприятий, предусматривающих постоянную борьбу за экономию топлива и повышение эффективности установок.

Одним из методов повышения эффективности теплообменных процессов является использование современных теплообменных аппаратов.

Целью настоящего пособия является изучение методик расчета оребренных поверхностей, видов оребрения, а также знакомство с конструкциями пластинчатых и спиральных теплообменных аппаратов.

Материалы пособия необходимы при изучении курса «Методы интенсификации теплообмена».

1. РОЛЬ ТЕПЛООБМЕНА И ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ

Тепловые процессы распространены в различных производствах: металлов, термическая их обработка, машиностроение, нефтепереработка, химическая, пищевая промышленность, производство строительных материалов. В любом хозяйстве завода обязательно есть множество теплообменных аппаратов. Например, на машиностроительных заводах тепловая энергия применяется для обеспечения целого ряда технологических процессов: нагрев воды в ваннах, сушка форм в сушилах. Кроме того, теплообменные аппараты часто являются вспомогательными устройствами в котельных, компрессорных станциях. На машиностроительных заводах есть бойлерные установки, в которых приготавливается горячая вода для производственных и бытовых нужд. На выходе из термических или нагревательных печей устанавливаются рекуперативные теплообменники для нагрева дутьевого воздуха отходящими дымовыми газами. На предприятиях химической промышленности также много теплового оборудования: реакторы, выпарные и ректификационные установки, испарители. На предприятиях пищевой промышленности много варочных аппаратов, холодильных установок, вакуумных и сушильных установок. В производстве стройматериалов используются сушильные установки, барабанные сушилки для сушки песка, гравия, холодильные установки.

Теплообменный аппарат – устройство для передачи тепла от одной среды к другой или от одной к нескольким, или от нескольких к одной.

Среды, обменивающиеся теплом, называются теплоносителями.

В ТМО аппаратах перенос тепла может осуществляться конвекцией, теплопроводностью и излучением.

Все ТМО процессы и установки разделяют на высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.

К высокотемпературным относятся огнетехнические процессы и установки (промышленные печи) (400-2000 С).

Среднетемпературные процессы и установки – это выпарные, ректификационные, сушильные установки (150-700 С).

Низкотемпературные – отопительные, вентиляционные, теплонасосные, холодильные установки (-150 / +150 С).

В зависимости от назначения т/о аппараты называют подогревателями, испарителями, паропреобразователями, конденсаторами, холодильниками.

По принципу действия т/о аппараты делятся на поверхностные и смесительные (контактные) В поверхностных аппаратах теплота передается через стенку.

Стенки могут омываться полностью или частично. Та часть поверхности стенок, которая омывается теплоносителем и через которую передается тепло называется поверхностью теплообмена или нагрева. В газожидкостных контактных аппаратах поверхностью теплообмена является поверхность соприкосновения теплоносителей, например капелек жидкости.

Поверхностные т/о аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативном передачи теплоты от одного теплоносителя к другому идет через разделяющую их стенку.

В регенеративных аппаратах греющий и нагреваемый теплоноситель поочередно омывает одну и ту же сторону поверхности нагрева. В период соприкосновения с одним из теплоносителей стенка получает тепло и аккумулирует его. В следующий период соприкосновения той же поверхности с другим теплоносителем этот теплоноситель воспринимает саккумулированное ранее тепло.

2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Классифицируются по назначению, агрегатному состоянию, диапазону рабочих температур и давлений.

По назначению бывают греющий теплоноситель, охлаждающий, промежуточный, сушильный агент.

По агрегатному состоянию различают однофазные, двух- и более фазные теплоносители. Однофазные – газы, неконденсирующиеся пары, некипящие и неиспаряющиеся жидкости, растворы, твердые сыпучие материалы. Двух и многофазные – кипящие и испаряющиеся жидкости, конденсирующиеся пары, плавящиеся и затвердевающие вещества.

По диапазону рабочих температур теплоносители бывают высокотемпературных, среднетемпературные, низкотемпературные.

К высокотемпературным относятся дымовые газы, а также вещества, температура кипения которых при атмосферном давлении выше 200 С. Это минеральные масла, расплавы солей, жидкие металлы.

Среднетемпературные теплоносители – водяной пар, вода, воздух.

Низкотемпературные – те, температура кипения которых при атмосферном давлении не превышает 0 0С.

Теплоносители должны иметь достаточно высокую температуру при атмосферном давлении, должны быть термически стойкими, иметь слабую коррозионную активность и токсичность, должны быть невоспламеняющимися и взрывобезопасными.

Наиболее распространенными греющими теплоносителями являются дымовые газы, водяной пар, горячая вода.

Дымовые газы допускают возможность подогрева до высоких температур при атмосферном давлении, но аппараты громоздки, т.

к. коэффициент теплоотдачи со стороны дымовых газов невелик 25-35 Вт/м0 С. Кроме того, транспорт дымовых газов даже на небольшие расстояния не выгоден, т. к. необходимы каналы больших сечений, велик расход электроэнергии на перемещение, велики тепловые потери.

Водяной пар получил широкое распространение в теплообменных аппаратах технологического назначения. Пар применяется либо из котельных агрегатов, либо из промежуточного отбора турбин. Основной недостаток пара – быстрый рост давления в зависимости от температуры насыщения. Поэтому обычно применяемые давления в аппаратах составляют от 0,2 до 1,2 МПа.

При больших давлениях теплообменники громоздки и дороги.

Достоинство пара: 1) при конденсации пара сильно изменяется его энтальпия, выделяется большое количество тепла и поэтому для передачи больших количеств тепла требуется относительно небольшое количество пара, 2) коэффициент теплоотдачи пара очень высок (несколько) тысяч, поэтому теплообменник компактен,

3) конденсация идет при постоянной температуре, поэтому процесс легко регулируется, 4) для подачи пара потребителю не требуется установки насоса.

Горячая вода также широко распространена, особенно в отопительных установках. Она нагревается в водогрейных котлах или получается от теплофикационных установок на ТЭЦ.

Недостаток – для подачи воды на расстояние требуется установка насосов. Достоинство – высокий коэффициент теплоотдачи, малое падение температуры при транспорте (не более 1 0С на 1 км), легкость регулирования процессом.

3. СПОСОБЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Задачи интенсификации процесса теплообмена и создания высокоэффективных теплообменных аппаратов стала весьма актуальной в современной энергетике. В ряде случаев теплообменные аппараты некоторых установок имеют настолько большие размеры, что превышают размеры основного оборудования. В других случаях малая интенсивность теплообмена ограничивает возможности решения поставленных задач. Проблема интенсификации теплообмена особенно актуальна в тех случаях, когда у одного или у обоих теплоносителе коэффициенты теплоотдачи малы.

Трудность достижения эффективного теплообменного аппаратов для энергетических установок заключается не только в достижении высоких теплоаэродинамических показателей.

Помимо сохранения этих показателей теплообменные аппараты должны быть надежными в эксплуатации, просты по конструкции, технологичны в изготовлении и иметь небольшую стоимость. Возможность изготовления теплообменной аппаратуры из дешевых материалов с применением современных высокопроизводительных процессов является весьма важной.

Задачи интенсификации теплообмена обычно сводятся:

- к уменьшению габаритов и массы теплообменных устройств,

- к снижению температурного напора, т. е. к снижению температуры стенок при заданной температуре теплоносителя или к увеличению температуры теплоносителя при заданной температуре стенок.

Имеется в виду уменьшение габаритов теплообменного устройства или снижение температурного напора по сравнению с их значениями, которые достигаются в данных условиях обычными путями (изменением скорости потока и размерами каналов).

Основными способами интенсификации конвективного теплообмена в теплообменных аппаратах являются:

1. Изменение термического сопротивления.

2. Изменение скорости потока.

3. Использование развитых поверхностей теплообмена путем оребрения и ошиповки. Оребрение поверхности применяется со стороны теплоносителя, обладающего меньшим коэффициентом теплоотдачи. Оребрение поверхности теплообмена целесообразно не только по высоким значениям коэффициента теплопередачи, но и по весовым показателям, так как поверхность оребрения, в 5-10 раз превосходящая несущую поверхность трубок, не подвержена давлению, а поэтому оребрение изготавливается из более тонкого материала, чем трубки, тем самым обеспечивается значительный весовой эффект.

4. Воздействием на поток с целью его искусственной турбулизации. При значениях критерия Рейнольдса, соответствующих ламинарному и переходному режимам за счет искусственной турбулизации достигаются значения коэффициента теплоотдачи, характерные для развитого турбулентного потока.

Однако эффективность искусственной турбулизации потока с увеличением значения критерия Рейнольдса снижается, при этом темп роста сопротивления превалирует над темпом роста теплоотдачи.

5. Уменьшение геометрических размеров поверхности теплообмена.

6. Применение пластинчатых и спиральных теплообменников. Пластинчатая поверхность теплообмена дает возможность получить высокие значения удельной поверхности, создать компактные теплообменные аппараты. Если при этом предпринять дополнительные меры по интенсификации теплообмена либо за счет воздействия на поток, либо за счет оребрения, можно получить высокоэффективную поверхность теплообмена.

Основными способами интенсификации лучистого теплообмена являются:

1. Увеличение температуры дымовых газов.

2. Увеличение степени черноты дымовых газов

4. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНОГО

ТЕПЛООБМЕНА

4.1. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНОГО

ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕРМИЧЕСКОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ

Интенсивность процесса теплообмена в аппарате определяется отношением тепловой производительности аппарата к основным величинам, характеризующим движущую силу процесса и размер аппарата. Для теплообменника соответственно интенсивность определяется отношением количества передаваемой теплоты в единицу времени к температурному напору и площади поверхности теплообмена. В общем случае процесс теплообмена в аппарате протекает по схеме, показанной на рис. 4.1 Рис. 4.1. Распределение температуры через теплопередающую стенку при конвективном теплообмене Две жидкие рабочие среды – горячая со средней температурой и холодная с температурой t 2 – разделены твердой t1 непроницаемой стенкой. Количество теплоты, Дж, передаваемое в единицу времени от горячей среды к холодной, пропорционально разности температур и площади поверхности теплопередающей стенки Q K F (t1 t 2 ) (4.1) Коэффициент пропорциональности K определяет количество теплоты, которое передается через квадратный метр поверхности теплообмена от горячей среды к холодной при разности температурного напора, равному одному градусу. Эта величина характеризует общую интенсивность процесса теплопередачи через стенку и называется коэффициентом теплопередачи. Теплопередача является сложным физическим процессом, зависящим от многих факторов, определяющих коэффициент теплопередачи.

Для плоской стенки K, Вт/ м2*К, равно К (4.2) 1 ст 2 1 1 ст 2 2 где 1, 2 – коэффициенты теплоотдачи от греющей (охлаждающей) среды к стенке, и от стенки к нагреваемой (охлаждаемой) среде, Вт/м2*К, 1, 2, ст – толщины слоев посторонних отложений на стенке со стороны греющей (охлаждающей) и нагревающей (охлаждаемой) сред и стенки, м, 1, 2, ст – теплопроводность отложений на стенках со стороны греющей (охлаждающей) и нагреваемой (охлаждаемой) сред и стенки, Вт/м*К.

Анализ уравнения (4.2) показывает, что коэффициент теплопередачи или степень интенсивности теплообмена зависит в значительной мере от наибольшего из термических сопротивлений.

Следовательно, для интенсификации процесса теплопередачи необходимо прежде всего уменьшать термическое сопротивление с той стороны, с которой оно является наибольшим. Обычно наибольшим термическим сопротивлением бывает 1 или 1.

Коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи и снижается с увеличением толщины стенки, с уменьшением ее теплопроводности, а также с ростом толщины слоев отложений на ней и снижением теплопроводности.

Если не проводить своевременной очистки поверхности теплообмена от загрязнений, то тепловая производительность аппарата быстро уменьшится и технологический режим будет нарушен. Восстановить режим можно увеличением расхода рабочей среды и температурного напора, однако это экономически невыгодно, а во многих случаях просто не может быть реализовано на практике. Наименьшие затраты труда и средств на очистку поверхностей теплообмена от загрязнений и наилучшие условия поддержания стабильной интенсивности процесса обеспечены в разборных конструкциях теплообменных аппаратов.

4.2. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНОГО

ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ СКОРОСТИ ПОТОКА

–  –  –

Коэффициент теплоотдачи является сложной величиной, зависящей от физических свойств рабочей среды, скорости ее движения, геометрических размеров канала и формы теплопередающей стенки. Обычно физические свойства рабочих сред и температурный режим бывают известными из исходных данных для расчета теплоотдачи. Они, как правило, не могут произвольно выбираться для интенсификации теплоотдачи. Таким образом, влиять на интенсивность теплоотдачи можно изменением геометрических размеров каналов, скорости движения рабочей среды и формы поверхности теплообмена.

Интенсификация процессов теплопередачи приводит к уменьшению необходимой площади поверхности теплообмена, габаритных размеров аппаратов, их металлоемкости и стоимости.

Соответственно можно сократить затраты на капитальное строительство, на эксплуатацию и ремонт аппаратов, т.е. снизить приведенные затраты на процесс теплообмена. Интенсификация теплоотдачи неразрывно связана с энергозатратами на преодоление гидравлических сопротивлений движущимися рабочими средами.

Главным показателем интенсификации процесса теплообмена в аппарате является эффективность этого процесса, т.е. процесс должен быть экономически выгодным.

Известным и простым способом интенсификации теплообмена является увеличение скорости движения рабочих сред в каналах аппарата. Однако при этом способе быстро растут гидравлические сопротивления, а следовательно, и затраты энергии на привод насосов, в силу чего дальнейшая интенсификация теплообмена путем увеличения скорости рабочих сред становится экономически невыгодной. Убедиться в этом легко, проанализировав уравнения теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при турбулентном движении жидкости в трубном т/о аппарате

–  –  –

Задавая ряд значений скорости потока рабочей среды в каналах при прочих постоянных исходных данных из этих формул находим 1 А1 W 0,8 (4.6) P A2 W 1, 75 (4.7) где А1 и А2 – коэффициенты пропорциональности.

Увеличение скорости потока в 2 раза дает рост теплоотдачи в 1,75 раза, а рост гидравлического сопротивления – в 3,4 раза.

Из изложенного выше следует, что нельзя рассматривать интенсификацию теплообмена изолированно от требуемых затрат энергии. Определяющим критерием оптимизации является эффективность процесса теплообмена при заданном уровне энергозатрат не перекачивание рабочих сред через аппарат. Особую значимость приобретает задача интенсификации теплообмена при использовании газообразных рабочих сред, для которых характерны пониженная интенсивность теплообменных процессов и высокие энергозатраты на преодоление гидравлических сопротивлений при прокачивании газов. Уменьшение толщины теплопередающей стенки и повышение ее теплопроводности, а также предотвращение отложений загрязнений на стенке являются очевидными способами интенсификации теплообмена.

4.3. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНОГО

ТЕПЛООБМЕНА ЗА СЧЕТ ОРЕБРЕНИЯ И ОШИПОВКИ

ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

Оребрение поверхности теплообмена производится с целью интенсификации теплопередачи. Если оребрение задано и значение коэффициента теплоотдачи для оребренной поверхности известно, то расчет теплопередачи через ребристую стенку затруднений не представляет.

Другим делом является, когда необходимо рассчитать само оребрение, т.е. определить наиболее рациональную форму и размеры ребра. При этом в задачу расчета входит распределение температуры по ребру, количество отдаваемой ребром теплоты, гидравлическое сопротивление, масса и стоимость оребренной поверхности нагрева. Кроме того, в зависимости от назначения оребренных поверхностей к ним обычно предъявляется ряд дополнительных требований. В одних случаях требуется, чтобы габариты т/о аппарата были минимальны, в других, чтобы минимальной была масса и т.д.

Для увеличения поверхности теплообмена применяются следующие виды ребер и шипов (рис.

4.2):

Рис. 4.2. Примеры оребренных поверхностей.

а) продольное ребро прямоугольного профиля, б) продольное ребро треугольного профиля, в) продольное ребро параболического профиля, г) круглая труба с радиальным ребром прямоугольного профиля, д) круглая труба с радиальным ребром параболического профиля, е) цилиндрический шип, ж) параболический шип Для расчета таких поверхностей теплообмена служат следующие характеристики:

- тепловой поток, передаваемый через основание ребра.

- эффективность ребра. Под эффективностью ребра понимается отношение теплового потока, действительно отведенного ребром, к потоку, который отвело бы такое же идеально проводящее ребро с однородной температурой, равной температуре в основании. Эффективность ребра изменяется с изменением теплопроводности, размеров поперечного сечения и высоты ребра.

- распределение температурного напора по высоте ребра.

–  –  –

4.3.1. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНОГО

ТЕПЛООБМЕНА ЗА СЧЕТ ОРЕБРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ

ТЕПЛООБМЕНА

4.3.1.1. ПРОДОЛЬНЫЕ РЕБРА Обобщенное дифференциальное уравнение теплопроводности Рассмотрим обобщенное продольное ребро и составим для него обобщенное дифференциальное уравнение теплопроводности, получаемое из теплового баланса для элемента ребра.

Рассмотрим продольное ребро произвольного профиля, показанное на рис.4.3, и предположим, что оно отдает тепло в окружающую среду.

–  –  –

Пусть х - продольная координата, отсчитываемая от вершины ребра. Площадь поперечного сечения ребра Ax f1 x. Профиль ребра ограничен двумя симметричными кривыми y f 2 x и y f 2 x.

Тогда площадь поперечного сечения на единицу длины ребра есть Ax f1 x 2 L f 2 x 2 f 2 x. Обозначим через t - разность между температурой произвольной точки на поверхности ребра и температурой окружающей среды. Очевидно, t также является функцией расстояния от основания ребра.

Дифференциальное уравнение теплопроводности, описывающее распределение температуры вдоль ребра, получают из рассмотрения стационарного теплового баланса для бесконечно малого элемента ребра высотой dx, заключенного между плоскостями x и x dx, параллельными основанию, и кривыми f 2 x, ограничивающими профиль ребра.

Для обобщенного ребра с температурой t и коэффициентом теплопроводности разность тепловых потоков, поступающего в

–  –  –

уравнение (4.11) и (4.12) можно приравнять. В результате получаем следующее дифференциальное уравнение теплопроводности для обобщенного ребра dt d f1 x dx dx 2 t dx

–  –  –

Для ребра прямоугольного профиля, показанного на рис. 4.4 показатель степени n обобщенной функции профиля ребра (4.15) равен.

Контур (функция) профиля такого ребра имеет вид:

df x f x 0 ; 2 0 2 dx

–  –  –

нулевого и первого порядков.

Функция Бесселя представляет собой решение линейного дифференциального уравнения теплопередачи. Численные значения функций Бесселя приводятся в таблицах.

Зависимость эффективности ребра Е от произведения mb приведена на графике (приложение 1).

Продольное ребро вогнутого параболического профиля Рис. 4.6. Продольное ребро вогнутого параболического профиля Для ребра вогнутого параболического профиля (рис. 4.6) показатель степени обобщенной функции профиля (4.15) удовлетворяет указанной геометрии, когда n. Контур профиля записывается в виде x

–  –  –

Зависимость эффективности ребра Е от произведения mb приведена на графике (приложение 1).

4.3.1.2. РАДИАЛЬНЫЕ РЕБРА

–  –  –

Рассмотрим обобщенное радиальное ребро и составим для него обобщенное дифференциальное уравнение теплопроводности, получаемое из теплового баланса для элемента ребра.

Рассмотрим радиальное ребро произвольного профиля, показанное на рисунке 4.8.

–  –  –

где К0(х) и К1(х) – модифицированные функции Бесселя второго рода нулевого и первого порядков. Определяются по таблицам.

Для сравнения эффективности радиального прямоугольного ребра с эффективностями радиальных ребер других профилей можно использовать следующую формулу

–  –  –

Эффективности радиальных ребер гиперболического и прямоугольного профилей при 0,8 и 0,4 приведены на графике (приложение 2).

Как видно из графика, эффективность ребер гиперболического профиля выше (при одинаковых значениях Ф). Это происходит потому, что при равных площадях профилей и высотах радиальное

–  –  –

Уравнение (4.62) является дифференциальным уравнением второго порядка с переменными коэффициентами. Решение полностью совпадает с решением для обобщенного продольного ребра.

Граничные условия также одинаковы в обоих случаях.

Следовательно, общее решение уравнения (4.62) будет иметь две произвольные постоянные, вычисляемые из граничных условий (4.16а) и (4.16б).

–  –  –

Уравнение (4.67) идентично с (4.63), следовательно, распределение температуры и эффективность шипа рассчитываются по (4.64) и (4.66) при использовании соответствующих значений m. Тепловой поток, передаваемый прямоугольным шипом, определяется следующим соотношением q0 a1 a2 m t 0 thmb (4.68)

–  –  –

Для шипа вогнутого параболического профиля (рис. 4.15) показатель степени обобщенной функции профиля равен n.

Функция профиля для такого шипа записывается в виде 0 x

–  –  –

Откуда можно вычислить тепловой поток, передаваемый идеально проводящим шипом, считая, что температура всего шипа постоянна и равна температуре в основании t0 qid 0 b t0

–  –  –

4.3.3. ОПТИМАЛЬНЫЕ ФОРМЫ ПРОДОЛЬНЫХ РЕБЕР Для каждого типа оребренной поверхности существует определенная оптимальная высота ребер, соответствующая максимальному количеству отводимого тепла и определяющая его теплопроизводительность и компактность. Рассмотрим ребра прямоугольного, треугольного и вогнутого параболического профиля и для них запишем зависимости для толщины и высоты ребра от его профиля.

–  –  –

Сравним продольные ребра прямоугольного, треугольного и вогнутого параболического профилей, чтобы определить, какой из них требует наименьшей площади профильного сечения для передачи заданного теплового потока. Сравнение проводим посредством подстановки оптимальной толщины ребра в выражение для теплового потока через основание.

Тепловой поток через основание ребра прямоугольного профиля может быть записан в виде q0 0 m t0 thmb 2 2 02 t0 thmb

–  –  –

необходимого для изготовления прямоугольного ребра и примерно на 6% больше, чем вогнутое параболическое ребро.

Второй вывод касается выбора материала для рассматриваемых профилей ребер. Приведенные выше соотношения показывают, что площадь профиля обратно пропорциональна теплопроводности материала ребра. Масса ребра пропорциональна площади профиля и плотности используемого материала. Следовательно, масса прямо пропорциональна плотности и обратно пропорциональна коэффициенту теплопроводности.

Наконец, из полученных соотношений следует, что площадь профиля и объем ребра возрастают как куб теплового потока. Если требуется увеличить тепловой поток вдвое, то можно либо использовать два одинаковых ребра, либо изготовить ребро в 8 раз больше.

4.3.4. РАСЧЕТ ОРЕБРЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

–  –  –

4.4. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ

ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПЛАСТИНЧАТЫХ И

СПИРАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ

4.4.1. ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Пластинчатые теплообменники нашли широкое применение в настоящее время. Их особенностью является конструкция и форма поверхности теплообмена и каналов для рабочих сред. Поверхность нагрева таких теплообменников состоит из отдельных тонких гофрированных пластин различного профиля, а каналы для рабочих сред имеют щелевидную форму.

–  –  –

Определяющей особенностью устройств пластинчатых теплообменных аппаратов является конструкция и форма поверхности теплообмена и каналов для рабочей среды.

Поверхность теплообмена образуется из отдельных пластин, а каналы для рабочей среды имеют щелевидную форму. Рабочая среда движется у поверхности теплообмена тонким слоем, что способствует интенсификации процесса теплоотдачи.

Простейший теплообменник должен иметь не менее трех пластин, образующих два канала, по одному из которых течет горячая рабочая среда, а по другому холодная.

Рис. 4.4.1. Схема теплопередающего элемента пластинчатого теплообменника Как видно из рисунка 4.4.1. оба теплоносителя приходят и уходит в бесконечность. Для того чтобы организовать канал для каждого из теплоносителей необходимо обеспечить уплотнения по краям пластины. Обычно уплотнение осуществляется из резиновой уплотнительной прокладки, которая устанавливается по краям пластины, образует канал для теплоносителя и препятствует вытеканию теплоносителя наружу (рис. 4.4.2).

Рис. 4.4.2. Схема теплопередающего элемента пластинчатого теплообменника с уплотнительными прокладками Чтобы организовать циркуляцию в каждом канале, т.е. чтобы теплоноситель поступал и удалился в канал, необходимо в крайних пластинах вырезать два отверстия: через одно отверстие теплоноситель будет поступать в канал, через другое – удаляться (рис. 4.4.3).

–  –  –

Таким образом, получается самый простой пластинчатый теплообменный аппарат.

Если необходимо увеличить поверхность теплообмена можно просто добавить пластины (рис. 4.4.4).

–  –  –

При такой схеме получается что теплоноситель попадает в каждый канал и происходит смешивание теплоносителей. Чтобы это предотвратить необходимо изолировать каналы друг от друга.

В промышленных аппаратах число пластин бывает большим и рабочие среды движутся по множеству параллельных каналов сразу.

Уже на основании общего принципа конструирования пластинчатого теплообменника можно сделать вывод о некоторых его особенностях. Малая толщина пластин и параллельная расстановка с малыми промежутками между пластинами позволяет разместить в пространстве рабочую поверхность теплообменника наиболее компактно с такой плотностью, которая недостижима в других типах теплообменников. Это, в конечном счете приводит к тому, что пластинчатые теплообменники обладают при равной тепловой нагрузке значительно меньшими габаритными размерами, чем аппараты «труба в трубе», кожухотрубчатые и т.д.

Преимущества и недостатки пластинчатых теплообменников

Преимущества:

1. Параллельное расположение тонких пластин с малыми зазорами между ними позволяет увеличить теплообменную поверхность на единицу рабочего объема теплообменника. Это приводит к значительному уменьшению габаритных размеров пластинчатого теплообменника в сравнении с размерами всех других типов промышленных теплообменных аппаратов.

2. Для разборки и чистки поверхности теплообмена разборного пластинчатого теплообменника не требуются дополнительные производственные площади. При разборке теплообменника отвинчивают шпильки, отодвигают прижимающую плиту, перемещают пластины по направляющим в пределах образовавшегося свободного пространства, и проводят осмотр, чистку и т.д.

Принцип устройства пластинчатого теплообменника дает возможность осуществлять различные схемы компоновки пластин для каждой рабочей среды, уменьшать или увеличивать поверхность теплообмена не только проектируемого, но и уже используемого аппарата, вносить различные корректировки в схему движения потоков, а также располагать на одной раме несколько теплообменных секций различного назначения для выполнения в одном аппарате нескольких тепловых процессов.

3. Пластинчатые теплообменные аппараты различной производительности и назначения можно создать из одних и тех же узлов и деталей, в частности, из одинаковых пластин.

4. При изготовлении поверхности теплообмена методом штамповки на поверхности пластин легко создать различные конструктивные элементы, турбулизирующие поток теплоносителя с целью повышения интенсивности теплоотдачи. Эти элементы профиля (различные выступы, гофры и углубления) создают высокую жесткость пластин в собранном пакете.

5. Низкая загрязняемость поверхности теплообмена вследствие высокой турбулентности потока теплоносителя, а также качественной полировки теплообменных пластин.

Недостатки:

1. При эксплуатации неразборых и полуразборных теплообменников следует постоянно контролировать коэффициент теплопередачи и гидравлическое сопротивление аппарата. при загрязнении поверхности теплообмена коэффициент теплопередачи уменьшается, а гидравлическое сопротивление увеличивается. При повышении гидравлического сопротивления до установленного максимального значения аппарат надо переключать на промывку от загрязнений.

2. При эксплуатации разборных пластинчатых теплообменников необходимо следить за уплотнениями. В процессе эксплуатации уплотнения изнашиваются, отклеиваются от пластин. Кроме того, не все виды материалов прокладок обладают высокой коррозионной и термической стойкостью.

Пластинчатые теплообменники бывают трех видов:

- разборные

- полуразборные

- неразборные (паяные или сварные).

4.4.1.1. РАЗБОРНЫЕ ПЛАСТИНЧАТЫЕ

ТЕПЛООБМЕННИКИ

При тепловой обработке многих рабочих сред на теплопередающих стенках остаются различные отложения, которые препятствуют процессу теплопередачи. Кроме того, при тепловой обработке термически неустойчивых продуктов на стенках образуется пригар. В этих случаях необходимо часто разбирать аппарат для очистки поверхности теплообмена от слоя пригара, осадка или остатков продукта.

В некоторых случаях в связи с изменением технологического режима возникает необходимость перекомпоновки поверхности теплообмена, изменения числа параллельно включенных каналов в соответствии с изменившимися расходами рабочих сред либо некоторое увеличение, либо уменьшение общей поверхности теплообмена.

В химических производствах иногда наблюдается интенсивное коррозионное неравномерное разрушение поверхности теплообмена только на определенных неблагоприятных участках, в связи с чем возникает необходимость замены поверхности теплообмена на этих участках.

Во всех подобных случаях наиболее рациональной является конструкция пластинчатых теплообменников, которые имеют легко разборную, состоящую из отдельных элементов, поверхность теплообмена.

Рис. 4.4.5. Пластина разборного пластинчатого теплообменника

Разборные пластинчатые теплообменники состоят из пакета пластин с уплотнениями, рамы и присоединительных патрубков.

Пакет пластин (рис. 4.4.5) представляет собой набор профилированных пластин (1) с уплотнениями (2). Количество и компоновка пластин, так же, как их форма и размер определяются требуемыми термодинамическими параметрами пластинчатого теплообменника.

Уплотнения закреплены по периметру пластины в специальных пазах. Уплотнения герметически разделяют каналы (потоки) и препятствуют протеканию теплоносителя наружу.

Выбор материала для уплотнений зависит, прежде всего, от его совместимости с теплоносителем, температуры и давления среды.

Каждая пластина имеет прокладки двух назначений:

- большую резиновую контурную прокладку, ограничивающую на лицевой стороне пластины канал для соответствующего потока рабочей среды и охватывающую также два угловых отверстия (с одной стороны пластины или по диагонали), через которые происходит приток среды в межпластинный канал и сток из него;

- две малые кольцевые резиновые прокладки, изолирующие остальные отверстия и создающие транзитный проход для второй рабочей среды.

Система уплотнительных прокладок разборного пластинчатого теплообменника построена так, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются две системы герметичных каналов, изолированных друг от друга металлической пластиной и прокладками: одна – для греющей среды, другая для нагреваемой.

Одна из этих систем состоит из нечетных каналов между пластинами, а другая – из четных, благодаря чему потоки греющей и нагреваемой сред чередуются. Обе системы межпластинных каналов соединяются со своими коллекторами и далее со штуцерами для входа и выхода рабочих сред, расположенных на плитах.

Рис. 4.4.6. Рама разборного пластинчатого теплообменника с пластинами Рама (рис. 4.4.6) состоит из неподвижной плиты (3), прижимающей плиты (4), верхней (6) и нижней (7) направляющих, задней стойки (8). Шпильки (5) стягивают пластины, размещенные между плитами в пакет.

Пластинчатые теплообменники производятся с рамами различных конструкций. Различаются два базовых варианта конструкций (см.

рис.): с задней стойкой (рис. 4.4.7) и без задней стойки (рис. 4.4.8).

Рис. 4.4.7. Разборный теплообменник с задней стойкой Рис. 4.4.8. Разборный теплообменник без задней стойкой Рамы могут крепиться к полу при помощи фундаментных болтов.

Присоединительные патрубки (9) расположены либо на неподвижной плите, либо на неподвижной и прижимающей плите.

На неподвижной плите присоединения 1F-4F нумеруются последовательно против часовой стрелки. На прижимающей плите присоединения 1L-4L нумеруются последовательно по часовой стрелке (рис.4.4.9).

Выбор схемы размещения присоединений и их тип зависит от типа пластинчатого теплообменника.

Рис. 4.4.9. Присоединения патрубков на плитах разборного пластинчатого теплообменника.

Принцип работы разборного пластинчатого теплообменника следующий. Нагреваемая среда входит в теплообменник через патрубок, расположенный на неподвижной плите, например 1F, и через верхнее угловое отверстие попадает в продольный коллектор, образованный угловыми отверстиями пластин после их сборки. По коллектору нагреваемая среда доходит до последней пластины, распределяется по нечетным межпластинным каналам, которые сообщаются (через один) с угловым коллектором, с помощью соответствующего расположения больших и малых уплотнительных прокладок. При движении по межпластинному каналу среда обтекает поверхность пластин, обогреваемых с обратной стороны греющей средой. Затем нагреваемая среда выходит в продольный коллектор, образованный угловыми отверстиями и выходит из теплообменника через патрубок 4F.

Греющая среда движется в теплообменнике навстречу нагреваемой.

Она поступает в патрубок 3F, проходит через нижний коллектор, распределяется по четным каналам и движется по ним. Через верхний коллектор и патрубок 2F греющая среда выходит из теплообменника.

4.4.1.2. НЕРАЗБОРНЫЕ (ПАЯНЫЕ) ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Паяные пластинчатые теплообменники применяются в тех случаях, когда установка разборных пластинчатых теплообменников невозможна или нежелательна. Такие теплообменники должны работать длительное время при одном и том же технологическом режиме с теплоносителями, не образующими загрязнений на поверхности теплообмена. Паяные теплообменники обладают более широким диапазоном рабочих температур и давлений. Паяный пластинчатый теплообменник состоит из пластин из нержавеющей стали, которые имеют гофрированную V-образную поверхность. В паяных пластинчатых теплообменниках применяются три типа пластин H, M, L (рис. рис.

4.4.10). Величина коэффициента теплопередачи зависит от угла наклона гофров пластин. Различные профили гофров создают различную турбулентность потоков.

Рис. 4.4.10. Пластины паяного пластинчатого теплообменника

При сборке пластин в пакет каждая последующая пластина повернута относительно предыдущей на 180 0С. При этом образуются проточные каналы, попеременно заполняемые движущимися в противотоке теплообменивающимися средами.

Собранный пакет пластин паяется медью или никелем в печи. При этом гарантируется полная герметичность теплообменника и надежное разделение потоков. Отсутствие уплотнений позволяет достигнуть высоких значений рабочих давлений и температур.

Гофрированные поверхности пластин, образующих каналы, способствуют значительной турбулизации потоков, которая и определяет высокую эффективность теплопередачи даже при низких скоростях потоков. В процессе теплопередачи участвует практически вся площадь пластин, поэтому они чрезвычайно компактны и выгодны по цене.

Присоединение трубопроводов к паяному теплообменнику может быть паяным, резьбовым или фланцевым.

При необходимости возможно применение тепловой изоляции паяного теплообменника. Изоляция применяется для предотвращения ожогов обслуживающего персонала или в том случае, если теплообменник установлен вне помещения (при отрицательной температуре). Изоляция может применяться двух видов

- постоянная (несъемная) из пенополиуретана

- съемная из минеральной ваты В пенополиуретановую изоляцию возможно устанавливать электрический подогрев для предотвращения замерзания. Подогрев может включаться вручную или автоматически.

Преимущества паяного пластинчатого теплообменника над разборным состоят в следующем

1. более высокие рабочие параметры за счет отсутствия уплотнений.

2. дешевизна за счет отсутствия рамы.

Недостатки паяного пластинчатого теплообменника над разборным состоят в следующем

1. невозможность увеличить поверхность теплообмена.

2. невозможность механической очистки.

4.4.1.3. ПОЛУРАЗБОРНЫЕ (СО СВАРНЫМИ КАССЕТАМИ) ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Обычные пластинчатые теплообменники имеют ряд ограничений при работе с агрессивными теплоносителями.

Материалы, используемые для изготовления уплотнительных прокладок, имеют ограниченную тепловую и коррозионную стойкость, и являются наименее износоустойчивым элементом конструкции теплообменника. В промышленности часто бывает, что один из теплоносителей не оставляет на поверхности теплообмена загрязнений, требующих разборки аппарата для их механической очистки. Примерами таких аппаратов являются нагреватели, использующие в качестве одного из теплоносителей конденсирующийся пар, охладители газов, различных кислот, щелочей и т.д.

Схема работы полуразборных пластинчатых теплообменников следующая (рис. 4.4.11).

Рис. 4.4.11. Схема движения теплоносителей в полуразборном пластинчатом теплообменнике Основным элементом полуразборного теплообменного аппарата является элемент из попарно сваренных пластин. Каждый такой элемент состоит из двух пластин, соединенных между собой сваркой. Таким образом получается канал для теплоносителя.

Каждый такой элемент подвешивается на раму теплообменника.

Смежные с неразборным каналы делают разборными для очистки от загрязнений. Для этого элемент из сваренных пластин соединяют в пакет и уплотняют разборные каналы с помощью прокладок.

Теплоноситель с агрессивными свойствами движется по герметически сваренному каналу и передает тепло другому теплоносителю, движущемуся по каналу с обычным уплотнением.

Для подачи теплоносителя с высокими агрессивными свойствами в теплообменник могут применяться трубы из легированных сталей.

4.4.2. СПИРАЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Спиральные теплообменники получили широкое распространение в промышленности, что объясняется рядом их преимуществ по сравнению с теплообменниками других типов.

Спиральные теплообменники компактны, их конструкция предусматривает возможность полного противотока. Площадь поперечного сечения каналов по всей длине остается неизменной, и поток не имеет резких изменений направлений, благодаря чему загрязнение поверхности спиральных теплообменников меньше, чем у аппаратов других типов.

Эти теплообменники позволяют обеспечить надежную теплопередачу между средами, содержащими твердые включения.

Спиральный теплообменник (рис. 4.4.12) представляет собой два спиральных канала, свернутых из рулонного металла вокруг центральной разделительной перегородки.

Рис. 4.4.12. Схема движения теплоносителей в спиральном теплообменнике Для того чтобы обеспечить постоянную величину зазоров к одной стороне листов привариваются разделительные шипы. Шипы также предназначены для предотвращения смятия спирали под действием давления в каналах. Высота шипов определяет высоту канала, а частота их расположения (продольный и поперечный шаг)

– допустимое давление в аппарате. Скрученные спирали помещаются в цилиндрический кожух. Для выхода каналов наружу в местах фиксации краев каналов в кожухе просверливаются отверстия, которые герметично закрываются входным и выходным коллекторами с присоединительными патрубками (рис. 4.4.13).

Рис. 4.4.13. Вертикальный спиральный теплообменник

Принцип работы спиральных теплообменников заключается в следующем: первый теплоноситель подается через штуцер на одной из крышек в центральную камеру, а затем по спирали – в коллектор и через штуцер выходит из теплообменника. Второй теплоноситель через штуцер коллектора поступает в смежный канал спирали противотоком по отношению к первому теплоносителю и выходит через штуцер второй крышки.

Движение потоков в спиральных теплообменниках происходит по криволинейным каналам. Геометрия каналов и разделительные шипы создают значительную турбулентность уже при низких скоростях потоков, при этом улучшается теплопередача и уменьшается загрязнение. Все это обуславливает компактность конструкции спиральных теплообменников.

Особенностью конструкции спиральных теплообменников является использование цельных металлических листов от центральной трубы до кожуха, что позволяет исключить сварные швы.

Преимущества спиральных теплообменников следующие:

- широкий диапазон рабочих температур и давлений

- компактная конструкция

- высокие коэффициенты теплопередачи

- пониженная загрязняемость

- легкая очистка механическим и химическим способом

- низкие потери давления

- массовые расходы по обеим сторонам могут значительно отличаться В качестве рабочих сред в спиральных теплообменниках могут применяться различные жидкости, суспензии, жидкости, содержащие волокна и твердые частицы, вязкие жидкости, растворы полимеров и т.д.

4.5. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНОГО

ТЕПЛООБМЕНА ЗА СЧЕТ ИСКУССТВЕННОЙ

ТУРБУЛИЗАЦИИ ПОТОКА

Турбулизация потока реализуется за счет образования на трубах плавных выступов – турбулизаторов. Увеличение теплообмена в данном случае достигается за счет разрушения пограничного слоя. Турбулизаторы создают вихревые зоны в пограничном слое, что приводит к его уменьшению.

Высота турбулизаторов выполняется равной толщине пограничного слоя. Возникаемые за этими выступами вихревые зоны служат источником дополнительной турбулизации и способствуют уменьшению пограничного слоя.

–  –  –

Из таких труб (рис. 4.4.14) изготавливаются кожухотрубчатые теплообменники.

Для теплообменников систем отопления и ГВС целесообразно применять трубки диаметром 16х1 мм с параметрами dк/Dн=0,925, t/Dн=0,46, d/D=0,94, t/D=0,53. Внутри такой трубы коэффициент теплоотдачи по сравнению с гладкой трубой увеличивается в среднем в 2 раза при росте гидравлического сопротивления в 2,3 раза. В межтрубном пространстве подогревателей коэффициент теплоотдачи возрастает в 1,2 раза при росте гидравлического сопротивления в 1,25 раза.

Интенсификация теплообмена за счет искусственной турбулизации потока не требует существенного увеличения наружного диаметра труб и поэтому применима в любых кольцевых каналах.

5. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА

Лучистая энергия является результатом сложных молекулярных и атомных колебаний. Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания с различными длинами волн – рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные. Из этих волн для теплотехники наибольший интерес представляют те лучи, которые поглощаются телами и при поглощении их энергия переходит в тепловую. В наибольшей мере такими свойствами обладают световые и инфракрасные лучи. Эти лучи и называются тепловыми, а процесс их распространения – тепловым излучением.

Тепловое излучение свойственно всем телам и каждое из них излучает энергию непрерывно. При попадании на другие тела эта энергия частью поглощается, частью отражается и частью проходит сквозь тело. Та часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Та часть энергии, которая отражается, попадает на другие окружающие тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений излучаемая энергия полностью распределяется между окружающими телами (рис. 5.1.). Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

В результате этих явлений и осуществляется процесс лучистого теплообмена.

–  –  –

Первая часть этого уравнения характеризует собой поглощательную способность A, второй – отражательную способность R и третий – пропускательную способность D.

Следовательно A R D 1 (5.2) Эти величины безразмерны и изменяются в пределах от 0 до 1.

Если A 1, то R 0 и D 0, это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно черными.

–  –  –

Газы также обладают способностью испускать и поглощать лучистую энергию, но для различных газов эта способность различна. Значительной излучательной и поглощательной способностью, имеющей практическое применение, обладают многоатомные газы, в частности углекислота CO2, водяной пар H 2O, сернистый ангидрид SO2. Эти газы образуются при горении топлива и в теплотехнических расчетах имеют наиболее важное значение.

Количество тепла, передаваемое излучением от продуктов сгорания к нагреваемой поверхности определяется по закону Стефана - Больтцмана Tг 4 Тп

–  –  –

является положительной стороной этого способа теплообмена, благодаря экономии электроэнергии на привод вентиляторов.

6. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ

ТОПЛИВА Горение топлив в промышленных установках – это сложный физико-химический процесс, протекание которого определяется многими факторами: начальными концентрациями, температурой и давлением реагирующих веществ, условиями смешения топлива с окислителем и т.д.

В общем виде реакция горения углеводородных газов имеет следующий вид т т С п Н т п О2 пСО2 Н 2 О Q, (6.1) Где п, т - соответственно количество атомов углерода и водорода в молекуле углеводорода.

К числу основных факторов интенсификации процессов сжигания топлива относятся следующие:

1. Обеспечение топок достаточным количеством воздуха для возможности широкого регулирования тепловой мощности, а также обогащение дутьевого воздуха кислородом.

Основным окислителем в процессах горения топлива является кислород. С увеличением концентрации кислорода в реагирующем газе растет скорость реакции и увеличивается температура процесса. Последнее ведет к росту константы скорости реакции. В совокупности оба эти обстоятельства обуславливают значительную интенсификацию процесса горения.

2. Создание условий надежного и полного перемешивания горючих веществ с кислородом воздуха.

Соответствие подачи воздуха расходу сжигаемого топлива не обеспечивает экономичного сжигания топлива, необходимо, чтобы кислород воздуха имел хороший доступ ко всей массе топлива и химическая реакция горения протекала полностью и из зоны реакции не уходили бы непрореагировавшие горючие вещества, так как это приводит к химическому недожогу и перерасходу топлива.

Если не происходит перемешивания топлива и воздуха в начале топки, то горение растягивается, факел становится длинным и при недостаточной температуре может наблюдаться неполное горение.

3. Из законов химической кинетики следует, что скорость химической реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ (горючего и окислителя) и температуре реакции. Если скорость реакции зависит от концентрации в степени 1-2, то от температуры она находится в экспоненциальной зависимости согласно закону Аррениуса E k k0 e (6.2) RT Это же следует и из правила Вант-Гоффа, согласно которому скорость реакции при повышении температуры всего на 10 0С возрастает в 2-4 раза.

Повышение температурного уровня процесса горения положительно влияет на увеличение скорости реакции, повышении КПД и стабильности процесса воспламенения. Практически повышения температуры горения можно достичь, подогревая воздух (в рекуператорах, регенераторах) и топливо, особенно если оно низкокалорийное.

Температура в топках должна лежать в определенных пределах.

Повышение температуры выше 1600-1700 0С приводит к тепловым потерям, недоиспользованию топлива, так как при высоких температурах начинается процесс разложения продуктов полного горения CO2 и H 2O с выделением продуктов неполного горения CO (угарный газ), H и углерод (сажа) C.

Нижний предел температуры не должен быть ниже температуры воспламенения топлива (для бурых и каменных углей она составляет около 400-500 0С, для природного газа 700-750 0С) так как даже приближение к этим температурам вызывает большие потери от химического недожога.

4. Важным фактором интенсификации процессов горения служит повышение давления в реакционном объеме. Это позволяет увеличить плотность газа в единице объема, что приводит к росту теплового напряжения топки, что позволяет уменьшить объемы топки.

ПРИЛОЖЕНИЯ

–  –  –

Эффективность продольных ребер: прямоугольного (A), выпуклого параболического (D), треугольного (В), вогнутого параболического (С)

–  –  –

Эффективность шипов различной формы: А – постоянного поперечного сечения, В – конического, С – вогнутого параболического, D – выпуклого параболического

БИБЛОИГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М., «Энергия», 1977. – 464 с. с ил.

2. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р.

Пластинчатые и спиральные теплообменники. М., «Машиностроение», 1973, 288 с.

3. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники.

Госэнергоиздат, 1962, 223 с.

4. Вознесенский А.А. Повышение эффективности установок промышленной теплотехники. М. – Л., издательство «Энергия», 1965, 344 с.

5. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М., «Машиностроение», 1972, 220 стр.

6. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Учебник для студентов технических вузов. Изд. 2-е, перераб. М., «Энергия», 1972

7. Бузник В.М. Интенсификация теплообмена в судовых

Похожие работы:

«549 УДК 658.7:622.24 ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЛОГИСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЛИНГА В БУРОВОЙ КОМПАНИИ FORMATION OF A SYSTEM OF LOGISTIC CONTROLLING IN THE DRILLING COMPANY Мусина Д.Р. ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет", г. Уфа, Российска...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" В.Г. Ворошилов ГЕОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Рекомендов...»

«АЛЬБОМ СТРОИТЕЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ АЛЬБОМ СТРОИТЕЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ (модели EF) CОДЕРЖАНИЕ стр.1. Общие положения 2. Требования к шахте 3. Требования к приямку лифта 4. Требования к машинному помещ...»

«РОССИЙСКИЙ РЕЧНОЙ РЕГИСТР ОБНОВЛЕНИЕ СУДОВ ВНУТРЕННЕГО И СМЕШАННОГО (РЕКА–МОРЕ) ПЛАВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ЭКСПЛУАТИРОВАВШИХСЯ СУДОВ Руководство Р.041-2014 Москва Утверждено приказом Российско...»

«РЕГЛАМЕНТ Проведения соревнования Самарской Хоккейной Лиги среди любительских команд В Самарской области Сезон 2016 – 2017 гг. "Утверждаю" "Утверждаю" Технический Партнер СХЛ Председатель правления РОО "Самарская Хоккейная Лига"г. "_" 2016 г. РЕГЛАМЕНТ Проведения соревнова...»

«РУССКИЙ РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРОИГРЫВАТЕЛЬ ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИЛИ РЕКЛАМНЫХ РОЛИКОВ НА МОНИТОРЕ DIGITAL SIGNAGE (аппаратная часть) Пожалуйста, внимательно прочитайте данное руководство перед началом работы с устройством и сохраните его для будущего использования. Проигрыватель для воспроизве...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова" КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования "Белорусский государственный технологический университет" ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Тезисы докладов 81-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов (с международным участием) 1...»

«ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ИНФРАСТРУКТУРНЫХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРОДОВ ИРАКА И ПОКАЗАТЕЛИ ИХ НАДЕЖНОСТИ Харун Махмуд, Тами Аль-Харами Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419 Эксплуатация, обследование и ремонт трубопроводов водоотведения характеризуются повышен...»

«457 УДК 614.841 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СМЕСИТЕЛЯ С ЦЕЛЬЮ ИЗУЧЕНИЯ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ Хафизов И.Ф., Мухин И.А. 1, Доронин Д.Б. Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа e-mail: 1 ilya.muhin@gmail.com Аннотация. Рассматриваются вопросы определения режима работы кавитационно-вихревого аппарат...»

«Краткое Комплектация Поддержка Благодарим вас за покупку продуктов компании NETGEAR! В комплект поставки входят представленные ниже После установки устройства зарегистрируйте его на веб-сайте https://my.netgear.com, руководство компоненты. воспользовавшись серийным номером, указанным на этикетке. Для использования телефонной службы те...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Институт природных ресурсов Специальность Технология геологической разведки Кафедра Гео...»

«Облучатель-рециркулятор медицинский "Armed" CH111-115 (металлический корпус), CH111-130 (металлический корпус) ПАСПОРТ И ИНСТРУКЦИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ Торговая марка "АРМЕД" (495) 411-08-11, (812) 702-73-02, (343) 368-12-33 www.armed.ru 1. ВВЕДЕНИЕ Настоящий паспорт является совмещенным докумен...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.