Кафедра Промышленной теплоэнергетики

Кафедра Промышленной теплоэнергетики

ТЕПЛОМАССООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Курс лекций

для студентов дневной и заочной формы обучения специальности: 140104 «Промышленная теплоэнергетика»

Тюмень 2011

Белкин А.П. Тепломасообменное оборудование: курс лекций для студентов специальности 140104 ''Промышленная теплоэнергетика'' - Тюмень: РИО ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2011. – 196 с.

Рецензент д.т.н. профессор Степанов О.А.

Учебно-методический материал обсужден и утвержден на заседании кафедры ПТ.

Протокол №_____от________________2011 г.

Тираж 100 экз.

Зав. кафедрой ПТ Степанов О.А.

Учебно-методический материал утвержден УМС университета

Протокол № _____от________________2011 г.

Содержание

Содержание. 3

ВВЕДЕНИЕ. 5

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ.. 6

1.1 Классификация теплообменных аппаратов. 6

1.2 Кожухотрубчатые теплообменники. 10

1.3 Аппараты теплообменные трубчатые без кожуха. 14

1.4 Аппараты теплообменные с наружным обогревом. 16

1.5 Аппараты теплообменные листовые. 16

1.6 Аппараты теплообменные с воздушным охлаждением. 18

1.7 Выбор скорости теплоносителей и интенсификация теплообмена. 19

ГЛАВА 2. ТЕПЛОВОЙ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.. 21

2.1. Основные положения и уравнения теплового расчета. 21

2.2. Средняя разность температур и методы ее вычисления. 23

2.3. Сравнение прямотока с противотоком. 24

2.4. Методы определения температур поверхности теплообмена. 26

2.5. Гидромеханический расчет теплообменных аппаратов. 27

ГЛАВА 3. РЕКУПЕРАТИВНЫЕ АППАРАТЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ 30

3.1. Расчет водонагревателя-аккомулятора с паровым обогревом. 30

3.2. Расчет водонагревателя-аккомулятора с водяным обогревом. 31

ГЛАВА 4. РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ.. 33

ГЛАВА 5. СМЕСИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ.. 35

5.1. Общие сведения. 35

5.2. Основные параметры влажного воздуха. 37

5.3. Оросительные скрубберы с насадками. 41

5.4. Градирни. 45

ГЛАВА 6. ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ.. 61

6.1. Конструкции выпарных аппаратов. 63

6.2. Схемы многокорпусных выпарных установок. 69

ГЛАВА 7. СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ.. 77

7.1. Расчет конвективных сушилок. 77

7.2. Разновидности конвективных сушилок. 81

ГЛАВА 8. ПЕРЕГОННЫЕ И РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ.. 88

ГЛАВА 9. ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ.. 100

ГЛАВА 10. ТЕРМОСИФОНЫ.. 105

ГЛАВА 11. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЕПЛОМАСООБМЕННЫХ УСТАНОВОК.. 108

11.1. Конденсатоотводчики. 108

Литература. 110

ВВЕДЕНИЕ

Промышленная теплоэнергетика, отличаясь широким охватом различных процессов, связанных с получением, преобразованием, транспортом и использованием всех видов тепловой энергии в самых различных отраслях промышленности, включает:

1. совокупность процессов, установок, систем и агрегатов, связанных с непосредственным использованием энергии топлива, составляющую содержание комплекса технических знаний, которую можно объединить названием промышленная огнетехника;

2. совокупность процессов, установок, систем и агрегатов, связанных с преобразованием энергии, комбинированной выработкой теплоты и электроэнергии, с транспортом энергоносителей, составляющих комплекс технических знаний, объединяемых под названием промышленные теплоэнергетические установки и теплоэнергосбережение.

В промышленной теплотехнике реализуется большое количество топлива, поэтому при рассмотрении промтеплотехнических установок особое внимание уделяется их рациональной работе, глубокому использованию потенциала энергоносителей, что позволяет увеличить КПД установок.

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов обеспечивается на основе принципов энергосберегающей, малоотходной и безотходной технологии и энерготехнологического комбинирования.

Всю промышленную теплотехнику разделяют на высокотемпературную, среднетемпературную, низкотемпературную и криогенную. Температурный уровень работы промышленных печей 400÷2000 ^оС; выпарка, ректификация, сушка 150÷700 ^оС; отопление, вентиляция, кондиционеры, теплонасосные и холодильные установки от -150 до +150 ^оС. Процессы с более низкими температурами относят к криогенным. Устройство, в котором происходит теплообмен между двумя или несколькими средами называется теплообменный аппарат; массообмен - массообменный аппарат; одновременно тепло- и массообмен - тепломассообменный аппарат.

Теплообменники с сальниками

При значительно больших давлениях в теплообменной аппаратуре применяют сальниковые компенсаторы. Сальниковые компенсаторы выполнены с мягкой набивкой из неметаллических материалов в виде шнура или колец соответствующего профиля, а также в виде стандартных манжет.

На рис. 1.9 приведена схема кольцевого уплотнения трубной решетки 4. Уплотнение обеспечивают сальниковые кольца 1, расположенные по обе стороны от дренажного кольца 3 и поджатые фланцами 2, 5. В случае утечки через сальник теплоноситель выводится из аппарата через отверстие в дренажном кольце.

Рисунок 1.9 - Сальниковый компенсатор

Теплообменники оросительные

Оросительные теплообменники состоят из нескольких рядов труб, расположенных одна над другой, по наружной поверхности которых тонкой пленкой стекает охлаждающая их вода (рис. 1.11).

Рисунок 1.11 - Оросительный теплообменник

Трубы 2, через которые прокачивается охлаждаемая рабочая среда, соединены коленами 3. Для распределения орошающей воды над верхней трубой установлен желобковый или трубчатый ороситель 1. В трубчатых оросителях вода вытекает многочисленными струями через отверстия трубы, в желобковых - через прорези в верхней кромке желоба. При большом числе труб в ряду или большом расстоянии между трубами оросители можно устанавливать и между рядами труб. Внизу теплообменника расположен поддон 4 для сбора воды.

Общие сведения

В промышленности нашли широкое применение смесительные теплообменные аппараты, в которых тепло- и массообмен между теплоносителями происходит непосредственно, без теплопроводной стенки между ними. Для осушения или увлажнения воздуха в установках кондиционирования применяются кондиционеры; очистка воздуха или газа от пыли, золы, смолы путем промывки их водой осуществляется в скрубберах; нагрев жидкости за счет тепла воздуха, газа или пара осуществляется в смесительных подогревателях или конденсаторах; охлаждение больших количеств циркуляционной воды от конденсаторов паровых турбин электрических станций осуществляется в градирнях и т. д.

По конструктивным признакам различают следующие типы теплообменников смешения:

1. Полые или безнасадочные колонны или камеры (рис. 5.1 а), в которых жидкость распиливается форсунками в газовую среду.

2. Насадочные колонны (рис. 5.1 в), в которых соприкосновение газа с жидкостью происходит на смоченной поверхности насадки (кольца Рашига, куски кокса, деревянные доски, рейки и другие устройства).

3. Каскадные аппараты, имеющие внутри горизонтальные либо наклонные полки или перегородки, благодаря которым жидкость постепенно перетекает с полки на полку, как это показано на рис. 5.1 б.

4. Струйные смесительные аппараты, в которых происходит нагревание воды эжектируемым или эжектирующим паром (рис. 5.1 г).

5. Пленочные смешивающие подогреватели (рис. 5.1 д). Нагревание воды водяным паром в них происходит почти до температуры насыщения пара. Пенные аппараты получили применение для улавливания из газов плохо смачиваемой (гидрофобной) пыли. Принципиальная схема пенных аппаратов приведена на рис. 5.2.

Рисунок 5.1 - Типы смесительных теплообменников

а - безнасадочный форсуночный; б - каскадный; в - насадочный; г- струйный;
д - пленочный с насадкой из цилиндров; 1 - форсунки; 2 - трубы, распределяющие воду; 3 - каскады; 4 - насадка; 5 и 6 - сопла первой и второй ступеней струйного смесителя; 7 - насос; 8 и 9 - вентиляторы; 10 - электродвигатель;
11 - концентрические цилиндры; 12 - иллюминаторы-сепараторы влаги;
13 - подогреватель воздуха

Рисунок 7.2 - Схемы пенных аппаратов

а - однополочного; б - трехполочного; 1 - корпус; 2 - решетки; 3 - гидравлический затвор; 4 - порог

Теплообмен в аппаратах контактного или смешивающего типа связан с массообменом и изучен еще недостаточно. Анализ этих процессов на i-d-диаграмме показывает, что во всех случаях процессы тепло- и массообмена подчиняются следующему правилу. Если парциальное давление паров жидкости в газе больше, чем давление паров над внешней поверхностью капелек жидкости, то происходит осушение газа, если же давления пара находятся в обратном соотношении, то имеет место увлажнение газа.

Вследствие трудности определения поверхности теплообмена таких аппаратов в некоторых случаях расчет их проводят по объемному коэффициенту теплопередачи. При этом уравнение теплопередачи принимает вид:

(5.1)

где k_v - объемный коэффициент теплопередачи, отнесенный к 1 м³ активного объема аппарата, Вт/(м³-°С); V - полезный или активный объем смесительной камеры, м³; ∆t - средняя разность температур теплоносителей, °С.

Градирни

Градирня представляет собой сооружение для охлаждения воды в оборотных системах водоснабжения.

По способу передачи тепла атмосферному воздуху их можно классифицировать:

1. испарительные, в которых передача тепла от воды воздуху осуществляется в основном за счет испарения;

2. радиаторные, или сухие, в которых передача тепла от воды воздуху осуществляется через стенку радиаторов за счет теплопроводности и конвекции;

3. смешанные, в которых используется передача тепла за счет испарения, теплопроводности и конвекции.

По способу создания тяги воздуха градирни разделяются:

1. вентиляторные, через которые воздух прокачивается нагнетательными или отсасывающими вентиляторами;

2. башенные, в которых тяга воздуха создается высокой вытяжной башней;

3. открытые, или атмосферные, в которых для протока воздуха через них используются естественные токи воздуха - ветер и отчасти естественная конвекция.

В зависимости от конструкции оросительного устройства и способа увеличение поверхности соприкосновения воды с воздухом, градирни подразделяются на пленочные, капельные и брызгальные.

Вентиляторные градирни

Вентиляторная градирня (рисунок 5.4) включает в себя следующие основные элементы: оболочку (корпус), состоящую из каркаса, обшитого листовым материалом, водораспределительное устройство, ороситель, водоуловитель, водосборный бассейн и вентиляторную установку.

В градирнях применяют преимущественно низконапорные трубчатые системы распределения воды с разбрызгивающими соплами. Схемы и конструктивные размеры пластмассовых сопел - тангенциального, ударного с зубчатым отражателем и раструбного - приведены на рисунке 5.5.

Рисунок 5.4 - Схема вентиляторной противоточной градирни

1 - диффузор; 2 - вентилятор; 3 - водоуловитель; 4 - водораспределительная система; 5 - оросительное устройство; 6 - воздухонаправляющий козырек;
7 - воздуховходные окна; 8 - воздухораспределительное пространство;
9 - переливной водовод; 10 - грязевой водовод; 11 - водосборный бассейн;
12 - ветровая перегородка; 13 - отводящий водовод; 14 - подводящий водовод

В градирнях применяются три типа оросительных устройств (рисунок 5.6): пленочные, капельные и брызгальные.

Пленочный ороситель обеспечивает наибольшую поверхность соприкосновения для тепломассообмена воды с воздухом при меньших по сравнению с другими типами аэродинамических сопротивлениях и имеет наиболее высокий эффект охлаждения воды.

Ороситель брызгального типа представляет собой воздухонаправляющие щиты, которые одновременно несколько увеличивают поверхность соприкосновения воды с воздухом и время контакта этих сред.

Рисунок 5.6 - Разбрызгивающие пластмассовые сопла

а - тангенциальное; б - ударное с зубчатым отражателем; в – раструбное

Рисунок 5.7 - Конфигурации оросителей

а - б – деревянные капельные оросители, в - д – пленочные щитовые оросители,
е – ж – капельно-пленочные оросители

К водоуловителям предъявляются требования максимально возможного снижения выноса капель из градирни с потоком воздуха при минимальном аэродинамическом сопротивлении. Некоторые конструкции водоуловителей изображены на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8 - Схемы водоуловителей

I - деревянный двухрядный, II - пластмассовый уголковый конструкции ВНИИГ, III - асбестоцементный с криволинейным очертанием лопаток, IV - пластмассовый с криволинейным очертанием лопаток, V - пластмассовый трехрядный

Башенные градирни

Башенные градирни применяют в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках.

Рисунок 5.13 - Башенная противоточная градирня

1 - вытяжная башня; 2 - водоуловитель; 3 - водораспределительная система;
4 - оросительное устройство; 5 - воздухорегулирующее устройство;
6 - водосборный бассейн

Расчет башенных градирен

Потери воды на испарение G_и определяются по формуле:

G_и = k_и Dt G_ж, м³/ч, (5.25)

где k_и - коэффициент, учитывающий долю теплоотдачи испарением в общей теплоотдаче, принимаемый в зависимости от температуры наружного воздуха по сухому термометру по графику приведенному в справочниках.

Потери на унос через башни: для градирни, оборудованной водоуловителем меньше 0,05 %, без водоуловителя 0,5 - 0,8 % циркуляционного расхода воды.

Потери воды на унос ветром через воздуховходные окна составляют 0,02 - 0,05 % циркуляционного расхода воды (при средней скорости ветра до 3 м/с).

Задачей технологического расчета является определение температуры охлажденной в градирне воды по графикам, приведенным в справочной литературе.

Исходными данными для технологических расчетов являются:

· многолетние среднемесячные температуры атмосферного воздуха, относительная влажность атмосферного воздуха, скорость ветра и барометрическое давление;

· график обеспеченности температуры атмосферного воздуха для среднего и жаркого года и кривые связи температуры и относительной влажности воздуха;

· средние температуры и влажности воздуха в 13 ч для наиболее жаркого месяца;

· температура воздуха наиболее холодной пятидневки;

· роза ветров, преобладающее направление ветра в летний и зимний периоды года;

· расчетный ветровой район.

Рисунок 5.14 - График охлаждения воды для башенной градирни площадью f_ор = 1100 м³ с высотой градирни 52 м, высотой воздуховходных окон 4,5 м; диаметром башни на уровне верха оросителя 38,2 м; диаметр выходного сечения башни 25 м

Рисунок 5.15 - Графики охлаждения воды и поправок на Dt для градирен площадью f_ор = 1200; 1600; 2600 м²

Высота градирен 48,4; 53,7; 71,0 м; высота воздуховходных окон 3,3; 3,3; 4,3 м; диаметр башен на уровне верха оросителя 40,0; 46,0; 58,2 м; диаметр выходного сечения башен 26,0; 30,4; 37,9 м; плотность орошения q_ж = 6 м³/ (м²·ч); перепад температур воды Dt = 10 °С; для градирни f_ор = 2600 м² к температуре охлажденной воды t₂, определенной по графику, вводится поправка dt₂ = - 0,2 °С

Открытые градирни

Открытые градирни - капельные и брызгальные - предназначаются преимущественно для систем с расходом оборотной воды от 10 до 500 м³/ч. На рисунке 5.16 приведена схема открытой капельной градирни.

Рисунок 5.16 - Схема открытой капельной градирни

1 - водораспределительная система; 2 - оросительное устройство;
3 - воздухонаправляющие жалюзи; 4 - переливной водовод; 5 - грязевой водовод; 6 - отводящий водовод

Градирни характеризуются высоким охладительным эффектом без затраты электроэнергии на подачу воздуха, простотой строительных конструкций, условий эксплуатации и ремонта. Однако применение их ограничивается возможностью размещения на незастроенной площадке, сильно продуваемой ветром, а также допустимостью кратковременного повышения температуры охлаждаемой воды в период штиля.

Охладительный эффект работы открытых градирен надежно обеспечивается при оптимальных условиях:

· удельной тепловой нагрузке 29,3 - 62,6 МДж/ (м²·ч) [7 - 15 тыс. ккал/ (м²·ч)];

· перепада температуры воды 5 - 10 °С;

· глубине охлаждения воды t₂ - t₁ = 10 - 12 °С.

Определение площади оросителя и охладительного эффекта открытых градирен производится по графику, приведенному на рисунке 5.17.

Рисунок 5.17 - График охлаждения воды для открытой капельной градирни

Высота оросителя открытой капельной градирни принимается не более 10 м при числе ярусов решетника от 10 до 12. Расстояние между щитами решетника по высоте принимается от 0,75 до 0,9 м.

Распределение воды по площади оросителя осуществляется в виде напорной трубчатой системы с водоразбрызгавающими соплами или безнапорной системы с применением желобов со сливными трубками и разбрызгивающими розетками.

В открытых брызгальных градирнях оросительное пространство остается свободным от решетника для беспрепятственного падения капель воды в водосборный бассейн.

Направление ветра в зимний период по возможности должно обеспечивать унос паров и капель воды в сторону от близрасположенных сооружений и дорог.

ГЛАВА 6. ВЫПАРНЫЕ УСТАНОВКИ

Выпаривание представляет собой термический процесс кипения раствора с выделением паров растворителей в практически чистом виде (если не считаться с уносом жидкости); при этом растворимое нелетучее вещество (соль, вазелин и т.п.) остается в концентрированном виде в аппарате.

Предположим, что имеются два открытых сосуда, обогреваемых паром через паровые рубашки. В первом сосуде находится чистая вода, а во втором - 70%-ный водный раствор аммиачной селитры NH₄NO₃. Пусть давление греющего пара составляет 4 кгс/см². Вода закипит при температуре около 100 °С; раствор при том же атмосферном давлении закипит только при температуре 120 °С.

По принципу работы выпарные установки разделяются на периодически и непрерывно действующие.

В периодически действующих установках жидкость подается в аппарат, выпаривается до необходимой более высокой концентрации, затем упаренный раствор удаляется из аппарата.

В аппаратах непрерывного действия неконцентрированный (слабый) раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный (крепкий) раствор непрерывно отводится из него.

По давлению внутри аппарата различают выпарные аппараты, работающие при избыточном и атмосферном давлении и вакууме.

Тепловой баланс корпуса

Рассмотрим тепловой баланс первого корпуса выпарной установки.

Рисунок 6.7 - Схема однокорпусной выпарной установки

(6.10)

(6.11)

(6.12)

где C_в - теплоемкость воды в растворе; α - коэффициент испарения, равный количеству воды, испаряемому за счет тепла 1 кг греющего пара, всегда положительный; β - коэффициент самоиспарения, может быть отрицательным, положительным или равным нулю.

Если t₀ > t₁, то за счет теплоты, равной C₀(t₀ - t₁) происходит испарение за счет собственного перегрева (самоиспарение), т. е. W₁ = d₁α₁ + С₀β₁, кг/кг, - уравнение теплового баланса 1-го корпуса. (6.13)

Распределение полезной теплоты по корпусам установки может быть осуществлено следующими тремя способами.

Расчет конвективных сушилок

Азеотропная смесь

Температура кипения азеотропной смеси остается постоянной до полного выкипания всей смеси. Азеотропную смесь нельзя просто разогнать - выделить хотя бы один компонент в чистом виде, так как состав пара и жидкости одинаков. Если летучего компонента в первоначальной смеси больше, чем в азеотропной (точка n, рис.8.3), то после перегонки точка n смещается вправо, остается жидкий остаток из низкокипящего компонента. Если же низкокипящего компонента в паровой смеси меньше, чем в азеотропной (точка m, рис. 8.3), то при перегонке она смещается влево и остается жидкий остаток из высококипящего компонента.

Частично растворимыми называют системы, взаимно растворяющиеся в пределах некоторых интервалов концентраций, зависящих от температуры, а вне этих пределов образуются два или более несмешивающихся слоя.

ГЛАВА 9. ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ

Тепловые трубы применяются в энергетике, металлургии, химической промышленности и др., что позволяет утилизировать низко потенциальную теплоту (100 ^оС и ниже). Тепловая труба представляет собой герметичную полость различной геометрии (рис. 9.1).

Рисунок 9.1 - Принципиальные схемы тепловых труб

В тепловой трубе теплота от охлаждающей среды отбирается в зоне испарения, в виде пара переносится на значительные расстояния в зону охлаждения. Основные преимущества ТТ по сравнению с другими типами теплообменников являются: простота конструкции, отсутствие нагнетателей, герметичность, легкость регулирования, высокая теплопроводность, превосходящая теплопроводность самых теплопроводных металлов.

В зависимости от способа транспортировки из зоны конденсации в зону испарения различают три типа тепловых труб:

1. В фитильных или капиллярных трубах, на их внутренней поверхности уложен капиллярно-пористый материал - фитиль, пропитанный жидким теплоносителем. При внешнем подводе теплоты жидкость из фитиля испаряется по всей длине зоны L_И. Капиллярная структура фитиля освобождается от жидкости, что создает в этой зоне капиллярное разряжение, за счет которого жидкость подсасывается из охлаждаемой зоны ТТ (L_К) в испаритель для повторного испарения. Тепло непрерывно переносится от испарителя к конденсатору через транспортную зону L_Т.

2. В гравитационных тепловых трубах (термосифонах) возврат конденсата в зону испарения происходит за счет сил тяжести - конденсатор должен располагаться выше зоны испарения.

3. В центробежных тепловых трубах корпус трубы вращается вокруг своей продольной оси. Слой жидкости в зоне конденсации больше, чем в зоне испарения и возврат жидкости в зону испарения осуществляется за счет центробежных сил (например, вал электродвигателя).

В тепловых трубах с капиллярно-пористым материалом условия циркуляции теплоносителя в ТТ определяются уравнениями движения для жидкости и пара. Перенос теплоты от испарителя к конденсатору возможен, когда суммарные потери давления на участках трубы будут меньше движущей силы (имеющей капиллярный или массовый характер):

(9.1)

где ∆р_ж^тр, ∆р_п^тр - потери давления на трение при движении пара и жидкости;
∆р_м - массовые силы, обусловленные ориентацией в пространстве; при расположении испарителя выше конденсатора последний член входит в уравнение с плюсом, ниже - с минусом; R^/ - минимальный радиус кривизны менисков жидкости в зоне испарения; σ - поверхностное натяжение.

При наличии на стенках трубы фитиля удельный расход жидкости, движущейся вдоль оси трубы Z, определяется уравнением Дарси:

(9.2)

где К - коэффициент проницаемости пористого материала; ρ' и μ' - плотность и вязкость жидкости; р - давление.

Поток жидкости через поперечное сечение фитиля площадью F_ф:

G = J∙F_ф (9.3)

перепад давления ∆р на участке ∆Z пористого материала:

(9.4)

Поток жидкости G меняется в зонах испарения от нуля до G и от G до нуля в зоне конденсации, а в транспортной зоне длиной L_Т, он постоянен.

Среднее гидравлическое сопротивление для каждой из зон:

(9.5)

(9.6)

(9.7)

Тогда суммарное гидравлическое сопротивление по жидкостному тракту:

(9.8)

где L = L_И +L_Т + L_К - длина тепловой трубы.

Если предположить, что в паровом пространстве ТТ имеет место течение Пуазейля, то перепад давления пара для всей ТТ:

(9.9)

где d_п - диаметр парового канала; F_п - площадь поперечного сечения этого канала.

Теплопередающая способность тепловой трубы Q = G∙ζ. Тогда суммарное гидравлическое сопротивление по пару и жидкости:

(9.10)

где ζ - теплота фазового перехода.

При работе в поле сил тяжести ∆р_м = g∙ρ'∙L∙sinφ (где φ - угол наклона ТТ к горизонту.

Тогда с учетом (9.1) из уравнения (9.10) получим выражение для тепловой мощности:

(9.11)

Это выражение характеризует максимальный тепловой поток, ограниченный капиллярными или гравитационными силами.

Пусть ТТ расположена горизонтально (φ = 0). Будем считать, что ∆р_ж^тр >> ∆р_п^тр, тогда для Q_T имеем:

(9.12)

Комплекс (9.13)

характеризует геометрические параметры ТТ,

а - физические свойства теплоносителя (9.14)

Процесс передачи теплоты Q от наружной поверхности испарителя к наружной поверхности конденсатора осуществляется в зоне испарения и зоне конденсации.

В зоне испарения теплота Q передается от наружной поверхности стенки ТТ с температурой t_и через стенку корпуса и фитиль теплопроводностью:

(9.15)

где F_и - площадь поверхности зоны испарения; δ_ф.и - толщина фитиля в зоне испарения; t_п - температура пара внутри тепловой трубы.

Аналогично для зоны конденсации получим:

(9.16)

где F_к - площадь поверхности зоны конденсации; δ_ф.k - толщина фитиля в зоне конденсации; t_к – температура наружной поверхности стенки в зоне конденсации.

Если δ_ф.и = δ_ф.k = δ_ф, совместное решение уравнений для зон испарения и конденсации получит вид:

(9.16)

где

По уравнению можно найти тепловую нагрузку ТТ при известном перепаде температур (t_и – t_к), размерах и форме ТТ. Но в этих уравнениях не учитывается гидравлическое сопротивление при движении жидкости по фитилю ТТ и потока пара внутри трубы, определяемое соотношением (9.10). Поэтому после определения передаваемой ТТ теплоты необходимо найти значения максимальной теплопередающей способности ТТ по уравнению (9.11) и эти значения сравнить. ТТ будет передавать требуемое количество теплоты Q, если Q<Q_Г.

Верхний предел теплопередающей способности ТТ может ограничиваться следующими факторами: предельной скоростью движения пара, когда на выходе из зоны испарения скорость пара становится равной скорости звука; капиллярной структурой, так как суммарные гидравлические потери при движении жидкости и пара внутри ТТ не должны превышать капиллярного напора, создаваемого пористым телом; ограничениями, связанными с кризисом кипения жидкости в пористом материале; ограничениями, связанными с замерзанием теплоносителя внутри ТТ.

ГЛАВА 10. ТЕРМОСИФОНЫ

Термосифоны представляют собой герметически замкнутый объем, часть которого заполнена жидким теплоносителем. Часто называют в технике трубами Перкинса. Тепловой поток плотностью q подводится к нижней части термосифона, а отводится от верхней (рис. 10.1).

Рисунок 10.1 - Схемы работы термосифонов

При подводе теплоты к жидкому теплоносителю в зоне нагревания происходит процесс испарения или кипения жидкости; образующиеся пары поднимаются вверх и конденсируются на внутренней стенке тепловода. Образовавшийся конденсат стекает в зону нагревания за счет сил гравитации.

В зависимости от геометрии термосифонной трубы различают термосифоны цилиндрические и плоские, а в зависимости от места подвода теплоты к испарителю - термосифоны с торцевым и боковым подводом.

Механизм физических процессов, происходящих во внутренней полости термосифонного элемента, меняется в зависимости от конструкции термосифона и условий подвода теплоты в зоне испарения и кипения и отвода теплоты в зоне конденсации. Возврат рабочей жидкости из конденсатора в испаритель за счет сил гравитации и перенос пара из зоны испарения в зону конденсации при больших длинах тепловода сильно влияет на теплопередающую способность термосифона. Остальные процессы - кипение и конденсация - различны в зависимости от ориентации поверхности, на которой они протекают.

Для области кипения увеличение числа центров парообразования определяет высокое значение коэффициента теплоотдачи а в зоне нагрева.

В случае наличия в термосифоне нейтрального газа в зоне нагрева могут образовываться снаряды пара, которые могут выбрасываться в зону конденсации вместе с нейтральным газом, в результате происходит перемешивание и снижается интенсивность конденсации.

Коэффициент теплоотдачи в зоне конденсации может быть определен критериальным уравнением для конденсации пара при стекании конденсата по плоской стенке.

Наиболее распространены термосифоны с боковым подводом теплоты. В зависимости от количества залитого теплоносителя в зоне подвода теплоты, теплового потока на стенке и диаметра термосифона могут осуществляться два режима работы:

1. Режим стекающей пленки. Количество залитого теплоносителя находится в полном соответствии с передаваемым тепловым потоком - пленка жидкости покрывает при работе только внутреннюю поверхность термосифона. Избыток жидкости в нижней части тепловода отсутствует.

2. Режим двухфазной среды. Уровень заливки может колебаться в пределах 0,3-0,8. Режим имеет качественное различие в термосифонах различной геометрии. В термосифонах относительно малого диаметра перемещение паровой фазы из зоны нагревания в зону конденсации осуществляется в виде «снарядов», в термосифонах с большим диаметром происходит всплытие отдельных пузырьков пара без объединения их в паровые пробки - барботажный режим.

Тепловой поток, передаваемый термосифоном от наружной стенки термосифона с температурой t_H к наружной стенке конденсатора t_K. При заданных температурах жидкости и пара, известной толщине стенки термосифона δ и ее теплопроводности λ для установившегося режима запишем систему уравнений:

(10.1)

(10.2)

(10.3)

(10.4)

где К_И и F_K - площади поверхностей теплообмена в зоне испарения и конденсации; α_и и α_к - коэффициенты теплоотдачи в этих зонах; t_s - температура насыщения.

Температурные напоры в каждом слое:

(10.5)

Сложив левые и правые части уравнений и учтя, что t_s = t_п, получим:

(10.6)

Величина δ/λF_И +1/α_иF_И +1/α_кF_к + α/λF_к является полным термическим сопротивлением термосифона. Для расчета теплового потока по уравнению (10.6) необходимо знать α_и и α_к. Они могут быть определены экспериментально для конкретного теплоносителя. При развитом процессе кипения α_и в среднем на 30 % выше, чем для аналогичных условий при кипении в большом объеме.

Конденсатоотводчики

Простейшим конденсатоотводчиком является подпорная шайба. Идея применения подпорной шайбы в качестве конденсатоотводчика основана на том, что расход пара и воды через диафрагму определяется по известной из гидродинамики формуле:

, (11.1)

где G - пропускная способность диафрагмы, соответствующая расходу пара в пароприемнике при его нормальном режиме работы, кг/ч; μ - коэффициент расхода, зависящий от профиля отверстия диафрагмы, определяемый экспериментально; обычно он имеет значение от 0,65 до 0,85; d - внутренний диаметр шайбы для прохода пара или конденсата, мм; ∆р - разность давлений до и после диафрагмы, Па; ρ - плотность пара или воды перед шайбой, кг/м³.

Формула (11.1) пригодна для определения производительности подпорной шайбы только для однофазного вещества, т. е. для пара или воды.

На рис. 11.1 показана двойная шайба, получившая применение на автозаводе имени Лихачева.

Рисунок 11.1 - Устройство подпорной шайбы со вставным ниппелем

1 - подпорная шайба со вставным ниппелем и отверстием; 2 - дренажная труба;
3 - патрубок для отбора проб конденсата

Термостатические конденсатоотводчики.Примером термостатического конденсатоотводчика, работа которого основана на некотором переохлаждении конденсата в нем, может служить конструкция сильфонного конденсатоотводчика периодического действия (рис. 11.2).

Герметичная сильфонная гармоника 1 заполнена легкокипящей жидкостью. Если конденсатоотводчик заполнен паром, то жидкость внутри сильфона частично испаряется; вследствие увеличения внутреннего давления сильфон стремится растянуться и клапан 2 закрывает выпускное отверстие 3. Конденсатоотводчик постепенно заполняется конденсатом, который вследствие потери тепла через стенки прибора охлаждается ниже температуры пара, поступающего в конденсатоотводчик. При этом сильфон сжимается, а клапан поднимается и открывается отверстие для выпуска конденсата.

Рисунок 11.2 - Термостатический конденсатоотводчик с сильфоном

Поплавковые конденсатоотводчики. Конденсатоотводчик с закрытым поплавком показан на рисунок 11.3. Когда конденсатоотводчик заполнится конденсатом на ²/₃ своего объема, то поплавок 1 всплывает и при помощи рычага 2 открывает клапан 4, выпуская конденсат в конденсатопровод.