1. Приборы для измерения и контроля параметров рабочего
тела
2. Дросселирование
3. Теплоотдача в трубах
4. Высокотемпературные органические теплоносители.
ТОПОЧНЫЕ ГАЗЫ
5. Материалы, применяемые для изготовления
теплообменников
ВОПРОС №1
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА
Измерение давления
Классификация приборов измерения давления и их основные технические
характеристики Приборы для измерения давления могут классифицироваться по
следующим характеристикам: виду измеряемого давления; принципу действия;
назначению; классу точности. По виду измеряемого давления приборы
подразделяются на следующие: манометры; вакуумметры; мановакуумметры;
напоромеры; тягомеры; тягонапоромеры; дифманометры; микроманометры; барометры.
Согласно ГОСТ 8.271-77 манометр — это измерительный прибор или измерительная
установка для измерения давления или разности давлений. Для измерения
абсолютного давления, т.е. такого, которое счи-тывается от абсолютного нуля,
выпускаются манометры абсолютного давления; для измерения избыточного —
манометры избыточного давления, и наиболее часто «по умолчанию» эти разновидности
приборов называют манометрами. Большинство выпускаемых манометров применяются
для измерения избыточного давления. Их отличительным признаком является
показание «нуля» прибора при воздействии на чувствительный элемент
атмосферного давления. Измерение давления разреженного газа производят
вакуумметрами. Соответственно вакуумметр — это манометр для измерения давления
разреженного газа . Манометр, имеющий возможность измерять давление разреженного
газа и избыточное давление (у прибора единая шкала), называют мановакуумметром.
Измерение малых значений (до 40 кПа) избыточного давления производится
напоромерами, хотя такое название, как и такое подразделение по виду
измеряемого давления (для малых значений), за рубежом отсутствует. Тягомеры
используются для измерения малого (до -40 кПа) вакуумметрического давления.
Приборы, имеющие часть шкалы вакуумметрического, а часть избыточного давления в
пределах ±20 кПа, называются тягонапоромерами. Европейские стандарты (EN837-1,
EN837-2 и EN837-3 ) такое разделение производят по виду чувствительного
элемента: трубчатый (Bourdon tube — Rohrfedern), мембранный — мембранная коробка
— капсула (Diaphragm — Plattenfeder или Capsule — Кар-selfeder). Приборы,
предназначенные для измерения разности давлений в двух произвольных точках,
именуют дифференциальными манометрами (дифманометрами). Причем это название в
большей степени применимо для показывающих приборов. Устройство измерения
дифференциального давления с унифицированным выходным сигналом называют
измерительным преобразователем разности давлений . Дифманометр, функционально
обеспечивающий измерение малых значений разности двух давлений и имеющий
верхний предел измерения не более 40 кПа (4000 кгс/м ), называют микроманометром.
Контроль и измерение атмосферного давления производят барометрами. В
дальнейшем для упрощения изложения материала в непринципиальных моментах
манометры, вакуумметры, мановакууммет-ры, напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры
объединены под названием манометры или манометрические приборы. По принципу
действия основную группу приборов для измерения давлений можно подразделить на
следующие: жидкостные; деформационные (пружинные); грузопоршневые;
электрические и др. К жидкостным относятся манометры, принцип действия которых
основан на уравновешивании измеряемого давления или разности давлений
давлением столба жидкости . К таким манометрам относятся U-образные манометры,
состоящие из сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление определяют по
одному или нескольким уровням жидкости. В деформационных манометрах от
измеряемого давления зависит степень деформации чувствительного элемента или
развиваемой им силы. В состав деформационных входит трубчато-пружинный
манометр, в котором чувствительным элементом является трубчатая пружина.
Сильфонный функционирует на основе сильфона, мембранный — на основе мембраны
или мембранной коробки. Манометр с вялой мембраной, в котором измеряемое давление
воспринимается вялой мембраной и преобразуется в силу, уравновешиваемую
дополнительным устройством, также относится к деформационным. В грузопоршневых
приборах, имеющих в большинстве случаев в качестве рабочего тела жидкость и
часто называемых жидкостными, измеряемое давление уравновешивается давлением,
создаваемым массой поршня с грузоприемным устройством, и массой грузов с
учетом сил жидкостного трения. Электрические манометры функционируют по
принципу зависимости одного из электрических параметров чувствительного
элемента первичного преобразователя от давления. По назначению манометры
подразделяются на следующие: общепромышленные, имеющие также название общетехнических
или рабочих; эталонные, включающие государственный первичный, рабочие и
другие эталоны. Общепромышленные манометры предназначены для измерения давления
непосредственно в ходе производственных процессов в рабочих точках
промышленного оборудования. Эталонные приборы используются для хранения и
передачи размера единиц давления в целях единообразия, достоверности и
обеспечения высокой точности его измерений. В целях упорядочения отечественной
метрологической терминологии и приближения ее к международной в нашей стране
термин образцовое средство измерений заменен на термин рабочий эталон .
Рабочие эталоны подразделяют на разряды (1,2, 3-й), как это было принято для
образцовых средств . В промышленности встречаются контрольные манометры, которые
применяются для контроля правильности показаний технических манометров в
местах их установки. Термин «контрольные» специфичен для промышленных условий и
не имеет места в законодательной метрологии настоящего времени, но широко
использовался ранее. Вместо него сейчас используют термин «манометры
повышенной точности». По защищенности от воздействия окружающей среды приборы,
согласно ГОСТ 12997-84, подразделяют на следующие исполнения: обыкновенное;
защищенное от попадания внутрь изделия твердых тел (пыли); защищенные от
попадания внутрь изделия воды; защищенные от агрессивной среды; взрывозащищенные;
защищенные от других внешних воздействий. Несколько видов защиты может
сочетаться в одном изделии. Изготавливаемые приборы должны быть устойчивыми и
(или) прочными к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха в
диапазонах параметров, указанных в табл. Приборы должны быть устойчивыми и
(или) прочными к воздействию синусоидальных вибраций высокой частоты с параметрами,
по группе исполнения выбираемыми из табл. Общетехнические манометры
конструктивно предусматривают устойчивость к вибрациям с частотой 10—-55 Гц и
амплитудой смещения до 0,15 мм. Система кодификации по защите приборов от
попадания внутрь изделия твердых тел (пыли), а также воды устанавливается ГОСТ
14254-96 . Для такой кодификации применяется обозначение «IР».
Измерение температуры
Температуру измеряют с помощью устройств, использующих
различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют
десятки различных устройств, применяемых в промышленности, при научных
исследованиях и для специальных целей. В табл. приведены наиболее
распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их
применения.
До последнего времени узаконенных терминов и их определении
для устройств измерения температуры не существовало. Только в июле 1968 г. был
введен в действие новый ГОСТ 13417—67, устанавливающий такие понятия. Приведем
некоторые из них.Практические пределы применения наиболее распространенных
устройств для промышленных измерении температур
|
Термометрическое свойство
|
Наименование устройства
|
Пределы длительного применения, °С
|
|
нижний
|
верхний
|
|
Тепловое расширение
|
Жидкостные стеклянные термометры
|
-190
|
600
|
|
Изменение давления
|
Манометрические термометры
|
-160
|
600
|
|
Изменение электрического
сопротивления
|
Электрические
термометры сопротивления
|
-200
|
500
|
|
Полупроводниковые термометры
сопротивления (термисторы, терморезисторы)
|
-90
|
+ 180
|
|
Термоэлектрические эффекты (термо-э.д.с.)
|
Термоэлектрические термометры
(термопары) стандартизованные
|
-50
|
1600
|
|
Термоэлектрические
термометры (термопары) специальные
|
1300
|
2500
|
|
Тепловое излучение
|
Оптические пирометры
|
700
|
6000
|
|
Радиационные пирометры
|
20
|
3000
|
|
Фотоэлектрические
пирометры
|
600
|
4000
|
|
Цветовые пирометры
|
1400
|
2800
|
Термометром называют устройство (прибор), служащее для
измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал,
являющийся известной функцией температуры.Чувствительным элементом термометра
называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии
для получения информации о температуре.Различают термометры контактные и
бесконтактные. Чувствительный элемент контактного термометра входит в
непосредственное соприкосновение с измеряемой средой. Пирометром называют
бесконтактный термометр, действие которого основано на использовании теплового
излучения нагретых тел.Термокомплектом называют измерительную установку, состоящую
из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора,
преобразующего выходной сигнал термометра в численную величину.
ВОПРОС №2 Дросселирование
Если в трубопроводе на пути движения газа или пара встречается
местное сужение проходного сечения, то вследствие сопротивлений, возникающих
при таком сужении, давление р2 за местом сужения всегда меньше давления р1
перед ним (рис 2). Это явление, при котором пар или газ переходит с высокого
давления на низкое без совершения внешней работы и без подвода или отвода
теплоты, называется адиабатным дросселированием, или м я т и е м (также
редуцированием, или торможением).
Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления,
уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирование газа или
пара и, следовательно, падение давления. Иногда дросселирование специально
вводится в цикл работы той или иной машины: например, путем дросселирования
пара перед входом в паровые турбины регулируют их мощность. Аналогичный процесс
осуществляется и в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, где мощность
регулируется изменением положения дроссельной заслонки карбюратора.
Дросселирование газов и паров используют для понижения их
давления в специальных редукционных клапанах, широко применяемых в системах
тепло - и парогазоснабжения различных предприятий, а также и в холодильной
технике для получения низких температур и сжижения газов путем их многократного
дросселирования .
Физическое представление о падении давления за местным сопротивлением,
обусловлено диссипацией (рассеянием) энергии потока, расходуемой на
преодоление этого местного сопротивления.
При дросселировании потеря давления р1 — р2 тем больше, чем
меньше относительная площадь сужения.
Рассмотрим подробнее адиабатное дросселирование. Адиабатным
дросселированием (или мятием) называют необратимый переход рабочего тела от
высокого давления p1 к низкому давлению p2 без теплообмена. При подходе к
диафрагме (рис.1 и рис.2) поток, сужаясь, разгоняется, давление внутри его
уменьшается, а на стенки трубопровода и диафрагмы вследствие торможения газа в
застойной зоне оно несколько повышается. После прохождения отверстия поток,
расширяясь до стенок трубопровода, тормозится, давление
|
Рис 2. Дросселирование газа диафрагмой и характер
изменения давления в процессе
|
|
|
Рис 1. Измерительная диафрагма.
|
|
газа при этом возрастает. Однако давление p2 в сечении II
после диафрагмы оказывается меньше давления p1 в сечении I перед диафрагмой.
Снижение давления является следствием потерь на трение и вихреобразование,
вызванное разностью давлений у стенок диафрагмы и в потоке. Вследствие этих
потерь процесс дросселирования является необратимым процессом и протекает с
увеличением энтропии. Поток, однако, после прохождения диафрагмы,
стабилизируется и газ течет, заполняя все сечение трубы. Процесс
дросселирования не сопровождается совершением газом полезной работы, т.е. для
такого процесса lтех=0.
Величина снижения давления зависит от природы газа,
параметров его состояния, скорости движения и степени сужения трубопровода.
После дросселирования удельный объем и скорость газа
возрастают (v2 > v1 и w2 > w1), а температура газа в зависимости от его
природы и параметров состояния перед дросселированием может как увеличиваться,
так и уменьшаться, или оставаться неизменной.
Для адиабатного процесса дросселирования справедливо
уравнение
(1)
При неизменном диаметре трубы (А=const) и стационарном
процессе, в котором через любое сечение массовый расход газа G=const, в
соответствии с уравнением неразрывности w/v = G/A = const.
Отсюда следует, что скорость газа возрастает пропорционально увеличению
объема. Однако при таком изменении скорости изменение кинетической энергии
газа в сравнении с величиной его энтальпии оказывается ничтожно малым.
Таким образом, изменением кинетической энергии газа при
дросселировании можно пренебречь, тогда
i1=i2
, или u1 + p1v1 = u2 + p2v2 . (2)
Данное уравнение является уравнением процесса
дросселирования. Оно позволяет с помощью is- диаграммы по состоянию
рабочего тела до дросселирования находить его состояние после дросселирования
так, как показано на рис.3.
|
Рис 3. is- диаграмма дросселирования
|
|
Изменение энтропии газа (пара) в результате осуществления
этого обратимого процесса (равное изменению энтропии при дросселировании газа
от состояния 1 до состояния 2) определяется следующим соотношением:
(3)
(4)
Из этого уравнения следует, что всегда .
Изменение температуры после дросселирования газа и пара, открытое
Джоулем (1818—1889) и Томсоном (1824—1907) в 1852г., называется
дроссель-эффектом Джоуля—Томсона. Опытами было установлено, что в результате
дросселирования изменяется температура рабочего тела. Изменение температуры при
дросселировании связано с тем, что в каждом реальном газе действуют силы
притяжения и отталкивания между молекулами. При дросселировании происходит
расширение газа, сопровождающееся увеличением расстояния между ними. Все это
приводит к уменьшению внутренней энергии рабочего тела, связанному с затратой
работы, что, в свою очередь, приводит к изменению температуры.
ВОПРОС№3 Теплоотдача в трубах
При гидродинамически стабилизированном ламинарном течении жидкости с
неизменными физическими свойствами
интегрируя, получаем:
Таким образом, при стабилизированной теплоотдаче критерий Нуссельта постоянен и
равен 4,36. Это значение получено при условии qc=const. При tc=const
теория дает, что Nud=3,66. Значения Nu получены для параболического
распределения скоростей. Такое распределение будет иметь место при неизменных
физических параметрах жидкости, в частности при исчезающе малых температурных
напорах, поэтому расхождение полученного результата с опытными данными может
быть очень велико. Кроме того, рассмотренная нами теория не учитывает
теплообмен в начальном участке трубы. Течение и теплообмен у входа в трубу
близки к таким же процессам у продольно омываемой пластины, так как в начале
трубы толщины пограничных слоев малы по сравнению с поперечными размерами
канала. В связи с этим теплоотдача вблизи входа в трубу с достаточной степенью
точности может быть описана уравнениями для продольно-обтекаемой пластины. По
мере удаления от входа ввиду большего влияния стеснения потока закономерности
процесса изменяются. При аналитических расчетах учет переменности физических
параметров в совокупности с учетом других влияющих факторов требует сложной и
трудоемкой работы. Поэтому в настоящее время практические расчеты предпочитают
вести с помощью сравнительно простых эмпирических формул. Рассмотрим результаты
некоторых экспериментальных работ.
Для случая qc=const, проведенной в Энергетическом институте им. Г.
М. Кржижановского, предложена для расчета местных коэффициентов теплоотдачи при
вязкостном течении в начальном тепловом участке следующая формула:
Здесь в качестве определяющего размера принято расстояние рассматриваемого
сечения от начала трубы, а в качестве определяющей температуры — средняя в
данном сечении температура жидкости (значение Рrc(x) выбирается по
местному значению температуры стенки). Согласно формуле (8.4) =сх-0,4,
где с — величина, не зависящая от х. Осредняя коэффициенты теплоотдачи,
получаем, что В
экспериментах теплообмен имел место с начала трубы (теплоотдача измерялась,
начиная с x/d=2), относительная длина трубы составляла /d≤216, где — длина
трубы, a d—внутренний диаметр. Формула (8.4) близка к формуле для
продольно-омываемой пластины. Полагают, что комплекс (x/d)0,1
учитывает влияние кривизны канала и стеснение потока стенками трубы. Если длина
трубы больше длины начального теплового участка и теплообмен имеет место с
начала трубы, средние коэффициенты теплоотдачи при вязкостном течении могут
быть определены по уравнению
Здесь средний коэффициент теплоотдачи отнесен к среднему логарифмическому
температурному напору. Физические свойства жидкости, входящие в и Ре, а также значение μж
выбираются по температуре (*) (значение μс берется по средней
температуре стенки) Определяющим размером, вводимым в и Ре, является внутренний диаметр трубы. Величина представляет собой поправку на
гидродинамические начальный участок, формирующийся одновременно с начальным
термическим участком; поправка может быть вычислена по формуле:
Рис.8.10. Теплоотдача на гидродинамическом начальном участке круглой
трубы при ламинарном течении и tc=const
Определяющие величины те же, что и для критериев и Ре. Если в начале трубы имеется необогреваемый
участок длиной , то
приближенно можно пользоваться формулой (8.5), подставив в выражение (**)
вместо сумму 0+. Если
, то следует принимать = 1. Уравнение (8.5) получено при
и 0,07≤μc/μж≤1500.
Учет влияния вязкости с помощью отношения (μc/μж)-0,14
справедлив для капельных жидкостей и непригоден для газов. Формула (8.5) может
быть использована при постоянной или слабо изменяющейся по длине температуре
стенки. При GrPr≥8×105 имеет место вязкостно-гравитационный
режим. Здесь ; t0
— температура жидкости на входе в трубу; физические параметры, входящие в GrPr,
выбираются по температуре t=0,5(t0+tc).
При вязкостно-гравитационном режиме коэффициенты теплоотдачи больше
определяемых по формулам (8.4) и (8.5). В результате влияния естественной
конвекции коэффициент теплоотдачи при определенных условиях может увеличиться в
5 раз. Учет влияния естественной конвекции при различных положениях трубы в
сочетании с различными условиями ее нагревания и охлаждения является достаточно
трудной задачей. Сравнительно небольшие различия граничных условий часто
приводят к существенно разным результатам экспериментов, что затрудняет
получение обобщенных зависимостей, справедливых для всех случаев
вязкостно-гравитационного режима. Приближенная оценка среднего коэффициента
теплоотдачи при вязкостно-гравитационном режиме может быть произведена по
формуле:
Здесь в виде определяющей принята средняя температура жидкости в трубе.
Определяющим размером является внутренний диаметр трубы. Коэффициент учитывает изменение среднего
коэффициента теплоотдачи по длине трубы. Если . Если
Обширные исследования теплоотдачи при вязкостном и вязкостно-гравитационном
режимах были проведены Б. С. Петуховым, Е. А. Краснощековым, Л. Д. Нольде и др.
В экспериментах, проведенных с водой при qc=const, получено, что
вследствие свободной конвекции температура стенки горизонтальной трубы может
существенно изменяться по периметру; в условиях нагрева жидкости на верхней
образующей она значительно выше, чем на нижней.
Теплоотдача при турбулентном режиме
Примем для течения в трубе, что ω0= и t0=, где и —
соответственно средние по сечению скорость и температура жидкости. При
безотрывном течении, когда гидравлическое сопротивление определяется силами
трения, величину sc можно найти, зная коэффициент гидравлического
сопротивления ξ для стабилизированного течения. Разность давления в
двух поперечных сечениях трубы 1 и 2 Δр = =p1—Р2
(рис. 8.11) при стабилизированном течении идет на преодоление трения на стенках
(в начальном участке еще дополнительно на перестройку потока).
Рис. 8.11.
Тогда
где ƒ - площадь поперечного сечения трубы; F — поверхность трубы между
сечениями 1 и 2. Согласно закону Дарси
Выражение (8.7) получается для круглой трубы.
Напомним, что число Стантона St можно представить следующим образом:
Если Pr=1, то вместо (8.8) имеем выражение (8.9). Б. С. Петуховым и В. В.
Кирилловым была предложена формула (8.10), где несколько уточнены постоянные,
входящие в уравнение. Здесь =
(μж/μс)n; n=0,11 при нагревании
капельной жидкости и n=0,25 при ее охлаждении [при расчете теплоотдачи по
формуле (8.10) коэффициент гидравлического сопротивления трения ξ
рекомендуется определять по уравнению Г К. Филоненко ]. Формула (8.10) дает значения коэффициентов
теплоотдачи при стабилизированном теплообмене. За определяющую приняты либо
средняя по сечению (при расчете местных коэффициентов теплоотдачи), либо
средняя в трубе (при расчете средних коэффициентов теплоотдачи) температура
жидкости. Исключение составляет коэффициент динамической вязкости μс,
выбираемый по температуре стенки. За определяющий размер взят внутренний
диаметр трубы. Формула (8.10) пригодна для расчета теплоотдачи различных
жидкостей при Рr≥0,7.
На основе уравнения (8.9) можно получить расчетную формулу для Pr≥1, если
ввести в (8.9) экспериментально определенную функцию ƒ(Pr)=0,91Pr0,43.
Для определения коэффициента гидравлического сопротивления используем формулу
Тогда, вводя дополнительно поправку = (Prж/Prc)0,25 на
переменность физических свойств капельных жидкостей, получим формулу,
предложенную М. А. Михеевым:
Формула описывает среднюю теплоотдачу в прямых гладких трубах при (/d)>50.
За определяющую здесь принята средняя температура жидкости в трубе, а за
определяющий размер — внутренний диаметр. Число Рrc выбирается по
средней температуре поверхности стенки. Для расчета местных коэффициентов
теплоотдачи при турбулентном течении газа в прямой гладкой трубе А. С.
Сукомелом и др. была получена формула
За определяющую здесь принята средняя в данном сечении температура газа, а за
определяющий размер — внутренний диаметр трубы. Величина является поправкой на изменение
коэффициента теплоотдачи в начальном термическом участке. При (x/d)≥15
имеем ≈1. При
(x/d)<15 и турбулентном течении с самого начала трубы поправочный
коэффициент можно определить
по формуле
Как следует из последнего уравнения, на начальном участке коэффициент
теплоотдачи по мере увеличения х уменьшается. При расчете по формулам (8.10) и
(8.11) средней теплоотдачи коротких труб (/d≤50) полученные
значения необходимо умножить
на поправку , где в
знаменателе — коэффициент теплоотдачи при (/d), стремящемся к
бесконечности [практически (/d)>50 ]. Как отмечалось, длины начальных
гидродинамического и теплового участков зависят от ряда факторов, например, от
числа Рейнольдса, степени турбулентности потока на входе, начального
распределения скорости, тепловых граничных условий и т. п. От этих же факторов
зависят и поправочные коэффициенты и .
Поэтому используемые в настоящее время в расчетной практике значения
поправочных коэффициентов не являются универсальными и отражают специфику
опытных исследований, в результате которых они были получены. Чем меньше /d (или
x/d), тем больше может быть различие поправочных коэффициентов и тем больше
может быть ошибка расчета .Используя уравнение (8.13), для оценки можно получить следующую формулу:
где —
длина участка осреднения, отсчитываемая от входного сечения трубы. Коэффициент
теплоотдачи может зависеть от переменности температуры стенки по длине трубы.
При турбулентном течении неизотермичность поверхности стенки сравнительно слабо
сказывается на теплоотдаче. В случае теплообмена газа при больших температурных
напорах коэффициенты теплоотдачи могут отличаться от вычисленных по уравнениям
(8.10) — (8.12) [на газы поправки типа (Prж/Prc)n
и (μж/μс)n не распространяются].
Изменение теплоотдачи обычно учитывают введением в правую часть уравнений
(8.7)—(8.9) функции ƒ(Θс), где Θс=Tc/Tж;
Тс - средняя или местная температура стенки, К, в зависимости от
того, рассчитывается средний или местный коэффициент теплоотдачи; Tж
— соответственно среднемассовая в трубе или в данном сечении температура газа,
К.
Рис. 8.12. Влияние температурного фактора на местную теплоотдачу при
турбулентном течении в трубе различных газов (x/d=70).
1 — аргон; 2 — воздух: 3 —гелий: 4—водяной пар: 5 — углекислый газ; 6—аммиак; 7
— метан.
На рис. 8.12 представлены некоторые результаты измерения местной теплоотдачи
газа в случае его нагревания (Θс>1) и охлаждения (Θс<1).
При охлаждении одно- и двухатомных газов теплоотдача практически не зависит от
температурного фактора, если физические параметры выбирать по Тж. По
данным эта независимость имеет место до Θс=0,08. Теплоотдача
охлаждаемых многоатомных газов несколько снижается с увеличением температурного
напора. При нагревании газов теплоотдача существенно зависит от Θс
(рис. 8.12).
В заключение отметим, что из уравнений (8.11) и (8.12) следует, что , т. е. при турбулентном течении
коэффициент теплоотдачи зависит от скорости более существенно, чем при
ламинарном режиме. Из уравнения (8.12) следует также, что при (x/d)>15 , т. е. чем меньше диаметр трубы,
тем больше коэффициент теплоотдачи.
8.3.3. Теплоотдача при переходном режиме
При числах Рейнольдса примерно от 2×103 до 104
теплоотдача зависит от очень большого количества факторов, трудно поддающихся
учету. Переходный режим характеризуется перемежаемостью течения
Рис. 8.13. Зависимость коэффициента перемежаемости ω от относительного
расстояния x/d и числа Рейнольдса
На рис. 8.13 для конкретных условий приведена зависимость коэффициента
перемежаемости ω от относительного расстояния от входа в трубу для
различных чисел Рейнольдса. При постоянном числе Рейнольдса коэффициент
перемежаемости возрастает с увеличением расстояния от входа в трубу; коэффициент
перемежаемости возрастает и с увеличением числа Рейнольдса. Таким образом, чем
больше число Рейнольдса, тем на меньшей длине трубы может преобладать
ламинарный режим течения.
В общем случае в начальной части трубы можно выделить пограничный слой с
ламинарным, переходным и турбулентным режимами течения. Переход от ламинарного
течения к турбулентному может происходить в ядре потока и в пограничном слое не
одновременно. Из опытов следует, что при ламинарном течении в пограничном слое
движение в ядре потока может иметь ярко выраженный турбулентный характер. Чем
больше степень турбулентности на входе в трубу, тем меньше длина ламинарного
пограничного слоя.
Наличие наряду с вынужденным свободного движения может существенно изменить
протекание процесса. Сложный характер течения в переходной области чисел
Рейнольдса затрудняет количественное описание процесса теплообмена. Обобщенные
методики расчета теплообмена в переходной области отсутствуют. Приближенная
оценка наибольшего и наименьшего значений коэффициента теплоотдачи может быть
произведена соответственно по формулам для турбулентного и вязкостного течений.
ВОПРОС №4
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛИ. ТОПОЧНЫЕ ГАЗЫ
Дымовые и топочные газы как греющая среда применяются обычно на месте их
получения для непосредственного обогрева промышленных изделий и материалов,
если физико-химические характеристики последних не изменяются при загрязнении
сажей и золой. Достоинством топочных газов является возможность нагрева ими
материалами до весьма высоких температур. К недостаткам можно отнести малую
плотность, малую удельную теплоемкость, низкий коэффициент теплоотдачи.
Высокотемпературные теплоносители (кроме дымовых газов), нашедшие применение в
промышленности для высокотемпературного обогрева включают в себя минеральные
масла, органические соединения, расплавленные металлы и соли, которые должны
обладать следующими свойствами: высокой температурой кипения при атмосферном
давлении, высокой интенсивностью теплообмена, низкой температурой отвердевания,
термической стойкостью, безвредностью, невоспламеняемостью,
взрывобезопасностью, отсутствием токсичности, экономичностью.
Низкотемпературные теплоносители представляют собой вещества, кипящие при
температурах ниже 0оС. Типичными представителями являются аммиак,
двуокись углерода, сернистый ангидрид и большой ряд фреоновых, применяющихся в
качестве хладоагентов в холодильной технике.
Электрическая энергия, хотя и является теплоносителем в обычном смысле этого
слова, а скорее способом обогрева, также нашла широкое применение для
нагревания веществ в технологических процессах.
ВОПРОС №5
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
Пластинчатые теплообменники
В последнее время распространены пластинчатые разборные
теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления,
компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и
очистки от загрязнений.
Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных
резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины
штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,5-0,6 мм). Для увеличения
поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть
пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть
горизонтальными или расположены “в елку” (шаг гофр 10,5; 21,5; 30 мм; высота
4—7 мм).
К пластинам приклеивают или присоединяют (бесклеевая
технология) резиновые уплотнения круглой и специальной формы для герметизации
пластинчатого теплообменника; среды направляют либо вдоль пластины, либо через
отверстие в следующий канал.
Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может
быть осуществлено прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность
теплообмена одного аппарата может быть от 1 до 360 м2, число пластин—от 5 до
603.
В пластинчатых разборных аппаратах температура теплоносителя
не выше 150°С (с учетом свойств резиновой прокладки EPDM), давление не может
превышать 25 кгс/см2.
Витые теплообменники
Поверхность нагрева витых теплообменников компонуется из ряда
концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих
головках. Теплоносители перемещаются по трубному и межтрубному пространствам.
Витые теплообменники распостраненно применяют в аппаратуре высокого давления
для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти
теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для
восприятия деформаций от температурных напряжений.
Спиральные аппараты
В спиральных аппаратах площадь нагрева образуется двумя
тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке
(керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и
прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих
сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного
сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных
аппаратах реализуют разными способами. Наиболее част способ, при котором каждый
канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При
этом избегается смешивание теплоносителей, а в случае неплотности прокладки
наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой вид
уплотнения дает возможность легко ремонтировать каналы.
Если материал уплотнения разрушается одним из теплоносителей,
то один канал заваривают с обеих сторон (“глухой” канал), а другой уплотняют
плоской прокладкой. При этом “глухой" канал недоступен для механической
очистки.
Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных)
каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при
нарушении герметичности) безопасно и не вызывает изменения теплоносителей.
Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее
постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми
силой внутреннего давления к выступам в крышке.
Спиральный теплообменник отличается компактностью, малыми
гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при
повышенных скоростях теплоносителей.
Недостатки спиральных аппаратов — сложность изготовления и
ремонта, сложность применения их при давлении рабочих сред свыше десяти
кгс/см2.
Кожухотрубчатые аппараты
Основными деталями кожухотрубчатых теплообменников являются
пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб закрепляются
в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.
Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью
интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как и трубном, так
и межтрубном пространствах.
Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными,
горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического
процесса или удобства монтажа. В зависимости от значения температурных
удлинений трубок и корпуса используют кожухотрубчатые теплообменники жесткой,
полужесткой и нежесткой конструкции.
Аппараты жесткой конструкции реализуют при сравнительно
небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники
отличаются простотой устройства.
В кожухотрубчатых аппаратах нежесткой конструкции
предусматривается возможность небольшого независимого движения теплообменных
труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных
удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке
или корпусе, пучком U об-разных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и
открытого типа.
В теплообменниках полужесткой конструкции температурные
деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных
компенсаторов, закрепленных па корпусе. Полужесткая конструкция надежно
обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10—15
мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет величину не более
2,5 кгс/см2 .
Двухтрубные аппараты типа “труба в трубе”
Аппараты этого типа состоят из ряда последовательно
соединенных звеньев. Любое звено представляет собой две соосные трубы. Для
удобства очистки и замены внутренние трубы практически всегда соединяют между
собой «калачами» или коленами. Двухтрубные аппараты, имеющие более чем среднюю
поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных
коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его,
обычно, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие аппараты часто изготавливают
как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной
труб, можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене,
необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.
Преимущества двухтрубного аппарата: высокий коэффициент
теплопередачи, широко применим для нагрева или охлаждения сред при высоком
давлении, простота сборки, установки и эксплуатации.
Недостатки двухтрубного аппарата — немалые размеры, немалая
стоимость вследствие большого израсходования металла на наружные трубы, не
участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.
Графитовые аппараты
Эти аппараты составляют обособленную группу. Высокая
коррозионная стойкость и высокая теплопроводность делают графит незаменимым в
некоторых производствах. Промышленностью изготавливаются блочные,
кожухотрубчатые, оросительные аппараты и погружные теплообменные элементы.
Блочный графитовый теплообменник представляет собой один или
несколько прямоугольных или цилиндрических блоков, имеющих две системы
непересекающихся, перпендикулярных отверстий, создающих перекрестную схему
движения теплоносителей. Каждая система отверстий имеет графитовые крышки для
ввода и вывода рабочих сред. На крышки накладывают металлические плиты и систему
стягивают болтами, создавая в графите наименее опасные напряжения сжатия.
Кожухотрубчатый графитовый теплообменник состоит из труб,
трубных решеток и крышек из графита, а также металлического кожуха с
сальниковым уплотнением для компенсации температурных удлинений. Трубы
приклеены к решеткам замазкой “Арзамит”. Уплотняющие прокладки изготовлены из
фторопласта.
Общее число труб:
n = F / d*l
F – поверхность теплообмена; d – диаметр трубы; l – длина
туб.
<Число труб одного хода в трубном пространстве:
n0 = 3,54*10-4(Gmp / d2*b*w) ,
где Gтр – расходтеплоносителя в твубном пространстве; d
-внутренний диаметр трубок; b - плотность теплоносителя ; w – скорость
теплоносителя.
Число ходов в трубном пространстве: z = n/n0.
Элементные (секционные) теплообменники
Эти теплообменники состоят из последовательно соединенных
элементов—секций. Сочетание нескольких элементов с малым числом труб
соответствует принципу многоходового кожухотрубчатого аппарата, работающего на
наиболее выгодной схеме — противоточной. Элементные теплообменники эффективны в
случае, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения
агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении
рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлические сопротивления и
уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с
многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные теплообменники менее
компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата—трубных
решеток, фланцевых соединений, компенсаторов и др. В этом отношении
пластинчатые теплообменники также имеют сильное преимущество. Поверхность
теплообмена одной секции применяемых элементных теплообменников составляет
0,75—30 м2, число трубок — от 4 до 140.
Погружные теплообменники
Теплообменники этого типа состоят из плоских или
цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой
рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой
теплоотдачи снаружи змеевика погружные теплообменники являются недостаточно
эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая
среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также
при необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов
(свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее
приемлема.
Оросительные теплообменники
Оросительные теплообменники представляют собой ряд
расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Трубы
соединяют сваркой или на фланцах при помощи «калачей». Оросительные
теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей
и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через
желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется,
вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в
холодильниках других типов. Оросительные аппараты — довольно громоздкие
аппараты; они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в
изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая
производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред или
необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов
(например, для охлаждения кислот применяют аппараты из кислотоупорного
ферросилида, который плохо обрабатывается).
Ребристые теплообменники
Ребристые аппараты применяют для увеличения теплообменной
площади оребрением с той стороны, которая характеризуется большим термическими
сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например,
при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного
использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой
(отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер.
Ребристые аппараты широко применяют в сушильных установках,
отопительных системах и как экономайзеры.