главная > инфо > каталог статей > теплообмен. немного теории

Процесс перемещения тепловой энергии в окружающем нас мире происходит непрерывно и повсеместно. Благодаря разнице температур, тепло покидает более теплую среду или тело и передается более холодной среде. Это явление имеет место до тех пор, пока не установиться температурное равновесие. Ряд физических законов описывает процесс. Теория передачи тепла или теплообмена от одной среде к другой строится на нескольких основных положениях:

• Тепло всегда передается в одном направлении — от горячего тела к холодному.
• Между телами или средами всегда должна существовать разница температур.
• Количество тепла переданного от горячей стороны, всегда равно количеству тепла полученного холодной стороной, за минусом потерь во внешнюю среду.

ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА

Разрешите уточнить или напомнить, что тепло может передаваться тремя способами.

Конвекция

• Тепловая энергия передается посредством контакта части одной среды с другой.
• Существуют два вида конвекции :

1. естественная (свободная), при которой движение сред происходит за счет разностей температур и плотностей и происходит до полного выравнивания значений этих параметров в процессе теплообмена;
2. принудительная (вынужденная), при которой движение среды целиком или частично зависит от воздействия внешних факторов. Как пример можно рассмотреть работу насоса перекачивающего жидкость

Излучение

• При теплообмене излучением , энергия передается с помощью электромагнитного излучения. Примером может послужить процесс нагрева потоком солнечных лучей поверхности земли.

Кондукция

• Процесс теплопередачи происходит в твердом теле.

Здесь, на этой странице, нас больше интересует процесс конвекции, и то как он применим в специальном инженерном оборудовании. В частности в теплообменных аппаратах используемых в системах теплоснабжения, отопления, горячего водоснабжения и различного рода технологических процессах в промышленности.

Существует несколько типов теплообменных аппаратов. Для простоты освещения темы мы будем рассматривать пластинчатые теплообменники (паянные или разборные), как наиболее часто применяемые. Процесс теплообмена в них происходит через стенку разделяющую две среды, нагревающую и нагреваемую. Пластинчатый теплообменник состоит из рамы и набора пластин, которые и являются теплопередающими поверхностями. Все производители такого оборудования стараются сделать толщину пластин, как можно тоньше, что позволяет обеспечить оптимальную теплопередачу. Практически все пластинчатые теплообменники работают под давлением, в следствие чего жидкости или газы участвующие в теплообмене находятся в турбулентном состоянии, а высокая турбулентность течения среды создает отличные условия для более интенсивной конвекции и более эффективной теплопередачи.

Методы расчета

Существуют шесть важных параметров, которые необходимо знать для того, что бы решить задачу теплообмена.

1. Количество тепла , которое необходимо передать (мощность или тепловая нагрузка)
2. Температура на входе и выходе с обоих сторон теплообменника (нагреваемой и нагревающей)
3. Максимально допустимые потери напора по обоим сторонам (горячей и холодной) теплообменника
4. Максимальная рабочая температура
5. Максимальное рабочее давление
6. Расход рабочих сред

 

• Существует специальный термин — «Температурная Программа«, который описывает характер изменения температур обоих сред участвующих в процессе теплообмена и значения температур на входе и выходе из теплообменника

1. Т1 = Температура на входе (горячая сторона)
2. Т2 = Температура на выходе (горячая сторона)
3. Т3 = Температура на входе (холодная сторона)
4. Т4 = Температура на выходе (холодная сторона)

• Если известны расход среды, удельная теплоемкость и разность температур, можно вычислить величину тепловой нагрузки.

Если с разницей температур горячей (греющей) и холодной (нагреваемой) сторон все понятно, то на остальных терминах и понятиях можно остановиться по подробнее.

• Тепловая нагрузка - если не учитывать потери тепла в окружающее пространство (ими возможно принебречь в виду их ничтожно малых величин), то правомерно утверждать , что количество тепла отданное горячей стороной теплообменника, равно количеству тепла полученному холодной стороной. Тепловая нагрузка или мощность теплообменника (Р) выражается в кВт или в ккал/ч.

• Средний логарифмический температурный напор (LMTD) - является эффективной движущей силой процесса теплообмена.

• Плотность - является масса единицы объема массы среды и выражается кг/м3 или г/дм3

• Удельная теплоемкость - представляет собой количество энергии, необходимой для повышения температуры 1 кг вещества на 1 гр.С при заданной температуре. Удельная теплоемкость воды при температуре 20 гр.С составляет 4,182 кДж/(кг х гр.С) или 1,0 ккал/(кг х гр. С)

• Вязкость - является мерой текучести вещества . Чем ниже вязкость, тем выше текучесть вещества. Данный параметр измеряется в сантипуазах (сП) или в сантистоксах (сСт)

• Расход - может выражаться с использованием двух терминов : массы и объема . Существует массовый расход, выражающийся в кг/с или кг/ч. Когда используется объемный расход , то он выражается в м3/ч или л/мин. Для того , что бы перевести объемный расход в массовый , надо величину объемного расхода умножить на плотность среды.

• Потери напора - величина от которой зависит размер подбираемого теплообменника. При возможности увеличить допустимую потерю давления, можно будет использовать более компактный и следовательно менее дорогой теплообменный аппарат. Для пластинчатых теплообменников рабочими средами которых являются вода/вода , величина потери давления лежит в диапазоне 20 — 100 кПа.

• Коэффициент теплопередачи - является мерой сопротивления тепловому потоку, вызываемого такими факторами , как материал пластин, количество отложений на пластинах, свойства жидкостей и тип теплообменника. Эта величина выражается в Вт/(м2 х гр.С) или ккал/(ч х м2 х гр.С)

• Термическая (тепловая) длина - термическая длина канала или , так называемый, тетра-параметр являющийся безразмерной величиной, которая характеризует соотношение между разницей температур (бt) на одной стороне теплообменника и его LMTD.

Величина тепловой нагрузки может быть получена при рассмотрении следующих ниже формул.

• На выбор теплообменника может повлиять каждый параметр указанный в этих формулах. Выбор материалов практически не влияет на эффективность процесса теплопередачи.
• Коэффициенты теплоотдачи (а1 и а2) и коэффициент загрязнения ( R f) , как правило, очень малы, это объясняется высокой степенью турбулентности течения среды в обоих контурах теплообменника. Этому же факту обязано высокое значение расчетного коэффициента теплопередачи (k), которое при благоприятных условиях лежит в пределах 8000 Вт/ ( м2 х гр.С) для пластинчатых теплообменников и 2500-3000 Вт/ ( м2 х гр.С) для кожухотрубных теплообменников.
• Важным фактором для минимизации стоимости теплообменника, являются два параметра :

1. Потери напора. Чем выше допустимая величина потери напора, тем меньше габаритные размеры теплообменника.
2. LMTD. Чем выше разность температур жидкостей в первом и втором контурах теплообменника , тем меньше его габаритные размеры.

Конструкционные материалы

В большенстве своем, все производители пластинчатых теплообменников используют в качестве материала пластин высококачественную нержавеющую сталь марки AISI 316. Если содержание соединений хлора не требует применять сталь этой марки, то применяется сталь AISI 304. Если теплообменник работает с морской водой или соляными растворами, то в качестве материала пластин применяется титан.

Ограничение по давлению и температуре

Стоимость теплообменного аппарата зависит от максимально допустимых значений давления и температуры. Это означает , что чем ниже максимально допустимые значения рабочего давления и темпратуры, тем ниже стоимость теплообменника.

Загрязнения и коэффициенты загрязнения

Допустимое загрязнение может быть учтено через расчетный запас (м), и быть выражено в дополнительной поверхности теплообмена. Для пластинчатого теплообменника работающего в режиме вода / вода значение расчетного запаса составляет от 0 до 15 % ( в зависимости от качества воды ).

главная > инфо > каталог статей > теплообмен. немного теории