Спиральный теплообменник

Введение 
 

      Процессы  теплообмена играют важную роль в  современной технике. Они применяются  всюду, где возникает необходимость  нагрева или охлаждения среды  для ее обработки и для утилизации тепла. Особенно широко процессы теплообмена используют в химической, нефтеперерабатывающей, энергетической, металлургической и пищевой промышленности. В химической промышленности теплообменное оборудование составляет по весу и стоимости  15 – 18 % от всего оборудования, а в нефтеперерабатывающей - до 50 %.

      Теплообменными  аппаратами называют устройства, предназначенные  для передачи тепла от одного теплоносителя  к другому, а также осуществления  различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, кипения, конденсации.

      Теплообменные аппараты классифицируют по различным  признакам. Например, по способу передачи тепла их можно разделить на две  группы: поверхностные и смешения. Требования к промышленным теплообменным  аппаратам в зависимости от конкретных условий применения весьма разнообразны. Основными требованиями являются:

      - обеспечение наиболее высокого  коэффициента теплопередачи при  возможно меньшем гидравлическом  сопротивлении; 

      -  компактность и наименьший расход  материалов;

      - надежность и герметичность в  сочетании с разборностью  и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки ее от загрязнений;

      - унификация узлов и деталей;  технологичность механизированного  изготовления широких рядов поверхностей  теплообмена для различного диапазона  рабочих температур, давлений.

      При создании новых, более эффективных  теплообменных аппаратов стремятся:

      а) уменьшить удельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемой  при работе энергии по сравнению  с теми же показателями существующих теплообменников. Удельными затратами для теплообменных аппаратов называются затраты, отнесенные к тепловой производительности в заданных условиях;

      б) повысить интенсивность и эффективность  работы аппарата. Интенсивностью процесса или удельной тепловой производительностью  теплообменного аппарата называется количество тепла  передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме. [3, с 10]     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Литературный  обзор

1.1 Описание  сущности и теоретических основ  процесса 

         Перенос энергии в форме тепла,  происходящей между телами, имеющую  различную температуру, называется  теплообменом. Движущей силой любого  процесса теплообмена является  разность температур более нагретого  и менее нагретого тел, при  наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого – возрастает.

          Тела, участвующие в теплообмене,  называются теплоносителями.

          Теплопередача – наука о процессах   распространения тепла. Законы  теплопередачи служат в основе тепловых процессов – нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания – и имеют большое значение для проведения многих массообменных             (процессы перегонки, сушки), а также химических  процессов, протекающих с подводом или отводом тепла.   Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводимость,  конвекцию и тепловое    излучение.        

           Теплопроводность - представляет собой  перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

      Конвенцией  -  называется  перенос    тепла    вследствие    движения  и      перемешивания  макроскопических объемов газа или  жидкости.   

     Перенос  тепла  возможен  в  условиях  естественной,  или  свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае, перемешивания, ее мешалкой.

     Тепловое  излучение – это процесс распространения  электромагнитных колебаний с различной  длиной волн, обусловленных тепловым движением атомов или молекул  излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.

     В реальных условиях тепло, передается не каким – либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

     Еще более сложным является процесс  передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность  или твердую стенку. Этот процесс  носит название теплопередачи.

     В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводимость и теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим обычно является один из видов распространения тепла. 

     В непрерывно действующих аппаратах  температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена.

     Расчет  теплообменной аппаратуры включает:

     а)  Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), тоесть, количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек или за 1 час, в периодически действующих – за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

     б) Определение поверхности теплообмена  F аппарата обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла - теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.[4, с 261] 
 

1.1.1 Тепловой  баланс 

     При теплообмене теплота, отдаваемая более  нагретым теплоносителем (Q₁), затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя (Q₂). Пренебрегая потерями теплоты, уравнение теплового баланса можно записать в виде:  
 

                                                           ,                                       (1.1) 
 

где  Q₁– нагретый теплоноситель,   Вт;

        Q₂ – холодный теплоноситель, Вт;

        Q - тепловая нагрузка аппарата, Вт. 

      Пусть расход более нагретого теплоносителя  G₁, его энтальпия на входе в аппарат I _1н и на выходе из аппарата I _1к , а для более холодного теплоносителя - G₂, его начальная энтальпия    I _2н и конечная энтальпия I _2к. Тогда уравнение теплового баланса примет вид: 
 

где G₁ – массовый расход нагретого теплоносителя, кг/с;

       G₂  – массовый расход холодного теплоносителя, кг/с;

     I _1н - энтальпия на входе в аппарат, Дж/кг;

        I _1к - энтальпия на выходе из аппарата, Дж/кг;

        I _2н - его начальная энтальпия, Дж/кг;

        I _2к - конечная энтальпия, Дж/кг.  
 
 
 
 

Если  теплообмен протекает без изменения  агрегатного состояния теплоносителей, то энтальпии их равны произведению удельной теплоемкости  с на температуру t: 
 

       ,                                          (1.3) 
 

где  c – удельная теплоемкость, Дж /(кг∙К); 

        t – температура теплоносителя, ⁰С. 

      Удельная  теплоемкость  - это количество теплоты, сообщаемое единице вещества для  изменения его температуры на 1 К.

      Тогда уравнение теплового баланса: 

где с₁ и с₂ – средние удельные теплоемкости нагретого и холодного теплоносителя,

                      Дж /(кг∙К);  

   t_н и t_к – начальная и конечная температуры теплоносителя. 

     Если  теплообмен осуществляется при изменении  агрегатного состояния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости), то в тепловом балансе должны быть учтены тепловые эффекты, сопровождающие процесс.

     Например, при конденсации насыщенного  пара, являющегося греющим агентом, величина I _1н в уравнении теплового баланса  представляет собой энтальпию удаляемого парового конденсата.

     В случае использования перегретого  пара  и охлаждения конденсата  тепловая нагрузка Q будет представлять собой сумму теплоты Q_пер, отдаваемой при охлаждении  пара от t_п до температуры насыщения  t_нас,  теплоты конденсации Q_конд и теплоты, отдаваемой при охлаждении  конденсата Q_охл , а уравнение теплового баланса примет вид: 
 

где  с_п и c_к - удельные теплоемкости пара и конденсата, Дж /(кг∙К); 

       r - удельная теплота конденсации (испарения), Дж / кг;

       t _охл – температура охлаждения конденсата, К;

       I _1н - энтальпия удаляемого парового конденсата;

      Q_пер – теплота отдаваемая при охлаждении пара;

      Q_конд - теплота конденсации;

      Q_охл – теплота отдаваемая при охлаждении конденсата. 
 
 
 
 
 
 
 

1.1.2 Основное  уравнение теплопередачи 

     В большинстве практических случаев  взаимодействие теплоносителей происходит через некоторую поверхность  раздела, которая в общем случае может рассматриваться как многослойная твердая стенка. Например, в трубчатых теплообменниках теплообмен происходит через стенку трубы и два слоя загрязнений с обеих сторон стенки.

     Этот  вид теплообмена называется теплопередачей. Количество передаваемой теплоты определяется основным уравнением  теплопередачи:   

  где   К – коэффициент теплопередачи,  определяющий среднюю скорость  передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена, Вт/ (м²∙К);

         ∆t_ср – средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К;        

         F – поверхность теплообмена, м²;

         Q – теплой поток, то есть, количество теплоты, передаваемое через поверхность  теплообмена в 1 с, Вт.    

    Коэффициент теплоотдачи К показывает, какое  количество теплоты переходит в  единицу времени от более нагретого  к менее нагретому теплоносителю  через разделяющую их стенку площадью 1м² в течении 1с, при разности температур между теплоносителями 1 К.

    Удельная  тепловая нагрузка  (удельный тепловой поток): 
 

где q – удельная тепловая нагрузка;

       F – поверхность теплообмена, м²;

       Q – теплой поток, Вт.

     [1,с  200] 
 

1.1.3 Температурное  поле и температурный градиент 

     К числу основных задач теории теплообмена  относится установление зависимости  между тепловым потоком  и распределением температур в средах. Как известно, совокупность мгновенных значений любой величины во всех точках данной среды (тела) называется полем этой величины. Соответственно совокупность значений температур в данный момент времени для всех точек рассматриваемой среды называется температурным полем.

     В наиболее общем случае температура  в данной точке t   зависит от координат точки (x,y,z) и изменяется во времени τ, тоесть температурное поле выражается функцией вида 
 

            ,                            (1.8) 
 

     Эта зависимость представляет собой  неустановившего (нестационарного) температурного поля.

     В частном случае температура является функцией только пространственных координат  
 

            ,                          (1.9) 
 

и температурное  поле – установившимся  (стационарным).

     В отличие от температуры, которая  является скаляром, тепловой поток, связанный  с направлением переноса тепла, представляет собой векторную величину.

     Если  рассечь тело плоскостью и соединить  точки, лежащие в этой плоскости и имеющие одинаковые температуры, то получим линии постоянных температур (изотермы). В  пространстве геометрическое место точек с одинаковыми температурами представляет собой изотермическую поверхность. Такие поверхности никогда не пересекаются между собой, так как  в противном случае в точке их пересечения температура в данный момент времени имела бы два различных значения, что невозможно. 

     Кратчайшим  расстоянием между этими поверхностями  является расстояние по нормали ∆n. При сближении указанных поверхностей отношение ∆t/∆l  стремится к пределу 
 

            ,                  (1.10) 
 

     Произвольная  температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным  градиентом. Этот градиент является вектором, направление которого соответствует повышению температуры. Значение температурного градиента определяют наибольшую скорость изменения температуры в данной точке температурного поля.

     Поток тепла может возникнуть только при  условии, что температурный градиент не равен нулю (grad t ≠0). Перемещение тепла всегда происходит по линии температурного градиента, но направлено в сторону, противоположную этому градиенту. Таким образом, перенос тепла происходит в направлении падения температуры и пропорционален температурному градиенту с обратным знаком, т.е. количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени

q ~ (-dt/dn).

1.1.4 Передача  тепла теплопроводностью  Закон  Фурье 

     Закон Фурье. Основным законом передачи тепла  теплопроводностью является закон Фурье. При исследовании передачи теплоты в твердом теле Фурье установил, что количество теплоты, проходящее через тело, пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перпендикулярно направлению распространения потока теплоты.

Рисунок 1 – Теплопередача через плоскую  стенку в координатах t – l 

     Рассмотрим  передачу теплоты через плоскую  стенку толщиной δ. Температуры поверхности  стенки t₁ и t₂. Режим теплоотдачи стационарный, температуры не изменяются во времени.

     Через поверхность F  в перпендикулярном к ней направлении в единицу времени проходит количество теплоты, равное Q. Температура t по направлению теплового потока  уменьшается по толщине dl на величину dt.

           Согласно закону Фурье,  
 

       ,                     (1.11) 
 

где  dt/dl – температурный градиент;

         λ – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности,  Дж/(м∙К). 

  Знак  минус в уравнении  (1.11)  указывает   на то, что тепловой поток перемещается в сторону понижения температуры.

      Коэффициент теплопроводности показывает количество теплоты, проходящее вследствие теплопроводности в единицу времени  через единицу  поверхности теплообмена при  разности температур между стенками 1 К на единицу толщины стенки  [λ] = [ккал/град∙м∙ч]

      Таким образом, 
 

       ,                          (1.12) 

Величина 

                                                            ,                                                  (1.13) 

выражает  тепловую проницаемость. Это количество теплоты, которое проходит через  единицу поверхности  обеих сторон стенки в единицу времени при  разности температур

                              ,                                                   (1.14) 

Обратное значение этой величины 

                                                                 ,                                                (1.15) 
 

называется тепловым или термическим сопротивлением стенки.

      Уравнение теплопроводности плоской стенки при  установившемся тепловом режиме:  
 

             ,                      (1.16) 
 

      Значение  коэффициента теплопроводности λ зависит  от природы вещества и меняется с  температурой, плотностью, влажностью, давлением и структурой. Так, коэффициент теплопроводности газов возрастает с повышением температуры. То же наблюдается и у теплоизоляционных твердых материалов. У чистых металлов коэффициент теплопроводности  уменьшается с ростом температуры, а у жидкостей эта зависимость имеет весьма сложный характер.     

      При обычных температурах и давлениях  лучшими проводниками являются металлы, а худшими – газы.

      Низкая  теплопроводность теплоизоляционных  и многих строительных материалов объясняется  тем, что они имеют пористую структуру, причем в их ячейках заключен воздух, плохо проводящий тепло. Коэффициенты теплопроводности газов возрастают с повышением температуры и незначительно изменяются с изменением давления. Для большинства жидкостей  значение λ, наоборот, уменьшаются при увеличении температуры. Исключение составляет вода, коэффициент теплопроводности которой несколько возрастает  с повышением температуры до 130⁰С и при дальнейшем ее увеличении начинает снижаться. Для большинства металлов коэффициенты теплопроводности уменьшаются с возрастанием температуры. Значения  λ  резко снижаются при наличии в металлах примесей. При  определении количества тепла, передаваемого через слой газа или капельной жидкости вследствие теплопроводности, часто бывает необходимо учитывать влияние так же конвекции и излучения, которые сопутствуют теплопроводности. [1, с 185

1.1.5 Конвекция   Закон Ньютона 

      Конвективный  теплообмен – это теплообмен между  твердым телом и жидкостью (газом), происходящий при их соприкосновении  и одновременном переносе  теплоты путем теплопроводности и конвекции. Такой случай распространения теплоты называется теплоотдачей. Конвективный перенос теплоты связан с движением теплоносителя. Движение среды вызывается разными причинами: вынужденное движение возникает под действием, какого – либо возбудителя (насоса, вентилятора, мешалки), свободное движение – вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц среды, которая обусловлена наличием разности температур. В первом случае это будет вынужденная конвекция, во втором – естественная конвекция.

      Во  всех случаях движение теплоносителя  у твердой стенки образуется тепловой пограничный слой, термическое сопротивление  которого отличается от термического сопротивления свободно движущегося  теплоносителя.

      В настоящее время и в гидродинамике  вязкой жидкости  получила признание  гипотеза о том, что частицы жидкости, непосредственно прилегающие к  твердому телу, адсорбируются им, как  бы прилипают к его поверхности, т.е. скорость потока равна скорости тела  (а если тело неподвижно, то нулю). Этот слой «прилипшей» жидкости (гидродинамический пограничный слой) нужно рассматривать, как бесконечно тонкий слой.

      Гидродинамический и тепловой пограничные слои геометрически  не совпадают.

      В основной массе теплоносителя (ядре потока) решающая роль при переносе теплоты  принадлежит турбулентным пульсациям. Благодаря им температура в ядре потока практически постоянна (выравнивается до некоторого среднего значения).

      Резко изменение температуры  наблюдается  лишь в пограничном слое. Здесь турбулентные пульсации затухают, и решающее влияние на теплообмен оказывает передача теплоты  теплопроводностью, а в непосредственной близости от стенки перенос теплоты осуществляется только теплопроводностью.

      Понятия «толщина пограничного слоя» и «внешняя граница пограничного слоя» довольно условны, так как резкого перехода от пограничного слоя  к течению вне слоя нет.

      Для интенсификации конвективного теплообмена  желательно, чтобы тепловой пограничный  слой был, возможно тоньше. С развитием турбулентности потока пограничный слой становится настолько тонким, что теплообмен осуществляется исключительно конвекцией.

      Основным  законом теплоотдачи является закон  охлаждения Ньютона, согласно которому количество теплоты Q, переданное или (полученное) от теплообменной поверхности к окружающей среде, прямо пропорционально поверхности теплообмена F, разности температуры поверхности t_cт и температуры окружающей среды t₁, а также времени τ, в течении которого идет теплообмен:  
 

             ,                                (1.17) 
 

где  α – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м²∙К);

        t_cт  - t₁ – разности температуры поверхности и окружающей среды. 

      Коэффициентом теплоотдачи  α определяет количество теплоты (в Дж), которое передается  от 1м² теплообменной поверхности к жидкости (или от жидкости к 1 м² теплообменной поверхности) в течении 1 с при разности температур между теплообменной поверхностью и жидкостью 1 К;