Нагревающие и охлаждающие агенты

НАГРЕВАЮЩИЕ И ОХЛАЖДАЮЩИЕ АГЕНТЫ Требования предъявляемые к агентам. 1 Должны иметь требуемые физические и тепловые свойства. Например, плотность, вязкость, фазовое состояние, теплоемкость, температуру, давление и т. д. 2 Должны быть доступны и дешёвые. 3 Должны быть физически и химически стабильны. 4 Не должны подвергать коррозии аппаратуру. 5 Взрыво- пожаробезопасны. 6 Не вредны для здоровья. ОХЛАЖДАЮЩИЕ АГЕНТЫ Самый распространенный охлаждающий агент воздух Преимущества: 1 Доступный и дешёвый. 2 Им выгодно охлаждать до 60 0С Недостатки: 1 Низкий коэффициент теплоотдачи (теплообмен только за счет конвекции). 2 Температура его зависит от времени суток, времени года и местности. ОХЛАЖДАЮЩИЕ АГЕНТЫ Следующий по распространенности охлаждающий агент вода Преимущества. 1 Доступная и дешёвая после воздуха. 2 Водой выгодно охлаждать до 40 0С. Недостатки. 1 Необходимость в сложном аппаратурном оформлении. 2 Температура её зависит от времени суток, времени года и местности. 3 Жесткость, возможность размножения микроорганизмов. Различают три типа воды: 1 Артезианская (температура 12 0С, высокая жесткость); 2 Озёрная, речная( температура от времени года, и от местности; 3 Оборотная (температура 22 0С) Вода оборотная Вентилятор Не более 43 0С Объект потребления Градирня Насос (цех) Воздух Не менее 22 0С Воздух Подпитка озерной или речной воды Насос Принципиальная схема водооборотного узла Принципиальная схема холодильника Р1, Т1 Компрессор “Морозилка” Р2, Т2 Р1, Т1 Холодильник Дроссель Р2, Т3 Охлаждающий агент 1 Пары с “Морозилки” с Р1 и Т1, поступают в компрессор, где компримируются до давления Р2 при этом повышается температура до Т2. 2 Далее газы проходят холодильник, где охлаждаются до температуры Т3. 3 После дросселирования до давления Р1, полученная парожидкостная смесь поступает в “Морозилку”. Подбирая давление и температуру различные хлодоагенты дают различные температуры. При обычных условиях водород и гелий при дросселировании дают отрицательный дроссельный эффект, то есть температура после дросселирования повышается. Чтобы заставить водород и гелий при дросселировании давать положительный дроссельный эффект, то есть температура после дросселирования чтобы понижалась необходимо их предварительно охладить до температуры ниже критической. Поэтому для получения низких температур используют несколько циклов . Аммиачный -450С Азотный -1300С Водородный -1900С Воздух Гелий -273,10С НАГРЕВАЮЩИЕ АГЕНТЫ ДЫМОВЫЕ ГАЗЫ Преимущества: 1 Имеют высокую температуру. В зависимости от вида топлива от 900 до 2000 0С; 2 Наличие трехатомных газов позволяет отдавать тепло радиацией; 3 При большой скорости от 8 до 12 м/с способны отдавать конвекцией. Недостатки: 1 Слабо отдают тепло теплопроводностью ВОДЯНОЙ ПАР Преимущества: 1 Хорошие тепловые свойства. Так как используется насыщенный водяной пар, то его скрытая теплота испарения (конденсации) составляет порядка 450-520 ккал/кг; 2 В определенных условиях он доступный и дешевый; Недостатки: 1 Его температура зависит от давления так при 0,1 МПа - 100 0С, а при 4,0 МПа – 250 0С; 2 Неудобства применение его в зимнее время; Рассмотрим вариант когда же он доступный и выгодный. Принципиальная схема тепловой электростанции Насыщенный водяной пар ХОВ Емкость Перегретый водяной пар Насыщенный водяной пар Вода ХОВ Сатуратор Котёл Конденсат водяного пара Нефте химический комбинат, например, СНОС Другие нагревающие агенты Принципиальная схема теплообмена Прямоток t1н Противоток t1н t1’ t1 t1 t1к t2к t2 t2’ Температура Температура t1’ t1к t2к t2 t2’ t2н t2н dL (dF) Длина (поверхность) L (F) dL (dF) Длина (поверхность) L (F) Основное уравнение теплопередачи на элементарном участке dF dQ= К∙∆t∙dF Основное дифференциальное уравнение теплопередачи dQ= К∙∆t∙dF, (3.1) где dF - элементарный участок теплопередачи. dQ – Количество тепла переданное в единицу времени на участке dF; К – коэффициент теплопередачи на участки dF; ∆t – движущая сила процесса теплопередачи на участке dF ∆t = t1- t2 (3.2) Общее количество тепла определится в результате интегрирования по длине ( или поверхности) теплообменника. В интегральной форме F ∆t1 (3.3) ∫dF = ∫ dQ /(К∙∆t) ∆t2 При условии, что K= const , уравнение (3.3) запишется как F ∆t1 ∫dF =1/K ∫ dQ /(∆t) (3.4) ∆t2 где ∆t1 , и ∆t2 - температурные напоры на концах теплообменника. После интегрирования уравнения (3.4) получим F=Q (3.5) /(К∙∆tср ), где ∆tср – средне логарифмическая разность температурных напоров на концах теплообменника. (3.6) ∆tср = (∆t1 - ∆t2)/ ln (∆t1 / ∆t2). Q – количество тепла переданное в единицу времени; К – средний коэффициент теплопередачи, определяется как 1 , (3.7) К= 1 1 1 1 + + …+…  1 2 3 i 1, 2, 3,  i – средние коэффициенты теплоотдачи в соответствующей среде, которые сами определяются по уравнению i= αiк +αip+ αiТ , (3.8) αiк, αip, αiТ – коэффициенты теплоотдачи конвекцией, радиацией и теплопроводностью в соответствующей i среде, а i=1, 2, 3, … Порядок расчёта теплообменника (алгоритм расчёта) 1 Определяем количество тепла , которое необходимо передать в теплообменнике. Для этого составляем уравнение теплового баланса. 1.1 Принципиальная схема теплообмена t1н t2к ∆t1 t1к t2н t1  t2 ∆t2 1.2 Количество тепла определим из уравнения теплового баланса потока с известными температурами, например, для горячего потока: с неизменяемым фазовым состоянием Q = Gг∙Cгpm∙(t1н-t1к ) с изменяемым фазовым состоянием Q = Gг∙(q1н-q1к ) где Gг – количество горячего потока (расход, например, кг/с); t1н, t1к – начальная и конечная температура горячего потока, оС; Cгpm – средняя теплоемкость горячего потока. Определяется при средней температуре потока; q1н, q1к– энтальпии или теплосодержания горячего потока на входе и выходе из теплообменника Порядок расчёта теплообменника (алгоритм расчёта) 1.3 Уравнение теплового баланса по другому потоку, например, по холодному дает возможность определить одну из величин либо температуру, либо количество потока: с неизменяемым фазовым состоянием Q = Gх∙Cхpm∙(t2н-t2к ) с изменяемым фазовым состоянием Q = Gх∙(q2н-q2к ) где Gх– количество холодного потока (расход, например, кг/с); t2н, t2к – начальная и конечная температура холодного потока, оС; Cхpm – средняя теплоемкость холодного потока. Определяется при средней температуре потока; q1н, q1к– энтальпии или теплосодержания холодного потока на входе и выходе из теплообменника 1.4 Согласно приведенной схемы и расчетов по п 1.1 можно рассчитать средний температурный напор по уравнению (3.6) ∆tср = (∆t1 - ∆t2)/ ln (∆t1 / ∆t2). (3.6) Порядок расчёта теплообменника (алгоритм расчёта) 1.5 Задаемся типоразмером теплообменника по стандартам, ГОСТ или конструируем теплообменник. Оставьте 3 строчки !!!!!!!!!!!!!!! Выполняем поверочный расчет 1.6 Определяем коэффициенты теплоотдачи iТ, iр, iк для соответствующей среды. iТ зависит от свойства среды его кристалличности. Обычно находиться по справочнику. В случае отсутствия справочных данных проводятся исследования по определению этого коэффициента. iр зависит от свойств среды, а именно от наличия в ней трех или более атомных газов, и разности температур нагреваемой и охлаждаемой среды. iк зависит от скорости движения среды (при естественной конвекции от разности температур в самой среде, а при искусственной - от режима движения среды). В любом случае необходимо знать количество среды и геометрические размеры пространства, по которой среда движется (например, диаметр, др.); Поэтому прежде чем рассчитывать по п. 1.6 необходимо выполнить п. 1.5. Порядок расчёта теплообменника (алгоритм расчёта) 1.7 Определяем средний коэффициент теплопередачи по уравнению (3.7) . 1.8 Определяем потребную поверхность теплообмена по уравнению (3.5) (3.5) F = Q /(К∙∆tср ), 1.8.1 При этом может оказаться ,что полученное (потребное)значение поверхности больше чем заданно (сконструировано)в п 1.5. Здесь необходимо либо взять большее число теплообменников, либо следует вернуться к п.1.5 и повторить расчет для другого типоразмера. 1.8.2 Полученное (потребное) значение поверхности меше чем задано (сконструировано) в п .1.5. Здесь необходимо либо взять меньшую длину теплообменника, либо следует вернуться к п.1.5 и повторить расчет для другого типоразмера. Какой вариант выбирать? Один длинный либо несколько коротких. Чем больше число теплообменников тем больше соединений, больше запорной арматуры, всевозможных прокладок и шпилек. Чем меньше число теплообменников тем меньше надежность его работы (варианты выхода из строя). Каждый теплообменник добавляет в разряде надежности 0,9. так при двух равна 0,99, трех 0,999 и т.д.