Теплопередача

Пар часто вырабатывается для передачи тепла в технологический процесс. Ниже рассматриваются режимы теплопередачи внутри одной среды и между средами - теплопроводность, конвекция и излучение, а также расчеты и другие вопросы, включая барьеры теплопередачи.

В паровой системе нагрева единственная цель генерации и распределения пара состоит в подводе тепла к поверхности теплопередачи процесса. Если известны требуемая тепловая нагрузка и давление пара, можно определить необходимый расход пара. Это позволяет установить требуемый размер котла и системы парораспределения.

Всякий раз, когда существует температурный градиент, либо внутри среды, либо между средами, происходит перенос тепла. Он может осуществляться в форме теплопроводности, конвекции или излучения.

#Теплопроводность

Когда температурный градиент существует в твердом теле или неподвижной текучей среде, происходящий перенос тепла называется теплопроводностью. Когда соседние молекулы в жидкости или газе сталкиваются, энергия передается от более энергичных молекул к менее энергичным. Поскольку более высоким температурам соответствуют более высокие молекулярные энергии, теплопроводность всегда происходит в направлении понижения температуры. Это явление наблюдается как в жидкостях, так и в газах. Однако в жидкостях молекулярные взаимодействия сильнее и происходят чаще, поскольку молекулы расположены ближе друг к другу. В твердых телах теплопроводность обусловлена атомной активностью колебаний кристаллической решетки, как объясняется в модуле 2.2. Уравнение, используемое для описания теплопередачи теплопроводностью, известно как закон Фурье. При линейном распределении температуры в установившемся режиме для одномерной плоской стенки его можно записать так:

#Пример 2.5.1

Рассмотрим плоскую стенку из сплошного железа с теплопроводностью 70 W/m °C и толщиной 25 mm. Площадь поверхности составляет 0.3 m на 0.5 m, температура на одной стороне 150 °C, на другой - 80 °C.

#Конвекция

Перенос тепловой энергии между поверхностью и движущейся текучей средой при разных температурах называется конвекцией. По сути это сочетание диффузии и объемного движения молекул. Вблизи поверхности, где скорость среды мала, преобладает диффузия, то есть хаотическое молекулярное движение. Однако по мере удаления от поверхности влияние объемного движения возрастает. Конвективная теплопередача может быть либо принудительной, либо естественной. Принудительная конвекция возникает, когда течение среды создается внешним воздействием, например насосом или мешалкой.

Напротив, естественная конвекция вызывается подъемными силами, возникающими из-за различий плотности, обусловленных изменением температуры в среде. Перенос тепловой энергии, вызванный фазовым переходом, например кипением или конденсацией, также рассматривается как конвективный процесс теплопередачи. Уравнение для конвекции выражается формулой 2.5.2, выведенной из закона охлаждения Ньютона:

#Пример 2.5.2

Рассмотрим плоскую поверхность размером 0.4 m на 0.9 m при температуре 20 °C. По поверхности течет среда со средней температурой потока 50 °C. Коэффициент конвективной теплопередачи (h) составляет 1 600 W/m² °C.

#Излучение

Теплопередача, происходящая за счет излучения энергии поверхностями в форме электромагнитных волн, называется тепловым излучением. При отсутствии промежуточной среды между двумя поверхностями с разной температурой возникает суммарный теплообмен. Эта форма теплопередачи не требует материальной среды и наиболее эффективна в вакууме.

В большинстве практических случаев крайне редко вся энергия передается только одним видом теплопередачи. Общий процесс теплопередачи обычно представляет собой сочетание двух или более различных механизмов.

Общее уравнение, используемое для расчета теплопередачи через поверхность при проектировании и входящее в теорию теплообмена, имеет вид:

#Общий коэффициент теплопередачи (U)

Он учитывает как сопротивление теплопроводности, так и сопротивление конвекции между двумя средами, разделенными твердой стенкой. Общий коэффициент теплопередачи является величиной, обратной общему сопротивлению теплопередаче, которое равно сумме отдельных сопротивлений. Общий коэффициент теплопередачи может также учитывать степень загрязнения в процессе теплопередачи. Осаждение пленки или накипи на поверхности теплообмена значительно снижает скорость теплопередачи. Коэффициент загрязнения отражает дополнительное тепловое сопротивление, вызванное примесями среды, образованием ржавчины или другими реакциями между средой и стенкой. Величина отдельных коэффициентов зависит от характера процесса теплопередачи, физических свойств сред, расходов сред и геометрии поверхности теплообмена. Поскольку геометрия не может быть окончательно определена до расчета площади теплообмена, проектирование теплообменника по необходимости является итерационным процессом. Отправной точкой обычно служит выбор типовых значений общего коэффициента теплопередачи для разных типов теплообменников. Точный расчет отдельных коэффициентов теплопередачи является сложной задачей, а во многих случаях невозможен из-за отсутствия части исходных данных. Поэтому для практических целей обычно достаточно использовать установленные типовые значения общего коэффициента теплопередачи.

#Разность температур (ΔT)

Закон охлаждения Ньютона утверждает, что интенсивность теплопередачи связана с мгновенной разностью температур между горячей и холодной средами. В процессе теплопередачи эта разность температур изменяется либо по координате, либо во времени. Поэтому общее уравнение теплопередачи было разработано как развитие закона охлаждения Ньютона, в котором для определения требуемой площади теплообмена при заданной тепловой нагрузке используется средняя разность температур.

#Средняя разность температур (∆TM)

Определение средней разности температур в проточном процессе, таком как теплообменник, зависит от направления потоков. Первичная и вторичная среды могут течь в одном направлении (параллельный поток), в противоположных направлениях (противоток) или перпендикулярно друг другу (перекрестный поток). При использовании насыщенного пара температуру первичной среды можно считать постоянной, поскольку тепло передается только за счет фазового перехода. В результате температурный профиль уже не зависит от направления потока. Однако по мере прохождения вторичной среды по поверхности теплообмена наибольшая скорость теплопередачи наблюдается на входе и постепенно уменьшается к выходу. Это объясняется тем, что разность температур между паром и вторичной средой уменьшается по мере роста температуры вторичной среды. Характерный температурный профиль пара и вторичной среды показан на рисунке 2.5.1.

#Логарифмическая средняя разность температур (LMTD):​

Оба уравнения 2.5.4 и 2.5.5 предполагают, что удельная теплоемкость и общий коэффициент теплопередачи не изменяются, а тепловые потери отсутствуют. В реальности удельная теплоемкость может изменяться из-за изменения температуры. Общий коэффициент теплопередачи также может меняться вследствие изменений свойств среды и условий течения. Однако в большинстве применений эти отклонения настолько малы, что использование средних значений вполне допустимо. Во многих случаях теплообменное оборудование изолируют от окружающей среды, но изоляция не бывает эффективной на 100%. Поэтому энергия, передаваемая между паром и вторичной средой, может не отражать всю теплоту, потерянную первичной средой.

#Пример 2.5.3

Пар при 2 bar g используется для нагрева воды от 20 °C до 50 °C. Температура насыщения пара при 2 bar g составляет 134 °C. Определите арифметическую и логарифмическую средние разности температур:

#Пример 2.5.4

Рассмотрим бак с технологической жидкостью под давлением, нагреваемой от 10 °C до 120 °C паром при 4.0 bar g. Температура насыщения пара при 4.0 bar g составляет 152 °C. Определите арифметическую и логарифмическую средние разности температур:

#Барьеры теплопередачи

Металлическая стенка может быть не единственным барьером в процессе теплопередачи. Со стороны пара, вероятно, будут присутствовать пленка воздуха, пленка конденсата и слой накипи. Со стороны продукта также могут находиться пригоревший продукт или накипь, а также неподвижная пленка продукта. Перемешивание продукта может устранить влияние неподвижной пленки, а регулярная очистка со стороны продукта должна уменьшать накипеобразование. Регулярная очистка поверхности со стороны пара также может повышать скорость теплопередачи, уменьшая толщину слоя накипи, хотя это не всегда возможно. Эту пленку можно также уменьшить за счет правильной эксплуатации котла и удаления капель воды, переносящих примеси из котла.

#Пленочная конденсация

Устранить пленку конденсата не так просто. Когда пар конденсируется, отдавая свою энтальпию испарения, на поверхности теплопередачи могут образовываться капли воды. Затем они сливаются и формируют непрерывную пленку конденсата. Пленка конденсата может иметь сопротивление теплопередаче в 100 - 150 раз больше, чем стальная нагревательная поверхность, и в 500 - 600 раз больше, чем медная.

#Капельная конденсация

Если капли воды на поверхности теплопередачи не сливаются сразу и непрерывная пленка конденсата не образуется, возникает капельная конденсация. Скорость теплопередачи, достижимая при капельной конденсации, как правило, значительно выше, чем при пленочной. Поскольку при капельной конденсации открыта большая часть поверхности теплообмена, коэффициенты теплопередачи могут быть до десяти раз выше, чем при пленочной конденсации. При проектировании теплообменников, в которых стимулируют капельную конденсацию, создаваемое ею тепловое сопротивление часто оказывается пренебрежимо малым по сравнению с другими барьерами теплопередачи. Однако обеспечить условия, необходимые для устойчивой капельной конденсации, оказалось очень трудно. Если покрыть поверхность веществом, препятствующим смачиванию, иногда удается поддерживать капельную конденсацию в течение некоторого времени. Для этого на поверхности теплообменника, где необходимо стимулировать конденсацию, иногда наносят покрытия на основе силиконов, PTFE, а также различных восков и жирных кислот. Однако такие покрытия постепенно теряют эффективность из-за окисления или загрязнения, и в конечном итоге снова начинает преобладать пленочная конденсация. Поскольку воздух является очень хорошим теплоизолятором, он создает еще большее сопротивление теплопередаче. Сопротивление воздуха тепловому потоку может быть в 1 500 - 3 000 раз больше, чем у стали, и в 8 000 - 16 000 раз больше, чем у меди. Это означает, что воздушная пленка толщиной всего 0.025 mm может сопротивляться теплопередаче так же, как медная стенка толщиной 400 mm. Разумеется, все эти сравнительные соотношения зависят от температурных профилей в каждом слое. Рисунок 2.5.4 иллюстрирует влияние такой комбинации слоев на процесс теплопередачи. Эти барьеры не только увеличивают суммарную толщину теплопроводящего слоя, но и значительно снижают его среднюю теплопроводность. Чем выше сопротивление слоя тепловому потоку, тем больше будет температурный градиент. Это означает, что для достижения той же требуемой температуры продукта давление пара может потребоваться значительно выше. Наличие воздушных и водяных пленок на поверхностях теплообмена как в технологических установках, так и в системах отопления помещений не является чем-то необычным. В той или иной степени это происходит во всех установках с паровым нагревом. Чтобы обеспечить требуемый выпуск продукта и минимизировать затраты на эксплуатацию паровой системы, высокую эффективность нагрева можно поддерживать, уменьшая толщину пленок на поверхности конденсации. На практике именно воздух обычно оказывает наиболее существенное влияние на эффективность теплопередачи, и его удаление из подаваемого пара повышает производительность нагрева.

#Определение общего коэффициента теплопередачи (значение U)

Пять основных взаимосвязанных терминов, относящихся к теме теплопередачи:

1. Тепловой поток Q̇ (W)
2. Теплопроводность k (W/m °C)
3. Термическое удельное сопротивление r (m °C/W)
4. Термическое сопротивление R (m2 °C/W)
5. Коэффициент теплопередачи U (W/m2 °C) Далее в этом модуле описываются эти величины и их взаимосвязь. Традиционный метод расчета теплопередачи через плоскую стенку основан на использовании общего коэффициента теплопередачи U, или, точнее, общей теплопроводности между одной стороной стенки и другой. Значения U приводятся для широкого набора материалов и сред и обычно основаны на эмпирических данных и эксплуатационном опыте. Ранее упомянутые пленки конденсата, воздуха, накипи и продукта по обе стороны металлической стенки могут существенно влиять на общий теплоперенос, поэтому имеет смысл рассмотреть весь вопрос теплопередачи сначала через простую плоскую стенку, а затем через многослойный барьер.

#Теплопередача теплопроводностью через простую плоскую стенку

Удобнее всего начать с самого простого случая: металлической стенки с однородными тепловыми свойствами и заданными температурами поверхностей.

#Связь общего сопротивления с общим значением U

Обычная задача, которую приходится решать в приложениях теплопередачи, - это определение интенсивности теплопередачи, что видно из общего уравнения теплопередачи 2.5.3.

#Тепловой поток через многослойный барьер

Как видно на рисунке 2.5.4, практическим примером может служить металлическая стенка трубы или пластины теплообменника, где с одной стороны находится пар, нагревающий воду с другой стороны. Также видно, что присутствуют и другие барьеры, замедляющие тепловой поток, например воздушная пленка, пленка конденсата, слой накипи и неподвижная пленка вторичной воды, непосредственно прилегающая к поверхности нагрева. Эти пленки можно рассматривать как загрязнение, затрудняющее прохождение тепла через барьер, поэтому такие сопротивления проектировщики теплообменников относят к "коэффициентам загрязнения". Все эти пленки, помимо сопротивления самой металлической стенки, создают сопротивление тепловому потоку и, как в электрической цепи, могут быть суммированы, образуя общее сопротивление. Следовательно:

#Пример 2.5.5

Рассмотрим теплообменник пар-вода, в котором воздушная пленка, пленка конденсата и накипь со стороны пара имеют толщину 0.2 mm; со стороны воды пленка воды и слой накипи имеют толщину 0.05 mm и 0.1 mm соответственно. Толщина стальной поверхности нагрева составляет 6 mm.