ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Теплообмен между теплоносителями существенно изменяется в зависимости от физических свойств и параметров движущихся сред, а также от гидродинамических условий движения. Физи­ческие параметры теплоносителей зависят от температуры и определяются по справочникам в зависимости от выбранной средней температуры среды.

Средняя температура среды t_ср,°C, приближенно опреде­ляется как среднее арифметическое начальной t_ни конечной t_ктемператур:

(1.1)

Основными физическими параметрами рабочих сред яв­ляются плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность, температура кипения, скрытая теплота испарения или конден­сации и др. Значения этих параметров можно найти в справоч­ной литературе.

Физические параметры веществ в справочниках представ­лены в виде диаграмм, таблиц, номограмм. При нахождении физического параметра необходимо обратить внимание, при ка­кой температуре дано его значение и в каких единицах измере­ния выражено. Во многих справочных источниках физические параметры даны при температуре 20 °С, а теплота парообразо­вания жидкости – при температуре ее кипения. Если средняя температура заданного вещества отличается от 20 °С, то следует сделать поправку на температуру.

Для большинства физических параметров существует линейнаязависимость величины параметра от температуры. Напри­мер, теплоемкость большинства вязких жидкостей является ли­нейной функцией от температуры:

, (1.2)

где c_t – теплоемкость при заданной температуре; a – опытный коэффициент, принимаемый по справочнику; t – средняя температура, при которой определяется теплоемкость жидкости; c₂₀– теплоемкость жидкости при 20 °С.

Поправку на температуру, Дж/(кг∙К), производят по фор­муле

c_t = (0,415 + 0,0006t)∙4187.

Если жидкость состоит из смеси нескольких компонентов, то теплоемкость смеси рассчитывается по уравнению

(1.3)

где c₁, с₂,....., с_п – теплоемкости компонентов; m₁, т₂, ...,т_п – массы компонентов.

Зная процентное соотношение компонентов, для расчета теплоемкости смеси можно использовать следующее уравнение:

, (1.4)

где а – массовая концентрация (массовая доля) одного из ком­понентов; (1 – а) – массовая концентрация второго компонента.

Теплоемкость одной жидкости можно определить через теп­лоемкость другой стандартной жидкости:

, (1.5)

где c₁– теплоемкость первой жидкости при 20 °С; l₁ – коэффи­циент теплопроводности первой жидкости при 20 °С; r₁ – плот­ность первой жидкости при 20 °С; с₂– теплоемкость эталонной жидкости; l₂ – коэффициент теплопроводности эталонной жид­кости; r₂ – плотность эталонной жидкости.

Зависимость плотности от температуры можно найти по формуле

(1.6)

где r_t – плотность жидкости при средней температуре; t – средняя температура; r₂₀ – плотность при температуре 20 °С; b_t – температурная поправка на 1 °С.

Для многих чистых жидкостей можно определить зависи­мость плотности от температуры по формуле

, (1.7)

где b – коэффициент объемного расширения жидкости, К^-1.

Для смеси жидкостей или газов плотность вычисляется по уравнению

, (1.8)

где n₁, n₂, …, n_m – объемные доли компонентов; r₁, r₂, …, r_m – плотности компонентов.

Плотность любого газа при температуре Т и давлении р можно вычислить по формуле

, (1.9)

где r₀ = М/22,4 – плотность газа при 0 °С и 760 мм рт. ст.; Т₀ = 273 °С; М – молекулярная масса газа; 22,4 – число Авогадро; Т – температура газа; р и p₀ – давления газа в одной и той же системе единиц измерения.

Коэффициент теплопроводности также линейно зависит от температуры:

, (1.10)

где l_t – коэффициент теплопроводности при средней темпера­туре; l₀ – значение коэффициента теплопроводности при 0 °С; b– опытный коэффициент; t – средняя температура вещества.

Коэффициент теплопроводности воды при t = 20 °С равен примерно 0,58 Вт/(м∙К); для вязких жидкостей находится в пределах 0,12–0,29 Вт/(м∙К); для газов коэффициент тепло­проводности имеет величину, лежащую в пределах 0,012–0,006 Вт/(м∙К).

Для вязких жидкостей и газов существуют приближенные формулы расчета коэффициента теплопроводности, но лучше всегда пользоваться справочными данными.

При определении коэффициента теплопроводности смеси не­скольких жидкостей для ориентировочных подсчетов применяют закон аддитивности (слагаемости):

, (1.11)

где n₁, n₂, …, n_m – доли компонентов в смеси; l₁, l₂, …, l_m – коэффициенты теплопроводности компонентов.

Для определения вязкости газовых смесей можно использо­вать зависимость

, (1.12)

гдеМ₁, М₂,..., М_п – молекулярные массы компонентов смеси; μ₁, μ₂, …, μ_n – динамические вязкости компонентов; m₁, m₂, …, m_n – объемные доли компонентов в смеси.

Вязкость смеси неассоциированных жидкостей (молекулы которыхне соединяются в группы) можно вычислить по уравнению

,(1.13)

где μ₁, μ₂, …, μ_n – динамические вязкости компонентов смеси;

m₁, m₂, …, m_n – молярные концентрации компонентов в смеси.

Вязкость разбавленных суспензий (суспензия – смесь двух веществ, из которых одно находится в виде мельчайших частичек в другом) можно рассчитать по формуле

, (1.14)

где μ_c – вязкость суспензии; μ_ж – вязкость чистой жидкости; φ – объемная концентрация твердой фазы в суспензии.

При конструировании теплообменной аппаратуры обычно выбирают такие скорости теплоносителей, при которых коэффи­циенты теплоотдачи и гидравлические сопротивления были бы экономически выгодными.

Выбор оптимальной скорости имеет большое значение для качественной работы теплообменного аппарата, так как увели­чение скоростей теплоносителей приводит к интенсификации теплообмена (возрастают коэффициенты теплопередачи) и уменьшению поверхности нагрева, что делает аппарат более компактным. Однако при этом значительно возрастают гидравли­ческие сопротивления и, естественно, увеличивается расход элек­троэнергии на перекачку, а также появляется опасность гидрав­лического удара и вибрации труб. Поэтому часто бывает необ­ходимо произвести технико-экономический расчет для выбора оптимальных скоростей теплоносителей. Обычно минималь­ное значение скорости теплоносителя выбирается соответствую­щим началу турбулентного движения потока, т.е. числу Рейнольдса больше 10⁴.

Для наиболее часто применяемых диаметров труб рекомендуются скорости жидкости 1,5–2 м/с и не выше 3 м/с. Минимальный диапазон скорости для большинства жидкостей со­ставляет 0,06–0,3 м/с. Для маловязких жидкостей скорость, со­ответствующая Re =10⁴, не превышает 0,2–0,3 м/с. Для вязких жидкостей турбулентность потока достигается при значительно больших скоростях, поэтому при расчетах приходится допускать переходный или даже ламинарный режим.

Для газов при атмосферном давлении допускаются скорости до 25 м/с, а массовые скорости 15–20 кг/(м²∙с), низший предел 2–2,5 кг/(м²∙с), для насыщенных паров при конденсации реко­мендуются скорости до 10 м/с.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие устройства называются теплообменными аппаратами?

2. В чем состоит отличие рекуперативного теплообменника от регенеративного?

3. Какие теплообменные аппаратыназываютсясмешивающими?

4. Какие процессы теплообмена могут протекать в теплообменных аппаратах?

5. Каковы достоинства и недостатки воды как теплоносителя?

6. На какие основные типы делят теплообменные аппараты по характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности?

7. Какими качествами должны обладать теплоносители сточки зрения технической и экономической целесообразности их применения?

8. Каковы достоинства и недостатки воды как теплоносителя?

9. Какими свойствами должны обладать высокотемпературные теплоносители и в каких случаях их применение в теплообменниках рационально?

10. Почему выбор оптимальной скорости теплоносителя имеет большое значение для качественной работы теплообменного аппарата?

11. Какие физические параметры рабочих сред являются основными?