История развития теории в области тепло и массообменных процессов

Классификация задач тепломассообмена

Классификация позволяет на стадии постановки задачи выявить основные признаки процесса тепломассообмена и использовать математический аппарат, который необходим для решения данной конкретной задачи. Поэтому классификация должна быть обязательным элементом любого научного или инженерного исследования.

Задачи тепломассообмена можно объединить в разные группы в зависимости от критерия анализа.

Во-первых, трудоемкость решения задачи зависит от размерности задачи. Различают нуль-, одно-, дву- или трехмерные постановки задачи. При постановке задачи необходимо учитывать и систему координат: декартовую, цилиндрическую или сферическую систему.

Во-вторых, все задачи тепломассообмена можно раз-делить на стационарные и нестационарные в зависимости от того, изменяются или нет поля температур, и поля концентраций во времени.

В-третьих, задачи тепломассообмена подразделяют на линейные и нелинейные. В нелинейных задачах тепломассообмена учитывают зависимость физических коэффициентов вещества (плотности, теплоемкости, теплопроводности) от температуры и коэффициентов диффузии от концентрации. В нелинейных задачах также учитывают и нелинейный характер условий тепломассообмена на границе тела. Точность решения нелинейных задач значительно выше, чем линейных, однако при этом существенно возрастает и сложность реализации алгоритма решения.

В-четвертых, задачи тепломассообмена подразделяют на задачи внутреннего ТМО, или внутренние задачи, задачи внешнего ТМО, или внешние задачи и задачи сопряженного ТМО, или сопряженные задачи. Внутренними задачами теплообмена называют задачи расчета температурных полей и потоков теплоты в твердых телах, формируемых в процессе теплопроводности. При этом условия теплообмена на границах тела известны

Аналогично внутренними задачами массообмена называют задачи расчета концентрационных полей и потоков массы в твердых телах, формируемых в процессе молекулярной диффузии. При этом условия массообмена на границах тела известны. Внешними задачами теплообмена называют задачи расчета температурных полей и потоков теплоты в текучей среде, окружающей твердое тело, и формируемых за счет процессов конвективного или лучисто-конвективного теплообмена. При этом условия теплообмена на границах области, занимаемой флюидом, известны. Аналогично внешними задачами массообмена называют задачи расчета концентрационных полей и потоков массы в текучей среде, окружающей твердое тело, и формируемых за счет процессов молекулярной и конвективной диффузии. При этом условия массообмена на границах области, занимаемой флюидом, известны. Деление задач тепломассообмена на внешние и внутренние – условная операция, которую выполняют в целях упрощения решения сопряженной задачи тепломассообмена. При решении сопряженной задачи тепломассообмена учитывают взаимное влияние внутреннего и внешнего процессов переноса теплоты и массы путем согласования условий тепломассообмена на границе раздела фаз.

К сопряженным задачам относят и задачи, учитывающие взаимное влияние процессов переноса теплоты и массы. При наличии в смеси градиентов температуры происходит разделение компонентов смеси по молекулярной массе – возникает термодиффузия (эффект Сорé). При наличии массообмена вследствие различия теплоемкостей компонентов смеси возникает диффузионный тепловой поток (эффект Дюфó). К сопряженным задачам тепломассообмена также относят задачи расчета совместного протекания процессов тепломассообмена и процессов другой физической природы. Например, взаимное влияние температурных и электромагнитных полей при индукционном нагреве или взаимное влияние температурного поля и поля упругих или пластических деформаций, возникающих при нагреве (охлаждении) или при механическом воздействии на твердое тело.

В-пятых, задачи внутреннего тепломассообмена подразделяют на прямые и обратные в зависимости от заданных (входных) и искомых (выходных) параметров. В прямых задачах по заданным условиям однозначности (размерам тела, времени процесса, теплофизическим или диффузионным свойствам, начальному распределению температуры или концентрации, коэффициентам тепло- или массоотдачи на внешней границе тела) рассчитывают поле температур или поле концентраций и соответственно потоки теплоты или потоки массы. В обратных задачах тепломассообмена по известному из эксперимента температурному полю или полю концентраций определяют (восстанавливают) одно из условий однозначности.

В-шестых, задачи радиационного теплообмена в системе твердых тел и газовых объемов в зависимости от входных и выходных параметров подразделяют на прямые, обратные и смешанные. В прямых задачах радиационного теплообмена заданными (входными) параметрами считают температуры твердых поверхностей и газовых объемов, а искомыми (выходными) параметрами – тепловыделения в газовых объемах и результирующие тепловые потоки на твердых поверхностях. В обратных задачах радиационного теплообмена, наоборот, заданными (входными) параметрами считают тепловыделения в газовых объемах и результирующие тепловые потоки на твердых поверхностях, а искомыми (выходными) параметрами – температуры твердых поверхностей и газовых объемов.

В смешанных задачах радиационного теплообмена для одних газовых объемов и твердых поверхностей входными параметрами являются температуры, а выходными – тепловыделения и результирующие тепловые потоки; для других газовых объемов и твердых поверхностей, наоборот, заданы тепловыделения или результирующие тепловые потоки, а требуется найти температуры.

В заключение заметим, что существует постановка задачи расчета радиационного теплообмена, при которой в газовых объемах заданы функциональная зависимость между тепловыделениями и температурами объемных зон и функциональная зависимость между результирующими тепловыми потоками и температурами для поверхностных зон. При этом значения тепловыделений и температур для газовых объемов и значения результирующих тепловых потоков и температур, ограничивающих объем поверхностей, определяют в ходе расчета. Такую постановку задачи радиационного теплообмена называют неявно заданной. В неявно заданной постановке можно решить задачу не только радиационного теплообмена, но и задачу внешнего радиационно – конвективного теплообмена.

Для процессов тепло и массообмена используются теплообменные аппараты, то есть теплообменники

Основные виды теплообменников

Теплообмен является ключевым технологическим процессом в любой отрасли пищевой, химической, металлургической или энергетической промышленности. В его основе лежит процесс теплоотдачи через разделяющие потоки пластины. Не смотря на элементарность происходящих внутри теплообменника процедур, он считается сложным оборудованием, которое может функционировать по трем, абсолютно различным принципам: посредством конвекции, теплового излучения и теплопроводности.

При этом каждое физическое явление довольно редко работает самостоятельно. Во многих устройствах они сочетаются и оказывают то или иное влияние на эффективность теплообменных процессов.

Теплообменники можно также можно классифицировать по способу передачи тепла: смесительные и теплообменные. Каждое из устройств при этом имеет свою особую конструкцию, эффективность и предназначение. Так поверхностные являются наиболее распространенными, и принцип их действия состоит в том, что теплообменные процессы происходят с использованием рабочих поверхностей: пластин, трубок и т.д. В смесительных же теплообмен осуществляется путем перемешивания двух сред, например воздуха и жидкости. Подобная технология позволяет достигать небывалого уровня КПД, простоты конструкции и высокой скорости рабочего цикла. Однако смесительные теплообменники находят применение лишь на тех производственных этапах, которые допускают смешение двух разнотипных сред.

Для теплообменных аппаратов характерны две разновидности устройств в зависимости от конструкции: рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменниках контакт двух жидкостей осуществляется посредством разделительных стенок. Поток рабочей жидкости несущий тепло при этом не изменяется и движется в одном направлении. Регенеративные теплообменники имеют рабочую поверхность, которая одновременно является источником тепла и его аккумулятором. Попеременно соприкасаясь к ней, рабочие жидкости совершают рабочий цикл и осуществляют процесс теплообмена. Тепловой поток при этом может менять свое направление.

Пластинчатые теплообменники

Данный вид теплообменников в последнее время получил очень широкое распространение, благодаря компактной конструкции, возможности быстрой сборки и модернизации, простой и моментальной очистке от загрязнений, минимальным гидравлическим сопротивлениям.

Основными элементами, входящими в состав разборных пластинчатых теплообменников являются рабочие пластины, разделенные резиновыми прокладками, концевые камеры с патрубками, рама и стяжные болты. Для изготовления пластин используется тонколистовая сталь (0,5-0,6мм), которая для проточной части выполняется с рифленой поверхностью, благодаря чему значительно увеличивается поверхность теплообмена и активность турбулизации потока.

Резиновые прокладки в большинстве случаев присоединяются к поверхности пластин по бесклеевой технологии, выполняя роль герметичных разделительных перегородок. Рабочая среда направляется вдоль пластины или перетекает в следующий канал через отверстие.

Потоки рабочих сред могут быть направлены по трем основным схемам: прямоточной, противоточной, смешанной. Пластинчатые теплообменники могут достигать площади до 360м2 (мин.1м2) при количестве пластин до 603 шт. (мин.5 шт.). Максимальная температура теплоносителя может достигать 150° С, при условии, что используются соответствующие резиновые прокладки. Давление же не может превышать 2,5 МПа.

Витые теплообменники

В витых теплообменниках необходимая рабочая площадь достигается путем использования концентрических змеевиков, закрепленных на головках и заключенных в защитных кожух. Движение одного из потоков рабочих жидкостей осуществляется по трубках, другой же заполняет межтрубное пространство, ограниченное корпусом устройства. Данный вид теплообменников обладает одним важным преимуществом: он выдерживает высокое давление и отлично подходит для разделения газовых смесей путем глубокого охлаждения. Также они способны воспринимать значительные напряжения, возникающие вследствие низких температур и высокого давления без потери работоспособности и последующей самокомпенсацией.

Спиральные теплообменники

Роль поверхности теплообмена в спиральных аппаратах выполняют металлические листы, закрученные в виде спирали вокруг центральной перегородки – керна. Между собой поверхности листов имеют строго определенное расстояние, которое достигается путем установки дистанционных бобышек вдоль всего корпуса. Они также придают всей конструкции дополнительную жесткость. Для герметизации корпуса спиральных теплообменников используется два основных способа. При первом, одна из сторон наглухо заваривается, а вторая уплотняется упругой прокладкой. Такая схема позволяет достигнуть двух важных преимуществ. Во-первых, в случае какой-либо неисправности и потери герметичности, через корпус будет просачиваться лишь один из потоков. Вторым преимуществом является то, что благодаря возможности быстрого демонтажа одной из стенок, можно быстро провести чистку каналов.

Иногда, если один из потоков является химически активным и приводит к быстрому разрушению прокладки, в конструкции предусматривают «глухой» канал. Его заваривают с обеих сторон, что исключает протекание, но делает невозможным выполнение механической очистки. Второй уплотняется плоской прокладкой.

В отдельных случаях, когда допускается смешение рабочих потоков, при помощи прокладок уплотняются обе стороны спирального теплообменника. При невысоких давлениях каналы могут быть уплотнены U-образными манжетами, которые прижимаются к крышке силой внутреннего давления.

Одним из самых серьезных недостатков спиральных аппаратов является сложность обслуживания, ремонта и сборки. Их также недопустимо применять в системах, в которых рабочее давление превышает 10 кгс/см2. Но между тем они пользуются высокой популярностью, благодаря малым габаритным размерам, ничтожным гидравлическим сопротивлениям и высокой интенсивности теплообмена даже при условии высоких рабочих жидкостей.

Кожухотрубчатые теплообменники

В кожутрубчатых теплообменниках основными элементами являются: корпус, пучки труб мало диаметра, трубные решетки, патрубки, крышки, элементы компенсации напряжений. Трубная решетка предназначена для крепления концов трубок путем сварки, пайки или развальцовки. Иногда в конструкции предусматриваются специальные перегородки, устанавливаемые в межтрубном и трубном пространствах. Благодаря им удается значительно повысить скорость движения рабочих потоков и интенсивность теплообмена.

По способу расположения кожухотрубчатые аппараты бывают наклонные, горизонтальные и вертикальные. Таким образом, всегда есть возможность подобрать теплообменник из условий технологического процесса и простоты монтажа.

Одним из негативных факторов, который возникает при эксплуатации кожухотрубчатых аппаратов, является температурное удлинение. Для борьбы с этим явлением реализованы устройства нежесткой и полужесткой конструкции. Кожухотрубчатые теплообменники жесткого типа используются из условий малой температурной разницы рабочих сред. Их отличительной особенностью является простота конструкции и высокая надежность.

В полужестких аппаратах незначительные температурные деформации гасятся благодаря наличию специальных компенсаторов, расположенных на корпусе устройства. Надежная работа обеспечивается, если давление в устройстве не превышает более 2,5 кгс/см2, а деформация не превышает 10-15мм.

Для реализации нежесткой конструкции теплообменников используются сальниковые уплотнители, которые устанавливаются на пучок U-образных трубок, решетки, патрубки и позволяют устранять значительные температурные напряжения.