Лекция 4 Теплоносители Выбор теплоносителя для

Лекция 4
Теплоносители
Выбор
теплоносителя
для
осуществления
теплообмена
в
аппаратах определяется рядом условий: назначением и характером теплового
процесса, конструкцией теплообменного аппарата, теплофизическими и
эксплуатационными
свойствами
теплоносителей,
их
экономическими
показателями и т.д.
Теплоносители, используемые в теплообменных аппаратах, на
твердые, жидкие и газообразные.
Твердые теплоносители применяются в высокотемпературных
процессах нефтеперерабатывающей, металлургической промышленности и в
других отраслях для нагрева газов, перегрева водяного пара и паров
органических жидкостей до высоких температур. К ним относятся [ Бакл.]:
шарики диаметром 8 – 12 мм или более мелкие зернистые фракции из стали,
чугуна, кремнезема, карборунда, каолина, окислов алюминия, магния,
циркония.
Жидкие
теплоносители
широко
применяемы
и
весьма
разнообразны. К ним относятся [Бакл.]: вода, минеральные масла, дифенил,
дифениловый эфир, кремнийорганические соединения (селиконы), расплавы
металлов, сплавов и солей (ртуть, свинец, литий, калий, натрий, нитритнитратная смесь и др.).
Газообразные теплоносители нашли применение в технике. К
ним относятся [Бакл.]: воздух, дымовые газы, азот, углекислый газ, двуокись
серы, водород, гелий, а также пары воды и других веществ.
В технологических процессах, где температура ниже 0С,
применяются хладоносители и хладоагенты (аммиак, хладон 12, хладон 22,
водные растворы солей щелочных металлов и др.).
При
очень
низких
температурах
применяют
жидкости (жидкие кислород, воздух, водород, азот, гелий).
криогенные
Самыми распространенными теплоносителями являются водяной пар,
горячая и холодная вода, топочные и дымовые газы, воздух.
По
назначению
выделяют
греющий
теплоноситель,
охлаждающий теплоноситель, или хладоноситель, промежуточные тепло- и
хладоносители, хладагент (рабочее тело в холодильных циклах), сушильный
агент и т.п.
По
многофазные
теплоносителям
агрегатному
(чаще
состоянию
двухфазные)
оносятся
различают
однофазные
теплоносители.
низкотемпературная
К
плазма
и
однофазным
(пламя),
газы,
неконденсирующиеся пары, смеси газов и неконденсирующихся паров, не
кипящие и неиспаряющиеся при рабочем давлении жидкости, их смеси и
растворы,
твердые
многофазным
материалы
теплоносителям
(чаще
сыпучие).
относятся
кипящие,
К
двухфазным
и
испаряющиеся
и
распыляемые газом жидкости, конденсирующиеся пары, парогазовые смеси
при конденсации содержащихся в них паров, плавящиеся и затвердевающие,
возгоняющиеся (сублимирующие) и десублимирующие твердые вещества,
пены, газовзвеси, аэрозоли и другие запыленные газовые потоки, эмульсии,
суспензии, шламы, пасты и прочие реологически сложные системы.
По
диапазону
рабочих
температур
выделяют
высокотемпературные (дымовые и топочные газы, минеральные масла,
кремнийорганические и дефинильные соединения, расплавы солей и жидкие
металлы);
среднетемпературные
(водяной
пар,
вода
и
воздух);
низкотемпературные теплоносители (холодильные агенты) и теплоносители
применяемые при криогенных температурах (сжиженные газы – кислород,
водород, азот, воздух и др. и их пары).
Важное
значение
при
выборе
теплоносителей
играют
их
теплофизические свойства, особенно те, которые определяют интенсивность
теплоотдачи в каналах теплообменников. К таким теплофизическим
свойствам относятся: плотность, теплоемкость, теплопроводность, теплота
парообразования, температура кипения и температура плавления.
Плотность
показателями.
и
теплоемкость
Теплоносители,
являются
обладающие
наиболее
большой
важными
плотностью
и
теплоемкостью позволяют переносить теплоту в больших количествах при
малых собственных температурных перепадах. Вода, обладающая высокой
теплоемкостью (С = 4190 Дж/(кг К)), имеет значительные преимущества по
сравнению с другими жидкостями, металлами и газом.
Коэффициент теплопроводности

существенно влияет на
коэффициент теплоотдачи в теплообменнике. Чем больше теплопроводность,
тем больше коэффициент теплоотдачи на стороне этого теплоносителя.
Жидкие металлы превосходят по теплоотдаче жидкости и газы благодаря
высокой теплопроводности.
Вязкость существенно влияет на теплообмен и гидравлическое
сопротивление. С увеличением температуры вязкость понижается. При
прочих равных условиях при высокой вязкости задерживается переход от
ламинарного к турбулентному режиму течения жидкости.
Число
Прандтля
Pr   a
характеризует
теплофизические
свойства теплоносителей и является одной из важнейших их характеристик.
Для воздуха и газов Pr 1. Для воды Pr = 13,67…1 в зависимости от
температуры. У масел, жидких топлив, кремнийорганических соединений и
др. веществ Pr = 100…65000, у жидких металлов Pr<<1. С увеличением
температуры число Прандтля увеличивается.
Температура кипения теплоносителя определяет его давление в
процессе передачи теплоты. Она должна быть высокой, тогда для
поддержания теплоносителя в жидком состоянии не требуется резкого
повышения давления. Это удешевляет теплообменное устройство, так как
позволяет иметь тонкостенные аппараты и трубопроводы, а также упрощает
поддержание герметичности в установках.
Точность результатов теплового расчета теплообменных аппаратов во
многом зависит от надежности определения теплофизических свойств
теплоносителей. Теплофизические свойства всех перечисленных выше
теплоносителей приведены в таблицах [Бажан ].
Теплоносители, в целом должны отвечать следующим требованиям:
быть
химически
стабильными,
не
оказывать
коррозийного
и
эрозийного воздействия, не образовывать взрывоопасных смесей;
иметь достаточную термостойкость;
обеспечивать достаточно интенсивный теплообмен, обладая
высокой теплоемкостью и малой вязкостью;
быть достаточно доступными и иметь невысокую стоимость;
отличаться малой химической токсичностью;
иметь высокие температуры кипения и воспламенения;
быть удобными в транспортировке, хранении и заправке.
Применяемые
в
технике
теплоносители
всем
требованиям
одновременно не отвечают.
Допустимые и оптимальные расстояния, на которые может быть
осуществлен транспорт теплоты с помощью теплоносителей от ее источника
к потребителю, скорость движения и температуры теплоносителей в
аппаратах устанавливают в результате технико-экономического расчета. При
этом учитывают капитальные вложения, которые определяются затратами на
изготовление элементов системы, проведение строительных работ и монтаж
оборудования, а также эксплуатационные затраты, включающие стоимость
энергии на прокачку теплоносителя, расходы на ремонт оборудования и
зарплату обслуживающего персонала.
Приведенные в таблицах ориентировочные значения скоростей и
коэффициентов теплопередачи, при которых целесообразно использовать те
или иные теплоносители, получены с учетом их свойств на основе техникоэкономических расчетов и опыта эксплуатации теплотехнологического и
теплоэнергетического оборудования.
Таблица 6.1.
Рекомендуемые скорости теплоносителей при вынужденном течении
в каналах и трубах теплообменников
Среда
Скорость м/с
Маловязкие жидкости (вода, бензин, керосин)
0,5 – 3
Вязкие жидкости (масла, растворы солей)
0,2 - 1
Запыленные газы при атмосферном давлении
6 – 10
Не запыленные газы при атмосферном давлении
12 – 16
Газы под давлением (до десятков МПа)
До 15 – 30
Пар насыщенный
30 - 50
Пар:
Перегретый
30 – 75
Разряженный
100 - 200
Таблица 6.2.
Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи
Процесс
Коэффициент теплоотдачи,
Вт/(м2 К)
Нагревание и охлаждение:
Газов
Перегретых паров
Масел
Воды
Кипение:
Органических жидкостей
Воды
Пленочная конденсация:
Водяного пара
Органических паров
1 – 60
20 –120
60 – 1700
200 – 10000
600 – 10000
6000 – 50000
5000 – 20000
600 – 2500
Расход энергии на транспорт газообразных теплоносителей из-за малой
их плотности, низких коэффициентов теплоотдачи, больших массовых и
особенно объемных расходов значительно выше, чем на транспорт
капельных жидкостей. Поэтому дымовые газы, например, транспортируют не
более чем на несколько сотен метров, пар под давлением – на расстояния до
десятков километров, воду – на десятки и сотни километров. При высоких
давлениях свойства газов и паров, скорости их движения и техникоэкономические показатели приближаются к аналогичным характеристикам
капельных теплоносителей. Чем выше давление, тем ниже допустимая
скорость паров и газов.
Для
предотвращения
образивного
износа
трубопроводов
и
поверхностей нагрева скорость движения запыленных газовых потоков не
должна превышать 10 – 12 м/с. Для предотвращения коррозии оборудования
дымовые газы не рекомендуют охлаждать ниже температуры точки росы, при
которой начинается конденсация пара. Если в качестве теплоносителя
используется влажный воздух, то на поверхности с отрицательной
температурой образуется лед или иней, что снижает интенсивность
теплоотдачи.
Одним из способов эффективного использования теплоносителей
является замена пара и горячей воды высокотемпературными капельными
теплоносителями. Их температура кипения при атмосферном давлении выше,
чем воды, таким образом, удается обеспечить работу установок под более
низким давлением. Органические теплоносители чаще используются в
жидком состоянии (например, дифенильные смеси).
Показатели эффективности ТА
Выбор
оптимальной
конструкции
теплообменника
строится
на
технико-экономическом сравнении нескольких типоразмеров аппаратов
применительно
к
заданным
условиям
или
благодаря
критериям
эффективности.
Наиболее общим критерием при создании любого теплообменного
оборудования являются
экономические показатели, обеспечивающие
минимум суммарных приведенных расчетных затрат на его изготовление и
эксплуатацию
П=К/Т+Э,
где К – капитальные вложения; Т – нормативный срок окупаемости; Э –
эксплуатационные затраты.
Однако
на
начальной
стадии
проектирования
теплообменника
стоимость его изготовления определяется весьма ориентировочно и неточно,
поэтому наиболее правильно применять термодинамические критерии.
В
химической,
нефтегазовой
промышленности
и
иногда
в
теплоэнергетике при выборе наилучшего варианта из серийно выпускаемой
продукции предпочтение отдается экономическим показателям, в частности
приведенным затратам. В других отраслях машиностроения экономические
показатели
применяют
реже,
что
объясняется
трудностями
оценки
эксплуатационных затрат и небольшими сериями выпуска постоянно
улучшаемой теплообменной аппаратуры.
Совершенство
теплообменного
аппарата
может
быть
оценено
энергетическим коэффициентом Е, представляющим собой отношение
переданного тепла Q к затратам механической энергии на прокачку
теплоносителя N [Будов]:
E=Q/N.
Чем
больше
теплообменник
или
значение
его
E,
тем
поверхность
при
прочих
равных
теплообмена
условиях
совершеннее
с
теплогидродинамической (энергетической) точки зрения. Представив Q=KF
t
и разделив числитель и знаменатель
на площадь поверхности
теплообмена F, получим удельный показатель теплопередачи и энергозатрат
на единицу поверхности. Примем t =1К, тогда
Е 0 =K/N 0 ,
где Е 0 - коэффициент энергетической эффективности; N 0 - удельная
мощность средств циркуляции на прокачку теплоносителей через единицу
поверхности теплообмена; К – коэффициент теплопередачи.
Коэффициент
энергетической
эффективности
(критерий
Кирпичева) характеризует количество тепла, переданного при единичном
температурном напоре и единичных затратах мощности на прокачку
теплоносителей через единицу поверхности теплообмена.
Удельный показатель теплоотдачи и энергозатрат на единицу
площади теплообменной поверхности при единичном температурном напоре
будет определяться по следующей формуле:
Е 0 =  /N 0 ,
где N 0 =G p /(  F). Здесь  - коэффициент теплоотдачи; G и p расходы
и
гидравлические
потери
(рассматривается
одностороннее
обтекание).
Тепловым показателем совершенства теплообменника является
коэффициент его полезного действия (к.п.д.):
 =Q 2 /Q 1 ,
где Q 1 - максимально возможное количество теплоты, которое может
быть передано от горячего теплоносителя холодному в данных условиях; Q 2 количество теплоты, затраченной на технологический процесс.
В последнее время большое распространение получил метод
оценки термодинамического совершенства теплообменного аппарата при
помощи эксергетического к.п.д.:
Е ' '
ex = E ' ,
'
''
где Е - все виды поступающих в аппарат потоков эксергии; E - все
виды выходящих из аппарата потоков эксергии.