Численно-аналитический тепловой расчёт химического реактора | Статья в журнале «Молодой ученый»

Автор:

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №7 (245) февраль 2019 г.

Дата публикации: 18.02.2019

Статья просмотрена: 10 раз

Библиографическое описание:

Тишаков А. А. Численно-аналитический тепловой расчёт химического реактора // Молодой ученый. — 2019. — №7. — С. 87-93. — URL https://moluch.ru/archive/245/56494/ (дата обращения: 26.03.2019).



Изготовлена специальная установка, позволяющая поддерживать температуру до 3000 °C, необходимую для осуществления химических процессов в реакторе 1. Выполнено численно-аналитическое исследование температурного состояния многослойной цилиндрической установки с учётом лучистого теплообмена в газовой прослойке на всех режимах работы лабораторного стенда с помощью программы ANSYS Workbench.

Ключевые слова: численно-аналитический расчёт, сложный теплообмен, химический реактор, тепловой расчёт, многослойная цилиндрическая установка, лучистый теплообмен, программное обеспечение ANSYS Workbench.

Рассмотрим задачу стационарной теплопроводности применительно к трехслойному полому бесконечному цилиндру, у которого внутренний и наружный слои разделяются воздушной прослойкой (Рис.1). Температура внутренней стенки цилиндра известна и равна . Теплообмен на наружной поверхности цилиндра происходит при краевых условиях 3-го рода с заданными величинами коэффициента теплоотдачи и температуры среды . Требуется найти тепловой поток с единицы длины цилиндрической стенки, а также распределение температуры по толщине стенки.

Математическая постановка данной задачи будет:

где − коэффициенты теплопроводности первого и третьего слоёв, ; − тепловой поток, переносимый посредством теплопроводности, Вт/м; − лучистый поток через воздушный слой, Вт/м; − тепловой поток, протекающий через наружный слой, Вт/м; − конвективный тепловой поток, Вт/м; − диаметры слоев трехслойного полого цилиндра (Рис.1).

Рис.1 Схема лабораторной установки химического реактора: 1– химический реактор; 2 — первый слой (асбест); 3 — воздушная прослойка; 4 — слой стекловаты

Исходные данные задачи следующие (Рис.1):

.

Рассмотрим способ определения точного решения системы (1) — (4), позволяющий находить ее неизвестные, не используя графические методы. При стационарном режиме тепловые потоки в любом слое равны, т. е. . Поскольку число неизвестных ( равно четырём, то система (1) — (4) замкнута. Однако определение ее точного решения затрудняется нелинейностью уравнения (2). Для упрощения этой системы сведём соотношения (3) и (4) к одному алгебраическому уравнению. Выразим из (4) температуру и подставим полученное соотношение в (3).

Из (5) следует, что температура оказалось исключенной из системы (2.4), (2), (5), решение которой необходимо теперь получить. Для дальнейшего упрощения системы (1), (2), (5) выразим температуру из уравнения (1), а − из уравнения (5) и подставим полученные выражения в соотношение (2). Откуда для теплового потока будем иметь степенное уравнение вида:

Соотношение (6) представляет алгебраическое уравнение 4 — й степени для искомого теплового потока . Это уравнение имеет четыре корня, три из которых не имеют физического смысла, два комплексных и один отрицательный. Следовательно, из решения уравнения (6) получаем один действительный корень, представляющий определяемый тепловой поток. Расчёты теплового потока по уравнению (6) для разных значений температуры () внутренней поверхности приведены в таблице 1.

По найденному тепловому потоку, по формулам (1), (3), (4), были найдены температуры , , , которые также приведены в табл. 1.

Таблица 1

Тепловой поток , Вт/м

Температура,

Эквивалентный коэффициент теплопроводности воздушного слоя λэкв, Вт/(м К)

8

50

47

33

22

0,033

67

200

173

127

32

0,081

167

400

333

289

51

0,212

272

600

491

457

70

0,445

376

800

650

623

89

0,802

479

1000

808

788

108

1,31

581

1200

968

951

126

2,00

682

1400

1127

1114

145

2,89

783

1600

1287

1276

163

4,00

883

1800

1446

1437

182

5,38

983

2000

1606

1598

200

7,00

1084

2200

1766

1759

218

11,4

1184

2400

1926

1920

237

14,3

1285

2600

2086

2081

255

17,7

1385

2800

2246

2241

273

21,5

1485

3000

2406

2402

292

25,9

Найдём расход охлаждающего воздуха Gвозд для всех режимов работы лабораторной установки:

(7)

где - средняя теплоёмкость воздуха на каждом режиме;

среднеарифметическая температура между и воздуха в прослойке 3 (Рис.1);

=20°С — температура наружного воздуха.

Зная расход охлаждающего воздуха, определим скорость его перемещения по формуле (8):

где площадь поверхности воздушной прослойки и равна:

Полученные результаты расхода охлаждающего воздуха и необходимой скорости охлаждения приведены в таблице 2.

Таблица 2

Тепловой поток , Вт/м

Расход охлаждающего воздуха

Необходима скорость охлаждения

8

0

0

67

0

0

167

0

0

272

1,728

13,54

376

1,729

13,53

479

1,718

13,62

581

1,699

13,78

682

1,680

13,92

783

1,663

14,07

883

1,646

14,21

983

1,631

14,35

1084

1,619

14,45

1184

1,606

14,57

1285

1,596

14,66

1385

1,586

14,75

1485

1,576

14,84

Определим количество теплоты, которое необходимо отвести от каждого изоляционного слоя для того, чтобы охладить его до 50 °С:

где ,массы изоляционных слоёв минеральной ваты и асбеста соответственно;

среднеарифметическая температура между и воздуха в прослойке 4 (Рис.1)

среднеарифметическая температура между и воздуха в прослойке 2 (Рис.1)

теплоёмкость изоляционных слоёв минеральной ваты и асбеста равны 920 Дж/(кг·°С) и1050 Дж/(кг·°С) соответственно;

где плотность изоляционного слоя,

объём изолирующего слоя, определяющийся по формуле (9):

(9)

где высота изоляционного слоя, h=1,2 м;

площадь изоляционного слоя.

Найдём объёмы изолирующих слоёв:

Определим время охлаждения каждого изоляционного слоя для последнего режима:

Найдём коэффициент теплоотдачи

где коэффициент теплопроводности воздуха при

толщина изоляционного слоя, являющая определяющим размером.

где кинематическая вязкость воздуха,

определяющий размер, толщина

необходимая скорость охлаждения, м/с;

Полученные значения поставим в уравнение (11) и найдём критериальный коэффициент , для каждого изоляционного слоя при последнем режиме работы:

Полученные значения коэффициента подставим в уравнение (10) и найдём коэффициент теплоотдачи воздуха ( от каждого изоляционного слоя при последнем режиме работы:

Исходя из полученных значений, решим задачу нестационарного охлаждения лабораторной установки в модуле Transient Thermal программы ANSYS Workbench. Для этой цели, используя результаты аналитического решения задачи (1) — (4), приведенные в табл. 1, было задано начальное температурное распределение внутри установки (рис. 2)

D:\Материалы\Диссертация_Кудинов\Распределение температур.png

Рис. 2. Начальное распределение температуры при q=1485 Вт/ и схема разбиения на конечные элементы

Рис. 3. Графики изменения максимальных и минимальных температур в лабораторной установке от времени

Заключение

  1. Найдены скорости движения охлаждающего воздуха в зазоре 2 (рис.1) лабораторной установки, подающегося вентилятором для поддержания температуры на поверхности стенда не более 50 °С для всех режимов работы на основе численно-аналитического расчёта;
  2. Определено время охлаждения химического реактора атмосферным воздухом, подаваемым вентилятором, для рабочей температуры (3000 °С) электрической спирали лабораторного стенда.

Литература:

1. Кудинов И. В., Абишева Л.С, Бранфилева А. Н. Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура: научно-технический журнал / СГАСУ. — Самара, 2014. — Вып. № 3(16). — 112 с.

2. Кудинов, И. В. Графоаналитический метод расчета потерь теплоты через многослойные стенки при наличии лучистого теплообмена между отдельными слоями [Текст] / И. В. Кудинов // Межвузовский сборник научных трудов “Повышение энергоэффективности зданий и сооружений”. Вып. 6 / СГАСУ. — Самара, 2011. − С. 74–80.

3. Михеев, М. А. Основы теплопередачи [Текст] / М. А. Михеев, И. М. Михеева. − М.: Энергия, 1997. − 344 с.

4. Исаченко, В. П. Теплопередача [Текст] / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. − М.: Энергия, 1969. − 440 с.

Основные термины (генерируются автоматически): тепловой поток, ANSYS, лабораторная установка, охлаждающий воздух, слой, химический реактор, воздушная прослойка, среднеарифметическая температура, режим работы, температура.


Похожие статьи

Расчет теплообмена и радиационной составляющей теплопотерь...

Температура в прослойках, а также внутри и снаружи теплицы измерялась лабораторными термометрами и медь- константановыми термопарами. Для визуализации конвекции воздуха в буферной защите применялись табачный дым и алюминиевая пудра.

Теоретическое исследование процессов тепло- и массообмена...

В данной работе исследовано характеристики солнечных опреснительных установок.

Температура окружающей среды и падающая суммарная солнечная радиация приведено в рис.2.

Рис. 3. Расчетные результаты температура воды, дна установки и прозрачной среды.

Теплообмен в зернистых средах при реверсивных режимах...

По мере охлаждения шаров температура воздуха на теплом конце начинала постепенно

Затем поток вновь переключали, и на холодный вход регенератора подавали воздух при ТХ = -8 оС.

Температура на входе в слой зернистого материала Тin в общем случае не равна...

Исследование теплообменных процессов в системах...

В статье приведены результаты исследований теплообменных процессов в опытной гелиовоздухонагревательной установки для систем термической регенерации адсорбентов. На основе проведенных исследований и по результатам измерений получены основные...

Оценка эффективности работы элементов системы охлаждения...

В статье представлена математическая модель системы охлаждения магистрального тепловоза серии 2ТЭ10М, позволяющая выполнять расчет параметров теплообменных аппаратов с учетом их технического состояния.

Исследование определения теплового состояния паропроводов...

В данной работе проводится определение теплового состояния паропровода паровой турбины на

В работе показана правомерность использования аналитического решения ОЗТ для

При решении ОЗТ не нужно знать начального распределения температуры в теле, что является...

Моделирование и расчет теплового баланса пиролизной...

В процессе проектирования пиролизных установок ключевое значение имеет расчет теплового баланса биореактора в

где Т1 — температура нагреваемого продукта на входе в реактор, К; T — разность температур

где, — температура окружающей среды (атмосферного воздуха), К...

Методика выделения лучистой составляющей теплового потока

В исследовании теплообменных аппаратов, когда один из теплоносителей — продукты сгорания, имеет место совместный теплообмен, состоящий из конвекции и излучения. Прямое измерение лучистой составляющей суммарного потока теплоты вызывает затруднения.

Определение теплопроводности слоев новой конструкции...

Определение теплопроводности торкрет–бетона производилось методом стационарного теплового потока. В установку для нагрева (рис. 2) укладывали выпиленный образец из торкрет–бетона. Далее на клавиатуре электронного блока вводились высота образца.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Расчет теплообмена и радиационной составляющей теплопотерь...

Температура в прослойках, а также внутри и снаружи теплицы измерялась лабораторными термометрами и медь- константановыми термопарами. Для визуализации конвекции воздуха в буферной защите применялись табачный дым и алюминиевая пудра.

Теоретическое исследование процессов тепло- и массообмена...

В данной работе исследовано характеристики солнечных опреснительных установок.

Температура окружающей среды и падающая суммарная солнечная радиация приведено в рис.2.

Рис. 3. Расчетные результаты температура воды, дна установки и прозрачной среды.

Теплообмен в зернистых средах при реверсивных режимах...

По мере охлаждения шаров температура воздуха на теплом конце начинала постепенно

Затем поток вновь переключали, и на холодный вход регенератора подавали воздух при ТХ = -8 оС.

Температура на входе в слой зернистого материала Тin в общем случае не равна...

Исследование теплообменных процессов в системах...

В статье приведены результаты исследований теплообменных процессов в опытной гелиовоздухонагревательной установки для систем термической регенерации адсорбентов. На основе проведенных исследований и по результатам измерений получены основные...

Оценка эффективности работы элементов системы охлаждения...

В статье представлена математическая модель системы охлаждения магистрального тепловоза серии 2ТЭ10М, позволяющая выполнять расчет параметров теплообменных аппаратов с учетом их технического состояния.

Исследование определения теплового состояния паропроводов...

В данной работе проводится определение теплового состояния паропровода паровой турбины на

В работе показана правомерность использования аналитического решения ОЗТ для

При решении ОЗТ не нужно знать начального распределения температуры в теле, что является...

Моделирование и расчет теплового баланса пиролизной...

В процессе проектирования пиролизных установок ключевое значение имеет расчет теплового баланса биореактора в

где Т1 — температура нагреваемого продукта на входе в реактор, К; T — разность температур

где, — температура окружающей среды (атмосферного воздуха), К...

Методика выделения лучистой составляющей теплового потока

В исследовании теплообменных аппаратов, когда один из теплоносителей — продукты сгорания, имеет место совместный теплообмен, состоящий из конвекции и излучения. Прямое измерение лучистой составляющей суммарного потока теплоты вызывает затруднения.

Определение теплопроводности слоев новой конструкции...

Определение теплопроводности торкрет–бетона производилось методом стационарного теплового потока. В установку для нагрева (рис. 2) укладывали выпиленный образец из торкрет–бетона. Далее на клавиатуре электронного блока вводились высота образца.

Задать вопрос