Основные виды, назначения, принципы действия тепломассообменного оборудования предприятий

Теплообменными аппаратами называются устройства, в которых осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

По принципу действия теплообменники могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смеситель­ные. Особое место занимают теплообменники с внутренними источниками энергии: электронагреватели, реакторы. Рекуперативными называются теплообменники, в которых горячая и холодная среда протекает одновременно и теплота передается через разделяющую их стенку (котлы, подогреватели, испарители).

Регенеративными называются теплообменники, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то холодным, то горячим теплоносителем. В период контакта стенки с горячим теплоносителем стенка нагревается, нагревая среду за счет аккумулированной теплоты (воздухообогреватели газотурбинных установок).

Смесительные предназначены для осуществления тепло- и массообменных процессов при непосредственном соприкосновении теплоносителей (оросительные полые, посадочные и барботажные аппараты).

Наибольшее применение получили рекуперативные теплообменники, которые по взаимному направлению движе­ния теплоносителей разделяют на прямоточные, противоточные и с перекрестным или смешанным током:

прямоточ. противоточ. перекрёст.

 

многократно перекрёстный

По принципу взаимодействия теплоносителей различают системы: жидкость-жидкость; пар-жидкость; газ-жидкость; пар-пар.

По конструктивным признакам рекуперативные теплообменники – змеевиковые, оросительные, труба в трубе, кожухотрубчатые, спиральные, пластинчатые, специальные (парогенераторы, водонагреватели, перегреватели). Наиболее широкое распространение в промышленности получили кожухотрубчатые рекуперативные теплообмен­ники. Они могут работать в широком диапозоне температур и давлений и применяться как в качестве индивидуальных аппаратов, таки в виде элементов различных теплообменных установок (выпарных).

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью нагрева. Разработано большое число теплообменников, поверхность теплообмена которых выполнена из листовой стали -гофрированных пластин - компактные и по технико-экологическим, эксплутационным показателем превосходит лучшие теплообменники, но не могут работать в области высоких t и Р, поэтому их применяют при давлении до 16 атм. и t до 150°С для разборных аппаратов (между пластинами которых укладываются уплотнительные прокладки) и до 400° С для неразборных аппаратов (уплотнение пластин в которых достигается сваркой). Нераз­борные пластинчатые теплообменники разработаны на давление до 20 атм и t до 400°С. Аппараты, поверхность теплообмена которых выполнена из неметаллических материалов, предназначена для работы с жидкостями, парами, и газами, высокоагрессивными по отношению к металлам.

Кожухотрубчатые рекуперативные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами и крышками с патрубками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Перегородки предназначены для увеличения скорости, а значит и коэффициента теплопередачи. Этот тип теплообменников предназначен для теплообмена между различными жидкостями, жидкость и пар, жидкость и газ. Когда требуется большая поверхность теплообмена.

1 -кожух; 2- трубная решетка; 3 - трубы; 4 – перегородки; 5 - камера; 6 -перегородки в камерах; 7 - перегородки в межтрубном пространстве

 

№15

Рекуперативные теплообменные (т/о) аппараты, конструкции, принципы действия, режимы эксплуатации, ос­новные параметры, характеризующие их эффективность

 

Т/о аппарат - устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к друго­му.

Рекуперативные - аппараты, в которых теплота от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяю­щую их стенку (подогреватели, конденсаторы).

1. Кожухотрубчатый т/о аппарат состоит из кожуха и пучка труб, закрепленных в решетках для создания двух проточных каналов. Первый канал находится в межтрубном пространстве и предназначен для нейтральных сред, а второй, полученный из проходного сегмента труб, предназначен для растворов и жидкостей, способных загрязнять внутренние поверхности труб. Крышки распределительных камер и кожух, замыкающий межтрубное пространство, снабжены штуцерами для подвода и отвода теплоносителей.

1 - кожух или корпус:

2 - трубные решетки:

3 - трубы;

4 - днища или крышки распределительных камер:

5 - фланцы;

6 -болты:

7 - опорные лапы;

8 - перегородки.

 

Применяют для нагрева и охлаждения, для испарения и конденсации теплоно­сителей в различных технических процессах.

Перегородки в межтрубном простран­стве изменяют направление движения теплоносителя так, что наружная поверхность труб омывается преимуще­ственно в конкретном направлении.

Расход теплоносителя в межтрубном пространстве определяется количеством теплоты, необходимой для теплообменного процесса: G_a = f ∙ w ∙ ρ;,где

f - площадь сечения для прохода теплоносителя, м;

w - скорость движения теплоносителя, м/с;

ρ;-плотность теплоносителя, кг/м³.

ТН - теплообменник с неподвижными решетками, с жестким кожухом и жестко закрепленными трубными решетками;

ТК - теплообменник с температурным компенсатором на кожухе с жестко закрепленными трубными решетками;

ТП - с плаваю­щей головкой.

Основные параметры:

1)поверхность теплообменника, м²; 1-2000;

2)условное давление в трубном или межтрубном пространстве, МПа; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5

3)диаметр кожуха, мм - наружный (при изготовлении из труб), внутренний (при изготовлении из листовой стали); наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб (диаметр ∙ толщина стенки, мм)

4)длина теплообменных труб, мм; 1000, 1500, 2000;

5)схема и шаг размещения теплообменных труб в трубных решетках, мм - по вершинам равносторонних треуголь­ников: 21- для труб диаметром 16; 26- для труб диаметром 20.

2.Спиральные т/о аппараты состоят из 2-х листов, свернутых в виде спирали и образующих два канала прямоуголь­ного сечения, по которым подают теплоносители. Ширину канала между листами в пределах b =8-16мм. Шаг спи­рального теплообменника определяют из соотношения. е = b + δ;, где δ - толщина листа, мм.

Спиральный теплообменник используют для нагрева или охлаждения жидкостей или газов, а также конденсации па­ров в различных технологических процессах. Теплообменник работает под избыточным давлением до 1,0 МПа при t от -20°С до +2 °С. Параметры: поверхность теплообмена, м 10-100; рабочая среда - жидкая, парообразная, вы­соковязкая, газообразная, парообразная. Расчетное давление, МПа до 1,0; 0,6. Расчетная t от -20°С до +200°С; от -20°С до +20°С. Ширина канала, мм 12; 8; 16.

3.Пластинчатые - разборные т/о аппараты с поверхностью теплообмена 3-600 м² выпускают в 3-х исполнениях, на консольной, двухопорной и трехопорной рамах. Наибольшее применение - на двухопорной раме. Общее количество пластин определяют из производительности, те из уравнения расхода теплоносителя через канал, образованный пластинами: V= f ₀ ∙ w ∙ n, где

вода

1- внутренняя труба; 2- наружная труба; 3- калач

V - объемный расход теплоносителя, м/с;

f ₀ - сечение канала, по которому движется теплоноситель, м²;

w - скорость движения теплоносителя м/с;

n - число каналов теплообмена.

Теплообменники состоят из штампованных пластин, подвешенных к верхней штанге на съемных скобах между под­весной и неподвижной плитами, сжимающими пластины в пакет. Штанги (верхняя и нижняя), закрепленные в непод­вижной плите, опираются на съемную стойку. Теплопередающие пластины разборных теплообменников по контуру вставлены в пазы, в которых закреплены уплотнительные прокладки. При сжатии пластин прокладки деформируются и создают герметичную систему каналов, по которым движется теплоноситель и рабочая среда. Параметры: поверхность теплообмена, пластины, м², 0,2; 0,3; 0,5; условное давление, МПа, 1,7; 1,0;0,6.

4.«Труба в трубе» - изготавливают из цельнокатаных труб сварной конструкции, а также с сальниками на одном или обоих концах трубы, с целью удобства чистки.

1- сосуд;

2- стакан;

3- змеевик из трубы

Подразделяются на аппараты жесткой конструкции (тип ТТ), с сальниками на одном или обоих концах труб (тип ТТ-с) и с оребренными внутренними трубами (тип ТТР). Тип ТТ применяют для нагрева и охлаждения жидкостей при давлении теплоносителя до 2,5 МПа, и температурой теплоносителя, пропускаемого по внутренним трубам до +450°С.

Тип ТТР для нагрева или охлаждения газообразных сред, поступающих в межтрубное пространство. Параметры: наружный d теплообменной трубы, мм 25; 38; 48; 57; наружный d кожуховых труб, мм - 57; 76; 89; 108, длина кожуховых труб, м 1,5; 3,0; 6,0; 4,5; поверхность теплообменника, м 0,5 – 5,0; проходные сечения, м ∙10⁴ внутри теплообменных труб 2,5-35,0; наружных теплообменных труб 6,0-100,0; условное давление МПа - внутри теплообменных труб 6,4; 10,0; 16; снаружи теплообменных труб 1,6; 4,0; 6,4.

5.Змесвиковые применяют в виде элементов реакционной аппаратуры, подогревателей. Змеевики изготавливают из труб черных и цветных металлов, они могут работать под значительным давлением. Параметры: поверхность теплообмена F, м 1; 2; 3,5; 7; диаметр и толщина стенки трубы d_н ∙ δ;, мм 32∙2,5; 44∙2,5; длина трубы L, м 11,4; 22,4; диаметр витка змеевика D, мм 350; 500; 600; шаг витков l, мм 50,65; количество витков 10;14;17; диа­метр сосуда D, мм-450; 600; высота сосуда Н, мм 705.905; масса змеевика, кг- 20,7; 40,7.

 

 

№16

Общее положение теплового расчёта рекуперативных теплообменных аппаратов. Особености теплового расчёта аппаратов с однофазными теплоносителями, с конденсацией и ребристых

Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов по виду, устройству, принципу действия и рабочим телам, назначение их одно и то же: это передача теплоты от одной горячей жидкости к другой - холодной. Поэтому и основы расчета для них остаются общими. При расчете теплообменников могут встретиться следующие задачи:

1. определение поверхности нагрева F, обеспечивающей передачу заданного количества тепла Q от горячего к холодному (конструктивный расчет);

2. определение количества тепла Q, которое может быть передано от горячего теплоносителя к холодному при известной поверхности F (поверочный расчет);

З. определение конечных температур теплоносителей при известных значениях F и Q (поверочный расчет).

Основными расчетными уравнениями для решения поставленных задач являются уравнения теплопередачи: Q⁼k_ср – F_ср – Δt_ср = k_ср – F_ср(t₁ -t₂), где k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м² ∙К); Δt_ср -средний температурный напор, °С;

Уравнение теплового баланса: Q₁= Q₂+ΔQ.

Количество теплоты, отданное горячим теплоносителем: Q₁ = M₁∙C_p1∙ ();

Количество тепла, воспринятое холодным теплоносителем:Q₂=М₂∙С_р2(), где

t₂- температура холодного теплоносителя, ⁰С; t₁- температура горячего теплоносителя, ⁰С;

ΔQ-потери теплоты в окружающую среду, Вт,

С_р1, С_р2 - удельные массовые средние изобарные теплоёмкости теплоносителей, Дж/(кг∙K);

- начальная и конечная температура горячего теплоносителя;

-начальная и конечная температура холодного теплоносителя;

В тепловых расчётах важное значение имеет понятие, так называемого водяного эквивалента теплоносителя W, который представляет собой полную теплоёмкость массового расхода теплоносителя, т.е W= M∙C_р= ρ∙ω∙f∙C_р,Вт/кг, где М-массовый расход теплоносителя, кг/с; ω -скорость теплоносителя, м/с; ρ-плотность теплоносителя, кг/м³, f-площадь сечения канала, м²; Смысл этого понятия состоит в том, что его числовая величина определяет как бы количество воды, равноценное по теплоёмкости расходу рассматриваемого теплоносителя в единицу времени.

Для чистого т/о аппарата коэффициент теплопередачи плоской стенки, Вт/м²∙К k=

 

Для чистого т/о аппарата коэффициент теплопередачи цилиндрической стенки, Вт/м²∙К

k=

где α -коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м²∙ К); δ-толщина стенки, м;

Латунь: λ=105-245Вт/(м∙К); сталь Х18 λ=15,9-16,9 Вт/(м-К);Сталь 20 λ=50 Вт/(м-К); титановые сплавы λ=13Вт/(м∙К);

Для загрязнённого конденсатора: k= где

α₁ – коэф. теплоотдачи со стороны горячей среды, Вт/(м²∙К); α₂ – коэф. теплоотдачи со стороны холодной среды, Вт/(м²∙К);

δ_гр, δ_гр2, δ_ст – толщина слоя грязи с двух сторон стенки, толщина самой стенки, м;

λ_гр, λ_гр2, λ_ст – теплопроводность грязи с двух сторон стенки, теплопроводность материала стенки, Вт/(м∙К).

λ_гр = 1,5-2,0 Вт/(м∙К); α_1,2 =f(Re;Pr;Gr;K)

Число Грасгофа – интенсивность свободной конвекции; число Прандля- влияние рода жидкости.

При течении вдоль труб или внутри трубы при продольном протекании

ламинарный режим: Re<2320 Nu_f = 0,15∙Re

турбулентный: Re >1∙10⁴ Nu_f = 0,021∙Re

переходный:2320 <Re <1∙10⁴ Nu_f = К₀ , где К₀ – коэффициент берётся из таблиц в зависимости от числа Re;

 

0 0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0 0

шахматное коридорное

При поперечном обтекании:

коридорные пучки: при Re_f <1000 Nu_f = 0,56∙Re при Re_f >1000 Nu_f = 0,22 ∙Re

шахматные пучки: при Re_f <1000 Nu_f = 0,56∙Re при Re_f >1000 Nu_f = 0,4 ∙Re

При поперечном обтекании с точки зрения получения максимального температурного напора имеет преимущество-противоток. Поперечное обтекание более эффективней, чем продольное.

Для пластинчатого т/о: Nu_f = А ∙ Re А зависит от типа пластин d_экв =0,008 для 0,3 м²;

N_н = ; Если считать, что движение плёнки ламинарное: q = Δt_пл=t_н-t ;

Различают процессы конденсации неподвижного и двигающегося пара, насыщенного и перегретого пара, чистого и смеси паров, смачивается или не смачивается. На поверхности несмачиваемой жидкость охлаждается в виде капель (капельная конденсация), на смачиваемой поверхности конденсат образует сплошную плёнку.

Нуссельт нашёл первым толщину плёнки при ряде допущений, сечение плёнки ламинарное

для горизонтальной трубы: Вт/(м²∙К), где D – диаметр трубы, м;

для вертикальной трубы: Вт/(м²∙К), где где

ρ'-плотность конденсата при t_н; ρ"-плотность пара; r-теплота парообразования (конденсации) кДж/кг;

ν-коэффициент кинематической вязкости конденсата, м²/с; g-ускорение свободного падения;

λ- коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м∙К); λ,ν,ρ -выбираются по средней температуре плёнки; t_пл= ;

При конденсации перегретого пара вместо r подставляют: r_п =r+G_A∙(t_n-t_н). Экспериментальные исследования показали, что в процессе течения плёнки по поверхности сопровождается волнообразованием и коэффициентом теплоотдачи примерно на 21% выше, чем по формуле Нуссельта. Поэтому формула для коэффициента теплоотдачи от пара к стенке определяется по формуле:

, где В=5700 + 56 ∙ t_н – 0,09 ∙ t

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к вертикальным трубам можно определить от числа Григулля:

Z=H(t_п- t_w)∙A

При Z<2300 Вт/(м² ∙К); При Z>2300 Вт/(м² ∙К), где

Re_н = А₃, А₄ – температурные множители (табличные); Н – расчётная высота трубок, м.

t_н и t_w – температура конденсата (равная температуре насыщения пара и температуре стенки), ⁰С;

Для горизонтальных труб при ламинарном движении формула Лабунцова: Вт/(м² ∙К), где

m -приведённое число трубок; m = , N-общее количество трубок в вертикальном ряду.

Всё приведенное выше - формулы для неподвижного пара. Конденсация движущегося пара происходит с большей интенсивностью, поэтому вносят поправку на скорость пара.

где П- одна из поправок. П= где

μ_к - коэффициент динамической вязкости;

W_п-средняя скорость пара в межтрубном пространстве;

Все процессы лучше изучать экспериментально.

Для конденсатора паровых турбин: α_п = α₀ ∙ Ф₁ ∙ Ф_w ∙ Ф_Е ∙ Ф_f ∙ Ф_k, где Ф_i-факторы, учитывающие соответственно натекание конденсата на трубный пучок, скорость пара, параметры вибрации трубок, компоновку трубного пучка.

 

 

№17

Гидродинамический расчет т/о аппаратов. Основные геометрические характеристики, определение проходных сечений и скоростей теплоносителей

Основной задачей гидродинамического расчета т/о аппаратов является определение потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат.

При течении жидкости всегда возникают сопротивления, препятствующие движению. На преодоление этих сопротивлений затрачивается механическая энергия, пропорциональная перепаду давления ΔР. Сопротивления разделяются на трения и местные сопротивления.

Гидравлическое сопротивление трения обуславливается вязкостью жидкости и проявляется лишь в местах безотрывного течения жидкости вдоль твердой стенки. При этом сила давления равна силе трения, т.е. ΔР_т∙f=S∙F, откуда ΔР_т= , где S - касательное напряжение (S= ), это означает, что чем больше вязкость протекающей жидкости, тем больше сопротивле­ние).

Кроме того, сопротивление зависит от скорости w. Если скорость ниже критической, то сопротивление пропорционально первой степени скорости; если же скорость выше критической, то сопротивление пропорционально квадрату скорости.

 

Потери давления на преодоление сил трения при течении несжимаемой жидкости в каналах на участке безотрывного движения в общем случае рассчитывается по формуле:

,

где ℓ - полная длина канала, м;

d - гидравлический (эквивалентный) диаметр, d= (f- поперечное сечение канала; u-периметр поперечного сечения) м;

λ- коэффициент потерь на трение;

ρ - средняя плотность жидкости или газа в канале, кг/м³;

w - средняя скорость жидкости или газа в канале, м/с.

В практических расчетах поправка λ₀ обычно несущественна и потери давления в трубах и в каналах определяются по формуле:

ламинарный λ=64/Re; Re = ;

Для гидравлических гладких труб – формула Альтшуля

Местные сопротивления обуславливаются вихреобразованием в местах, где меняется сечение канала и преодолеваются отдельные препятствия, например, при входе, выходе, сужении, расширении, повороте и т.д.

Потери давления местных сопротивлений определяются по формуле:

где

- коэффициент местного сопротивления, выбирается от вида местного сопротивления.

Кроме того, при неизотермическом движении газов движение становится неравномерным при изменении их плотности, а вместе с тем и скорости. Это вызывает дополнительную потерю давления на ускорение газа ΔР_н, которая при движении в канале постоянного сечения равна удвоенной разности давлений: ΔР_н = ρ₂ ∙ w₁²- ρ₁ ∙ w₂².

При неизотермическом движении также появляется сопротивление самотяги, возникающее из-за того, что вынужденному движе­нию нагретой жидкости в нисходящих участках канала препятствует подъемная сила, направленная вверх. Подъемная сила и равная ей по значению сопротивление самотяги определяется по формуле:

где

ρ₀ - средняя плотность холодной жидкости, например, окружающего воздуха, кг/м³;

ρ - средняя плотность нагретой жидкости, например, дымовых газов, кг/м³;

h ₀ - высота вертикального канала – газохода (если поток не исходящий, то дополнительное сопротивление канала; при восходящем же движении нагретой жидкости сопротивление канала уменьшается на величину ΔР_с).

При определении полного сопротивления какого-либо устройства в технических расчетах принято суммировать отдельные сопротивления.

Полное гидравлическое сопротивление теплообменных устройств равно:

ΔР_п = ΣΔР_тр+ ΣΔР_м+ ΣΔР_н+ ΣΔР_с, где

ΔР_тр- потери напора на трение; ΔР_м- на местные сопротивления; ΔР_н - потери в следствии неизотермического течения; ΔР_с - потери самотечения.

 

Скорости теплообменных аппаратов:

Для латуни w_max=2-2,2 м/с; для медно-никелевых сплавов w_maх=2,5-2,7 м/с; для нержавейки w_max⁼4,5 м/с; для титана w_maх= 5 м/с; При морской воде скорости принимают на 10-15 % меньше.

Определив полное гидравлическое сопротивление и зная расход жидкость, легко определить мощность, необходимую для пере­мещения рабочей жидкости через аппарат.

Мощность на валу насоса или вентилятора определяется по формуле:

Вт, где

V - объемный расход теплоносителя, м³/с;

М - массовый расход теплоносителя, кг/с;

ΔР-полное сопротивление потери давления, Па;

η - кпд насоса или вентилятора.