Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Область применения теплообменных аппаратов в химической
технологии и основные требования к теплообменным аппаратам.
В химической промышленности теплообменное оборудование по весу и стоимости составляет порядка 15- 18% от всего оборудования. В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности до 50%.
Применяемое в химической, нефтехимической и смежных с ними производствах теплообменная аппаратура разнообразна как по своему функциональному назначению. Так и по конструктивному назначению. В химической технологии нашли широкое применение для регенерации тепла жидких и газообразных сред.
Холодильники – предназначены для охлаждения среды, каким – либо хладагентом.
Конденсаторы – предназначены для конденсации чистых пород и пара газовых смесей.
Дефлегматоры – предназначены для выделения жидкой фазы и паровой.
Испарители – для выделения паров из жидкой фазы при ее кипении.
По способу передачи тепла, теплообменные аппараты можно разделить на две основные группы:
В поверхностных теплообменных аппаратах передача тепла от одной среды к другой, происходит через твердую стенку, которую принято называть поверхностью теплообменника. В теплообменниках смешения передача тепла происходит в процессе непосредственного контакта сред.
В свою очередь поверхностные теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные.
В рекуперативных теплообменных аппаратах теплообмен осуществляется через разделительную стенку, а тепловой поток сохраняет постоянное направление.
Если же два или более теплоносителей попеременно сохраняются с одной и той же поверхностью нагрева, то теплообменный аппарат называют регенеративным.
Период соприкосновения с горячими теплоносителями стенки аппарата аккумулируют теплом, а при последующем контакте стенки с холодным теплоносителем это тепло отдается. Направление теплового потока, таким образом, изменяется на противоположное.
Рекуперативные теплообменники являются, в основном, аппаратами непрерывного действия, регенеративные – периодического. В зависимости от конкретных условий работы, требуемые к промышленным теплообменным аппаратам весьма разнообразны. Можно выделить следующие основные требования, к-ым должны соответствовать современные теплообменные аппараты:
Виды теплоносителей.
В зависимости от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться различные газообразные, парообразные, жидкие и твердые тела. Наиболее распространенным парообразным теплоносителем является насыщенный водяной пар. Он имеет целый ряд положительных качеств:
Основным недостатком водяного пара является:
Неизбежное и значительное повышение давления с ростом температуры, поэтому температуру применяют до 170°-180°С.
Для нагрева от 180°-1000°С применяют домовые или топочные газы.
Недостатки топочного газа: низкий коэффициент теплоотдачи; малая величина удельной теплоемкости; пожароопасность; неравномерность обогрева; топочные газы загрязняют теплопередающую поверхность.
Среди жидких теплоносителей наиболее распространенными является:
- горячая вода, нагрев до t=100°С при Р=0,1 МПа, при 2,5 МПа до 374°С. (неагрессивна, пожаробезопасна, доступна, высокий коэффициент теплоотдачи).
- минеральные масла (цилиндровые, компрессорное), обеспечивается нагрев до 250°С, пожроопасно, загрязняет атмосферу.
- высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ) - этиленгликоль, глицерин. Обеспечивается нагрев до 300° С, α - коэффициент теплоотдачи до 2000°С.
- расплавы металлов (натрий, калий, свинец) нагрев до 800°, коэффициент теплоотдачи α до 8000, недостаток - ядовитые пары.
- расплавы солей () температура 500°-550°, при 0,1 МПа, коэффициент теплоотдачи α до 3000, являются сильными окислителями, поэтому взрывоопасны.
К твердым теплоносителям относятся кусковые и зернистые огнеупорные материалы (кварцевый песок, алюмосиликаты, диабаз) используются в регенеративных теплообменниках.
температур и скорости движения.
Выбор направления рабочих сред в аппарате должен производиться так, чтобы обеспечить:
Как правило, наиболее выгодно противоточное движение сред.
Общий подход к расчету рекуперативного теплообменника.
Независимо от типа выбранного рекуперативного теплообменника, расчет начинается с составления уравнения теплового и материального баланса. Как правило, задаются для одного из теплоносителей расход конечной и начальной температуры или условие, что необходимо испарить или сконденсировать.
Известны физико-химические характеристики данного теплоносителя: вязкость, теплоемкость, теплопроводность. Далее выбирается второй теплоноситель: горячий или холодный, для него известны физико-химические свойства, задаются его начальной и конечной температурой или рабочее давление (нас. водяной пар).
Из уравнения теплового материального баланса мы находим расход 2-го теплоносителя. Вид уравнения теплового материального баланса зависит от того, происходит фазовое превращение или нет, т.е.:
1. Если нет фазовых превращений обоих теплоносителей:
2. Второй теплоноситель претерпевает фазовое превращение (насыщенный водяной пар)
r – удельная теплота парообразования
3. Задать направление движения теплоносителя и определить среднюю разность температур.
Основная задача расчета: определение необходимой поверхности теплообмена, к-ая определяется из основного уравнения теплопередачи:
К- коэффициент теплопередачи – количество тепла, которое предается через единицу поверхности от горячего теплоносителя к холодному, в единицу времени при разности темп-р в один градус. Коэффициент теплопередачи зависит от коэффициента теплоотдачи и от термического сопротивления стенки.
α1 - коэффициент теплоотдачи – количество теплоты, которое отдается от теплоносителя стенки или от стенки теплоносителя на единицу поверхности в единицу времени при разности температур в один градус.
λ – коэффициент теплопроводности (из справочника)
Коэф. теплопередачи К всегда меньше меньшего значения коэф .теплоотдачи, поэтому при проектировании теплообменного оборудования следует стремиться к увеличению меньшего значения коэф. теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи α находим из критериальных уравнений построенных на теории подобия, а именно из критерия Нуссельта (Nu).
Fп.с. – площадь проходного сечения канала
Расчет дальше ведется методом последовательного приближения. Приближение можно вести по разному.
Теплообменники с поверхностью теплообмена
изготовленной из труб.
Змеевиковые теплообменники.
Эти теплообменники являются одним из самых старых типов теплообменного погружного оборудования. Они представляют собой цилиндрическую или плоскую спираль, изготовленную из трубы и помещенную в сосуд, через который проходит один из теплоносителей. Другой теплоноситель вводится в трубу змеевика.
|
Спираль 2 крепится с помощью уголка 3 и хомута 4 на кожухе сосуда 1. |
(Рисунок)
Положительные качества:
Простота конструкции; дешевизна; возможность изготовления из любого материала; способность змеевика выдерживать высокие давления и малую чувствительность к нарушению режима.
Отрицательные качества:
Низкая интенсивность теплоотдачи в межтрубном пространстве; высокая металлоемкость; большое гидравлическое сопротивление трубного пространства, поэтому скорость жидкости рекомендуется в пределах 0,5 – 1 м/с, газов 5 – 15 м/с, поверхность теплообмена обычно не превышает 10 – 15 м2.
Для интенсификации теплоотдачи в межтрубном пространстве устанавливают перемешивающее устройство, а для снижения гидравлического сопротивления змеевика его делают многозаходным.
Если в качестве горячего теплоносителя в теплообменнике используется насыщенный водяной пар, то отношение длины змеевика к его диаметру не должно превышать определенного предела. При давлении 0,2 – 0,5 МПа это отношение не должно быть больше 200 – 275. В противном случае скопление конденсата в нижней части змеевика вызовет значительное снижение интенсивности теплообмена при существенном увеличении гидравлического сопротивления. Змеевик в аппарате размещают, так чтобы он весь по высоте находился в жидкости, не касаясь при этом стенок аппарата и со всех сторон имел расстояние 0,25 – 0,4 м. до стенок аппарата. Шаг объемной спирали рекомендуется , где-наружный диаметр трубы. Диаметр витка змеевика, при известном диаметре аппарата D
, высота , где N – число витков в спирали.
Оросительные змеевиковые теплообменники.
Данные теплообменники могут использоваться как холодильники или конденсаторы. Это достаточно распространенный вид теплообменного оборудования. Конструктивно они выполняются в виде плоских змеевиков располагающихся в вертикальной плоскости. Диапазон рабочих температур 5 - 300°, давление до 1,6 МПа = 16атм.
|
Основные преимущества: достаточно большие значения коэффициента теплоотдачи и теплопередачи; простота конструкции; простота в обслуживании.
Недостатки: громоздкость; повышенная влажность при установки в помещении за счет испарения орошающей жидкости.
Может изготавливаться из металлических, стеклянных, стеклопластиковых, пластиковых труб. Поверхность теплообмена 5 – 150 м2. Диаметры труб 38 – 80 мм. Длина труб 3 – 8 м.
Теплообменники могут быть разборными и неразборными. Если теплообменник не разборный радиус сгиба трубы – r=4dн (dн – наружный диаметр) трубы. Для уменьшения радиуса сгиба могут использоваться штампованные калачи. Оросительное устройство может быть в виде трубы с отверстием.
Коэффициент теплоотдачи.
Для внешней поверхности трубы.
t- расстояние между осей соседних труб
Рейнольдс пленки определяется через плотность орошения.
G – расход орошающей жидкости (кг/с)
Г – плотность орошения
l – длина трубы
Теплообменник типа «труба в трубе».
Основой теплообменника является конструкция, состоящая из двух коаксиально расположенных труб. Данные теплообменники могут использоваться как холодильники, конденсаторы и нагреватели. При значительных расходах теплоносителей теплообменник собирают из нескольких секций.
Конструкция может быть как цельносварная, разборная и полуразборная. Т.к. вынужденные движения теплоносителей обеспечиваются с обеих сторон поверхности теплообмена, то значение коэф. теплопередачи в них выше, чем в предыдущих конструкциях. Обычно используются теплообменники с поверхностью теплопередачи 10 – 100 м2. Рабочие температуры (-30°) – (+300°), давление 1 – 8 МПа.
Недостатки: высокая удельная металлоемкость, громоздкость.
Для интенсификации теплообмена в межтрубном пространстве могут применяться внутренние трубы с продольным оребрением.
Коэффициент теплоотдачи определяется по уравнению:
Кожухотрубные теплообменники.
Данные теплообменники относятся к числу наиболее распространенных в промышленности рекуперативных теплообменников. Они подразделяются на следующие основные типы:
трубная доска
|
|
Вследствие разности и температур кожуха и труб, в трубках и кожухе возникают температурные напряжения. Для их компенсации в теплообменнике жесткой конструкции на кожухе 1 могут устанавливаться линзовые конденсаторы 6 в количестве 1 – 5. По ходу теплоносителя в межтрубном пространстве к кожуху 1 приваривается втулка 7. |
|
При вводе в межтрубное пространство пара или газа напротив штуцера ввода обычно устанавливают отбойник, чтобы снизить эрозионный износ труб. Если обогрев производится насыщенным паром, то для того, чтобы конденсат не скапливался над трубной доской (если конденсат скапливается при этом произойдет уменьшение длины греющих труб) применяют: |
|
2. использование гнутых труб. |
3. иногда при использовании трубных досок большей толщины, конденсат может выводиться через отверстия трубной доски. |
Для увеличения числа ходового трубного пространства в крышках теплообменника могут устанавливаться перегородки. Число ходов по межтрубному пространству может быть от 1 до 6.
|
Использование многоходовых теплообменников по трубному пространству позволяет уменьшить высоту теплообменника, сохранив скорость в трубном пространстве, т.е. сохранить коэффициент теплоотдачи α со стороны трубного пространства. |
|
Для увеличения числа ходов по межтрубному пространству создание перекрестного тока, уменьшения вибрации труб в межтрубном пространстве при движении теплоносителя без фазового превращения часто устанавливаются перегородки. Наиболее часто используются сегментные перегородки. При значительной разности температур кожуха и труб используются теплообменники с плавающей головкой и с U – образными трубами. В данных типах теплообменников происходит свободное удлинение труб и кожуха, т.е. температурные напряжения не возникают. (1) недостаток: громоздкость; достоинства: возможность очистки как трубного, так и межтрубного пространства (2) недостаток: сложность очистки трубного пространства; достоинства: большая компактность по сравнению с теплообменником с плавающей головкой (1) |
Теплообменники с трубками Фильда.
|
Первый теплоноситель поступает в пространство между двумя трубными досками 2 и направляется в зазор между двумя коаксиально установленными трубами 3. Труба большего диаметра с торца заглушена. Далее теплоноситель по трубе меньшего диаметра поступает в крышку 4 и выводится из аппарата. Второй теплоноситель поступает в межтрубное пространство кожуха 1. Трубы и кожух не имеют в жесткой связи друг с другом, следовательно, могут свободно удлиняться при этом, естественно, не возникает температурное напряжение. |
Недостатки: повышенная материалоемкость, сложность монтажа.
Достоинства: нет температурных напряжений, можно разобрать и прочистить трубное и межтрубное пространство.
Способы крепления труб к трубной доске.
|
2. развальцовка в канавке возможно с отбортовкой и без отбортовки. |
3. развальцовка с обваркой. |
Тип крепления труб к трубной доске 1, 2, 3 выбирается в зависимости от удельной нагрузки действующей на трубы.
4. При изготовлении аппаратов из цветных металлов часто для крепления труб к трубной доске используется пайка:
|
5. Углеграфитовые трубки соединяются с трубной доской склеиванием с помощью специальной мастики. |
Способы разбивки трубной доски.
1. Наиболее часто применяется разбивка по вершинам треугольника, позволяющая равномерно разместить наибольшее число труб в трубной доске.
|
При разбивки по вершинам треугольника, размеченная площадь занимаемая трубами, представляет собой правильный треугольник. Однако при числе труб в пучке, превышающем 127, что соответствует 13 трубам по диаметру трубной доски, необходимо в сегментах, между крайними рядами труб и кожуха размещать дополнительные трубы. Это необходимо не только для того, что бы увеличить количество труб, но и для того, что бы уменьшить площадь проходного сечения между трубами и кожухом. |
2. Разбивка по вершинам квадрата
3. Разбивка по окружностям
Шаг между трубами t: t = (1,25-1,3)dH
Число труб размещающихся в шестиугольнике, определяется по след. зависимости:
а- число труб по стороне шестиугольника.
n- общее число труб в шестиугольнике.
Число труб помещающихся по диагонали шестиугольника:
Внутренний диаметр кожуха теплообменника определяется по формуле:
Способы соединения кожуха с трубной доской (рисунок).
Пластинчатые теплообменники.
Пластинчатые теплообменные аппараты являются разновидностью поверхностных рекуперативных теплообменников, с поверхностью теплообмена изготовленной из тонкого листа. Принципы устройства пластинчатых аппаратов для нагрева и охлаждения жидкости в тонком слое были предложены еще в конце 19 века Драхе Брейтвишен Малезиным. Главным конструктивным решением, позволившем пластинчатым аппаратам найти широкое применение в промышленности явилось использование для соединения пластин между собой в единый блок в принципах устройства фильтпресса, предложен в 1923 году Зелигманом. В настоящее время пластинчатые теплообменники предназначены для проведения теплопередачи без изменения агрегатного состояния (нагреватели, холодильники). И с изменением агрегатного состояния – это испарители и конденсаторы. Они могут применяться для одновременного теплообмена между двумя, тремя и большим количеством сред, а так же пригодны для теплообмена с двух и трехфазными рабочими средами вязкостью до 0,6 м2/с. Это ж – ж, пар – ж, пар – газ – ж, г – ж, г – г.
Разборные пластинчатые теплообменники могут работать со средами содержащими твердые частицы размером до 4 мм.
По конструкции эти теплообменники разделяются на:
Разборные пластинчатые теплообменники применяются, когда аппарат часто подвергается разборки и чистки. Имеется необходимость перекомпоновки поверхности теплообмена и изменения числа параллельно работающих каналов, например, в связи с изменением технологического режима. Если приходится производить замену некоторых участков поверхности теплообмена из – за неравномерного коррозионного или эрозионного разрушения.
Теплообменник включает стойку 5 наживные плиты 1 и 4, набор теплообменных пластин 3 и стягивающие шпильки 2 (рисунок)
Пластины и уплотнительные прокладки образуют после сборки и сжатия каналы четные и нечетные, служащие для прохода холодного и горячего теплоносителей. От формы, размеров и конструктивных особенностей пластины зависят эффективность теплопередачи, надежность теплообменника, технологичность и трудоемкость его изготовления, эксплуатационные данные. Как правило, профиль пластин запатентован.
Пластины определенного профиля изготавливаются различных типов размеров, что позволяет выбрать теплообменник для конкретного производства. Стремление повысить степень турбулизации потока приводящая степень к уменьшению толщины пограничного слоя и, как следствие, к увеличению коэффициента теплоотдачи. Позволило разработать конструкции пластин сетчато–поточного типа. В каналах образованные этими пластинами поток жидкости изменяет направление своего движения в двух плоскостях, образуя совокупность сходящихся и расходящихся струй. В сетчато–поточных пластинах турбулирующие элементы используются одновременно и для создания сети равномерно распределенных опор между пластинами, что значительно повышает жесткость всего пакета и дает возможность работы при более высоких давлениях.
Прокладки могут прикрепляться к двум сторонам пластины, либо к одной. Второй вариант является более распространенным, т.к. он более технологичен. Для резиновых многоразовых прокладок важным является надежное закрепление прокладок на пластине. Наиболее распространены два способа крепления: приклеивание прокладок клеем в специальную канавку, выполненную на пластине и механическое закрепление прокладки в канавки имеющий форму «ласточкин хвост». Первый способ более технологичен и нашел наибольшее применение.
К недостатком разборных теплообменников с прокладками на клею следует отнести: влияние температуры на прочность соединения, недостаточная стойкость многих марок клеев на повышенную температуру
Теплообменник состоит из группы теплообменных пластин 15, подвешенных на верхней горизонтальной штанге 7, концы верхней и нижней штанг закреплены в неподвижной плите 3 (передней стойки) и задней стойки 9. При помощи наживной плиты 8 и винта 10, пластины в рабочем состоянии сжаты в один пакет. Между пластинами установлены, прокладки 13 и 5. Для подвода и отвода теплоносителей служат штуцеры 1, 2, 11, 12.
В разборных теплообменниках до 2 МПа температура до 200°С. Полуразборные теплообменники используются, когда одна из сред не образует отложения, например чистый водяной пар. Сварные неразборные теплообменники используются в тех случаях, когда обе среды не дают отложений на поверхности теплообмена. Однако в комплект теплообменного оборудования завод изготовитель часто предлагает установки для промывки поверхностей с использованием различных реагентов.
Неразборные теплообменники используются при давлении 3 МПа и температура до 400°С.
В полуразборных теплообменниках властины попарно сварены друг с другом. Одним из достоинств пластинчатых теплообменных аппаратов является возможность создания различных схем движения рабочих сред.
Различают 6 основных случаев движения теплоносителей в пластинчатых теплообменниках:
А. частный противоток при общем противотоке.
Б. смешанный ток.
В. смешанный ток при общем противотоке.
Г. частный прямоток при общем противотоке.
Д. смешанный частный ток при общем противотоке.
Е. чистый прямоток.
РД 26 – 01 – 107 – 86 Теплообменники пластинчатые.
Методы тепловых и гидромеханических расчетов.
Теплообменники с рубашкой.
Они так же относятся к теплообменникам с поверхностью теплопередачи выполненной из листового материала. Применяются главным образом в реакционных аппаратах, когда необходимо подавать или отводить незначительное количество тепла и тем самым поддерживать требуемый температурный режим в аппарате. Поверхность теплообмена обычно не превышает нескольких десятков м2 (до 20 м2). Теплообменники с рубашкой являются наиболее простыми теплообменниками данной группы. Единственным их преимуществом является простота в изготовлении. Они могут быть изготовлены практически в любом ремонтно–техническом цехе предприятия. Эти теплообменники могут изготавливаться разборными и неразборными.
Рубашка крепится к корпусу или сваркой (рис. а) или фланцевым соединением рис. б). По замкнутому пространству между рубашкой и наружной поверхности корпуса пропускается горячий или холодный теплоноситель. Применение таких рубашек ограничивается давлением 0,6 – 1,6 МПа, температурой до 300°С.
Для более высоких давлений используют штампованные рубашки соединений с корпусом контактной сваркой.
В таких конструкциях рубашка загружает корпус, благодаря чему может доходить до 4 МПа.
В ряде случаев рубашку выполняют в виде змеевика из полутруб или уголкового проката.
Для чугунной аппаратуры змеевики могут заливаться в металл корпуса, но такие теплообменники требует медленного разогрева. Из–за разности коэффициента линейного расширения чугуна и стали.
Спиральные теплообменники.
Представляют собой две металлические ленты, соединенные в середине перегородкой (керном). И навитые вокруг этой перегородки так, что образуются два канала, для горячего и холодного теплоносителя.
Каждый канал присоединен к штуцеру в центре теплообменника и его периферии. Для устойчивости против снятия спирали под действием внешнего давления к поверхности ленты приворачиваются дистанционные штифты. Высота штифтов определяет расстояние между лентами по ГОСТ 12037 – 72. Теплообменники спиральные основные параметры, типы и размеры. Ширина канала бывает 8 и 12 мм.
Поверхность теплообмена 10 – 100 м2, давление до 1 МПа, температура до 200°С. Основное преимущество данного аппарата заключается в сравнительно высоких скоростях потоков каналов и соответственно высоких коэффициентах теплоотдачи и коэффициента теплопередачи. Рабочее давление 1 МПа ограничено сложностью уплотнения торцевых крышек. Теплообменники могут быть горизонтальными и вертикальными. При использовании в качестве горячего теплоносителя насыщенного водяного пара используются только вертикальные теплообменники. Применяются следующие типы уплотнения торцевых спиральных каналов. Спиральные теплообменники могут изготавливаться из любой металлической ленты, которую можно изгибать в холодном состоянии и сваривать (углеродистая сталь, нержавеющая сталь всех марок). Прокладки изготавливаются из асбестового картона, паранита, резины, фторопласта и т.д.
Последовательность расчета спирального теплообменника.
1. определяем эквивалентный диаметр спирального теплообменника.
δ – ширина канала (8 – 12 м)
b – ширина ленты
2. задаются скоростью движения жидкости
отсюда определяется эффективная ширина ленты
округляется до стандарта в большую сторону.
3. уточняется скорость теплоносителя
4. Находим скорость второго теплоносителя
В отличие от пластинчатого теплообменника мы не можем регулировать скорость второго теплоносителя
5. Опр-ся крит. Re для первого теплоносителя .
6. Находим коэффициент теплоотдачи для первого теплоносителя (в случае жидкость)
Dc – наружный диаметр спирали.
Поэтому в первом приближении принимают равным 1,1
Если второй теплоноситель жидкость (газ), аналогично определяется α2, если второй теплоноситель пар, то при турбулентном стекании пленки Re>2000
Соответственно если ламинарное стекание Re<2000
(в случае пара)
7. определяющая температура:
8. определяется термическое сопротивление стенки
9. определяем коэффициент теплопередачи
10. определяется поверхность теплопередачи
11. Определяется длина листов спирали
δст – толщина стенки листа.
r- радиус первого витка спирали.
Общее число витков N=2n
12. Наружный диаметр спирали
13. Потери давления при движении жидкости (Барановский)
Пластинчато – ребристые теплообменники. (ПРТ)
Данные теплообменники нашли широкое распространение в химической промышленности в качестве теплообменников, конденсаторов, испарителей для чистых газов и жидкостей, в том числе высоковязких. Их применяют главным образом в крупных установках по разделению методом глубокого охлаждения воздуха, углеводородных газов, установок для снижения и ректификации водорода с целью получения дейтерия и тяжелой воды. Широкое распространение ПРТ получили благодаря своей компактности достигающей 2000 м2 поверхности теплообмена на 1 м3 объема теплообменника. В ПРТ возможно одновременно в одном блоке проводить теплообмен между 4 и более теплоносителями, что достигается соответствующей конструкцией коллекторов. Дополнительным давлением для данных теплообменников является 1 – 1,5 МПа, температурный интервал зависит от вида материала теплообменника и для аустенитных сталей составляет от -150°С до +300°С. Существуют различные типы пластинчато-ребристых теплообменников в зависимости от направления движения сред они могут быть : прямоточными, противоточными и с перекрестным током.
Основой ПРТ является теплообменный элемент, представляющий собой две гладкие пластины с расположенным между ними гофрированным листом металла. Боковые поверхности закрыты уплотнителями. Поставленные один на другой, такие элемент образуют
пакет теплообменника, после сборки необходимого качества элемента в пакет при помощи специального приспособления производится пайка гофр к пластине в местах посадки. Таким образом, получается ребренная теплообменная поверхность, в которой теплоноситель разбивается на большое число потоков.
При конструировании ПРТ необходимо обеспечивать равномерное распределение потоков внутри блока и между блоками. Это достигается применением многоходовых коллекторов, т.е. образованием параллельных каналов при помощи установки в коллекторе перегородок. Наиболее широко применяемыми материалами для изготовления ПРТ является алюминий и его сплавы, сплавы меди, титан, сталь различных марок. Для изготавливаемых из алюминиевых сплавов ПРТ расстояние между гладкими пластинами, т.е. высота гофр, составляет от 3 – 15 мм. Для жидких и конденсирующихся паров высота обычно 3 – 7 мм, для газов 10 – 15 мм.
Гладкие пластины имеют толщину 0,7-1,5 мм., толщина ребра 0,1 – 0,4 мм реже до 0,8 мм. Максимальный объем пакета обычно не превышает 1 м3. Необходимая поверхность теплообмена компонуют путем последовательного или параллельного соединения отдельных пакетов. Сборка пакета теплообменника производится следующим образом:
Между пластинами устанавливают отшлифованные ребра, припой в виде фольги толщиной 0,05-0,15 мм. прокладывают между пластинами и ребрами, пакет заключают в специальный коллектор и помещают в печь для паки, пайка производится в защитной атмосфере. В ПРТ не возникает больших температурных напряжений.
При расчете коэффициента теплопередачи ПРТ, следует отнести величину теплопередачи к какой–либо стороне теплопередающей поверхности (холодной или горячей).
Fст – поверхность гладких разграничивающих пластин.
Fх, Fг – полная теплопередающая поверхность со стороны горячего и холодного теплоносителя.
ηг, ηх – эффективность со стороны холодного и горячего теплоносителя.
m- параметр ребра; α – коэффициент теплоотдачи.
- коэффициент теплопроводности и толщина стенки ребра.
L – эффективная длина ребра, явл-ся половиной расстояния между плоскими пластинами.
Коэффициент теплоотдачи обычно определяют для ПРТ через критерий Стантона, который является мерой отношения интенсивности теплоотдачи к удельному теплосодержанию потока.
Ламельные теплообменники.
Поиск эффективных путей совершенствования классических конструкций теплообменников (кожухотрубных) привел к созданию теплообменников с плоскими трубами, сваренными из листа ламельным теплообменником. Обычно плоские трубы изготавливают из пластин толщиной 1,5 – 2 мм. с внутренним гидравлическим радиусом 7 – 14 мм, длина труб 2 – 6 м, диаметр кожуха 100 - 1000 мм. Плоские трубы при одной и той же площади поперечного сечения имеют большую удельную поверхность на единицу длины по сравнению с круглыми трубами. Сравнительно малой площади сечения канала делают возможным применением одноходовых компоновок аппаратов этого типа. При этом гидравлические сопротивления таких аппаратов невелики, поскольку как в межтрубном, так и в трубном пространстве, среда движется без преимущественных поворо-
тов коэффициент теплоотдачи на 40 – 100% выше, чем у кожухотрубных теплообменников. Теплообменники данной конструкции применяются при давления 1 – 4,5 МПа и температурах свыше 150°С, т.е. там где разборные пластинчатые теплообменники не обладают достаточной надежностью.
Аппараты воздушного охлаждения (АВО).
Они изготавливаются с поверхностью теплопередачи 695 – 20400 м2. Работают при давлении 0,6 – 16 МПа, длина труб 1,5 – 8 м – это теплообменники специального назначения. Наиболее часто используют теплообменники с поверхностью 105 – 7500 м2 работающих при давлении 6,4 МПа. В АВО теплообмен осуществляется при обтекании воздухом секций собранных из оребренных труб. Воздух нагнетается или просасывается осевым вентилятором, обеспечивающим сравнительно большой расход, при малых гидравлических сопротивлениях.
АВО классифицируются по двум признакам: назначению и конструкции. По назначению АВО бывают: конденсаторы и холодильники для маловязких и вязких продуктов. В зависимости от конструкции (способа расположения теплопередающей поверхности), АВО делятся на следующие типы: горизонтальный, шатровый, зигзагообразный и вертикальный.
горизонтальный
|
Достоинство: удобство в монтаже и обслуживании. Недостатки: большая занимаемая площадь. |
У вертикального преимущества: меньше занимаемая площадь, но большая высота, более сложный при монтаже и эксплуатации.
шатровый
|
Недостатки: неудобство ремонта и монтажа, неравномерность обдува теплопередающей поверхности, сложность металлоконструкции рамы. |
зигзагообразный
|
Секции расположены под углом друг к другу, а трубы соответственно горизонтально. Такая конструкция сочетает достоинства горизонтального и шатрового типа. |
|
Конструкция оребренных труб.
Материал труб выбирают из условия коррозионной стойкости в среде теплоносителя.
Теплообменники из не металлических материалов.
В химической промышленности приходится подводить или отводить тепло в высокоагрессивных средах, в которых не могут работать даже высоко легированные стали, титан и т.д. Для передачи тепла в таких условиях используют теплообменники из неметаллических материалов:
1. углеграфитовые теплообменники.
Графит имеет низкие прочностные свойства, чувствителен к местным напряжениям, легко крошится, поэтому конструкции теплообменников должны иметь свои особенности. Существуют следующие конструкции углеграфитовых теплообменников:
Поверхность теплообменника 1 – 120 м2, диапазон температур (-10°) – (+300°), рабочее давление 0,5МПа.
углеграфитовый теплообменник.
Выполняется из прямоугольных блоков углеграфита марки МГ, размером 350х350х350 или 700х350х350. В блоке выполняется система взаимно перпендикулярных каналов.
Вертикальные каналы соединяются с помощью присоединительных блоков, штуцера ввода и вывода теплоносителей. Горизонтальные каналы с помощью боковых крышек
образуют многоходовое пространство. Крышки выполняются литыми или сварными, при необходимости они могут покрываться эмалью. Уплотнение блоков и крышек осуществляется с помощью прокладок и стяжных шпилек.
Кожухоблочные углеграфитовые теплообменники.
С целью повышения допускаемого рабочего давления, углеграфитовые блоки выполняются цилиндирической формы и помещаются в стальной кожух, воспринимающий на себя основную нагрузку возникающую из – за повышенного давления внутри аппарата. Цилиндрические блоки имеют системы вертикальных каналов, радиально–горизонтальное и центральное отверстия большого диаметра.
Чаще всего такие конструкции предполагают конденсацию в пространстве ограниченным кожухом и внешней поверхностью блоков, а так же горизонтальных каналов блоков. Конденсат отводится по кольцевому зазору и центральному каналу.
Теплообменные аппараты из фторопласта.
Это современный эффективный вид теплообменного оборудования. Фторопласт характеризуется высокой стойкостью, гидрофобностью и высокой диэлектрической проницаемостью. Этот материал стоек практически во всех коррозионно-активных средах, однако его устойчивость зависит от температуры, давления и концентрации среды. Теплообменник из фторопласта изготавливается с поверхностью теплообмена от 1 – 40 м2. Давление в трубном пространстве при температуре 150°С до 0,25 МПа. При температуре 20°С до 1 МПа. В межтрубном пространстве 0,1 МПа при 150°С, до 0,6 МПа при 20°С. Удельная теплоемкость от 4,4 – 9 КВт/м2.
Гидрофобность фторопластовой теплообменной поверхности способствует снижению отложения и облегчает их удаление, что обеспечивает практически постоянный коэффициент теплопередачи на протяжении всего периода эксплуатации. Электроизоляционные свойства фторопласта обеспечивают высокую работоспособность аппарата при проведении электрохимических процессах в жидких средах. Трубные пучки изготавливаются из трубок диаметром 3 и 5 мм с толщиной стенки соответствующей 0,4 и 0,6 мм. Благодаря малым толщинам стенки, несмотря на невысокую теплопроводность фторопласта, достигаются значительные величины коэффициента теплопередачи от 60 – 120 для емкостей без перемешивания, 170 – 400 для емкостей с перемешиванием.
Область применения теплообменников из фторопласта.
|
тип |
Конструкционное использование |
назначение |
Пов-ть м2 |
|
погружной |
1. с трубным пучком в виде многослойного объемного диска. |
Отвод тепла от парогазовых и парожидкостных потоков в колонных аппаратах. |
32 |
|
2. с гибким трубным пучком. |
Отвод и подвод тепла в аппаратах открытого типа. |
1 – 10 |
|
|
3. с плоским жестким трубным пучком. |
То же самое |
2,5 – 10 |
|
|
4. с жестким объемным трубным пучком. |
То же самое + аппараты закрытого типа |
6,3 |
|
|
5. с плоским жестким U-образным пучком. |
В аппаратах непрерывного действия. |
4 |
|
|
6. с цилиндрическим жестким U-образным трубным пучком. |
Отвод тепла с частичной конденсацией парогазовых смесей. |
6,3 – 40 |
|
|
кожухотрубные |
1. с цилиндрическим прямым трубным пучком в цилиндрич. корпусе. |
Нагрев, охлаждение, конденсация агрессивных жидкостей и паров. |
20 |
|
2. с цилиндрическим U-образным трубным пучком в цилиндр. корпусе. |
6,3 – 40 |
||
|
3. с несколькими плоскими U-образными пучками в прямоугольном корпусе. |
16 – 32 |
Погружной тип (1) кожухотрубный тип
Регенеративные теплообменные аппараты.
РТА называется устройство, в котором передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит с помощью теплоаккумулирующей массы называемой насадкой. Для повышения эффективности теплотехнических систем работающих при повышенных температурах до нескольких сотен градусов, часто оказываются целесообразным применением РТА. Эти теплообменники в частности используются в высоко температурных технологических установках для подогрева газообразных компонентов горения, газотурбинных установках, воздухоразделительных установках (когда большая разница температур между теплоносителями), холодильно-газовых машин. Область применения и температурный уровень теплоносителей предопределяют конструкцию регенеративного теплообмена и его насадки. Выделяют аппараты работающих в областях высоких температур 800 - 1000°С, средних 250 - 400°С, и очень низких температур.
РТА классифицируют по виду и форме теплоаккумулирующей насадки, которая может быть подвижной и неподвижной. В последнем случае для получения непрерывного процесса теплообмена от одного теплоносителя к другому необходимы два аппарата.
В одном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается холодный теплоноситель. Затем аппараты переключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении.
Переключение производится поворотом шибера. Обычно переключение производится автоматически через определенные промежутки времени. Процесс теплообмена можно вести и непрерывно для этого используется один аппарата с подвижной насадкой или ап-т с неподвижной насадкой, но подвижным газо-подводящим коробом.
В регенераторах воздухоразделительных установок, и холодильно-газовых машин применяют в основном насадки следующего типа: диски из алюминиевой гофрированной ленты, насыпную насадку из базальта или кварца в виде гранул диаметром 4 – 14 мм. Сетчатую насадку из материалов с высокой теплопроводностью (медь, латунь, бронза). В области высоких температур порядка 800 - 1000°С, например металлургической, стеклоплавильной применяют регенераторы с неподвижной насадкой из огнеупорных кирпичей различной формы, которые выкладываются таким образом, что бы образовывались сплошные каналы для прохода газа. Толщина кирпичей 40 – 50 мм.
Например, воздухонагреватели доменных печей, состоящих их 2 -х нагревателей имеют высоту до 50 м, и диаметром до 11 м. они могут нагревать до 1300°С. Воздух с расходом 500 тыс.м3/час . Преимущество: простота и возможность получения высоких температур воздуха в процессе цикла, необходимость переключения.
В качестве регенеративных теплообменников могут использоваться аппараты с псевдоожженным слоем зернистого материала. Насадка имеет инерционность. Температура средней плоскости насадки, например, кирпича, отстает от температуры поверхности.
Общая схема расчета РТА.
Тепловые трубы.
Принцип действия тепловой трубы был описан в 1944 году, американцем Гооблером, однако широкое практичное применение тепловых труб началось с развития авиа космической техники, потребовавших совершенно иных порядков величин удельных тепловых потоков. В настоящее время тепловые трубы находят широкое применение в энергетике, металлургии, химической промышленности, микробиологии. Обычно тепловая труба представляет собой геометрическую полость различной геометрии. При теоретических анализах обычно рассматривают трубу цилиндрической формы. В тепловой трубе теплота от охлаждаемой среды отбирается в зоне испарения испаряющейся здесь жидкостью и с потоком образующегося пара переносится на значительное расстояние в зону охлаждения, где передается стенки трубы при конденсации. Образующийся конденсат возвращается снова в зону испарения за счет капиллярных сил по фитилю.
Lu – зона испарения
Lт – зона транспорта
Lк – зона конденсации
Основным преимуществом тепловых труб по сравнению с обычными теплопередающими устройствами является:
- простота конструкции
- отсутствие нагнетателей
следовательно затрат энергий на перемещение теплоносителей.
- герметичность труб позволяет использовать в качестве теплоносителя дорогостоящие фреоны и агрессивные жидкости.
В общем случае процесс передачи теплоты в тепловой трубе осуществляется следующим образом: в зоне испарения теплота Q с начальной температурой tнач. передается через стенку корпуса и фитиль пропитанный жидкостью, теплопроводность.
В общем случае в зоне испарения и конденсации толщина фитиля и его теплопроводность равны:
Совместное решение уравнений (1) и (2) путем исключения температуры пара tп и дает уравнение (3):
По уравнению (3) можно найти тепловую нагрузку тепловой трубы при известном перепаде температур стенок в зоне испарения и конденсации, размерах и форме тепловой трубы. Однако, уравнение (3) не учитывает гидравлического сопротивления жидкости при движении по фитилю тепловой трубы и потока пара внутри трубы. Поэтому после определения Q по уравнению (3) необходимо сравнить его значение с максимальной теплопередающей способностью тепловой трубы из условий движений жидкости по фитилю и пара внутри трубы. Максимальное количество передаваемого тепла по фитилю будет находиться по уравнению (4):
r – удельная теплота парообразования
j – удельный расход жидкости по фитилю вдоль оси трубы описывается уравнением Дарси (5)
Если рассматривать конечные величины перепада давлений на различных участках тепловой трубы, то можно получить зависимость для расчета падения давления на каждом уз участков, уравнение (6):
Поток жидкости G меняется в зонах испарение и конденсации меняется от 0 до G и от G до 0, а в транспортной зоне он будет постоянным.
L = Lи + Lт + Lк
Тогда среднее гидравлическое сопротивление для каждой из зон:
Суммарное гидравлическое сопротивление при движении жидкости будет равно:
Течение пара внутри тепловой трубы отвечает закону Пуазейля, поэтому перепад давления при движении пара для всей трубы будет описываться уравнением (11):
dn – диаметр парового канала;
Fn – площадь поперечного сечения этого канала.
Общие гидравлические потери на перенос жидкости, пара и компенсацию гравитационных сил должны быть меньше или, по крайней мере, равны капиллярному потенциалу фитиля.
σ –поверхностное натяжение жидкости (Н*м)
R - средний радиус капилляров.
подставив в уравнение (12) выражение (10), (11) и (13) получим:
(уравнение (3) и уравнение (15))
Верхний предел теплопередающей способности тепловой трубы может ограничиваться следующими факторами:
В качестве фитилей используются тканевые фитили, многослойные металлические сетки, металлический войлок, стекловолоконный войлок, капиллярные канавки в стенках тепловой трубы. Разновидностью тепловых труб являются термосифоны, в которых фитиль отсутствует. Возврат конденсата происходит под действием гравитационных сил земного тяготения техники, их часто называют трубами Перкинса.
Смесительные теплообменники.
Эти теплообменники характеризуются тем, что теплообмен осуществляется в результате непосредственного контакта теплоносителей. По своему значению они подразделяются на: холодильники; нагреватели; испарители; конденсаторы; деаэраторы (теплообменники с совмещенными функциями, т.е. когда удаляется воздух).
|
Полочные аппараты. |
Колонные насадочные аппараты. |
С использованием трубы Вентури. |
|
Смесительные аппараты |
инжекторного типа. |
Полые контактные теплообменники. |
|
Инжекторный барботер. |
Спиральный барбатер. |
Интенсивность теплообмена в этих аппаратах зависит от поверхности контакта теплоносителей. Чем более развита эта поверхность, тем больше количества тепла можно передать от одного теплоносителя к другому. Все эти аппараты отличаются простой конструкцией, возможностью полного использования потенциала горячего теплоносителя, высокой интенсивностью теплообмена. Недостатки снижения концентрации растворов при обогреве, выброс в атмосферу пара и мелких капель жидкости. Интенсивность теплообмена в смесительных аппаратах прямым образом связана с относительной скоростью движения теплоносителей. Качество передаваемого тепла кроме этого зависит от поверхности контакта фаз.
Порядок расчета смесительных теплообменников.
1.составляем уравнение теплового материального баланса.
2.определяется средняя разность температур:
3.на основании знаний режимов течения теплоносителя определяется объемный коэффициент теплопередачи Кv.
4.определяется рабочий объем аппарата:
5.на основании предельной скорости движения менее плотного теплоносителя определяется площадь сечения аппарата:
6.определяется высота аппарата.
Для охлаждения оборотной воды могут использоваться как поверхностные теплообменники АВО (аппараты воздушного охлаждения), так и смесительные теплообменники. Которые называют обычно градирни.
Движущая сила, необходимая для преодоления силы трения потоков обеспечивается нагнетательными или вытяжными вентиляторами, либо за счет естественной конвекции, вследствие того, что по сравнению с сухим увлажненный воздух имеет меньшую плотность.