Выбор конструкции теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

39

Консульт.

2323

Введение

Одним из крупнейших предприятий химической промышленности в Республике Беларусь является ОАО «Гродно Азот».

Основными видами, производимой ОАО «Гродно Азот», являются аммиак жидкий технический, азотные удобрения (карбамид, карбамидо-аммиачная смесь - КАС, сульфат аммония, аммиачная вода) и капролактам. Кроме этого, выпускаются метанол, серная кислота и олеум, слабая азотная кислота, топливо биодизельное, диоксид углерода жидкий, а также различные товары народного потребления.

Технологическая структура ОАО «Гродно Азот» включает в себя следующие производства: аммиака (цехи аммиак-3, аммиак-4), метанола, карбамида (цехи карбамид-2, карбамид-3, карбамид-4), азотной кислоты и жидких азотных удобрений (КАС), капролактама (цехи капролактам-1, капролактам-2), сульфата аммония, серной кислоты и олеума, топлива биодизельного, диоксида углерода, гидроксиламинсульфата кристаллического (ГАС), товаров народного потребления.

ОАО «Гродно Азот» максимально полно удовлетворяет потребности отечественного агропромышленного комплекса в азотных минеральных удобрениях, а химической отрасли страны - в капролактаме, метаноле и других видах продукции. Обеспечивая ее высокие конкурентоспобность и качество, предприятие успешно реализует продукцию и на мировом рынке.

ОАО «Гродно Азот » постоянно ставит своей первоочередной задачей обновление производственных мощностей и внедрение современных перспективных технологий, сохранение и расширение рынков сбыта.

1. Характеристики обрабатываемого продукта

1.1 Вода -- бинарное неорганическое соединение, химическая формула Н?O. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного -- кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью.

Физические свойства воды:

Вода в нормальных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные водородные соединения являются газами (H₂S, CH₄, HF). Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45° (104°27?). Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облакасильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды обладает большим дипольным моментом (p = 1,84 Д, уступает только синильной кислоте). Каждая молекула воды образует до четырёх водородных связей -- две из них образует атом кислорода и две атомы водорода. Количество водородных связей и их разветвлённая структура определяют высокую температуру кипения воды и её удельную теплоту парообразования. Если бы не было водородных связей, вода, на основании места кислорода в таблице Менделеева и температур кипения гидридов аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), кипела бы при ?80 °С, а замерзала -- при ?100 °С.

При температуре перехода в твёрдое состояние молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности (большего объёма) воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (при 0 °C -- 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).

Вода обладает также высоким поверхностным натяжением среди жидкостей, уступая в этом только ртути. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

Вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные -- атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности.

Чистая вода -- хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H₃O⁺) и гидроксильных ионов HO^? составляет 10^-7 моль/л. Но поскольку вода -- хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

Химические свойства:

Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как омфалит -- и кислоту и основание одновременно (катион H⁺ анион OH^?). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pK_a ? 16.

Вода -- химически активное вещество. Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности.

· Воду можно получить в ходе реакций:

· В ходе реакций нейтрализации:

· Восстановлением оксидов металлов водородом

Под воздействием очень высоких температур или электрического тока (при электролизе), а также под воздействием ионизирующего излучения, как установил в 1902 году Фридрих Гизель при исследовании водного раствора бромида радия, вода разлагается на молекулярный кислород и молекулярный водород:

· Вода реагирует при комнатной температуре:

· с активными металлами (натрий, калий, кальций, барий и др.)

· со фтором и меж галоидными соединениями

(при низких температурах)

· с солями, образованными слабой кислотой и слабым основанием, вызывая их полный гидролиз:

· с ангидридами и галоген ангидридами карбоновых и неорганических кислот

· с активными металлорганическими соединениями (диэтилцинк, реактивы Гриньяра, метилнатрий и т. д.)

· с карбидами, нитридами, фосфидами, силицидами, гидридами активных металлов (кальция, натрия, лития и др.)

· со многими солями, образуя гидраты

· с боранами, силанами

· с кетенами, недоокисью углерода

· с фторидами благородных газов

Вода реагирует при нагревании:

· с железом, магнием:

· с углем, метаном:

· с некоторыми алкилгалогенидами

Вода реагирует в присутствии катализатора:

· с амидами, эфирами карбоновых кислот

· с ацетиленом и другими алкинами

· с алкенами

· с нитрилами

Агрегатные состояния:

Твердое - лёд; жидкое - вода; газообразное - водяной пар.

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит в твердое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C (температура 0 °C и 100 °C были специально выбраны как температура таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию»). При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды -- падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм.) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такие давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

1.2 Водяной пар -- вода, содержащаяся в атмосфере в газообразном состоянии. Количество водяного пара в воздухе сильно меняется; наибольшее его содержание - до 4 %. Водяной пар невидим; то, что называют паром в быту (пар от дыхания на холодном воздухе, пар от кипения воды и т. п.) - это результат конденсации водяного пара, как и туман. Количество водяного пара определяет важнейшую для состояния атмосферы характеристику - влажность воздуха.

Водяной пар образуется в результате «парообразования». Парообразование происходит в результате двух процессов - испарения или кипения. При испарении пар образуется только на поверхности вещества, при кипении же пар образуется по всему объему жидкости, о чем и свидетельствуют пузырьки, активно поднимающиеся вверх во время процесса кипения. Кипение воды происходит при температурах которые зависят от химического состава водного раствора атмосферного давления, температура кипения остается неизменной на протяжении всего процесса. Пар, образующийся в результате кипения, называется насыщенным. Насыщенный пар в свою очередь подразделяется на насыщенный сухой и насыщенный влажный пар. Насыщенный влажный пар состоит из взвешенных капелек воды, температура которых находится на уровне кипения, и соответственно.

Также существует «перегретый пар», который образуется при дальнейшем нагреве влажного пара, этот вид пара обладает более высокой температурой и более низкой плотностью.

Водяной пар является незаменимым элементом такого важного для нашей планеты процесса как Круговорот воды в природе.

С паром мы постоянно сталкиваем в ежедневной жизни, он появляется -- над носиком чайника при кипении воды, при глажке, при посещении бани. Однако не забывайте, что, как мы уже отмечали выше, чистый водяной пар не имеет ни цвета, ни вкуса. Благодаря своим физическим свойствам и качествам, пар уже давным-давно нашел свое практическое применение в хозяйственной деятельности человека. И не только в быту, но и при решении больших глобальных задач. Долгое время пар был главной движущей силой прогресса как в прямом так и в переносном смысле этого выражения. Он использовался как рабочее тело паровых машин, самой известной из которых является ПАРОВОЗ.

Пар и в наше время широко используется в хозяйственных и производственных нуждах: в целях гигиены; в лечебных целях; для тушения пожаров; используются тепловые свойства пара (пар как теплоноситель) - паровые котлы; паровые рубашки (автоклавов и реакторов); разогрев «смерзающихся» материалов; теплообменники; отопительные системы; пропарка бетонных изделий; в особого рода теплообменниках; используют трансформацию энергии пара в движение паровые машины; стерилизация и дезинфекция - пищевая промышленность, сельское хозяйство, медицина; пар как увлажнитель: в производстве железобетонных изделий; фанеры; в пищевой промышленности; в химической и парфюмерной промышленности; в деревообрабатывающих производствах; в сельскохозяйственном производстве.

Подводя итоги, отметим, что, несмотря на всю свою «незаметность», водяной пар является не только важным элементом глобальной эко-системы Земли, но так же и весьма полезным веществом для хозяйственной и экономической деятельности человека.

2. Физические основы процесса

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода тепла, называют тепловыми.

К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение. Нагревание - повышение температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла. Охлаждение - понижение температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла. Конденсация - снижение паров какого-либо вещества путем отвода от них тепла. Испарение - перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости путем подвода к ней тепла. Частным случаем испарения является весьма широко распространённый в химической технике процесс выпаривания - концентрирования при кипении раствора твердых веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров.

В тепловых процессах взаимодействуют не менее чем 2 среды с различными температурами; при этом тепло передается самопроизвольно (без затраты энергии) только от среды с более высокой температурой (называемой теплоносителем) к среде с более низкой температурой (называемой холодильным агентом или хладоагентом).

В химической технике приходится осуществлять тепловые процессы при различных температурах - от близких к абсолютному 0 до равных к нескольким тысячам градусов. Для каждого конкретного процесса, протекающего в определенном интервале температур, подбирают наиболее подходящие теплоносители и хладоагенты, которые должны быть химически стойкими в рабочих условиях и легко транспортируемыми по трубам, но не должны образовывать отложений на стенках аппаратов и вызывать коррозию аппаратуры.

Основная характеристика любого теплового процесса - количество передаваемого тепла: от этой величины зависят размеры теплообменных аппаратов. Основным размером теплообменного аппарата является теплопередающая поверхность (поверхность теплообмена).

Среднюю разность температур между средами определяют по начальным и конечным температурам сред, участвующих в теплообмене. Определение коэффициента теплопередачи, являющегося коэффициентом скорости теплового процесса, представляет наибольшие трудности при расчете теплового аппарата. Коэффициент теплопередачи зависит от характера и скоростей движения теплообменивающихся сред, а также от условий, в которых протекает теплообмен.

Определение кинетических характеристик теплового процесса - средней разности температур и коэффициента теплопередачи - является задача теплопередачи как науки о процессах распространения тепла из одной части пространства в другую. Тепло может распространятся различными способами: теплопроводностью, конвекцией, тепловым излучением.

Теплопроводность - процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении; при этом тепловая энергия передается внутри тела от одних частичек к другим вследствие их колебательного движения. Процесс теплопроводности наблюдается в твердых телах и тонких слоях жидкостей или газа.

Конвекция - процесс переноса тепла вследствие движения и перемещения микроскопических объемов газа или жидкости.

Тепловое излучение - процесс распространения тепла в виде магнитных волн. В излучающем теле тепло превращается в энергию излучения, которая распространяется в пространстве. Встречая на пути какое-либо тело, лучистая энергия частично превращается в тепло, частично отражается от этого тела, частично проходит сквозь него.

2.1 Теплопроводность

Теплопроводность -- это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности (удельной теплопроводностью). Численно эта характеристика равна количеству теплоты, проходящей через образец материала толщиной в единицу длины (1 м), площадью в единицу площади (1 м²), за единицу времени (1 секунду) при единичном температурном градиенте (1 К). В метрической системе мер единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании их температуры.

2.2 Тепловое излучение

Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Возникновение потока лучей в результате превращения тепловой энергии в лучистую, называется излучением или лучеиспусканием, а обратный переход лучистой энергии в тепловую называют поглощением лучей.

В зависимости от температуры излучающего тела его лучеиспускание различно. При температуре ниже 500°С только незначительная часть всех лучей воспринимается глазом как “свет”, а наибольшая часть приходится на долю невидимого теплового излучения. Интенсивность теплового излучения характеризуется излучательной (лучеиспускательной) способностью тела, имеющего температуру Т:

,

где Q_л - полное количество теплоты, Дж; F - поверхность излучающего тела, м²; ф - время, с.

Лучеиспускательная способность тела есть количество энергии, излучаемое в единицу времени единицей поверхности нагретого тела, имеющего температуру Т, в окружающую среду с температурой абсолютного нуля. Для абсолютно черного тела связь между излучательной способностью и абсолютной температурой выражается законом Стефана-Больцмана:

где К_о - константа излучения абсолютно черного тела, К_о=5,67?10^-8 Вт/(м²·К⁴); Т - абсолютная температура поверхности тела, К; E_о - излучательная способность черного тела, Вт/м².

Тело, которое поглощает только часть энергии с любой длиной волны, принято называть серым телом. Отношение коэффициента излучения серого тела (С) к коэффициенту излучения абсолютно черного тела (С_о) при той же температуре называют относительной излучательной способностью или степенью черноты тела е:

где С_о - коэффициент излучения абсолютно черного тела, С_о = 5,67 Вт/(м²·К⁴).

2.3 Конвективный теплообмен

Конвективным теплообменом называют распространение теплоты в жидкой или газообразной среде с неоднородным распределением температуры, осуществляемое макроскопическими элементами среды при ее перемещении.

При свободной конвекции (называемой также естественной) движение жидкости возникает вследствие разности температур в различных ее частях.

При вынужденной конвекции жидкость перемещается под действием внешних сил, например насоса или ветра. Это движение не зависит от распределения температуры в жидкости. Очевидно, что существуют и промежуточные случаи конвекции - частично свободной и частично вынужденной.

При естественной конвекции или вынужденном движении потока вдоль твердой поверхности около стенки в жидкости или газе образуется гидродинамический пограничный слой, где из-за внутреннего трения - вязкости происходит изменение скорости от нулевой (у самой поверхности) до скорости основного ядра потока. Структура пограничного слоя изменяется по длине обтекаемой поверхности.

На начальном участке образуется ламинарный слой с увеличивающейся толщиной. Воздействие нормальных к поверхности пульсаций скорости, вызванное трением, приводит к разрушению ламинарного пограничного слоя и образованию турбулентного пограничного слоя толщиной, в котором все же сохраняется тонкий ламинарный подслой.

Наряду с гидродинамическим пограничным слоем в потоке существует тепловой пограничный слой, в котором температура изменяется от температуры стенки до температуры основного ядра потока. В общем случае толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев различны, но взаимосвязь между ними наблюдается.

Передача теплоты конвекцией осуществляется перемещением в пространстве неравномерно нагретых объемов жидкости или газов. Обычно при инженерных расчетах определяется конвективный теплообмен между жидкостью и твердой стенкой, называемый теплоотдачей. Для расчета процесса теплоотдачи используется формула Ньютона-Рихмана.

Коэффициент теплоотдачи, характеризующий количество теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу площади при разности температур потока и стенки в 1К, измеряется в Дж/(кг·К). Численное значение коэффициента теплоотдачи зависит от многих факторов: скорости движения потока, температуры стенки и потока, вязкости, плотности, теплоемкости и других параметров жидкости или газа.

Когда встречается задача с многозначными, сложными функциональными связями, используется два пути её решения: аналитический с использованием физико-математического аппарата и экспериментальный.

В первом случае на основе знания физики процесса составляются дифференциальные уравнения, описывающие и учитывающие особенности явлений и эффектов, влияющих на развитие процесса, затем принимаются условия однозначности - геометрические, начальные, граничные, и система уравнений решается с определением конкретных значений искомых параметров.

Второй путь связан с созданием экспериментальной установки, проведением опытов, обработкой полученных результатов и определением искомых величин или взаимосвязей между параметрами.

История развития теплотехники показала, что при изучении процессов теплоотдачи оба этих метода имеют недостатки. Ввиду сложности дифференциальных уравнений и необходимости введения упрощений в условия постановки задачи, результаты расчетов зачастую имеют большие погрешности. Данные экспериментального метода оказываются справедливыми лишь для конкретных условий проведения опытов, и вольный перенос полученных результатов на другие похожие случаи является неправомерным.

В начале 20-го века была разработана новая теория решения таких сложных задач - теория подобия или теория обобщенных переменных. Эта теория синтезировала достоинства аналитического и экспериментального методов: на основе дифференциальных уравнений определяются безразмерные комплексы переменных величин, характеризующих рассматриваемый процесс, а интегральные взаимосвязи-решения, справедливые для многих подобных процессов, находятся экспериментальным путем. Эта теория позволила определить условия моделирования физических процессов.

Теплообмен при кипении жидкости.

Характерной особенностью процесса кипения является образование пузырьков пара. Различают кипение жидкости поверхностное и объемное.

Поверхностное кипение возникает тогда, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности теплообмена выше температуры кипящей жидкости. Образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Объемное кипение может происходить при значительном перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении. Пузыри пара возникают во всем объеме.

Наиболее распространено поверхностное кипение.

Как показывают наблюдения, пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом пограничном слое жидкости и только в отдельных точках этой поверхности, называемых центрами парообразования, которыми являются неровности самой стенки, частицы накипи и выделяющиеся из жидкости пузырьки газа. Количество образующихся пузырьков пара будет тем больше, чем больше центров парообразования, чем больше перегрет пограничный слой, чем больше температурный напор или чем больше тепловая нагрузка поверхности нагрева.

При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплывают вверх, а на их месте возникают новые пузырьки. Величина пузырьков пара в значительной степени зависит от смачивающей способности жидкости. Если жидкость хорошо смачивает поверхность теплообмена, то пузырек пара легко отрывается. Если кипящая жидкость не смачивает поверхность, то пузырек пара имеет толстую ножку, и отрывается только часть пузырька, а ножка остается на поверхности.

Рост пузырьков до отрыва от обогреваемой поверхности и движение их после отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое, вследствие чего резко возрастает интенсивность теплоотдачи от поверхности к жидкости. Такой режим называется пузырьковым кипением.

С возрастанием температурного напора или с увеличением плотности теплового потока число центров парообразования непрерывно увеличивается и, наконец, их становится так много, что отдельные пузырьки пара сливаются в сплошной паровой слой, который периодически в некоторых местах разрывается, и образовавшийся пар прорывается в объем кипящей жидкости. Такой режим кипения называется пленочным. Сплошной паровой слой ввиду малой теплопроводности пара представляет большое термическое сопротивление. Теплоотдача от стенки к жидкости резко падает, а температурный напор значительно возрастает. Коэффициент теплоотдачи при этом снижается и если количество передаваемой теплоты q остается неизменным, то, как следует из уравнения q =a(t_с - t_ж),при постоянной температуре жидкости должно произойти значительное увеличение температуры стенки t_c. Увеличение температуры поверхности может привести к пережогу стенки и к аварии аппарата.

Как показывают исследования, при кипении жидкости в большом объеме в условиях свободного движения коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и давления. На рисунке показан график изменения коэффициента теплоотдачи воды при кипении и зависимость плотности теплового потока от Dt. При малых температурных напорах значение коэффициента теплоотдачи определяется условиями свободной конвекции однофазной жидкости (участок АВ). При увеличении Dt коэффициент теплоотдачи быстро возрастает и происходит интенсивное пузырьковое кипение. В точке К наступает изменение режима кипения. Пузырьковое кипение переходит в пленочное и при дальнейшем повышении Dt коэффициент теплоотдачи резко падает. Этот переход сопровождается таким интенсивным образованием пузырьков, что они не успевают отрываться и образуют сплошную паровую пленку, которая изолирует жидкость от стенки, а кипение переходит в пленочное. Величины Dt,aи соответствующие моменту перехода пузырькового режима кипения в пленочный, называются критическими.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении воды (при давлении р = 0,02-8 МПа) рекомендуются простые расчетные формулы:

a = 3,15р^0,15q ^0,7; a = 46Dt ^2,33р^0,5,

где Dt = t_с - t_ж - температурный напор; р -давление пара, бар; q - плотность теплового потока, Вт/м².

Теплообмен при конденсации пара.

Процесс конденсации заключается в том, что пар при определенных условиях может переходить как в жидкое, так и твердое состояние. Процесс конденсации часто встречается на практике - в конденсаторах паровых турбин, в опреснителях при получении питьевой воды, в теплообменниках холодильных установок и др.

Конденсация пара всегда связана с отводом теплоты через поверхности конденсации и с одновременным отводом образующегося вещества - конденсата. Конденсация происходит только при температурах и давлении пара ниже температуры и давления критической точки. Она протекает как в объеме пара, так и на твердых охлаждаемых поверхностях. Конденсация на твердых поверхностях применяется в технике наиболее часто.

Если насыщенный или перегретый пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения при данном давлении, то вследствие теплообмена пар охлаждается и конденсируется. Конденсат в виде пленки или капель оседает на поверхности и стекает вниз.

Различают два вида конденсации: капельную и пленочную. Если поверхность конденсата не смачивается жидкостью и конденсат осаждается в виде отдельных капель, то происходит капельная конденсация. На смачиваемой поверхности конденсирующийся насыщенный пар образует сплошную пленку; такая конденсация называется пленочной.

Для водяного пара капельная конденсация явление случайное, неустойчивое и кратковременное. Она отличается интенсивным теплообменом, и коэффициент теплоотдачи в 15 - 20 раз выше пленочной. Объясняется это явление тем, что конденсирующийся пар находится в непосредственном соприкосновении с охлаждаемой поверхностью. При пленочной конденсации теплота передается поверхности пленки конденсата, а пленка передает теплоту стенке. Пленка конденсата представляет собой значительное термическое сопротивление, и чем она толще, тем меньше теплоотдача.

Рассмотрим теплоотдачу при пленочной конденсации в случае ламинарного движения пленки конденсата.

В данном процессе перенос теплоты через пленку осуществляется только теплопроводностью. Тогда при коэффициенте теплопроводности конденсата lи толщине пленки d плотность теплового потока равна , где t_н -температура насыщения; t_с -температура поверхности.

Согласно закону Ньютона-Рихмана при коэффициенте теплоотдачи плотность теплового потока равна q = a(t_н - t_с), откуда a = l/d. Следовательно, коэффициент теплоотдачи зависит от толщины слоя конденсата, стекающего по стенке вниз, и коэффициента теплопроводности конденсата.

При практических расчетах, рекомендуются следующие формулы для определения среднего значения коэффициента теплоотдачи:

для вертикальной стенки ;

для горизонтальной трубы ,

где g - ускорение силы тяжести; l_ж - коэффициент теплопроводности жидкости; r - теплота парообразования; r_ж - плотность жидкости; v_ж - кинематический коэффициент вязкости жидкости; Н - высота вертикальной стенки; d - наружный диаметр трубы.

Физические параметры конденсата берутся при средней температуре пленки конденсата, равной t_cр =0,5(t_н + t_с). Теплота парообразования берется при температуре насыщения t_н.

Так как высота трубы всегда больше диаметра, то коэффициент теплоотдачи при горизонтальном расположении трубы выше, чем при вертикальном.

Приведенные формулы относятся к неподвижному или медленно движущемуся пару (w < 10 м/с). Если движение пара совпадает по направлению с движением пленки конденсата, то d уменьшается, а a увеличивается. При встречном движении пара и пленки конденсата толщина последней увеличивается, а a уменьшается. При большой скорости пара происходит срыв конденсатной пленки, что приводит к росту коэффициента теплоотдачи.

При конденсации перегретого пара температура его у стенки постепенно снижается и фактически конденсируется насыщенный пар.

Состояние поверхности конденсации оказывает влияние на величину a. На трубах, с большой шероховатостью толщина пленки конденсата увеличивается, что вызывает уменьшение коэффициента теплоотдачи.

Примеси различных газов в паре заметно уменьшают теплоотдачу при конденсации. Снижение теплоотдачи происходит потому, что пар конденсируется, а газ или воздух, остается вблизи поверхности в виде слоя, через который молекулы пара проникают из ядра потока лишь путем диффузии, тем самым увеличивая термическое сопротивление пленки.

3. Выбор, обоснование выбора конструкции аппарата или установки

Теплообменные аппараты и установки предназначены для передачи теплоты от одной среды к другой или от среды к нагреваемому (охлаждаемому) телу. Теплообменные аппараты и установки по некоторым характерным признакам можно объединить в определенные классификационные группы.

Прежде всего, по способу передачи теплоты от одной среды к другой (от одного теплоносителя к другому) теплообменники классифицируются на: рекуперативные; регенеративные; смесительные.

теплообменник вода тепло химический

3.1 Рекуперативные теплообменники

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты осуществляется сквозь разделяющую теплоносители однослойную или многослойную стенку при установившемся или неустановившемся тепловом режиме. К аппаратам с установившимся тепловым режимом относятся непрерывно действующие теплообменники, работающие при неизменных во времени расходах и параметрах теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Передача теплоты от одной среды к другой в рекуперативных аппаратах происходит при одновременном вынужденном движении сред без изменения фазового состояния или при фазовом переходе одного (обоих) теплоносителя.

3.1.1 Кожухотрубчатые теплообменники

Теплообменники кожухотрубные состоят из определенного количества пучков труб, которые укреплены в трубных досках, крышек, патрубков, опор и другого. Разобщены в данных устройствах трубное и межтрубное пространство. Каждое из них разделяется перегородками на несколько ходов. На рисунке вы можете увидеть классическую схему кожухотрубчатого теплообменника:

Достоинства: высокая стойкость данного типа агрегатов к гидроударам; кожухотрубные агрегаты не нуждаются в чистой среде, надежны, долговечны и высокоэффективны.

Недостатки: большие размеры, высокая металлоемкость, которая является причиной высокой цены.

3.1.2 Змеевиковые теплообменники

Основным теплообменным элементом является змеевик-труба, согнутая по определенному профилю.

Конструкция змеевикового теплообменника показана на рисунке. Аппарат имеет корпус 1, в котором размещен змеевик 3 или система змеевиков. Витки змеевика ориентированы по винтовой линии. При большой площади поверхности теплообмена змеевики по длине набирают из нескольких секций. Во избежание прогибов труб при большом числе витков и большом диаметре навивки каждый виток закрепляют болтами на стойках.

Змеевиковый теплообменник:

1. корпус

2. стакан

3. змеевик из трубы

Пар вводится в верхнюю часть корпуса через вход п₁ со скоростью до 50 м/с, выходит снизу через выход п₂. Охлаждающая жидкость поступает в змеевик снизу через вход B₁ и движется в нем со скоростью до м/с, выходит через выход В₂. Разность давлений теплоносителей в змеевиковых аппаратах может достигать 10 МПа.

Скорость движения жидкости мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи от наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот). Для увеличения этого коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в корпусе аппарата, внутри змеевика, стакана. В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью.

Погружные змеевиковые теплообменники имеют сравнительно небольшую поверхность теплообмена (до 10-15 м²).

3.1.3 Спиральные теплообменники

Спиральные теплообменники изготовляют с поверхностью теплообмена 10--100 м²; они работают как под вакуумом, так и при давлении до 1 МПа при температуре рабочей среды 20--200 °С. Их можно использовать для реализации теплообмена между рабочими средами жидкость--жидкость, газ--газ, газ--жидкость.

Все большее распространение этих теплообменников в последнее время объясняется главным образом простотой изготовления и компактностью конструкции. В таком аппарате один из теплоносителей поступает в периферийный канал аппарата 3 и, двигаясь по спирали, выходит из верхнего центрального канала 1. Другой теплоноситель поступает в нижний центральный канал 4 и выходит из периферийного канала 2.

Площадь поперечного сечения каналов в таком теплообменнике по всей длине постоянна, поэтому он может работать с загрязненными жидкостями (загрязнение смывается потоком теплоносителя).

В спиральных теплообменниках поверхность теплообмена образована двумя стальными лентами 1, 2 толщиной 3,5--6 мм и шириной 400--1250 мм свернутыми в спираль так, что получаются каналы прямоугольного профиля, по которым противоточно движутся теплоносители. Достоинствами спиральных теплообменников являются повышенная компактность (большая поверхность теплообмена в единице объема) при одинаковых коэффициентах теплопередачи и меньшее гидравлическое сопротивление для прохода теплоносителей, недостатками их являются сложность изготовления и меньшая плотность.

3.1.4 Пластинчатые теплообменники

Пластинчатый теплообменник -- это теплообменник поверхностного типа, в котором передача тепла от одной среды (греющего теплоносителя) к другой (нагреваемому теплоносителю) происходит через металлическую стенку, которую принято называть поверхностью теплообмена.

Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, теплообменная поверхность которых образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью. Рабочие среды в теплообменнике движутся в щелевых каналах сложной формы между соседними пластинами в противопотоке. Каналы для греющего и нагреваемого теплоносителей чередуются между собой (Рис.3). Гофрированная поверхность пластин усиливает турбулизацию потоков рабочих сред и повышает коэффициент теплоотдачи.

Их разделяют по степени доступности поверхности теплообмена для механической очистки и осмотра на разборные, полуразборные и неразборные (сварные).

Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники, в которых пластины отделены одна от другой прокладками. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляют достаточно быстро, очистка теплообменных поверхностей требует незначительных затрат труда.

Основные размеры и параметры наиболее распространенных в промышленности пластинчатых теплообменников определены ГОСТ 15518--83. Их изготовляют с поверхностью теплообмена от 2 до 600 м² в зависимости от типоразмера пластин; эти теплообменники используют при давлении до 1,6 МПа и температуре рабочих сред от --30 до +180° С для реализации теплообмена между жидкостями и парами (газами) в качестве холодильников, подогревателей и конденсаторов.

Серийно выпускаемые разборные пластинчатые теплообменники могут работать с загрязненными рабочими средами при размере твердых включений не более 4 мм.

3.1.5 Теплообменники «труба в трубе»

Теплообменники типа «труба в трубе» представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис. 6).

Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, другой - по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы соединяются с помощью калачей 3, а наружные с помощью соединительных патрубков 4. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3-6 м, диаметр наружной трубы -76-159 мм, внутренней - 57-108 мм.

Рис. 6 Теплообменники типа «труба в трубе»

Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена. Двухтрубные теплообменники применяют для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соответственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров).

Теплообменники типа «труба в трубе» используют для охлаждения или нагревания в системе жидкость--жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния.

3.1.6 Оросительные теплообменники

Оросительные теплообменники применяют в основном для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров.

Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис. 6) из размещенных друг над другом прямых труб 1, соединенных между собой калачами 2. Снаружи трубы орошают водой, которую подают в желоб 3 для равномерною распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода поступает в корыто 4 для сбора воды. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.

Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется. Но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении оросительные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. По этой же причине, если оросительный теплообменник необходимо установить в помещении, его приходится помещать в громоздкие кожухи.

К недостаткам этих теплообменников следует отнести также громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, легкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.

3.1.7 Блочные теплообменники

Блочные теплообменники изготовляют в основном из искусственного графита или графитопласта -- пластмассы на основе фенолформальдегидной смолы, в которой в качестве наполнителя использован мелкодисперсный графит. Аппараты обладают рядом ценных свойств: они эффективны, так как по теплопроводности графит в 4 раза превосходит коррозионно-стойкую сталь; обладают высокой стойкостью к агрессивным средам (кислотам, щелочам, органическим и неорганическим растворителям); относительно дешевы. Основной метод соединения деталей на основе графита -- склеивание искусственными смолами.

Блочный теплообменный аппарат

3.2 Регенеративные теплообменники

В регенеративных теплообменных аппаратах при передаче теплоты от одной среды к другой также используется поверхность теплообмена. Однако эта поверхность, или точнее насадка, образующая поверхность теплообмена, является промежуточным аккумулятором теплоты. Вначале, в течение какого-то отрезка времени, насадка через свою поверхность воспринимает определенное количество теплоты от греющей среды. Затем производится переключение потоков теплоносителей и по поверхности насадки пропускается нагреваемая среда. В этот период насадка охлаждается, передавая ранее воспринятую теплоту нагреваемой среде.

3.2.1 Регенераторы с неподвижной насадкой

Применяют как при низких температурах теплоносителей, например в криогенной технике, при разделении воздуха, так и при очень высоких температурах, а именно для подогрева компонентов горения в доменных процессах, мартеновских, стекловаренных и нагревательных печах, а также в системах МГД генераторов. Основным элементом регенератора является насадка. Для каждой нагреваемой или охлаждаемой среды должны быть установлены два или более регенератора. В условиях эксплуатации один из аппаратов находится в стадии нагрева насадки, а другой - в стадии ее охлаждения.

3.2.2 Регенеративные теплообменники с подвижной насадкой

В регенераторах с подвижной насадкой в качестве насадки, образующей поверхность теплообмена, используются штампованные по разному профилю стальные (или из другого металла) листы, чугунные и стальные шары, сыпучая насадка в виде дроби, прочные керамические зерна размером от 1 до 8 мм. Из регенеративных аппаратов этой группы нашли наиболее широкое применение вращающиеся воздухонагреватели с насадкой из штампованных (гофрированных) стальных листов толщиной 0,6-1,2 мм с вертикальным и горизонтальным расположением водоохлаждаемого вала ротора. На (рис. 3.4) показан вертикальный тип аппарата, который используется в качестве воздухонагревателя для парогенератора. Цилиндрический ротор состоит из 24 секторов: через 13 секторов пропускают поток газов, через девять - поток воздуха и два сектора находятся под радиальными уплотнительными плитами. По высоте ротор генератора делится на два яруса. Пакеты холодного яруса, расположенные со стороны входа холодного воздуха и выхода газов, собирают из дистанционирующих (профильных) и гладких пластин (4) толщиной ~ 1,2 мм примерно на одной трети общей высоты ротора. Пакеты горячего яруса (со стороны выхода нагретого воздуха и входа газов) собирают из дистанционирующих и гофрированных пластин (3) толщиной ~ 0,6 мм. Вся насадка размещается между нижней и верхней решетками. Частота вращения ротора от 2 до 6 об/мин. Применяемая форма компоновки листов и каналов обеспечивает высокую степень турбулизации газового и воздушного потоков. Поверхность теплообмена в 1 м³ насадки составляет 400-500 м², скорость газов 7-8 м/с, скорость воздуха 7-9 м/с, температура нагретого воздуха 300-350 °С.

3.3 Смесительные теплообменники

В технологических процессах и системах теплоснабжения нашли широкое применение теплообменные аппараты со смешением теплоносителей, где чаще всего тепло- и массообменные процессы происходят на границе раздела фаз без использования теплопередающей поверхности.

3.3.1 Пленочные пароводяные подогреватели с насадкой из концентрически расположенных цилиндров (рис. 4.1, а), на поверхности которых образуется нисходящее течение пленки жидкости, а в свободном сечении между пленками - встречное восходящее движение пара. Пленочное течение осуществляется путем разбрызгивания жидкости через сопловой аппарат (3) с направлением струи со скоростью 5-6 м/с на отражательную тарелку (4), которая предназначена для дробления основной струи на более мелкие струи и капли. Характер предполагаемого движения потоков показан стрелками. Воздух и другие газы, выделяющиеся при конденсации пара и нагревании воды, отводятся через верхний патрубок из самой холодной части аппарата. В качестве греющей среды обычно используется отработавший пар с низким давлением.

К основным преимуществам таких теплообменников по сравнению с поверхностными аппаратами относятся:

· большие коэффициенты теплопередачи [по опытным данным, при избыточном давлении в аппарате, равном нулю: ?р = 0 k = 4500ч6000 Вт/(м²·К); при ?р = 3000 Па (~300 мм вод. ст.) k = 12000 Вт/(м²·К); при ?р = 6900 Па (~700 мм вод. ст.) k = 17500 Вт/(м²·К)];

· весьма малый недогрев воды по отношению к температуре пара [при ?р = 0 ?t_н = t_н - t?в ? 6-8 град; при ?р = 2000ч3000 Па ?t_н = 2,5-3 град; при ?р = 6900ч7900 Па ?t = 1 град.

Размещено на Allbest.ru

...