Основы теплопередачи. Конструкция теплообменных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Основы теплопередачи. Конструкция теплообменных аппаратов



1. Основы теплопередачи

1.1 Основные понятия и виды теплопередачи

Теорией теплопередачи или теплообмена называется наука, изучающая процессы переноса тепла в пространстве с неоднородным температурным полем.

Виды теплообмена

1. Теплопроводность.

2. Конвективный теплообмен.

3. Лучистый теплообмен.

Теплопроводностью называется процесс переноса теплоты (или внутренней энергии) при непостредственном соприкосновении тел (или частей тела) с различной температурой. [1, стр. 5] Теплопроводность осуществляется путем передачи энергии от одних элементарных частиц тела к другим вследствие микродвижений этих элементарных частиц. Для газов такими частицами являются молекулы. Молекулы газа в той его части, которая имеет более высокую температуру, обладают большей средней кинетической энергией. При столкновении молекул газа происходит обмен кинетической энергией, в результате чего тепло передается от более прогретых частей газа к более холодным. В твердых телах обмен энергией происходит между свободными электронами, а также между узлами кристаллической решетки в процессе ее колебания. [2, стр. 9]

В чистом виде явления теплопроводности наблюдаются в твердых телах, в абсолютно неподвижных газах и жидкостях.

Конвективным теплообменом называется процесс переноса тепла в жидкостой или газообразной среде с неоднородным распределением температуры и скорости, осуществляемый макроскопическими частями среды при их перемешивании.

Конвективный теплообмен всегда сопровождается теплопроводностью.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости или газа, различают:

1) конвективный теплообмен при свободном движении среды (свободная или

гравитационная конвекция);

2) конвективный теплообмен при вынужденном движении среды (вынужденная конвекция).

Приведем пример свободной конвекции.

Если нагреть сосуд с жидкостью (рис. 1), то частицы жидкости, имеющие более высокую температуру (T2 > T1), вследствие уменьшения их плотности (с2 < с1), будут всплывать, т.е. вытесняться более холодными слоями жидкости и переносить с собой теплоту. В сосуде возникнут конвективные потоки.

Вынужденная конвекция имеет место тогда, когда движение жидкости или газа вызвано внешними причинами: насосом, вентилятором, движением летательного аппарата в воздухе и т.п. Водной и той же среде теплообмен при вынужденной конвекции протекает значительно интенсивней, чем при свободной. [2, стр. 11]

На практике большое значение имеет частный случай конвективного теплообмена - теплоотдача. Теплоотдача - это конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой с твердым телом, жидкостью или газом. [6, стр. 5]

Лучистым теплообменом называется процесс переноса теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением - тепловой энергии в лучистую и обратно. [1, стр. 5]

Встречая на своем пути другое вещество, тепловые лучи частично поглощаются, и их энергия снова превращается в теплоту, а частично отражаются и проходят сквозь тело. В чистом виде лучистый теплообмен имеет место лишь в условиях глубокого вакуума.

Как правило, мы имеем дело со всеми тремя видами теплообмена одновременно, т.е. обычно имеет место сложный теплообмен.

При решении конкретных практических задач количество тепла, передаваемое теплопроводностью, излучением и конвекцией, может быть различным, поэтому в расчетах часто пренебрегают видами теплообмена, роль которых в рассматриваемом случае несущественна, и весь процесс сводят к основному определяющему виду теплообмена.

1.2 Температурное поле

теплообменный дифференциальный уравнение

Температурным полем называется совокупность значений температуры в данный момент времени во всех точках изучаемого пространства. В общем случае уравнение температурного поля имеет вид:

t=F (x, y, z, ф), (1.1)

где t - температура среды;

x, y, z - координаты точки среды;

ф - время.

Температурное поле, изменяющееся во времени, называется нестационарным, а температурное поле, не изменяющееся во времени, - стационарным.

Стационарное температурное поле описывается зависимостью:

t=f (x, y, z,), =0 (1.2)

Температурное поле, описываемое выражениями (1.1) и (1.2) является трехмерным. Если температурное поле изменяется только по двум координатам, то оно называется двухмерным и описывается зависимостью:



t=f (x, y, z,), =0 (1.3)

Температурное поле, изменяющееся по одной координате, называется одномерным и выражается в виде:

t=f (x, ф), = =0 (1.4)

Одномерное стационарное поле имеет вид:

t=f (x), =0 = =0 (1.5)

Температурное поле можно охарактеризовать с помощью изотермических поверхностей. Изотермической поверхностью называется геометрическое место точек, имеющих в данный момент времени одинаковую температуру.

Изотермические поверхности, соответствующие разным температурам, не могут пересекаться между собой. Они могут замыкаться сами на себя либо оканчиваться на поверхности тела.

При пересечении изотермических поверхностей с какой-либо плоскостью, например, с плоскостью чертежа, они оставляют на этой плоскости следы в виде семейства кривых, называемых изотермами.

Наибольшие изменения температуры будут происходить по направлению нормали к изометрической поверхности. Градиент температуры есть вектор, направленный по нормали к изометрической поверхности в сторону возрастания температуры.

Он определяется выражением:

grad t= (?t/?n), (1.6)



где - единичный вектор, нормальный и направленный в сторону возрастания температуры.

Производная температуры по направлению ?t/?l зависит от направления, задаваемого вектором . Например, для направления она равна нулю, а для направления - максимальная. Именно эта максимальная производная (?t/?n), и определяет длину вектора grad t. Эта длина (модуль вектора) равна: =

Направление вектора grad t дается единичным вектором

1.3 Основной закон теплопроводности

Связь между количеством теплоты dQ, которое за время dф проходит через элементарную площадку dF, расположенную на изотермической поверхности, и градиентом температуры dt/dn устанавливается законом Фурье:

dQ =? лdF ?ф (1.7)

Множитель пропорциональности л в выражении 1.7 определяется физическими свойствами среды, в которой происходит распространение теплоты, и называется теплопроводностью.

Справедливость закона Фурье (1.7) подтверждается экспериментальными данными.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности Вm/м² называется плотностью теплового потока:

=dQ/dFdф= - л grad t= - л (1.8)

Вектор направлен по нормали к изотермической поверхности. Его положительное направление совпадает с направлением максимального убывания температуры, так как теплота передается от более нагретой области к менее нагретой, в соответствии со вторым законом термодинамики.

Следовательно, вектор и gradt лежат на одной прямой, но направлены в противоположные стороны, поэтому в правой части уравнения (1.7) стоит знак - «минус».

Если в каждой точке температурного поля провести элементы нормали Дn к изотермическим поверхностям, то получится семейство ломаных линий, которые при беспредельном уменьшении отрезков Дn превратятся в кривые, называемые линиями теплового потока.

Модуль вектора q равен: = ? л .

Количество теплоты, Вт, проходящей в единицу времени через изотермическую поверхность площадью F, называется тепловым потоком и определяется из выражения:

Q= (1.9)

Полное количество теплоты, Дж, проходящей через изотермическую поверхность площадью F, за время ф, равно:

Q= (1.10) [3, стр. 4-6]

1.4 Коэффициент теплопроводности

Теплопроводность - это характеристика материала из уравнения 1.6.

Из этот уравнения следует, что теплопроводность:



л= / grad t.

Следовательно, теплопроводность численно равна количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при градиенте температуры, равном 1К/м.

Этот коэффициент нельзя рассчитать теоретически (исключение составляют лишь газы при низких температурах). Имеющие сведения о коэффициентах теплопроводности основаны на экспериментальных данных. [4, стр. 20]

Единица измерения теплопроводности - Вт/(м·К). Чем больше л, тем большей способностью проводить теплоту обладает тело. В общем случае теплопроводность для данного тела не является величиной постоянной. Для твердых тел л зависит от температуры, а для жидких и газообразных - еще и от давления.

Для металлов (кроме алюминия) теплопроводность с увеличением температуры несколько убывает. Это означает, что холодный металл проводит теплоту лучше, чем нагретый.

Теплопроводность металлов колеблется в пределах 2,3-420 Вт/(м·К).

Для изоляционных и огнеупорных материалов л при повышении температуры возрастает. Это объясняется структурой материалов, которая не представляет собой монолитной массы. Однако при лучистом теплообмене, эффективная теплопроводимость (с учетом излучения) увеличивается при повышении температуры пористого тела.

Для таких материалов л зависит не только от свойств материала, но и от степени его уплотненности, что в свою очередь характеризуется плотностью. Кроме того, на теплопроводность пористых материалов влияет влажность, с увеличением которой теплопроводность возрастает.

Например, для сухого кирпича л=0.35Вт/(м·К), для воды л=0,58Вт/(м·К).

Для газов с увеличением температуры теплопроводность также возрастаем в пределах 0,06-0,6 вт/(м К), а от давления практически не зависит.

Для капельных жидкостей л=0,09-0,7Вт/(м·К). С увеличением температуры уменьшается, за исключением воды, которая с ростом t от 0 до 1500 С л возрастает, а далее уменьшается. [3, стр. 7]

Механизм теплопроводности в газах можно качественно объяснить с помощью кинетической теории. Все молекулы газа находяться в хаотическом движении и обмениваются энергией и импульсом при столкновении друг с другом. Чем выше температура газа, тем больше кинетическая энергия молекул, поэтому молекула, движущаяся из восокотемпературной области в низкотемпературную, переносит кинетическую энергию на молекулярном уровне в область низкой температуры. При столкновении с молекулой, имеющей меньшую кинетическую энергию, происходит передача энергии, которая с макроскопической точки зрения и является переносом тепла.

Физический механизм теплопроводности в капельных жидкостях качественно аналогичен описанному, но поскольку молекулы в жидкостях расположены ближе друг к другу и их силовые поля играют существенную роль при переносе энергии путем соударений, то картина является еще сложнее, чем в газах.

Согласно результатам упрощенного расчета, основанного на кинетической модели обмена, коэффициент теплопроводности газов пропорционален квадратному корню из абсолютной температуры. [4, стр. 21]



2. Теплообменные аппараты

2.1 Виды теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется процесс

передачи теплоты от одного теплоносителя к другому для осуществления различных тепловых процессов, например нагревания, охлаждения, кипения, конденсации или более сложных физико-химических процессов, таких как сушка, увлажнение, ректификация, абсорбция и т.д.

По способу передачи теплоты теплообменники подразделяются на:

· поверхностные (рекуперативные) - оба теплоносителя разделены стенкой, через поверхность которой передается тепло.

· смесительные аппараты - в них теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

· регенеративные аппараты - в них процесс передачи тепла от горячего к холодному разделен по времени на 2 периода.

В рекуперативных аппаратах теплопередача между греющей и нагреваемой средами осуществляется через разделяющую стенку. Направление теплового потока в рекуператорах, как правило, не меняется во времени, а процесс

теплообмена может протекать как без изменения агрегатного состояния потоков, так и с изменением обеих или одной из рабочих сред.

Рекуперативные аппараты классифицируют по следующим признакам:

По роду теплоносителей в зависимости от их агрегатного состояния:

· парожидкостные;

· жидкостно-жидкостные;

· газо-жидкостные;

· парогазовые.

Типы поверхностных теплообменников:

· трубчатые аппараты с прямыми трубками;

· спиральные;

· пластинчатые;

· змеевиковые;

· ребристые;

· сетчатые.

Типы поверхностных трубчатых теплообменников:

· типа «труба в трубе»;

· кожухотрубные аппараты.

· Оросительные

· Погружные

Рекуперативные аппараты могут быть классифицированы по назначению

(подогреватели, холодильники и т.д.); по взаимному направлению потоков рабочих сред (прямоток, противоток, смешанный ток и т.д.); по материалу поверхности теплообмена; по числу ходов теплоносителей и т.д.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении теплоносителей в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении и перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении. [7, стр. 586-587]

Рекуперативные аппараты большей частью работают в стационарных условиях.

Конструкции рекуперативных теплообменных аппаратов, применяемые в системах теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха, разнообразны. К ним относят: водоводяные и пароводяные подогреватели, парогенераторы, деарационные установки, экономайзеры, воздухоподогреватели, конденсаторы, холодильники, испарители, калориферы.

В регенераторах одна и та же поверхность теплообмена через определенные промежутки времени омывается то горячим, то холодным теплоносителем.

В этих аппаратах теплота, переданная от одного из теплоносителей твердому заполнителю канала, аккумулируется им, а затем отдается второму теплоносителю, когда наступает его очередь движения через аппарат.

Главным элементом регенераторов, определяющим в основном эффективность их работы, является насадка. Насадки конструируют таким образом, чтобы образовать большое число извилистых каналов, что позволяет интенсифицировать процесс теплообмена и сделать аппарат компактным. Известны два основных типа регенераторов. В одном из них твёрдый материал насадки остается неподвижным; в другом твердая насадка постоянно вращается и поочередно проходит отсеки, через которые пропускается греющий и обогреваемый теплоносители. Они выполняются с противоточным однонаправленным и перекрестным течением теплоносителей.

Регенеративные аппараты нашли широкое применение в энергосберегающих системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

В теплообменных аппаратах с внутренними источниками энергии применяются не два, как обычно, а один теплоноситель, который отводит теплоту, выделенную в самом аппарате. Примером таких аппаратов служат ядерные реакторы, электронагреватели и другие устройства. [8, стр. 442]

Поскольку с теплотехнической точки зрения все аппараты имеют одно назначение - передачу теплоты от одного теплоносителя к другому, это и определяет те общие положения, которые лежат в основе теплового расчета любого теплообменного аппарата. [5, стр. 4-6]

В смесительных теплообменниках процесс передачи происходит при перемешивании теплоносителей, поэтому эти теплообменники называют также контактными. Если после теплопередачи требуется разделение теплоносителей, то очевидно одним из них должен быть газ, а другим жидкость, или 2 жидкости, имеющие разные плотности. Смесительный процесс осуществляется, например, в градирнях, где горячая вода охлаждается окружающим воздухом. [7, стр. 589]

2.2 Конструкции теплообменных аппаратов

1) Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами - как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

· однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением

· диапазон давления от вакуума до высоких значений

· в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов

· удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата

· размеры от малых до предельно больших (5000 м²)

· возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению

· использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.

· возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта

Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов.

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров.

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.

Трубчатка кожухотрубчатых теплообменников выполняется из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена.

Трубные доски (решетки) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные доски приваривают к кожуху (рис. а, в), зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки (рис. б, г) или соединяют болтами только с фланцем свободной камеры (рис. д, е). материалом досок служит обычно листовая сталь толщиной не менее 20 мм.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой (рис. а, к), нежесткой (рис. г, д, е, з, и) и полужесткой (рис. б, в, ж) конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные.

На рисунке а) изображен одноходовой теплообменник с прямыми трубками жесткой конструкции. Кожух и трубки связаны трубными решетками и поэтому нет возможности компенсации тепловых удлинений. Такие аппараты просты по устройству, но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50^оС). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве.

На рисунке б) изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.

В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве, а жидкость - по трубам. Разность температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые (рис. в), сальниковые (рис. з, и) или сильфонные (рис. ж) компенсаторы.

Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления - операции сложные и дорогие. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб с разными радиусами сгиба, сложности замены труб и неудобства чистки гнутых труб.

Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной доски и свободным перемещением второй доски вместе с внутренней крышкой трубной системы (рис. е). некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса и изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников «с плавающей головкой». Теплообменники с поперечным током (рис. к) отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности вследствие того, что теплоноситель движется поперек пучка труб.

Достоинства:

· Компактность

· Небольшой расход металла

· Легкость очистки труб изнутри

Недостатки:

· Трудность пропуская теплоносителей с большими скоростями (однако устраняется в многоходовых теплообменниках)

· Трудность очистки межтрубного пространства

2) Теплообменники труба в трубе

Теплообменные аппараты «труба в трубе» (далее - теплообменники) однопоточные разборные типа ТТОР, однопоточные неразборные типа ТТОН, многопоточные разборные типа ТТМ, разборные малогабаритные типа ТТРМ и их модификации предназначены для нагрева и охлаждения сред в технологических процессах.

Теплообменные аппараты «труба в трубе» используют главным образом для охлаждения или нагревания в системе жидкость-жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния. Иногда такие теплообменники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др. Также их используют для загрязненных коксообразующими веществами и механическими примесями теплоносителей, в которых обеспечивается хороший теплообмен за счет больших скоростей и турбулентности потоков в трубном и межтрубном пространствах. Высокие скорости и турбулентность потока уменьшают возможность отложения на стенках труб кокса или других образований. По сравнению с кожухотрубчатыми теплообменники «труба в трубе» имеют меньшее гидравлическое сопротивление межтрубного пространства. Однако при равных теплообменных характеристиках они менее компактны и более металлоемки, чем кожухотрубчатые.

Теплообменные аппараты «труба в трубе» - однопоточные неразборные типа ТТОН.

Теплообменники изготавливаются следующих исполнений:

- с приварными двойниками - 1 исполнение.

- со съемными двойниками - 2 исполнение.

В теплообменниках применяются гладкие теплообменные трубы (Г).

Аппараты с приварными двойниками (1 исполнение) предназначены для условий, когда среда трубного пространства также не требует механической очистки внутренней поверхности теплообменных труб.

Аппараты со съемными двойниками (2 исполнение) наиболее пригодны для условий эксплуатации, вызывающих необходимость регулярной механической очистки внутренней поверхности теплообменных труб от загрязнений.

Теплообменники труба в трубе типа ТТОН могут компоноваться в секции. Пример компоновки элементов теплообменника труба в трубе однопоточного неразборного (ТТОН) в блок.

Теплообменные аппараты «труба в трубе» - однопоточные разборные типа ТТОР.

В теплообменниках применяются гладкие теплообменные трубы (Г).

Разборные однопоточные теплообменники труба в трубе ТТОР предназначены для загрязненных и склонных к значительным отложениям рабочих сред, а также для сред, несущих взвеси, то есть для таких технологических условий, когда не допускается разделение рабочей среды на параллельные потоки.

Аппараты предназначены для применения в различных очистных установках, сооружаемых с целью охраны окружающей среды, в том числе на установках обработки осадков сточных вод, установках сжигания нефтешлама и для аналогичных условий работы в других областях промышленности при расходах жидкостей в кольцевом и трубном пространствах от 2 до 60 т/ч.

Конструкцией аппаратов обеспечена возможность регулярной механической очистки внутренней поверхности теплообменных труб от загрязнений, а также возможность выемки теплообменных труб для их замены или механической очистки наружной поверхности.

Более загрязненная среда одним потоком проходит внутри теплообменных труб, совершая при этом четыре хода по трубному пространству. Менее загрязненная среда противотоком проходит снаружи теплообменных труб, совершая также четыре хода по кольцевому пространству.

Допускается выполнение аппарата двухходовым и, следовательно, двухпоточным по кольцевому пространству для тех случаев, когда это обусловлено условиями теплообмена (снаружи теплообменных труб - процесс теплообмена с испарением или конденсацией). Например, при использовании аппарата в качестве парового подогревателя загрязненного продукта.

Конструкцией аппаратов предусмотрена возможность свободных температурных удлинений теплообменных труб. Возможность температурных удлинений кожуховых труб конструкцией однопоточных четырехходовых по кольцевому пространству аппаратов ограничена, поэтому перепад температур входа и выхода среды, проходящей через кольцевое пространство одного аппарата, не должен превышать 150?С.

Теплообменные аппараты «труба в трубе» - многопоточные разборные типа ТТМ.

Теплообменники изготавливаются следующих исполнений:

- с приварными двойниками - исполнение 1

- со съемными двойниками - исполнение 2

Разборные многопоточные теплообменники труба в трубе ТТМ, в отличие от однопоточных предназначены для относительно больших расходов рабочих сред (в случае жидких сред: от 10 до 200 т/ч в трубном пространстве и от 10 до 300 т/ч в кольцевом пространстве).

Многопоточные теплообменники могут применяться для процессов конвективного теплообмена «жидкость-жидкость», «газ-газ» и «жидкость-газ», а также для процессов теплообмена с частичной конденсацией или испарением рабочих сред.

Типоразмеры со средним кольцевым каналом (d/D = 48/89 и 57/108 мм) выполняются с гладкими, ребристыми и ошипованными теплообменными трубами.

При необходимости регулярной механической очистки внутренней поверхности теплообменных труб (без их удаления) выбираются аппараты со съемными двойниками на теплообменных трубах, то есть аппараты 2 исполнения и, следовательно, меньших типоразмеров (ТТМ5, ТТМ7).

Теплообменники труба в трубе типа ТТМ могут компоноваться в секции из разного количества элементов и устанавливаться на рамах.

Теплообменные аппараты «труба в трубе» - однопоточные разборные типа ТТРМ.

Разборные малопоточные теплообменники труба в трубе ТТРМ предназначены для относительно малых расходов рабочих сред (в случае жидких сред: от 0,1 до 15 т/ч в трубном пространстве и от 0,4 до 30 т/ч в кольцевом пространстве).

Малопоточные теплообменники могут применяться для лабораторных и пилотных установок, а также в качестве мазутоподогревателей и маслоохладителей в различных отраслях промышленности.

Однопоточные теплообменники (ТТРМ1), в которых среда совершает четыре хода по трубному и кольцевому пространствам, предназначены для процессов конвективного теплообмена.

Двухпоточные теплообменники (ТТРМ2), в которых среда совершает два хода, могут, кроме того, применяться и для процессов с конденсацией и испарением в трубном и кольцевом пространствах.

Аппараты однопоточные по трубному пространству и двухпоточные по кольцевому (ТТРМ1/2) применяются в тех случаях, когда внутри теплообменных труб имеет место конвективный теплообмен, а снаружи - процесс с конденсацией или испарением, например, в качестве парового подогревателя жидкого продукта.

Типоразмеры с относительно широким кольцевым каналом (d/D = 38/89 мм и d/D = 48/108 мм), выполняемые преимущественно с ребристыми и ошипованными трубами, предназначены для разнообразных сред низкого давления и вязких жидкостей.

Аппараты с гладкими трубами могут применяться для процессов конденсации или испарения в кольцевом пространстве. [9]

Теплообменники труба в трубе типа ТТРМ могут компоноваться в секции из разного количества элементов и устанавливаться на рамах.

Достоинства:

· Высокий коэффициент теплопередачи, в следствии большой скорости

· Простота изготовления

Недостатки:

· Громоздкость

· Большой расход металла на изготовление

· Трудность очистки межтрубного пространства

3) Оросительные теплообменники

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

Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис. 11) 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, чувствительность к подаче воды, 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, дешевизну, пониженный расход охлаждающей воды оросительные теплообменники находят ограниченное применение.

4) Погружные теплообменники

Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погружные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема.

Для увеличения 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. Часто в погружных теплообменниках устанавливают змеевики из прямых труб, соединенных калачами. Погружные змеевиковые теплообменники имеют сравнительно небольшую поверхность теплообмена (до 10 - 15 м 2).

Достоинства:

· Простота изготовления

· Допустимость поверхности теплообмена для осмотра и ремонта

Недостатки:

· Громоздкость

· Неупорядоченное движение

5) Пластинчатые теплообменники.

Поверхность теплообмена пластинчатого теплообменника состоит из гофрированных пластин с четырьмя отверстиями по углам. Проложив между пластинами 2 и 3 специальные фасонные прокладки и прижимая пластины друг к другу, можно образовать канал синусоидального профиля, по которому жидкость может перетекать из верхнего левого отверстия в нижнее левое. Эти два отверстия объединены общей большой прокладкой, в то время как два других отверстия окружены малыми (кольцевыми) прокладками, и из них жидкость не может ни выходить, ни входить в канал. Если к двум сжатым пластинам 2 и 3 прижать пластину 4, объединив прокладкой нижнее правое отверстие с верхним правым, то будет образовано два канала. В первом, между пластинами 2 и 3, один теплоноситель перетекает сверху вниз, а во втором канале, между пластинами 3 и 4, другой теплоноситель проходит снизу вверх.

Продолжая прибавлять пластины и прокладки справа и слева от образованного пакета, можно увеличивать число параллельных каналов и поверхность теплообмена. Ширина синусоидального канала лежит в пределах от одного до нескольких миллиметров, и жидкость быстро прогревается по всей толщине слоя. Этому способствует искусственная турбулизация потока на поворотах в канале, вызывающая увеличение коэффициента теплоотдачи. Пластинчатые теплообменники, занимая малый объём, обладают большой (до 1 500 м²/м3) поверхностью теплообмена и большими значениями коэффициента теплопередачи, вплоть до3 800 Вт/м2 при малом гидравлическом сопротивлении. Ещё одним преимуществом аппаратов этого типа является возможность быстрой сборки и разборки при ревизии и механической чистке поверхности. Кроме того, поверхность теплообмена может легко изменяться, т.к. зависит от числа используемых пластин.

Главное же преимущество пластинчатых теплообменников заключается в возможности объединения в одном аппарате нескольких пакетов пластин, в каждом из которых движется своя пара теплоносителей. Это обстоятельство позволяет экономить тепловую энергию на предприятии.

Например, при пастеризации соков (молока) в последний (третий) пакет поступают предварительно подогретый сок и горячий теплоноситель при температуре около 100°С. Пастеризация происходит при температуре около 70°С, и нагретый до этой температуры пастеризованный сок переходит в первый пакет, где используется в качестве горячего теплоносителя для предварительного подогрева сока, поступающего в аппарат. Во втором пакете в качестве горячего теплоносителя используется теплоноситель из третьего пакета, температура которого выше 80°С. В этом примере сок нагревается как бы на трёх ступенях, а горячий теплоноситель подаётся только в третий пакет. В действительности в производстве в одном аппарате совмещают подогрев и охлаждение многих жидкостей.

Пластинчатые теплообменники применяют также при обогреве паром низкого давления. В этом случае ширина канала для прохода пара составляет 5…10 мм. Пластинчатые теплообменные аппараты нельзя использовать при высоком давлении теплоносителей из-за опасности разгерметизации уплотнений между пластинами.

6) Спиральные теплообменники.

В общем случае этот тип теплообменников применяется для взаимодействия сред «жидкость-жидкость». Например, греющая жидкость поступает в аппарат через патрубок С, протекает по спирали и покидает аппарат через осевой патрубок D, а нагреваемая жидкость поступает в аппарат через осевой патрубок А и покидает его после протекания через спираль в противотоке греющей среде через патрубок В.

КонструкцияА-1

Это самая распространённая конструкция. Герметизацию спиралей называют при этом переменной, поскольку плоские крышки герметизируют каналы каждая со своей стороны. Доступ к обоим каналам в каждом случае возможен после демонтажа соответствующей крышки.

КонструкцияА-2

Для определённых целей один из обоих каналов полностью закрывается, другой, напротив, постоянно открыт. Выбор этой конструкции оправдан, например, в том случае, когда одна из сред создаёт значительные проблемы при выборе уплотнительных прокладок, или когда использование одной среды требует частое проведение чистки с помощью механических средств или агрессивных чистящих средств. Закрытый канал недоступен для механической чистки, он может очищаться только химическими средствами. Открытый канал, напротив, может очищаться с обеих сторон спирали любым способом.

Спиральные теплообменники с перекрёстным движением сред

Эта конструкция применяется в конденсаторах, в основном при пониженном давлении, при этом значительный объём потока пара пускают через большие поперечные сечения спиралей (вдоль осей спиралей). За счёт этого достигается быстрое охлаждение пара при избежании большой потери давления.

КонструкцияВ-1

Охлаждающая жидкость движется по закрытому спиральному каналу. Пар подается через спираль вдоль оси спирали и охлаждается. Чистка очень простая, поскольку канал с обеих сторон доступен, если аппарат снабжён люками для чистки или съемными крышками.

КонструкцияВ-2

В некоторых случаях требуется приведение теплообменника в горизонтальное положение, в особенности, при использовании жидкостей, содержащих твердые частицы, волокна и т.п. во избежание их скапливания в нижней части теплообменника под действием силы тяжести. Эта конструкция дает возможность проводить механическую чистку спиралей с обеих сторон.

При горизонтальном располfожении, внутри кожуха спиральные теплообменники в который поступает пар, устанавливается горизонтальная перегородка приблизительно на 2/3 ширины спирали. В результате поступающий через верхнюю половину спирали пар вынужден выходить через её нижнюю половину. Охлаждающая жидкость поступает через боковой патрубок и покидает спиральный теплообменник через осевой патрубок.

КонструкцияС

Эта конструкция применяется в качестве конденсатора в верхней части колонн, аппарата с фланцем, посаженного прямо на колонну, что минимизирует потери давления и значительно упрощает монтаж.

Существуют две различные конструкции конденсаторов для переохлаждения конденсата, инертного газа или одновременно этих двух сред. Переохлаждение возможно за счёт формирования дополнительного контура охлаждения путем герметизации в верхней части двух последних витков спирали. Пар поступает в теплообменник перпендикулярно плоскости спирали, конденсат и / или инертный газ вынуждены вытекать через последние спиральные витки. Поперечные сечения сильно сужаются, что приводит к незначительной потере давления в конце конденсации. В то же время повышаются параметры теплообмена за счёт повышения скорости течения.

Достоинства:

· Компактность

· Возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи

· При тех же скоростях гидравлическое сопротивление меньше сопротивления многоходовых кожухотрубных теплообеников

Недостатки:

· Сложность изготовления и ремонта

7) Ребристые теплообменники.

Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер. Ребра могут иметь форму кольцевых дисков, спиральных пластин или плоских листов, расположенных вдоль оси трубы.

Ребра увеличивают площадь поверхности на единицу объема теплообменника. В некоторых случаях такие ребра устанавливают внутри труб; это целесообразно делать тогда, когда коэффициент теплоотдачи внутри труб ниже, чем снаружи. [11, стр. 10-11]

Ребристые теплообменники широко применяют в сушильных установках, отопительных системах и как экономайзеры.

Пластинчато-ребристые теплообменники. Пластинчато-ребристые теплобменные аппараты представляют собой плоские листы, между которыми зажаты специальные ребра. Основной поверхностью для теплообмена является плоский листовой металл. В качестве ребер чаще всего используются непрерывные гофрированные листы или полосы. При использовании в качестве гофр полосовой материал, гофры в последующих полосах устанавливаются со смещением на половину шага гофры. Гофры также могут быть выполнены из перфорированных листов с различными отверстиями, жалюзами, либо со всевозможными выступами или впадинами для турбулизации потоков.

Трубы с поперечными ребрами различной формы широко применяются, в частности, в аппаратуре для нагрева воздуха - калориферах. При нагреве воздуха обычно используется насыщенный водяной пар. Иногда применяются продольные ребра, которые для турбулизации пограничного слоя (что особенно важно при ламинарном течении теплоносителя) на определенном расстоянии надрезаются. Для разделения воздуха в низкотемпературных установках применяются современные пластинчато-ребристые теплообменники, работающие по принципу противотока.

Реверсивные пластинчато-ребристые теплообменники состоят из одной группы пакетов длиной около 6 м или двух групп длиной около 3 м, соединенных последовательно. В группе пакеты соединены параллельно. В каждом пакете каналы объединены в несколько групп. Каналы, по которым проходит сжатый воздух и отбросной азот или технологический кислород, - реверсивные. Чистые продукты выводятся непрерывно через нереверсивные группы каналов теплообменника.

Регенераторы или реверсивные пластинчато-ребристые теплообменники являются первой ступенью системы зашиты воздухоразделительных установок от накапливания взрывоопасных примесей. Эта их функция в связи с непрерывным увеличением концентрации углеводородов в атмосфере промышленных предприятий очень важна. Экспериментальные данные, полученные на эксплуатируемых воздухоразделительных установках, показывают, что от степени очистки воздуха от тяжелых углеводородов в этих тепло- и массообменных аппаратах зависит эффективность всей системы защиты от накапливания взрывоопасных примесей, а также длительность работы установки между полными отогревами. В связи с этим конструкция аппаратов и температурный режим, при котором они эксплуатируются, должны обеспечить степень очистки воздуха от тяжелых углеводородов, кристаллизующихся при охлаждении воздуха, не менее 99% и исключать накапливание взрывоопасных примесей на поверхности теплообмена.

8) Графитовые теплообменники.

Эти теплообменники составляют отдельную группу. Высокая коррозионная стойкость и значительная теплопроводность делают графит незаменимым в некоторых производствах. Промышленностью выпускаются блочные, кожухотрубчатые, оросительные теплообменники и погружные теплообменные элементы.

Блочный графитовый теплообменник представляет собой один или несколько прямоугольных или цилиндрических блоков, имеющих две системы непересекающихся, перпендикулярных отверстий, создающих перекрестную схему движения теплоносителей. Каждая система отверстий имеет графитовые крышки для ввода и вывода рабочих сред. На крышки накладывают металлические плиты и систему стягивают болтами, создавая в графите наименее опасные напряжения сжатия.

В кожухотрубчатый графитовый теплообменник состоит из труб, трубных решеток и крышек из графита, а также металлического кожуха с сальниковым уплотнением для компенсации температурных удлинений.



2.3 Современные теплообменники

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, предназначенным для осуществления взаимодействия воздуха и воды (либо иной жидкости), приводящего к теплообмену между этими средами.

Задачей предлагаемого изобретения является создание теплообменного аппарата, пригодного для осуществления теплообмена между большим объемом теплообменивающихся сред, обеспечивающего при этом более высокую, чем в аналогах, эффективность теплообмена.

Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом теплообменном аппарате, содержащем корпус с патрубками ввода и вывода воды и воздуха, сепаратор и переливное устройство, несколько теплообменных элементов, размещенных над дном корпуса, при этом каждый теплообменный элемент снабжен закручивателями воздуха с лопатками, закрепленными на кольцевой пластине, выхлопной трубой, установленной на верхних кромках лопаток, причем выхлопные трубы присоединены к патрубку вывода воздуха из аппарата, патрубки ввода и вывода охлаждаемой воды из аппарата вмонтированы в патрубок вывода воздуха из аппарата, а в нижних частях выхлопных труб размещены теплообменники с патрубками ввода и вывода воды, внутри верхних частей выхлопных труб теплообменных элементов соосно с ними размещены цилиндрические емкости, разделенные перегородками вдоль вертикальных осей на две части, одна из которых оснащена патрубком ввода воды, а другая - патрубком вывода воды, при этом перегородки прикреплены верхними торцами к крышкам емкостей, а нижние торцы не доходят до дна емкостей, между внешними поверхностями емкостей и внутренними поверхностями выхлопных труб закреплены пластинчатые ребра, патрубки входа воды в емкости присоединены к вводу охлаждаемой воды в аппарат, а патрубки вывода воды из емкостей присоединены к патрубкам ввода воды в теплообменники, размещенные в нижней части выхлопных труб, а патрубки вывода воды из этих теплообменников присоединены к выводу охлаждаемой воды из аппарата.

Такое решение поставленной задачи обеспечивает технический результат, заключающийся в создании конструкции теплообменного аппарата, позволяющего осуществлять теплообмен с интенсивностью, большей, чем у аналогов, между большими количествами воды и воздуха в одном аппарате за счет размещения в верхних частях выхлопных труб теплообменных элементов дополнительной ступени теплообмена - цилиндрических емкостей, разделенных на две части, причем внешние поверхности этих емкостей соединены пластинчатыми ребрами с внутренней поверхностью выхлопных труб, а пластинчатые ребра значительно увеличивают поверхность теплообмена. При этом охлаждение воды (или иной жидкости) происходит без непосредственного контакта сред (воды и воздуха).

Новизна предлагаемого решения заключается в организации дополнительной ступени теплообмена, выполненной в виде размещенных в верхних частях выхлопных труб цилиндрических емкостей, разделенных перегородками, не доходящими до дна емкости, на две части, одна из которых оснащена патрубком входа, а другая патрубком выхода воды; кроме того, внешние поверхности емкостей снабжены пластинчатыми ребрами, увеличивающими значительно поверхность теплообмена, контактирующие с внутренними поверхностями выхлопных труб.

Теплообменный аппарат состоит из корпуса 1, патрубков ввода 2 и вывода 3 воздуха, патрубков ввода 4 охлаждаемой воды и вывода 5 охлажденной воды, сепаратора 6, переливного устройства 7, теплообменных элементов 8, установленных над дном 9 корпуса 1 на подставках 10. Теплообменные элементы 8 снабжены закручивателями воздуха 11, содержащими лопатки 12, установленные на кольцевых пластинах 13, выхлопными трубами 14, верхние торцы 15 которых присоединены к патрубку вывода 3 воздуха через его нижнюю стенку 16. Патрубок 17 предназначен для подачи водопроводной воды в аппарат. В нижних частях выхлопных труб 14 размещены теплообменники 18, оснащенные патрубками ввода 19 и вывода 20 охлаждаемой воды. Патрубок 21 служит для слива воды из аппарата. В верхних частях выхлопных труб 14 соосно с ними установлены цилиндрические емкости 22, разделенные вертикальными перегородками 23, разделяющими емкости 22 на две части, причем перегородки 23 прикреплены верхними кромками к крышкам 24 цилиндрических емкостей 22, а нижние торцы перегородок 23 не доходят до дна 25 емкостей 22. Патрубки 26 и 27 служат для ввода и вывода из емкостей охлаждаемой воды соответственно. Между внешними поверхностями емкостей 22 и внутренними поверхностями выхлопных труб 14 закреплены пластинчатые ребра 28. Патрубки 26 присоединены к вводам 4 охлаждаемой воды в аппарат, патрубки 27 - к патрубкам ввода воды 19 теплообменников 18, а патрубки вывода воды 20 из теплообменников 18 присоединены к выводу 5 охлажденной воды из аппарата.

Теплообменный аппарат может работать в трех режимах: режиме охлаждения воды, режиме испарительного охлаждения воздуха, режиме очистки воздуха от пыли.

Предлагаемый теплообменный аппарат по принципу действия, обусловленному новой совокупностью существенных признаков, позволяет осуществлять более интенсивный двухступенчатый (по сравнению с аналогами) теплообмен между воздухом и жидкостью без непосредственного контакта и при больших теплообменивающихся объемах этих сред. [12]



Список литературы

1. Михеев А.М., Михеева И.В. - «Основы теплопередачи», изд. 2-ое, «Энергия»-1977 г., - 344 с.

2. Самарский А.А., Вабишевич П.Н. - «Вычислительная теплопередача», М.: - Едиториал, 2003 г. - 784 с.

3. Кордон М.Я., Симанкин В.И. - «Теплотехника», Учебное пособие, Пенза 2005 г. - 167 с.

4. Ф. Крейт., У. Блек. - «Основы теплопередачи», М.: - Мир, 1983 г. - 512 с.

5. «Основы конструирования и расчета теплообменных аппаратов», М.: - учебное пособие, Нижний Новгород 2009 г. - 60 с.

6. Юдаев Б.Н. - «Теплопередача», М.: - Высшая школа, 1973 г. - 360 с.

7. Луканин В.Н., Шатров М.Г. - «Теплотехника», -2-ое изд. перераб. М.: - Высшая школа, 2000 г. - 671 с.

8. Исаченко В.П. - «Теплопередача», -3-е изд. перераб. М.: - Энергия, 1975 г. - 488 с.

9. Крутов В.И., Исаев С.И. - «Теплотехника», - .М.: - Машиностроение, 1986 г. - 432 с.

10. Матриненко О.Г. - «Справочник по теплообменникам», - том. 1.М.: - Энергия, 1997 г. - 443 с.

11. Миронов М.Б., Исаев С.И. - «Основы термодинамики, газовой динамики и теплопередачи», - М.: - Машиностроение, 1968 г. - 276 с.

Размещено на Allbest.ru

...