Теплообменные аппараты

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями.

По принципу действия теплообменники подразделяются на поверхностные, контактные и с внутренним источником теплоты (например, реакторы атомных электростанций). Поверхностные теплообменники делятся на рекуперативные и регенеративные, а контактные - на смесительные и барботажные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители непрерывно омывают разделяющую стенку (поверхность теплообмена) с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. В рекуперативном трубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

В рекуперативных теплообменниках движение жидкости осуществляется по трем основным схемам или их сочетаниям.

Конструктивно рекуперативные теплообменные аппараты могут выполняться с пластинчатой и трубчатой (рисунок 1 и 2) поверхностями теплообмена.

В регенеративных теплообменниках (регенераторах) одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячего теплоносителя поверхность регенератора, воспринимая теплоту от этой жидкости, нагревается, а при протекании холодного теплоносителя поверхность регенератора, отдавая аккумулированную теплоту холодному теплоносителю, охлаждается.

В смесительных теплообменниках передача теплоты от горячего к холодному теплоносителю происходит при непосредственном контакте и смешении обоих теплоносителей. Смесительный теплообменник целесообразно использовать для теплоносителей, которые либо легко разделить после смешения (например, вода и воздух), либо перемешать (например, пар и вода).

Рисунок 1 - Схема четырехсекционного теплообменного аппарата

Рисунок 2 - Рекуперативный теплообменник с трубчатой поверхностью теплообмена (противоток)

Теплообменные аппараты могут иметь самое разнообразное назначение -паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, воздухонагреватели, радиаторы и т.д. Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.

В кожухотрубчатых аппаратах обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений.

Такие аппараты (рисунок 3) состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку 3 и U-образные трубы 1. Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце.

Рисунок 3 -Теплообменник с U-образными трубами

Для обеспечения раздельного ввода и вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка 5.

Теплообменники типа U являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству. В последнем случае (рисунок 4) в аппарате установлена продольная перегородка 2, извлекаемая из кожуха 1 вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата и перегородкой 2 у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины 3 (рисунок 5а) или прокладку 3 (рисунок 5б) из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки 2.

В аппаратах типа U обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо , от кожуха и соседних труб. Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100 °С. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей.

Преимущество конструкции аппарата типа У - возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки.

Рисунок 4-Двухходовой теплообменник с U-образными трубами

а - гибкой металлической пластиной; б - шнуром

Рисунок 5-Варианты уплотнения пространства между перегородкой и кожухом

Поскольку механическая очистка внутренней поверхности труб в аппаратах типа У практически невозможна, в трубное пространство таких аппаратов следует направлять среду, не образующую отложений, которые требуют механической очистки.

Внутреннюю поверхность труб в этих аппаратах очищают водой, водяным паром, горячими нефтепродуктами или химическими реагентами. Иногда используют гидромеханический способ (подача в трубное пространство потока жидкости, содержащей абразивный материал, твердые шары и др.).

Крепление фланца 4 распределительной камеры к фланцу 1 кожуха аппарата показано на рисунок 6. Специальная шпилька 3 с коническим стопорным выступом позволяет снимать распределительную камеру без нарушения соединения трубной, решетки 2 с кожухом.

Рисунок 6-Способ крепления распределительной камеры

к кожуху теплообменника

Один из наиболее распространенных дефектов кожухотрубчатого теплообменника типа У - нарушение герметичности узла соединения труб с трубной решеткой из-за весьма значительных изгибающих напряжений, возникающих от массы труб и протекающей в них среды. В связи с этим теплообменные аппараты типа У диаметром от 800 мм и более для удобства монтажа и уменьшения изгибающих напряжений в трубном пучке снабжают роликовыми опорами.

Расчетная часть

В одноходовом кожухотрубном теплообменном аппарате горячий теплоноситель движется в межтрубном пространстве и охлаждается от температуры 140 ?С до 57 ?С.

Внутренний диаметр кожуха аппарата D = 2800 м. Холодный теплоноситель движется внутри металлических трубок. Холодный теплоноситель нагревается от 20 , ?С до 70 ?С.

Число трубок в теплообменнике n = 80 . Трубки теплообменника с внутренней стороны покрыты отложениями (накипью) толщиной днак = 0,6 • 10-3 м. Тепловая мощность, вносимая в ТОАQвн = 600 кВт. Потери теплоты в окружающую среду составляют (1 - 0,95)·100 = 5 %.

Длина секции lc = 5 м.

холодный теплоноситель - мазут;

горячий теплоноситель - вода;

Коэффициент теплопроводности материала трубоклс = кВт/(м·К).

Коэффициент теплопроводности накипи лнак = 1,1 • 10-3 кВт/(м·К).

Решение

Из уравнения теплового баланса

, (1)

определяем нагрузку по водеG1

, (2)

где - изобарная теплоёмкость воды при температуре

; (3)

;

;

Определим массовый расход мазута из теплового баланса теплообменника

;(4)

,(5)

- изобарная теплоёмкость мазута при температуре t2

сp= 1,74+0,0025·tср;(6)

сp2= 1,74+0.0025·45 = 1,8 кДж/(кг·К),

Определяем среднелогарифмическую разность температур по рисунку 1

,(7)

где - наибольшая разность температур;

- наименьшая разность температур.

;(8)

.

Рисунок 1- Изменения температуры теплоносителей по длине противоточного теплообменника

теплоноситель теплообменник мазут

Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

.

Находим ориентировочную площадь поверхности теплообмена :

;(9)

.

Выполним уточнённый расчёт коэффициента теплоотдачи

(10)

где - коэффициент теплоотдачи со стороны воды, ;

- коэффициент теплоотдачи со стороны мазута, ;

- толщина стенки, равная;

- коэффициент теплопроводности стенки, равный ;

днак, лнак - соответственно толщина и коэффициент теплопроводности слоя накипи или отложений,днак = 0,6 • 10-3м, лнак= 1,1 кВт/(м•К).

Определим коэффициент теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя - воды.

Определим критерий Рейнольдса

,(11)

где и - соответственно плотность и вязкость при температуре :; .

- скорость движения в межтрубном пространстве, , которая равна

;(12)

При течении теплоносителя в межтрубном пространстве вдоль пучка труб, расположенного в цилиндрическом канале-кожухе, эквивалентный диаметр равен

, (13)

где D - внутренний диаметр кожуха теплообменника, м;

dн - наружный диаметр трубок, м.

.

Так как , то режим турбулентный. Следовательно, критерий Нуссельта будет равен

,(14)

где - критерий Прандтля, равный

- величина, учитывающая движение теплового потока. Для нагревающей жидкости - принимаем равной 0,93.

.

Находим коэффициент теплоотдачи

;(15)

где л1 = 0,683 Вт/ (м • К).

.

Определим коэффициент теплоотдачи со стороны мазута.

Определим критерий Рейнольдса

,(16)

где и - соответственно плотность и вязкость мазута при температуре :; ,

- скорость движения мазута в трубах,, которая равна

;(17)

После подстановки получаем

;

Так как , то критерий Нуссельта рассчитывается по формуле

,(18)

где - критерий Прандтля, равный

;(19)

- коэффициент теплопроводности мазута, равный

сp - удельная теплоемкость, кДж/(кг·К),

сp= 1.74+0.0025·tср;(20)

сp= 1.74+0.0025·45 = 1,85 кДж/(кг·К).

- величина, учитывающая движение теплового потока. Для нагревающейся жидкости - мазут - принимаем равной 1,25.

;

.

Находим коэффициент теплоотдачи

;(21)

.

Находим коэффициент теплоотдачи:

.

Определим поверхность теплообмена при полученном коэффициенте теплоотдачи

;(22)

.

Находим запас поверхности

; (23)

.

Т.о. рассчитанный теплообменник применим для работы при данных условиях и параметрах.

Размещено на Allbest.ru