Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения.

Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменники - это устройства, в которых теплота переходит от. одной среды к другой.

Теплообменные аппараты (теплообменники) представляют собой устройства, предназначенные для передачи тепла от одной рабочей среды (теплоносителя) к другой. Теплоносители могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Теплообменники имеют различные назначения. В них могут протекать процессы нагревания, охлаждения, кипения, конденсации, расплавления и затвердевания. А также сложные термохимические процессы: выпаривание, ректификация, полимеризация, вулканизация и многие другие.

По характеру обмена теплом теплообменные аппараты разделяются на:

- поверхностные;

- смесительные.

Одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов является теплообмен между теплоносителями. Например, получение пара при заданных параметрах в современном парогенераторе основано на процессе передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В конденсаторах и градирнях тепловых электростанций, воздухоподогревателях доменных печей и многочисленных теплообменных устройствах химической промышленности основным рабочим процессом является процесс теплообмена между теплоносителями.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на:

- рекуперативные;

- регенеративные;

- смесительные.

Выделяются еще теплообменные устройства, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляются за счет внутренних источников теплоты.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки. Ту часть теплообменника, в которой происходит процесс передачи теплоты, называют теплопередающей матрицей. Подвод теплоносителей к матрице и отвод их осуществляется по входному и выходному коллекторам. В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении теплоносителей в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении и перекресточными при взаимно перпендикулярном движении.

В матрице теплоносители могут содержать, совершать один или несколько ходов. В соответствии с этим теплообменники называют, например, одноходовым по горячему теплоносителю и двухходовым по холодному теплоносителю. При увеличении количества ходов возрастает скорость движения теплоносителя, что ведет к интенсификации теплообменника.

Конвекция теплоты - процесс переноса теплоты макрочастицами жидкости в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой.

Конвекция возможна только в текучей среде, в которой перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Конвективный теплообмен между потоками жидкости и поверхностью соприкасающегося с ним тела называется конвективной теплоотдачей.

При расчетах теплоотдачи используют закон Ньютона-Рихмана:

,

В зависимости от физических свойств жидкостей процесс теплообмена может протекать различно и своеобразно. Особенно большое влияние оказывают коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость, коэффициент температуропроводности и коэффициент вязкости.

Процесс теплоотдачи при течении жидкости в трубах является более сложным по сравнению с процессом теплоотдачи при омывании поверхности неограниченным потоком. Поперечное сечение трубы имеет конечные размеры. В результате, начиная с некоторого расстояния от входа, жидкость по всему поперечному сечению трубы испытывает тормозящее действие сил вязкости, происходит изменение температур жидкости как по сечению, так и по длине канала. Всё это сказывается на теплоотдаче.

Течение жидкости может быть ламинарным и турбулентным. О режиме течения в трубах судят по значению числа Рейнольдса:

· если Re < Re1 критического приблизительно равным 2300, то течение является ламинарным.

· развитое турбулентное течение в технических трубах устанавливается при Re >Re2 критического приблизительно равным 10000.

· течение при Re=2300ч 10000 называют переходным. Ему соответствует и переходной режим теплоотдачи.

Теплообменные устройства сравнительно редко выполняются из одной поперечно-омываемой трубы, обычно трубы собирают в пучок. В технике часто встречаются два основных типа трубных пучков: шахматный и коридорный.

Течение жидкости в пучке имеет достаточно сложный характер. Рядом стоящие трубы пучка оказывают воздействие на омывание соседних. Обычно пучок труб устанавливают в каком-либо канале, поэтому движение в пучке может быть связано с течением в канале.

Известны два основных режима течения жидкости: ламинарный и турбулентный. Форма течения жидкости в пучке во многом зависит от характера течения в канале перед пучком. Если при данном расходе и температурах течение в канале, где установлен пучок, турбулентное при отсутствии пучка, то оно будет обязательно турбулентным и в пучке, так как пучок является прекрасным турбулизатором.

Однако, если пучок помещён в канале, в котором до его установки имел место ламинарный режим течения, то в этом случае в зависимости от числа Re можно иметь как одну, так и другую форму течения.

В настоящее время наиболее изученным является смешанный режим, который часто встречается в технике. Смешанному режиму соответствует числа Re от 1000 до 100000. Рассмотрим его основные особенности.

Омывание первого ряда труб и шахматного и коридорного пучков аналогично омыванию одиночного цилиндра. Характер омывания остальных труб сильно зависит от типа пучка. В коридорных пучках все трубы второго и последующих рядов находятся в вихревой зоне впереди стоящих труб, причём циркуляция жидкости в вихревой зоне слабая, так как поток в основном проходит в продольных зазорах между трубами (“в коридорах”). Поэтому в коридорных пучках как лобовая, так и кормовая часть трубок омываются со значительно меньшей интенсивностью, чем те же части одиночной трубки или лобовая часть трубки первого ряда в пучке. В шахматных пучках характер омывания глубоко расположенных трубок качественно мало отличается от характера омывания трубок первого ряда.

Теплоотдача пучков труб зависит также от расстояния между трубами, которое принято выражать в виде безразмерных характеристик s1/d и s2/d, называемых соответственно относительными поперечным и продольным шагами.

Физическое описание кожухотрубчатого теплообменника.

Кожухотрубчатые теплообменники - аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами.

Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости и интенсивности теплообмена теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между различными жидкостями, между паром и жидкостями или между жидкостями и газами. Они применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена.

Трубки теплообменников изготавливают прямыми, поэтому они легко доступны для очистки и замены в случае течи.

В большинстве случаев греющий теплоноситель вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубам. Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха.

Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, предусматривается возможность свободного удлинения труб за счет различного рода компенсаторов.

Кожухотрубные аппараты могут быть:

-вертикальными;

- горизонтальными.

Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так как они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении. Для удобства монтажа и эксплуатации максимальную длину трубок для них следует брать не больше 5 м.

Во избежание резкого снижения теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке в корпусе теплообменника должны быть предусмотрены краны для выпуска воздуха как из нижней части аппарата над поверхностью конденсата, так и из верхней его части.

Кожухотрубные аппараты выполняются с горизонтальным и вертикальным расположением корпуса. Обычно корпус расположен горизонтально в аппараты типа жидкость-жидкость. Трубный пучок здесь прямотрубный, трубки жестко заделываются в трубные доски.

Компенсация тепловых расширений корпуса относительно трубного пучка обеспечивается компенсатором тепловых удлинений.

В межтрубном пространстве при течении жидкости для организованного эффективного поперечного обтекания трубного пучка устанавливаются промежуточные перегородки.

Теплообменные аппараты получили широкое применение к в энергетике, так и в других отраслях промышленности. Существенной является их роль в системах централизованного теплоснабжения (ТЭЦ или котельных) тепловых сетей и местных систем потребления тепла (отопления, вентиляции и горячего водоснабжения).

Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и поверочными.

Проектные (конструктивные) тепловые расчеты проводятся при проектировании новых теплообменных аппаратов, их целью является определение необходимой поверхности нагрева. Поверочные тепловые расчеты выполняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата. Цель поверочного расчета - определение конечных температур рабочих жидкостей.

В настоящей работе предлагается выполнить тепловой расчет и конструктивное оформление многосекционного кожутрубного водо-водяного подогревателя.

Цель работы состоит в том, чтобы закрепить основные понятия и представления учения о теплообмене, научиться практическому использованию критериальных уравнений для определения коэффициентов теплоотдачи, освоить методику конструктивного теплового расчета теплообменного аппарата.

2. Тепловой расчет водо-водяного подогревателя

Исходные данные