Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции по Гидравлике и теплотехнике - файл Гидравлика и теплотехника в печать.doc


Лекции по Гидравлике и теплотехнике
скачать (2809.4 kb.)

Доступные файлы (1):

Гидравлика и теплотехника в печать.doc7364kb.08.03.2007 17:55скачать

содержание

Гидравлика и теплотехника в печать.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19
^




3.9. Теплообменные аппараты




3.9.1. Классификация и типы теплообменных аппаратов



При проектировании и конструировании теплообменных аппаратов необходимо максимально удовлетворить многочисленные и в большинстве случаев противоречивые требования, предъявляемые к теплообменникам. Основные из них: соблюдение условий протекания технологического процесса; возможно более высокий коэффициент теплопередачи; низкое гидравлическое сопротивление аппарата; устойчивость теплообменных поверхностей к коррозии; доступность поверхности теплопередачи для чистки; технологичность конструкции с точки зрения изготовления; экономное использование материалов.

Теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителя, способа передачи теплоты. В соответствии с последним показателем их можно классифицировать на поверхностные (рекуперативные), смесительные (контактные) и регенеративные.

Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее распространенную и важную группу теплообменных аппаратов, используемых в химической технологии. В поверхностных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, при этом теплота передается через поверхность этой стенки. Если поверхность теплообмена в таких теплообменниках формируется из труб, то их называют трубчатыми (трубными). В другой группе поверхностных теплообменников поверхностью теплообмена являются стенка аппарата или металлические плоские листы. Такие теплообменники называются пластинчатыми.

В смесительных (или контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. К смесительным теплообменникам относятся, например, градирни. В регенеративных теплообменниках процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки. Теплообменники этого типа чаще всего применяются для регенерации теплоты отходящих газов.

В химической и нефтехимической промышленности самое широкое распространение получили поверхностные теплообменники, чаще всего трубчатого типа. Теплообменники этого типа называются кожухотрубчатыми или кожухотрубными. Они достаточно просты в изготовлении, позволяют развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Этот тип теплообменной аппаратуры получил наибольшее распространение благодаря простоте конструкции и технологии изготовления. Согласно государственному стандарту кожухотрубные теплообменники изготовляют следующих типов: ТН – с неподвижными трубными решетками и жестким кожухом; ТК – с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе; ТУ – с неподвижными трубными решетками и U-образными теплообменными трубами; ТП – с плавающей головкой; ТС – с сальником на плавающей головке.

В зависимости от назначения они могут быть подогревателями, холодильниками, конденсаторами и испарителями и целью увеличения скорости движения теплоносителей, изготовляются двух-, четырех-, шести- и двенадцатиходовыми.





Рис. 3.5. Двухходовой вертикальный кожухотрубный теплообменник:

1 – крышка; 2 – распределительная камера; 3, 8 – перегородки; 4 – кожух;

5 – трубный пучок; 6 – опоры; 7 – стержень; 9 – трубная решетка;

10 – обтекатель; 11…14 – патрубки; 15 – линзовый компенсатор

На рис. 3.5 изображен кожухотрубный вертикальный двухходовой теплообменник типа ТН (левая часть) и ТК (правая часть).

Теплообменник состоит из цилиндрического сварного кожуха 4, трубного пучка 5, распределительной камеры 2 и двух крышек 1, соединенных с кожухом фланцами. Трубная решетка 9 приварена к корпусу.

Перегородка 3 служит для образования двух ходов по трубам. Перегородки 8, зафиксированные стержнем 7, служат для обеспечения зигзагообразного движения теплоносителя в межтрубном пространстве. За счет зигзагообразного движения увеличивается скорость теплоносителя и, следовательно, коэффициент теплопередачи. Для защиты трубок от эрозии и истирания движущейся средой внутри кожуха напротив входного патрубка установлен обтекатель 10, представляющий изогнутую пластину, приваренную к корпусу.

Вследствие жесткого крепления трубных решеток к кожуху и трубок к решеткам при возникновении разности температур в местах их крепления возникают температурные напряжения, обусловленные различным удлинением кожуха и трубок.

Для частичной компенсации температурных напряжений, которые могут достигать существенных значений, в данных теплообменниках устанавливается линзовый компенсатор 15. Он состоит из двух частей, отштампованных из стальных колец в виде полуволн и сваренных между собой по периметру.

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а сами решетки приварены к кожуху. В связи с этим при работе аппарата возникают температурные напряжения, которые при повышении допустимых значений являются причиной нарушения герметичности или появления пластических деформаций элементов конструкции. По этой причине теплообменники типа ТН используются при небольшой разности температур кожуха и труб.

Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает величину 5060 ºС, необходимо использовать полужесткие конструкции типов ТК и ПК либо конструкции с полной компенсацией температурных напряжений (типы ТУ и ТП). Компенсирующая способность линзовых компенсаторов пропорциональна числу элементов, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется из-за снижения жесткости кожуха. Применение линзовых компенсаторов снижает максимально допустимое давление в межтрубном пространстве. В теплообменниках типа ТУ максимальная разность температур стенок кожуха и труб может достигать 100 ºС, а при дальнейшем ее увеличении могут возникнуть опасные напряжения в трубной решетке.

Преимущество теплообменников типа ТУ состоит в возможности чистки наружной поверхности трубного пучка. В то же время чистить внутреннюю поверхность довольно сложно.

С

Рис. 3.6. Двухходовой горизонтальный кожухотрубный теплообменник:

1 – трубная решетка; 2 – распределительная камера; 3 – корпус (кожух);

4 – трубный пучок; 5 – днище; 6 – крышка; 7, 8 – фланцы;

9 – плавающая головка; 10 – перегородки; 11 – опора;

12 – роликовая платформа

ущественный недостаток этого типа – невозможность замены внутренних труб пучка при выходе их из строя. Кроме того, теплообменник типа ТУ менее всего представляет собой компактную конструкцию. По-видимому, эти недостатки ограничивают их широкое применение.

Теплообменники типа ТП на практике встречаются чаще, так как здесь обеспечивается наилучшая компенсация температурных деформаций за счет применения «свободно плавающей головки». Такая конструкция часто используется в испарителях.

На рис. 3.6 показаны конструкции кожухотрубных теплообменников с полной компенсацией температурных напряжений типа ТП (верхняя часть рисунка) и ТУ (нижняя часть рисунка). Такой теплообменник состоит из кожуха 3, трубного пучка 4, распределительной камеры 2, правой 5 и левой 6 крышек. Левая трубная решетка 1 зажата между фланцами 7 и 8, соединяющими кожух и распределительную камеру. Правая трубная решетка теплообменника ТП установлена внутри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной крышкой 9 «плавающую головку».
Для увеличения скорости межтрубного потока и его турбулизации на трубках 4 закреплены ходовые перегородки 10. Теплообменник установлен на двух опорах 11. Для правильного расположения трубного пучка внутри кожуха и облегчения сборки теплообменники типа ТП с диаметром выше 800 мм снабжаются роликовыми опорными платформами 12.

Компенсация температурных напряжений в трубчатых теплообменниках типа ТС достигается также путем использования сальникового устройства
(рис. 3.7), которое может располагаться как на корпусе (левая часть), так и на патрубке (правая часть). Последний вариант предпочтителен, так как периметр уплотнения, а следовательно, и усилие сжатия сальника в такой конструкции имеет меньшее значение.

Аппараты с сальниковыми уплотнениями используются при невысоких давлениях (порядка 0,6 МПа).


^ Двухтрубные теплообменники довольно часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис. 3.8).

Один из теплоносителей движется по внутренним трубам, другой  в кольцевом зазоре, образованном внутренними и наружными – трубами. Внутренние трубы соединяются калачами, а наружные патрубками. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3–6 м, Диаметр наружной трубы – 159 мм, внутренней – от 10 до 57 мм.

В связи с незначительными сечениями внутренней трубы и кольцевого зазора в теплообменниках достигаются достаточно высокие скорости движения теплоносителей (до трех метров в секунду), что способствует увеличению коэффициентов теплопередачи, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Основным достоинством двухтрубных теплообменников является осуществление процессов теплообмена с теплоносителями при высоких давлениях. В свою очередь, двухтрубные теплообменники более металлоемки, чем кожухотрубчатые.




В змеевиковых теплообменниках основным теплообменным элементом является согнутая в виде змеевика труба. К ним относятся погружные теплообменники с одним и несколькими спиральными змеевиками, по которым движется один из теплоносителей. Змеевики погружаются в жидкость, находящуюся в корпусе аппарата и представляющую второй теплоноситель. Скорость движения второго теплоносителя невелика в связи с большим сечением корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи со стороны наружной стенки змеевика.

Простота устройства, низкая стоимость, доступность наружных стенок змеевика для чистки и осмотра, возможность поддержания высоких давлений в змеевиках обеспечивают достаточно широкое применение погружных теплообменников в промышленности. Одним из основных недостатков змеевиковых теплообменников погружного типа следует отметить сравнительно невысокую поверхность теплообмена (до 10–15 м2).

Довольно широкое применение в химической технологии находят теплообменники с наружными змеевиками, применение которых позволяет проводить процесс при высоких давлениях. К стенкам аппаратов (обычно реакторов) снаружи приваривают змеевики, изготовленные из полуцилиндров или угловой стали.

К достоинствам аппарата с приваренными змеевиками следует отнести возможность разделения системы труб-змеевиков на отдельные секции, питаемые независимо друг от друга. Включением и отключением отдельных секций можно регулировать обогрев или охлаждение аппарата. Немаловажным достоинством теплообменников подобного типа является то, что материал привариваемых змеевиков может быть более дешевым, чем материал корпуса аппарата.

^ Оросительные теплообменники применяют в основном для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик из размещенных друг над другом прямых труб, соединенных между собой калачами. Снаружи трубы орошаются водой, подаваемой в желоб для равномерного распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода стекает в поддон. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.

Орошающая теплообменник вода при стекании вниз по наружным стенкам труб частично испаряется. Процесс теплообмена достаточно интенсивный, вследствие чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках меньше, чем в холодильниках других типов. Но при этом возможны необратимые потери воды. К недостаткам таких теплообменников следует отнести их 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.

^ Теплообменники с оребренными трубами. В технике довольно часто встречаются процессы теплообмена, в которых коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи значительно отличаются по величине. Так, например, при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром коэффициент теплоотдачи от пара к стенке составляет примерно 10000–15000 Вт/(м2К), а от стенки к нагреваемому воздуху – 10–50 Вт/(м2К). Оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повысить тепловую нагрузку теплообменника за счет увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи. Оребренные трубы также используются при нагреве или охлаждении сильновязких жидкостей.

Конструкции оребренных теплообменников весьма разнообразны причем разработаны конструкции, как с оребренными трубами, так и с плоскими поверхностями теплообмена.

^ Пластинчатые теплообменники собираются из пакетов гофрированных пластин, по краям которых уложены резиновые прокладки (рис. 3.9).

При сжатии пакета между пластинами образуются щелевые каналы, куда подаются теплоносители. Таким образом, основной деталью пластинчатого теплообменника является гофрированная штампованная стальная пластина, имеющая по контуру резиновую прокладку. В углах пластины имеются отверстия для подвода или отвода теплоносителей. Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потоков теплоносителей проточную часть пластины делают гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположенными в «елочку».

Поскольку скорость движения теплоносителей в щелевых каналах значительна (1–3 м/с), то коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках достигают больших значений порядка 4000 Вт/(м2К) при сравнительно невысоких гидравлических сопротивлениях.

Материалом пластин является нержавеющая сталь, титан, алюминий, мельхиор, материал прокладки – резина на клею, синтетический каучук.

Пластинчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, их легко разбирать и ремонтировать. Однако герметизация пластин представляет серьезную проблему. По этой же причине применение их при высоких давлениях затруднительно.

Рис. 3.9. Пластины, схема движения теплоносителей,

исполнение пластинчатого теплообменника на консольной раме

В спиральных теплообменниках (рис. 3.10) поверхность теплообмена образована двумя тонкими металлическими листами 1 и 2, приваренными к разделительной перегородке 3 и свернутыми в виде спиралей. В результате образуются два спиральных канала прямоугольного поперечного сечения, которые имеют боковые и осевые патрубки для подвода теплоносителей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные штифты 4. В стандартных теплообменниках зазор между пластинами равен 8 или 12 мм. Уплотнение спиральных каналов производится торцевыми крышками 5.

Спиральные теплообменники компактны, позволяют создавать высокие скорости движения теплоносителей (для жидкостей до 1–2 м/с) при достаточно низких гидравлических сопротивлениях.

Однако эти аппараты сложны в изготовлении, не могут работать при давлениях выше 1 МПа, так как герметизация спиралей вызывает определенные трудности.

3

1

2


4


5


Рис. 3.10. Спиральный теплообменник


В химической промышленности для охлаждения и конденсации жидких и парогазовых сред хорошо зарекомендовали себя аппараты воздушного охлаждения, имеющие следующие преимущества: низкие расходы воды, а следовательно, и эксплуатационные расходы; низкую стоимость монтажных и ремонтных работ; возможность регулирования процесса теплообмена.

Рабочий диапазон температур в зависимости от типа оребрения и материала труб от -40 до 400 ºС, условное давление 0,6–6,4 МПа.

Регулирование температурного режима работы теплообменного аппарата может осуществляться путем: включения, отключения вентилятора или изменения скорости вращения вала при наличии двухскоростных электроприводов; изменения угла наклона лопастей вентилятора; изменения положения жалюзийных заслонок; подачи воды в распылительные форсунки.

Во избежание переохлаждения продукта в трубах в зимнее время предусмотрен змеевиковый паровой подогреватель из оребренных труб.

На рис. 3.11, 3.12 приведена конструкция аппарата воздушного охлаждения. На сварной раме 1 размещены теплообменные секции 2. Они состоят из пучка поперечно оребренных труб. Снизу к раме прикреплены диффузор 3 и коллектор 4, в центре которого находится осевой вентилятор 5. Вентилятор вместе с угловым редуктором и электродвигателем 7 смонтирован на отдельной раме 8. Для повышения эффективности работы в его конструкции предусмотрены распыливающие водяные форсунки 9, автоматически включающиеся при повышенной температуре окружающей среды. Зимой можно отключать электродвигатель вентилятора. Кроме этого, интенсивность теплообмена можно регулировать изменением угла наклона лопастей вентилятора, от которого зависит расход прокачиваемого воздуха. Для этого в аппарате предусмотрен механизм дистанционного поворота лопаток с ручным или пневматическим приводом и жалюзи, устанавливаемые над теплообменными секциями. Жалюзийные заслонки можно поворачивать вручную или автоматически с помощью пневмопривода.




Рис. 3.11. Аппарат воздушного охлаждения
Теплообменная секция состоит из 4, 6 или 8 рядов труб 3 (рис. 3.12), размещенных по вершинам равностороннего треугольника в трубных решетках 1. Трубы закреплены развальцовкой или развальцовкой со сваркой. Секции могут быть одно- или многоходовыми.
Р
ис. 3.12. Аппарат воздушного охлаждения (виды и разрезы)
Смесительные теплообменники являются высокоинтенсивными аппаратами, так как в них теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей и отсутствует термическое сопротивление стенки. Эти теплообменники применяют в тех случаях, когда допустимо смешение теплоносителей или когда это смешение допускается технологическими условиями. В большинстве случаев это аппараты непрерывного действия. В зависимости от назначения они имеют различные технические названия. Наиболее часто смесительные теплообменники применяют для конденсации водяного пара, нагревания и охлаждения воды и газов (обычно воздуха). По принципу устройства смесительные теплообменники подразделяются на полые, полочные, насадочные барботажные.

Для осушения или увлажнения воздуха в установках кондиционирования применяются кондиционеры. Очистка воздуха или газа от пыли, смолы путем промывки их водой осуществляется в скрубберах. Нагрев жидкостей за счет тепла воздуха, газа или пара производится в смесительных подогревателях или конденсаторах, а охлаждение больших количеств циркуляционной воды достигается благодаря ее тепло- и массообмену с воздухом в градирнях.

Широкое применение в химической технологии нашли барометрические конденсаторы. Полочный барометрический конденсатор смешения предназначен для создания вакуума в аппаратах с паровой средой, в частности в выпарных установках.

В этом аппарате (рис. 3.13) водяной пар вводят в корпус 1 конденсатора с сегментными перфорированными полками 2. Воду подают на верхнюю полку, откуда она перетекает по полкам 2, имеющим небольшие борта. Основная часть воды вытекает тонкими струйками через отверстия в полках, а остальная перетекает через борт на нижерасположенную полку. При контакте с водой пар конденсируется, вследствие чего в конденсаторе и аппарате создается разрежение.

Рис. 3.13. Барометрический конденсатор

Образовавшаяся смесь конденсата и воды самотеком сливается в барометрическую трубу 3 высотой около 10 м и затем в емкость 4. Барометрическая труба 3 и емкость 4 образуют гидрозатвор, который препятствует проникновению воздуха в аппарат. Из емкости 4 воду удаляют в линию оборотной воды или канализацию. Несконденсировавшийся воздух, находившийся в паре и охлаждающей воде, пропускают через ловушку 5 и откачивают вакуум-насосом.

^ Регенеративные теплообменники обычно состоят из двух аппаратов цилиндрической формы, корпуса которых заполняют насадкой в виде свернутой в спираль гофрированной металлической ленты, решетчатой кирпичной кладки, кусков шамота, листового металла и других материалов. Эта насадка попеременно нагревается при соприкосновении с горячим теплоносителем, затем, соприкасаясь с холодным теплоносителем, отдает ему свою теплоту.

В период нагрева насадки через один аппарат пропускают горячий газ, который охлаждается и поступает на дальнейшую переработку, а через другой аппарат  холодный газ, отнимающий теплоту у насадки, разогретой в предыдущем цикле. Каждый цикл состоит из двух периодов: разогрева насадки и ее охлаждения. Переключение аппаратов после каждого периода нагревания и охлаждения, длящихся обычно по нескольку минут, происходит автоматически с помощью клапанов.
^

3.9.2. Расчет теплообменных аппаратов



Различают проектный и поверочный расчеты теплообменников. Целью проектного расчета является определение необходимой поверхности теплообмена и режима работы теплообменника для обеспечения заданного переноса теплоты от одного теплоносителя другому. Задачей поверочного расчета является определение количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей в данном теплообменнике с известной поверхностью теплообмена при заданных условиях его работы. Эти расчеты основываются на использовании уравнения теплопередачи и тепловых балансов.

Исходными данными для проектного расчета чаще всего являются: G – расход одного или обоих (G, D) теплоносителей, кг/с; Тн, Тк – начальная и конечная температуры, К; р – давление сред; с, , – теплоемкость, вязкость и плотность теплоносителей (эти величины могут быть не заданы, тогда их следует определять из справочной литературы). Кроме того, часто указывается и тип проектируемого теплообменника. Если он не указан, то необходимо сначала провести технико-экономическое обоснование выбранного типа.

Задачей проектного теплового расчета теплообменника является определение поверхности теплообмена в результате совместного решения интегрального уравнения теплопередачи и уравнений тепловых балансов:


Если теплоносители изменяют агрегатное состояние в процессе теплообмена, расчет тепловой нагрузки (удельного теплового потока) производится через энтальпии:

,

где Gтг , Gтх – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; , коэффициенты (КПД), учитывающие потери (приток) тепла в теплообменных аппаратах.

Значения физических констант свойств теплоносителей можно принимать как среднеинтегральные величины, если в рассматриваемом интервале температур их нельзя считать постоянными. С некоторым приближением (что на практике чаще и делают) расчетное значение теплоемкости можно брать как истинное значение сp при средней температуре теплоносителя либо как среднее арифметическое истинных теплоемкостей при конечных температурах.

Значение коэффициентов наиболее точно определяют опытным или расчетным путем. Из промышленной практики известно, что для теплообменников потери тепла в окружающую среду обычно невелики и составляют 2–3 % от общего переданного тепла. Поэтому в приближенных расчетах можно принять = 0,97–0,98.

Уравнения тепловых балансов служат для нахождения расходов теплоносителей или их конечных температур. Если ни то, ни другое не задано, то, как правило, задаются начальными и конечными значениями температур теплоносителей с таким расчетом, чтобы минимальная разность температур между теплоносителями была не менее 5–7 К. Поверхность теплообмена определяют из основного уравнения теплопередачи, предварительно задавшись ориентировочным значением коэффициента теплопередачи.

Расчет температурного напора состоит в определении средней разности температур Тср и вычислении средних температур теплоносителей Тср и ср:

.

При определении Тср сначала устанавливают характер изменения температур теплоносителей и выбирают схему их движения, стремясь обеспечить как можно большее значение среднего температурного напора. С точки зрения условий теплообмена наиболее выгодна противоточная схема, которая не всегда может быть осуществлена на практике (например, если конечная температура одного из теплоносителей по технологическим соображениям не должна превышать определенного значения, то часто выбирают прямоток).

Смешанная и перекрестная схемы движения (наиболее часто встречающиеся в практике) занимают промежуточное положение между прямотоком и противотоком. Вычисление Тср, Тб, Тм для указанных схем связано с определенными трудностями. В литературе известны формулы для вычисления Тср при смешанном и перекрестном токе, которые однако сложны, громоздки и поэтому неудобны.

При выполнении тепловых расчетов трубчатых теплообменных аппаратов коэффициент теплопередачи обычно определяется по формулам для плоской стенки:

,

где г, x – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю соответственно.

Это не вносит больших погрешностей и вместе с тем значительно упрощает расчет. Исключение составляют ребристые поверхности и толстостенные гладкие трубы, у которых dн/dвн>2,0. Во избежание погрешностей расчет их по формулам для плоской стенки проводить не рекомендуется.

Уравнение для расчета коэффициента теплопередачи выражает принцип аддитивности термических сопротивлений при передаче тепла через стенку. Понятие о термическом сопротивлении введено для лучшего представления процесса теплообмена и удобства оперирования величинами сопротивлений при сложных тепловых расчетах. В частности, всегда следует помнить, что, исходя из принципа аддитивности, величина k будет всегда меньше наименьшего значения (это условие является критерием проверки правильности сделанных вычислений, а также указывает на способы повышения интенсивности теплообмена; следует стремиться повысить меньшее значение ). Кроме того, при расчетах параметра k следует ориентироваться на опытные значения.

При проектировании новых теплообменных аппаратов обязательно нужно учесть возможность загрязнения теплообменной поверхности и принять соответствующий запас. Учет загрязнения поверхности производят двумя способами: либо путем введения так называемого коэффициента загрязнений 3 , на который умножается коэффициент теплопередачи, рассчитанный для чистых труб:

0,65–0,85,

либо путем введения термических сопротивлений загрязнений:

,

где R1 и R2 – термические сопротивления загрязнений с наружной и внутренней поверхностей теплообмена, которые выбираются по практическим данным, приведенным в справочной литературе.

Коэффициенты теплоотдачи, входящие в уравнения, определяются из критериальных выражений вида

,

где ; l – определяющий размер; w – скорость теплоносителя; с, и – теплоемкость, вязкость и теплопроводность теплоносителя; – коэффициент объемного расширения, Т – локальный температурный напор.

Конкретный вид критериального уравнения зависит от условий рассматриваемой задачи (нагревание, охлаждение, конденсация, кипение), режимов течения теплоносителей, типа и конструкции теплообменного аппарата.

При подборе стандартизированного теплообменника задаются ориентировочным значением коэффициента теплопередачи К. Затем по справочникам подбирают теплообменник и далее проводят расчет поверхности теплопередачи по рассмотренной схеме. При удовлетворительном совпадении расчета площади теплообмена тепловой расчет теплообменника заканчивают и переходят к его гидравлическому расчету, целью которого является определение гидравлического сопротивления теплообменника.

^ Поверочный расчет теплообменника с известной поверхностью теплопередачи заключается, как правило, в определении количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей при их заданных начальных значениях и заданных расходах. Необходимость в таком расчете может возникнуть, например, если в результате проектного расчета был выбран нормализованный аппарат со значительным запасом поверхности, а также при проектировании сложных последовательно-параллельных схем соединения стандартных теплообменников. Поверочные расчеты могут понадобиться также для выявления возможностей имеющегося аппарата при переходе к другим (отличным от проекта) режимам работы.

^

3.9.3. Выбор и проектирование поверхностных теплообменников



При подборе и проектировании поверхностных теплообменников выбор конструкции теплообменника приобретает важнейшее значение. Следует учитывать ряд требований, которым должен удовлетворять данный теплообменник. Эти требования зависят от конкретных условий протекания процесса теплообмена, к которым прежде всего следует отнести величину тепловой нагрузки аппарата, агрегатное состояние и физико-химические свойства теплоносителей (вязкость и др.), их агрегативность, температуру и давление в аппарате, условия теплопереноса (гидродинамические режимы, соотношения между коэффициентами теплоотдачи по обе стороны стенки и др.), возможность создания чистого противотока, если температуры теплоносителей в процессе теплопереноса заметно изменяются, возможность загрязнения поверхностей теплообмена (если таковая существует, то желательно, чтобы поверхность была доступной для периодической чистки) и др. Кроме того, теплообменник должен быть как можно более прост по устройству, компактен, с малой металлоемкостью и т. п. Конструкции теплообменника, который бы удовлетворял всем названным требованиям, нет. Поэтому в каждом конкретном случае теплообмена приходится ограничиваться выбором наиболее подходящей конструкции.

При выборе теплообменника следует учитывать положения, которые существенно влияют на интенсивность теплообмена, размеры теплообменника и условия его эксплуатации и важнейшими из которых являются следующие.

Для получения высоких значений коэффициентов теплопередачи теплоносители должны иметь достаточно большие скорости. Однако с ростом скорости растут гидравлические сопротивления. Из практики следует, что приемлемые значения коэффициентов теплоотдачи можно получить при скоростях для жидкостей до 1–1,5 м/с и для газов до 10–25 м/с.

Необходимо знать, что увеличение скорости одного из теплоносителей приводит к заметному повышению коэффициента теплопередачи только в том случае, если коэффициент теплоотдачи с другой стороны стенки большой (т. е. является нелимитирующим), а термическое сопротивление стенки мало. Поскольку массовые расходы теплоносителей связаны с тепловым и материальным балансами теплообменника, то на линейную скорость теплоносителей в аппарате можно повлиять только подбором в нем соответствующих сечений.

В некоторых случаях коэффициент теплопередачи может зависеть только от термических сопротивлений загрязнений на стенке. При большом загрязнении увеличение скорости теплоносителя практически не приводит к существенной интенсификации теплопереноса, однако увеличивает затраты энергии на прокачивание теплоносителя через аппарат.

В то же время нужно помнить, что чем выше скорости теплоносителей, тем медленнее происходит отложение накипи и загрязнений на поверхности теплопередающих стенок теплообменников. Таким образом, задача выбора рациональных скоростей теплоносителей может быть решена только путем проведения оптимизационного расчета на основе сопоставления некоторого числа вариантов.

Важно правильно определить место ввода теплоносителей в теплообменник. При проектировании кожухотрубчатых теплообменников теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи для увеличения скорости следует пропускать по трубам, так как сечение труб меньше сечения межтрубного пространства. Теплоноситель с высоким давлением направляют в трубы, чтобы не подвергать менее прочный кожух воздействию повышенных напряжений.

В трубы направляют также теплоноситель, вызывающий коррозию, и кожух при этом может быть изготовлен из более дешевого материала.

Для снижения тепловых потерь в нагревателях более горячий теплоноситель направляют в трубы, в холодильниках – в межтрубное пространство, что способствует более интенсивному охлаждению за счет потерь теплоты в окружающую среду.

Загрязненные теплоносители подаются с той стороны поверхности теплообмена, которую проще чистить.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19



Скачать файл (2809.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации