![]() |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
|
Устройство, в котором происходит процесс нагревания или охлаждения, т. е. осуществляется переход теплоты от одного теплоносителя к другому, называют теплообменным аппаратом.
По принципу действия теплообменные аппараты разделяют на рекуперативные, регенеративные, смешивающего типа и с внутренним тепловыделением.
В рекуперативных аппаратах (подогревателях) передача теплоты от греющего (горячего) к нагреваемому (холодному) теплоносителю происходит непрерывно через разделяющую их стенку. Примером такого аппарата может служить водоводяной подогреватель (рис. 1), в котором нагреваемая вода движется внутри трубок 6, закрепленных в трубных досках 3, а в пространство между трубками, ограниченное кожухом 4, поступает горячая вода. Она передает через стенки труб теплоту холодной воде.
Рисунок 1. Водоводяной подогреватель: 1 - патрубок входа нагреваемой воды; 2 - крышка; 3 - трубная доска; 4 - кожух; 5 - перегородки; 6 - трубки; 7 - патрубок входа греющей воды
В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность омывается попеременно, то греющим, то нагреваемым теплоносителем (например, в насадках доменной печи). Так как в рекуперативных и регенеративных подогревателях процесс передачи теплоты всегда связан с поверхностью нагрева, то эти аппараты называют также поверхностными.
Процесс теплоотдачи в аппаратах смешивающего типа происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. Эти аппараты применяют, например, для охлаждения или нагревания воды в потоке воздуха или газа. К ним относятся башенные охладители (градирни), деаэраторы, скрубберы и др.
В теплообменных аппаратах с внутренним тепловыделением не два, как обычно, а один теплоноситель, при этом теплота выделяется в самом аппарате. По этому принципу работают электронагреватели, ядерные реакторы и другие установки, действие которых связано с выделением теплоты.
В настоящее время наибольшее распространение получили рекуперативные аппараты. При их разработке применяют два вида расчетов: конструктивный, имеющий целью определение поверхности нагрева F проектируемого аппарата, и поверочный - для определения возможностей уже спроектированного аппарата. При расчетах в обоих случаях используют уравнения теплового баланса и теплопередачи.
Если обозначить G1 - массовый расход первого (греющего) теплоносителя, кг/с; G2 - массовый расход второго (нагреваемого) теплоносителя, кг/с; t1’ и t1’’ - соответственно температуры греющего теплоносителя на входе в теплообменный аппарат и на выходе из него, К; t’2 и t’’2 - соответственно температуры нагреваемого теплоносителя на входе и на выходе, К; ср1 и ср2 - соответственно удельные средние массовые теплоемкости при постоянном давлении греющего и нагреваемого теплоносителя, Дж/(кг-К); QП - тепловой поток от греющего теплоносителя к нагреваемому, Вт, то уравнение теплового баланса будет иметь вид
![]() | (1) |
а уравнение теплопередачи –
![]() | , (2) |
где k - коэффициент теплопередачи;?t - средний температурный напор.
Греющий теплоноситель при движении по аппарату охлаждается, а нагреваемый - наоборот, поэтому температурный напор, т. е. разность температур теплоносителей, меняется по длине L теплообменника. Средний температурный напор?t = t1 - t2, где t1 и t2 - соответственно некоторые средние температуры греющего и нагреваемого теплоносителей.
В зависимости от направления движения потоков теплоносителей различают теплообменные аппараты с противотоком, параллельным, смешанным и перекрестным токами.
При противотоке движение теплоносителей встречное (рис. 2, а); при параллельном токе (прямотоке) греющий и нагреваемый теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении (рис. 2, б); при смешанном токе имеют место в различных частях поверхности нагрева оба случая движения, а при перекрестном токе греющая и нагреваемая жидкости движутся под прямым углом друг к другу. Наиболее распространенные схемы теплообменников при перекрестном токе показаны на рис. 3.
Рисунок 2. Схема движения и график изменения температур теплоносителей: а - противоток; б - прямоток
Рисунок 3. Варианты перекрестных токов в теплообменниках: а - одноходовом; б, в - двухходовых; г - трехходовом
Произведение Gcp=? называют водяным эквивалентом. Из уравнения (1) получаем:
![]() |
т. е. изменение температур теплоносителей в теплообменном аппарате обратно пропорционально водяным эквивалентам.
При использовании уравнения (2) надо предварительно определить среднюю разность температур (средний температурный напор):
![]() | (3) |
где?tвх и?tвых - разность температур греющего и нагреваемого теплоносителей соответственно на входе в теплообменник и на выходе из него.
Отсюда средний температурный напор для случая прямотока
![]() | (4) |
а для противотока
![]() | (5) |
Эти формулы справедливы лишь при условии, что водяные эквиваленты?1 и?2 и коэффициент теплопередачи k не меняются по длине теплообменника.
Если?tвх мало отличается от?tвых, то средний температурный напор можно рассчитать по формуле
![]() | (6) |
Полученный результат будет правильным, если изменение температур каждого из теплоносителей происходит по линейному закону. Ошибка от замены средней логарифмической разности температур среднеарифмитической при 0,5 <?tвх /?tвых < 2 не превышает 4 %.
В теплообменных аппаратах противоток более выгоден, чем прямоток, так как в противоточном теплообменнике можно сильнее нагреть холодный теплоноситель и охладить горячий.
Если греющим теплоносителем является насыщенный пар, температура которого остается при теплообмене неизменной (процесс отдачи теплоты от пара протекает при постоянном давлении), то график изменения температур рабочих тел в теплообменном аппарате будет иметь вид, показанный на рис. 4.
Рисунок 4. График изменения температур греющего и нагреваемого теплоносителей по ходу (по длине L) теплообменного аппарата, когда греющий теплоноситель - насыщенный пар
Средний температурный напор для случая, когда один из теплоносителей (конденсирующийся пар или кипящая вода) имеет постоянную температуру tH, находят по формуле
![]() | (7) |
На рис. 5 показана схема воздухоподогревателя котельной установки, в котором горячий газ движется по трубам, а нагреваемый воздух омывает эти трубы. Изображенный подогреватель является одноходовым с перекрестным током. Двух- и трехходовой перекрестный ток можно получить, применяя несколько пакетов труб.
Рисунок 5. Схема одноходового воздухоподогревателя
Классификация теплообменных аппаратов
Теплообменные аппараты классифицируют по различным признакам. На рисунок 107 представлены классификация и номенклатура теплообменных аппаратов. По способу передачи тепла их можно разделить на две группы: поверхностные и смешения. Теплообменники имеют конструктивные особенности в зависимости от назначения, от направления движения рабочих сред, от компоновки теплообменной поверхности, градиента температур теплоносителей, материала из которого изготовлен аппарат, от конфигурации теплообменной поверхности. Требования к промышленным теплообменным аппаратам в зависимости от конкретных условий применения весьма разнообразны. Основными требованиями являются: обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении; компактность и наименьший расход материала; надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки ев от загрязнений; унификация узлов и деталей; технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т.д.
При создании новых, более эффективных теплообменных аппаратов стремятся: уменьшить удельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемой при работе энергии по сравнению с теми же показателями существующих теплообменников. Удельными затратами для теплообменных аппаратов называются затраты, отнесенные к тепловой производительности в заданных условиях.
Интенсивностью процесса или удельной тепловой производительностью теплообменного аппарата называется количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме.
Интенсивность процесса теплообмена характеризуется коэффициентом теплопередачи К. На интенсивность и эффективность влияют также форма поверхности теплообмена; эквивалентный диаметр и компоновка каналов, обеспечивающие оптимальные скорости движения сред; средний температурный напор; наличие турбулизирующих элементов в каналах; оребрение и т.д. Кроме конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена существуют режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и ре жима течения жидкости у поверхности теплообмена. Режимные методы включают: подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульсаций потоков, вдувание газа в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложение электрических или магнитных полей на поток, предотвращение загрязнений поверхности теплообмена путем сильной турбулизации потока и т.д.
Типовые конструкции
Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций.
По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного мате риала, а в смесительных аппаратах тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.
Смесительные теплообменники проще по конструкции чем поверхностные: тепло в них используется полнее. Но они пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.
Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В регенеративных теплообменниках теплоноситель попеременно соприкасается с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется. Рассмотрим рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия, наиболее распространенные в промышленности.
Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. В кожухотрубчатом теплообменнике (рисунок 109) одна из обменивающихся теплом сред 1 движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая 2– в межтрубном пространстве.
![]() |
Среду обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло – в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании и охлаждении.
Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя "застойные" зоны.
Трубы в решетках обычно равномерно размещают по, периметрам правильных шестиугольников, т.е. по вершинам равносторонних треугольников (рисунок 110а), реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям (рисунок 110б). В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рисунок 110в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников.
![]() ![]() ![]() |
Аппараты жесткой конструкции (рисунок 112а) используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб, эти теплообменники отличаются простотой устройства.
В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений и температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке (рисунок 112б) или корпусе (рисунок 112в), пучком U–образных труб (рисунок 112г), подвижной трубной решетки закрытого и открытого типа (рисунок 112д, е).
В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе (рисунок 112ж). Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10- 15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см2.
Элементные (секционные) теплообменники
![]() ![]() |
Витые теплообменники
Поверхность нагрева витых теплообменников (рисунок 115) компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.
![]() ![]() |
Ребристые теплообменники
Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрение с той стороны, которая характеризуется набольшими 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.
Ребристые теплообменники широко применяют в сушильных установках, отопительных системах и как экономайзеры.
![]() ![]() ![]() |
Пластинчатые теплообменники
В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, просто той изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.
![]() ![]() |
Дата публикования: 2015-02-03; Прочитано: 590 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!