Тема 1 План ( 4 часа ) СПОСОБЫ НАГРЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Якуб Лидия Николаевна к.ф.-м.н.,доцент
15.02.2019 Теплообменники 2 Литература 1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии Л. Химия, 1960. – 830 с. 2. Павлов К.Ф., Романов П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу химической Л. Химия, 1981. – 560 с. 3. Плановский А.Н., Рамм В.М.,Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии – Мю, Химия. 1968.- 848с. 4. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической иехнологии. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты.-М. Химия.1995.-368 с. 5. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче.- М. Энергия, 1980. -288 с.
15.02.2019 Теплообменники 3 1.Способы нагревания и охлаждения В лекции рассматриваются теплообменные аппараты (теплообменники), применяемые для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагревания или охлаждения одного из них. Если процесс проводится для сообщения тепла холодному теплоносителю, то участвующий в теплообмене горячий теплоноситель будем называть нагревающим агентом. Если же процесс состоит в отводе тепла от горячего теплоносителя то холодный теплоноситель, которому сообщается отводимое тепло, будем называть охлаждающим агентом. Нагревание водяным паром - водяной пар является наиболее распространенным горячим теплоносителем для нагревания до температур 130 – 170 о С.
15.02.2019 Теплообменники 4 Способы нагревания и охлаждения Преимущества водяного пара как нагревающего агента: 1) высокий коэффициент теплоотдачи, 2) большое количество тепла, выделяемое при конденсации единицей количества пара, 3) возможность транспортировки по трубопроводам на значительные расстояния, 4) равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре. Нагревание парами высококипящих жидкостей Для нагревания до температур выше 150 – 170 С вместо водяного пара высокого давления часто применяют пары высококипящих органических жидкостей или ртути.
15.02.2019 Теплообменники 5 Способы нагревания и охлаждения Из органических жидкостями более распространена дифенильная смесь содержащая 73,5% дифенилового эфира и 26.5% дифенила. Дифенильная смесь горюча, но практически взрывобезопасна, вредное влияние ее на организм человека незначительно. Коэффициент теплоотдачи при конденсации паров дифенильной смеси равен 1400 – 1750 вт/м 2 град. Пары ртути применяют для нагревания до 380-500 о С. Ртуть не горюча, но весьма токсична, что сильно затрудняет ее применение. Коэффициент теплоотдачи паров ртути 600 вт/м 2 град. Пары высококипящих жидкостей получают в паровом котле, обогреваемом топочными газами, и направляют в теплообменник, где они конденсируются. Конденсат возвращается в паровой котел.
15.02.2019 Теплообменники 6 Способы нагревания и охлаждения При нагревании горячими жидкостями чаще всего применяется циркуляционный способ обогрева. Жидкий нагревающий агент циркулирует между печью или другим аппаратом, где он нагревается и теплообменником, в котором он отдает тепло. Из высококипящих органических жидкостей для создания высоких температур применяют минеральные масла (до 250С), тетрахлордифенил, нафталин, глицерин, кремнийорганические соединения и др.
15.02.2019 Теплообменники 7 Способы нагревания и охлаждения Нагревание горячими газами - горячие топочные газы, образующиеся при сжигании топлива, применяют для нагревания до сравнительно высоких температур (от 400 до 700 -1400 о С). Кроме топочных газов, полученных в специальной топке, часто используют отработанные газы (от печей, котлов и т. д.) с температурой 300 – 500 о С. Нагревание электрическим током - электрическая энергия может быть использована для нагревания электрической дугой, нагревания сопротивлением и диэлектрического нагревания
15.02.2019 Теплообменники 8 Способы нагревания и охлаждения ОХЛАЖДЕНИЕ - в качестве охлаждающих агентов используют воздух и воду, а для достижения низких низкотемпературные агенты. Воздух применяется для естественного и искусственногоохлаждения, например, с помощью вентилятора. При естественном охлаждении нагретый теплоноситель охлаждается за счет потерь тепла через стенки аппарата в окружающую среду. Вода является наиболее распространенным охлаждающим агентом. Её достоинства - высокая теплоемкость, большой коэффициент теплоотдачи и доступность.
15.02.2019 Теплообменники 9 Способы нагревания и охлаждения Низкотемпературные агенты используют для создания температур ниже 5 -20 о С, обычно не достижимых при охлажденииводой. В качестве таких агентов применяют лед, охлаждающие смеси (смеси льда с различными солями), холодильные рассолы, пары жидкостей, кипящих при низких температурах. фреоны и их смеси.
15.02.2019 Теплообменники 10 2.КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Теплообменные аппараты (т/а) — это устройства, в которых тепло переходит от одной среды к другой. Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов. В теплообменных аппаратах происходят различные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, кипение, конденсация, и сложные комбинированные процессы. Количество тел, участвующих в этих процессах может быть 2 и более. Тела, отдающие и воспринимающие тепло, принято называть теплоносителями.
15.02.2019 Теплообменники 11 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ В зависимости от назначения т/а называются: подогревателями, конденсаторами, испарителями и т.д. По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные. Поверхностные аппараты могут быть рекуперативными и регенеративными. Поверхностные аппараты – каждый из теплоносителей ограничен твердыми стенками, частично или полностью участвующими в теплообмене. Часть поверхности, посредством которой передается тепло, называется поверхностью нагрева.
15.02.2019 Теплообменники 12 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 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, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Примером таких аппаратов являются парогенераторы, подогреватели, конденсаторы, выпарные аппараты и др.
15.02.2019 Теплообменники 13 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Регенераторы — такие теплообменные аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает тепло от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости Таким образом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные теплообменные аппараты большей частью работают в стационарном режиме.
15.02.2019 Теплообменники 14 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Типичным примером регенеративных аппаратов являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей Так как в регенеративных и рекуперативных аппаратах процесс передачи тепла неизбежно связан с поверхностью твердого тела, то их еще называют поверхностными. В смесительных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном соприкосновении и смешении горячей и холодной жидкостей. Типичным примером таких теплообменников являются градирни тепловых электрических станций.
15.02.2019 Теплообменники 15 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ В градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом. Воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды В этом процессе объединяются тепло - и массообмен. В теплообменниках с внутренними источниками энергии применяются не два, как обычно, а один теплоноситель, который отводит тепло, выделенное в самом аппарате. Примером таких аппаратов могут служить ядерные реакторы, электронагреватели и другие устройства.
15.02.2019 Теплообменники 16 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей различают аппараты для теплообмена: 1) между газами (подогреватели газов топочными газами, газовые теплообменники); 2) между паром и газом (паровые подогреватели для воздуха, пароперегреватели); 3) между газом и жидкостью (холодильники для газов); 4) между паром и жидкостью ((паровые подогреватели, конденсаторы); 5) между жидкостями (жидкостные холодильники, теплообменники).
15.02.2019 Теплообменники 17 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
15.02.2019 Теплообменники 18 3. КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Кожухотрубные теплообменники состоят из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки. Пучок труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей ( I ) движется по трубам, а другой ( II ) — в пространстве между кожухом и трубами (межтрубное пространство). Трубчатые теплообменники
15.02.2019 Теплообменники 19 Кожухотрубные теплообменные аппараты а) одноходовой теплообменник, в котором теплоноситель движется параллельно по всем трубам. б) многоходовой теплообменник работающий при смешанном токе Теплоносителей - применяют для повышения скорости их движения в трубах. в) теплообменник пленочного типа. Жидкость направляется к стенам труб специальными устройствами.
15.02.2019 Теплообменники 20 Трубчатые теплообменники Достоинства кожухотрубных теплообменников: 1) компактность; 2) небольшой расход металла; 3) легкость очистки труб изнутри (за исключением теплообменников с U-образными трубами). Недостатками таких теплообменников являются: 1) трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями. 2) трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта; 3) трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовку.
15.02.2019 Теплообменники 21 Теплообменники «труба в трубе» Теплообменники типа «труба в трубе» включают несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большего диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы. Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой и наружные трубы. Для возможности очистки внутренние трубы соединяют при помощи съемных калачей. Благодаря небольшому поперечному сечению в теплообменниках легко достигаются высокие скорости теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве.
15.02.2019 Теплообменники 22 Теплообменники «труба в трубе» При значительных количествах теплоносителей теплообменник составляют из нескольких параллельных секций, присоединяемых к общим коллекторам. Преимущества теплообменников «труба в трубе»: - высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей; - простота изготовления. Недостатки этих теплообменников: - громоздкость; - высокая стоимость ввиду большого расхода металла; - трудность очистки межтрубного пространства.
15.02.2019 Теплообменники 23 Теплообменник типа «труба в трубе»
15.02.2019 Теплообменники 24 Теплообменник типа «труба в трубе»
15.02.2019 Теплообменники 25 Оросительный теплообменник Оросительные теплообменники состоят из змеевиков, орошаемых снаружи жидким теплоносителем (обычно водой), и применяются главным образом качестве холодильников. Змеевики выполняют из прямых горизонтальных труб, расположенных друг над другом и последовательно соединенных между собой сваркои или на фланцах при помощи калачей. Орошающая вода подается на верхнюю трубу, стекает с нее на нижележащую трубу и, пройдя последовательно по поверхности всех труб, стекает в поддон, расположенный под холодильником.
15.02.2019 Теплообменники 26 Оросительный теплообменник
15.02.2019 Теплообменники 27 Оросительный теплообменник Вода, орошающая трубы, частично испаряется (обычно испаряется 1 -2 % от общего количества поступающей воды). При этом часть отнимаемого от горячего теплоносителя тепла затрачивается на испарение воды. Вследствие сильного испарения орошающей воды оросительные холодильники обычно устанавливают на открытом воздухе, снабжая их ограждением в виде жалюзи во избежание уноса воды ветром.
15.02.2019 Теплообменники 28 Оросительный теплообменник Достоинства оросительных теплообменников: - пониженный расход воды; - простота устройства и дешевизна; - легкость осмотра и наружной очистки труб (при соединении труб на фланцах очистку нетрудно производить Недостатки этих теплообменников: - громоздкость, - сильное испарение воды, - чувствительность к колебаниям подачи воды; - при недостатке воды нижние трубы не смачиваются и почти не участвуют в теплообмене.
15.02.2019 Теплообменники 29 Пластинчатый теплообменник Пластинчатые теплообменники имеют плоские поверхности теплообмена. Обычно такие теплообменники состоят из ряда параллельных пластин, изготовленных из тонких металлических листов. Каналы между пластинами сгруппированы в две системы: по одной системе каналов движется горячий теплоноситель, по другой — холодный. Эти теплообменники весьма компактны, что обеспечивает (при соответствующем выборе расстояний между пластинами) пропускание обоих теплоносителей с значительными скоростями и приводит к достижению высоких коэффициентов теплопередачи.
15.02.2019 Теплообменники 30 Пластинчатый теплообменник
15.02.2019 Теплообменники 31 Пластинчатый теплообменник
15.02.2019 Теплообменники 32 Пластинчатый теплообменник Будучи ограничены плоскими стенками, пластинчатые теплообменники не выдерживают сколько-нибудь значительных давлений; Кроме того, в этих теплообменниках трудно обеспечить достаточную герметичность для предотвращения смешения теплоносителей. Такие теплообменники используются для теплообмена между газами при атмосферном давлении (главным образом для подогрева воздуха топочными газами).
15.02.2019 Теплообменники 33
15.02.2019 Теплообменники 34 Погружной теплообменник Погружные теплообменники состоят из змеевиков, помещенных в сосуд с жидким теплоносителем.
15.02.2019 Теплообменники 35 Спиральные теплообменники Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, по которым движутся теплоносители. Каналы образуются тонкими металлическими листами, которые служат поверхностью теплообмена. Внутренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой. Преимущества спиральных теплообменников: 1) компактность;2) возможность пропускания обоих теплоносителей с высокими скоростями, что обеспечивает большой коэффициент теплопередачи; 3) при тех же скоростях гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников меньше сопротивления многоходовых кожухотрубных. Недостатки: сложность изготовления и ремонта
15.02.2019 Теплообменники 36 Спиральный теплообменник
15.02.2019 Теплообменники 37 Теплообменники с оребренными поверхностями теплообмена Если коэффициент теплоотдачи для одного из теплоносителей значительно ниже, чем для второго, то поверхность теплообмена со стороны теплоносителя с низким целесообразно увеличить по сравнению с поверхностью теплообмена со стороны другого теплоносителя. Это достигается в теплообменниках с оребренными поверхностями теплообмена В таких аппаратах поверхность теплообмена имеет на одной стороне различной формы ребра. В трубчатых теплообменниках обычно используются поперечные или продольные ребра.
15.02.2019 Теплообменники 38 Теплообменники с оребренными поверхностями теплообмена Иногда трубы оребряют с обеих сторон; в этом случае ребра выполняют обычно в виде игл (игольчатые теплообменники). При оребрении пластинчатых теплообменников получаются так называемые пластинчато-ребристые теплообменники.
15.02.2019 Теплообменники 39 Смесительные теплообменники В смесительных теплообменниках передача тепла от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю происходит путем их непосредственного соприкосновения. В смесительных теплообменниках, в которых происходит соприкосновение газа и воды, наряду с теплообменом протекает процесс массообмена, заключающийся либо в испарении водыв газ, либо, наоборот, — в конденсации влаги из газа. Испарение воды (увлажнение газа) происходит при соприкосновении с водой сравнительно сухого газа. При соприкосновении жес водой газа с большим содержанием водяных паров происходит конденсация этих паров (осушка газа).
15.02.2019 Теплообменники 40 Смесительные теплообменники Одним из основных факторов, определяющих работу смесительных аппаратов, является поверхность соприкосновения теплоносителей, которая должна быть возможно большей. Для получения значительной поверхности соприкосновения в аппарате либо помещается насадка, либо устраиваются полки, причем жидкость постепенно перетекает с одной полки на другую, либо жидкость распыляется на мелкие капли.
15.02.2019 Теплообменники 41 Смесительные теплообменники
15.02.2019 Теплообменники 42 4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и поверочными. Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняются при проектирований новых аппаратов и целью расчета является определение поверхности теплообмена. Поверочные тепловые расчеты выполняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданного тепла и конечные температуры рабочих жидкостей. Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета.
15.02.2019 Теплообменники 43 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Уравнения теплового баланса и теплопередачи, будучи едиными по существу, различны в деталях, в зависимости от типа рассматриваемого теплообменника (рекуперативный, регенеративный или, смесительный). Уравнение теплового баланса. Изменение энтальпии теплоносителя вследствие теплообмена определяется соотношением (1) где G — расход массы, кг/сёк; i — удельная энтальпия, дж/кг. Для конечных изменений энтальпии, если полагать, что расход массы (2)
15.02.2019 Теплообменники 44 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Здесь i ' и i " — начальная и конечная энтальпии теплоносителя. Если тепло первичного (горячего) теплоносителя воспринимается вторичным (холодным), то уравнение теплового баланса без учета потерь тепла запишется как (3) или для конечного изменения энтальпии (4) Здесь и в дальнейшем индекс 1 означает, что данная величина относится к горячей жидкости, а индекс 2 к холодной. Обозначение (') соответствует данной величине на входе в теплообменник, (")—на выходе. В тепловых расчетах пользуются понятием полной теплоемкости массового расхода теплоносителя в единицу времени, определяемой выражением
15.02.2019 Теплообменники 45 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ В тепловых раcчетах пользуются понятием полной теплоемкости массового расхода теплоносителя в единицу времени, определяемой выражением C= G*C Р, Вт/град (5) Величину C называют также водяным эквивалентом и часто обозначают W. Уравнение теплопередачи служит для определения поверхности теплообмена Q = k (t 1 – t 2 ) F, Вт (6) При конструктивном расчете теплообменных устройств, тепловая производительность Q задается и требуется определить величину поверхности теплообмена. Для определения F из уравнения (6) требуется знать величину коэффициента теплопередачи и средний температурный напор.
15.02.2019 Теплообменники 46 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ При рассмотрении т/а с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей следует различать аппараты: 1) прямого тока; 2) противоточные; 3) перекрестного тока; 4) со сложным направлением движения теплоносителей. а — прямоток; б - противоток; в — перекрестный ток; г — смешанная схема; д — многократный перекрестный ток.
15.02.2019 Теплообменники 47 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности будет определяться схемой движения и соотношением теплоемкостей массовых расходов теплоносителей С 1 и С 2 (водяных эквивалентов).
15.02.2019 Теплообменники 48 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Средняя разность температур Изменение температур рабочих жидкостей для простейших случаев можно получить аналитическим путем. Рассмотрим простейший теплообменный аппарат, работающий по схеме прямотока. При этом температура первичного теплоносителя понизится на dt 1 а вторичного повысится на dt 2 При противотоке температуры обоих теплоносителей вдоль поверхности убывают
15.02.2019 Теплообменники 49 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Если усреднение температурного напора проводится по всей поверхности теплообмена, то формулу для определения среднего температурного напора часто записывают в таком виде: и - большая и меньшая разность температур обоих теплоносителей где
15.02.2019 Теплообменники 50 Благодарю за внимание
