Процессы теплообмена и теплообменные аппараты
АННОТАЦИЯ
В работе рассмотрены процессы теплообмена и
теплообменные аппараты. В работе обоснован выбор теплообменного аппарата
расчетным методом.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
.1 Ребристые теплообменные аппараты
.2 Кожухотрубчатые теплообменные
аппараты
.2.1 Теплообменники с неподвижными
трубными решетками
.2.2 Теплообменники с температурными
компенсаторами на кожухе
.2.3 Теплообменники с плавающей
головкой
.2.4 Теплообменники с U-образными
трубками
.2.5 Теплообменники с сальниками
.2.6 Витые теплообменники
.3 Аппараты теплообменные трубчатые
без кожуха
.3.1 Теплообменники погружные
(маслоохладители)
.3.2 Теплообменники погружные
спиральные
.4 Аппараты теплообменные с наружным
обогревом
.5 Аппараты теплообменные
регенеративные
.6 Аппараты теплообменные листовые
.6.1 Теплообменники спиральные
.6.2 Теплообменники пластинчатые
разборные
.7 Аппараты теплообменные с
воздушным охлаждением
.8 Аппараты теплообменные блочные
. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ВВЕДЕНИЕ
Процессы теплообмена имеют большое значение в
химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях
промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой
через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным
процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена:
теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не
обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно. Для
теплообменников наибольшее значение имеет конвективный теплообмен или
теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и одновременном действии
теплопроводности и конвекции.
. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Теплообменными аппаратами
<#"806746.files/image001.jpg">
Рисунок 1 - Теплообменник с неподвижными
трубными решетками
Для подвода и отвода рабочих сред
(теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих
аппаратах движется по трубам, другой - в межтрубном пространстве, ограниченном
кожухом и наружной поверхностью труб.
Особенностью аппаратов типа Н является то, что
трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В
связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха. Поэтому
аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции [1].
1.2.2 Теплообменники с
температурным компенсатором на кожухе
Если температурные напряжения, возникающие в
стенках теплообменника или трубках, оказываются большими, то необходимо
предусматривать температурную компенсацию.
Теплообменник типа К - с линзовым компенсатором
на корпусе - представлен на рисунке 2. В этом аппарате температурные деформации
компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Теплообменники с
линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не
более 13-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5
МПа).
Рисунок 2 - Теплообменник с линзовым
компенсатором на корпусе
Для круглых элементов аппаратов, диаметр которых
превышает 100 мм, обычно применяют линзовые компенсаторы, состоящие из одной и
более линз. Линзы выполняют штампованными или из кольцевого тора, выполненного
с прорезью, разрезными или сварными волнообразной формы. Одна линза
компенсирует небольшие температурные деформации (4-5 мм), набор линз (не более
четырех) позволяет компенсировать деформации до 15 мм.
Линзовые компенсаторы применяют в вертикальных и
горизонтальных аппаратах и трубопроводах при избыточном давлении, составляющем
не более 1,6 МПа [1].
1.2.3 Теплообменники с
плавающей головкой
Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей
головкой предназначен для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред
без изменения агрегатного состояния (рисунок 3).
Рисунок 3 - Кожухотрубчатый теплообменник с
плавающей головкой
Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка
вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного,
образует так называемую плавающую головку. Такая конструкция исключает
температурные напряжения в кожухе и в трубах. Эти теплообменники,
нормализованные в соответствии с ГОСТ 14246-79, могут быть двух- или
четырехходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3
м.
Кожухотрубчатые конденсаторы с плавающей
головкой (ГОСТ 14247-79) отличаются от аналогичных теплообменников большим
диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое
давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве - от
1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по
трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м [1].
1.2.4 Теплообменники с U-образными
трубами
В кожухотрубчатых аппаратах этой конструкции
обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность
возникновения температурных напряжений.
Такие аппараты (рисунок 4) 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. Для обеспечения раздельного ввода и вывода циркулирующего по трубам
теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка 5.
Рисунок 4 - Теплообменник с U-образными
трубками
Теплообменники типа U являются двухходовыми по
трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству. В
последнем случае в аппарате установлена продольная перегородка, извлекаемая из
кожуха вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в
зазорах между кожухом аппарата и перегородкой у стенки кожуха устанавливают
гибкие металлические пластины или прокладку из прорезиненного асбестового
шнура, уложенную в паз перегородки [1].
1.2.5 Теплообменники с
сальниками
При значительно больших давлениях в
теплообменной аппаратуре применяют сальниковые компенсаторы. Однако сальниковые
компенсаторы могут пропускать рабочую среду, что требует их периодическое
регулирование, в связи с чем сальниковые компенсаторы применяют для аппаратов с
малыми диаметрами. Сальниковые компенсаторы (рисунок 5) выполнены с мягкой
набивкой из неметаллических материалов в виде шнура или колец соответствующего
профиля, а также в виде стандартных манжет из кожи, резины, пластика и других
материалов.
Рисунок 5 - Сальниковый компенсатор
Уплотнение обеспечивают сальниковые кольца 1,
расположенные по обе стороны от дренажного кольца 3 и поджатые фланцами 2, 5. В
случае утечки через сальник теплоноситель выводится из аппарата через отверстие
в дренажном кольце. Трубная решетка в аппарате такой конструкции должна быть на
периферии достаточно широкой для возможности размещения прокладки и дренажных
колец, с учетом перемещения решетки при удлинении труб [1].
1.2.6 Витые теплообменники
Эти аппараты (рисунок 6) пригодны для реализации
теплообмена между средами при давлении до 1 МПа и перепаде температур до 200
°С.
Рисунок 6 - Витой теплообменник
Основная рабочая часть такого аппарата - теплообменный
элемент (ТОЭ), состоящий из пучка гибких полимерных труб, концы которых
соединены сваркой в коллектор (фторопластовую решетку). Коллектор служит для
закрепления ТОЭ в корпусе аппарата и подвода к нему рабочей среды.
Фторопластовые теплообменники применяют в производстве серной кислоты,
хлорорганических продуктов, медицинских препаратов [1].
.3 Аппараты
теплообменные трубчатые без кожуха
.3.1 Теплообменники
погружные (маслоохладители)
Маслоохладители
<#"806746.files/image007.gif">
Рисунок 7 - Теплообменник погружной U-образный
Маслоохладители отводят тепло,
получаемое маслом в подшипниках, редукторных передачах и других элементах.
Охлаждение масла производится путем погружения маслоохладителя в масляную
ванну. Со стороны воды маслоохладители обычно выполняются многоходовыми - здесь
это достигается за счет изменения числа перегородок в крышках [1].
1.3.2
Теплообменники погружные спиральные
Основным теплообменным элементом является
змеевик - труба, согнутая по определенному профилю (рисунок 8).
Змеевик погружается в жидкость, находящуюся в
корпусе аппарата. Скорость движения мала вследствие большого сечения корпуса
аппарата, что обуславливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи от
наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот). Для увеличения этого
коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в
корпусе аппарата, внутри змеевика, стакана. В этом случае жидкость движется по
кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной
скоростью. Часто в погружных теплообменниках устанавливают змеевики из прямых
труб, соединенных калачами.
Рисунок 8 - Погружной теплообменник с
цилиндрическими змеевиками
Вследствие простоты устройства, низкой
стоимости, доступности наружных стенок змеевика для чистки и осмотра,
возможности работы змеевиков при высоких давлениях эти теплообменники находят
достаточно широкое применение в промышленности. Погружные змеевиковые
теплообменники имеют сравнительно небольшую поверхность теплообмена (до 10-15м2)
[1].
1.4 Аппараты
теплообменные с наружным обогревом
Теплообменные аппараты <#"806746.files/image009.jpg">
Рисунок 9 - Теплообменный аппарат типа «труба в
трубе»
Один теплоноситель движется по внутренним трубам
1, другой - по кольцевому зазору между внутренними и наружными трубами 2.
Внутренние трубы 1 соединяются с помощью калачей 5, а наружные - с помощью
соединительных патрубков 3. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе»
обычно составляет 3-6 м, диаметр наружной трубы - 76-159 мм, внутренней -
57-108 мм [1].
1.5 Аппараты
теплообменные регенеративные
В регенеративных теплообменниках (рисунок 10)
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 часто применяют для регенерации теплоты
отходящих газов.
Характерным для регенеративных теплообменников
является наличие твердых тел, которые попеременно соприкасаются с горячим и
холодным теплоносителями. При соприкосновении с горячим теплоносителем твердое
тело нагревается; соприкасаясь с холодным теплоносителем, отдает ему свое
тепло.
Рисунок 10 - Регенеративный теплообменник
Разделяют непрерывно действующие и периодически
действующие регенеративные теплообменники. Непрерывно действующими
регенеративными теплообменниками являются нагревательные установки с
циркулирующим зернистым материалом [1].
1.6 Аппараты
теплообменные листовые
.6.1 Теплообменники
спиральные
Спиральные теплообменники изготовляют с
поверхностью теплообмена 10-100 м2; они работают как под вакуумом,
так и при давлении до 1 МПа при температуре рабочей среды 20-200 °С. Их можно
использовать для реализации теплообмена между рабочими средами
жидкость-жидкость, газ-газ, газ-жидкость, а также конденсации паров и
парогазовых смесей.
Все большее распространение этих теплообменников
в последнее время объясняется главным образом простотой изготовления и
компактностью конструкции. В таком аппарате один из теплоносителей поступает в
периферийный канал аппарата и, двигаясь по спирали, выходит из верхнего
центрального канала. Другой теплоноситель поступает в нижний центральный канал
и выходит из периферийного канала.
Площадь поперечного сечения каналов в таком
теплообменнике по всей длине постоянна, поэтому он может работать с
загрязненными жидкостями (загрязнение смывается потоком теплоносителя) [1].
1.6.2 Теплообменники
пластинчатые разборные
Пластинчатые теплообменники (рисунок 11)
представляют собой аппараты, теплообменная поверхность которых образована
набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью. Их разделяют
по степени доступности поверхности теплообмена для механической очистки и
осмотра на разборные, полуразборные и неразборные (сварные).
Наиболее широко применяют разборные пластинчатые
теплообменники, в которых пластины отделены одна от другой прокладками. Монтаж
и демонтаж этих аппаратов осуществляют достаточно быстро, очистка теплообменных
поверхностей требует незначительных затрат труда.
Рисунок 11 - Пластинчатый теплообменник
Основные размеры и параметры наиболее
распространенных в промышленности пластинчатых теплообменников определены ГОСТ
15518-83. Их изготовляют с поверхностью теплообмена от 2 до 600 м2 в
зависимости от типа размера пластин. Эти теплообменники используют при давлении
до 1,6 МПа и температуре рабочих сред от -30 до +180° С для реализации
теплообмена между жидкостями и парами (газами) в качестве холодильников,
подогревателей и конденсаторов [1].
1.7 Аппараты
теплообменные с воздушным охлаждением
В химической и особенно нефтехимической
промышленности большую часть теплообменных аппаратов составляют конденсаторы и
холодильники. Использование для конденсации и охлаждения различных
технологических продуктов аппаратов водяного охлаждения, кожухотрубчатых или
оросительных, связано со значительными расходами воды и, следовательно, с
большими эксплуатационными затратами. Применение аппаратов воздушного
охлаждения в качестве холодильников-конденсаторов имеет ряд преимуществ:
• исключаются затраты на подготовку и перекачку
воды;
• снижается трудоемкость и стоимость ремонтных
работ; не требуется специальной очистки наружной обтекаемой воздушным потоком
поверхности труб;
• облегчается регулирование процесса охлаждения.
Горизонтальный аппарат воздушного охлаждения
(рисунок 12) снабжен сварной рамой 1, на которой размещен ряд теплообменных
секций 2. Они состоят из пучка поперечно оребренных труб, в которых
прокачивается конденсируемая (охлаждаемая) среда. Снизу к раме прикреплены
диффузор 3 и коллектор 6, в центре которого находится осевой вентилятор 5.
Вентилятор вместе с угловым редуктором 9 и электродвигателем 7 смонтирован на
отдельной раме 8. Воздух, нагнетаемый вентилятором, проходит через
теплообменные секции, омывая наружную поверхность оребренных труб и обеспечивая
при этом конденсацию и охлаждение пропускаемой по трубам среды [1].
Рисунок 12 - Теплообменник с воздушным
охлаждением
1.8 Аппараты
теплообменные блочные
Блочные теплообменные аппараты изготовляют в
основном из искусственного графита или графитопласта - пластмассы на основе
фенолформальдегидной смолы, в которой в качестве наполнителя использован
мелкодисперсный графит. Аппараты обладают рядом ценных свойств: они эффективны,
так как по теплопроводности графит в 4 раза превосходит коррозионностойкую
сталь; обладают высокой стойкостью к агрессивным средам (кислотам, щелочам,
органическим и неорганическим растворителям); относительно дешевы. Основной
метод соединения деталей на основе графита - склеивание искусственными смолами.
Теплообменные аппараты такого типа (рисунок 13)
изготовляют из отдельных прессованных блоков 1, соединенных между собой
специальной замазкой. В блоках имеются горизонтальные и вертикальные каналы для
прохода теплоносителей. Узлы соединения блоков можно уплотнять также
прокладками из термо- и коррозионностойкой резины или фторопласта. Аппарат
имеет распределительные камеры 2, скрепленные с блоками и между собой крышками
10 и стяжками 7 [1].
Рисунок 13 - Блочный теплообменный аппарат
. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Примем индекс «1» для горячего теплоносителя
(водяной пар), индекс «2» для холодного теплоносителя (этанол).
Температура конденсации водяного пара tконд=151,1°
С [2, табл. LVII].
Температурная схема:
,1 ¾¾
151,1
¾® 35
∆tб
=128,1
∆tм
=116,1
Средняя разность температур:
Средняя температура этанола:
t2= t1 - ∆tср =151,1-122,4=28,7 29
Расход этанола:
V2=
1700/3600=0,4722 м3/с;
2 =V2∙ρ2 =0,4722∙781,525
=369,036 кг/с
где ρ2=781,525
кг/м3 - плотность этанола при 27 [2, табл. IV].
Расход теплоты на нагрев этанола:
= G2 c2(t2к - t2н) =369,036
·2681,6·(35 - 23) 11875283,2512
Вт,
где с2=2681,6 Дж/(кг·К) -
средняя удельная теплоемкость этанола [2, рис. XI].
Расчет сухого греющего пара с учетом
7% потерь теплоты:
G1= 6,00215
кг/с,
где =2117 Дж/кг - средняя удельная
теплоемкость этанола [2, табл. LVII].
Определим ориентировочно значение
площади поверхности теплообмена, полагая Kор=340 Вт/(м2·К)
[2, табл. 4.8], т.е. приняв его таким же, как и при теплообмене от
конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям (этанол):
Fор285,35 м2.
Для обеспечения турбулентного режима
при Re2>10000
скорость в трубах должна быть больше w2':
w2'0,625 м/с,
где =1,025 Пас - динамический коэффициент
вязкости этанола при 29°С [2, табл. IX].
Число труб 25х2 мм, обеспечивающих
объемный расход этанола при Re2=10000:
n'.
Условию n<2183 и F<285,35
удовлетворят два теплообменника [2, табл. 4.12]:
1. Четырехходовой диаметром 800 мм с числом
труб на один ход трубного пространства n=101
(общее число труб 404);
Расчет первого варианта:
. Коэффициент теплоотдачи для этанола.
Уточняем значение критерия Re2:
2=10000
=10000
=216039.
217,44
где 2=0,1576
Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности этанола при 29°С [2, рис. X].
Расчетная формула:
Nu20,021·2160390,8·17,440,43·1,12·1=1329,3.
Отношение принято
равным 1,12 (с последующей проверкой).
Таким образом:
9975 Вт/(м2·К).
. Коэффициент теплоотдачи при конденсации
водяного пара на пучке горизонтальных труб.
Расчет осуществляем приближенно по формуле:
Вт/(м2·К).
где =0,62 [2, рис.
4.7], Bt=1136,7
[2, табл. 4.6]. длиной труб L=3
м [2, табл. 4.12]
Принимаем тепловую проводимость со стороны
греющего пара 5800 Вт/(м2·К),
со стороны этанола 5800 Вт/(м2·К)
[2, табл. XXXI].
Коэффициент теплопроводности стали нержавеющей =
17,5 Вт/(м·К) [2, табл. XXVIII].
Тогда:
2178 Вт/(м2·К).
Коэффициент теплопередачи:
1334,6 Вт/(м2·К).
Поверхностная плотность теплового потока:
163352,5 Вт/м2.
Проверяем принятое значение .
Определяем:
16
;
45
;
где 2849,2
Дж/(кг·К) - средняя удельная теплоемкость этанола при 45
[2, рис. XI], 0,763·10-3
Па·с - динамический коэффициент вязкости этанола при 45
[2, табл. IX], 0,1612
Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности этанола при 45
[2, рис. X].
Следовательно:
1,1.
Было принято =
1,12. Разница 1,8 %. Расчет К
закончен.
Расчетная площадь поверхности теплообмена:
73 м2
Аппарат с L=3
м имеет площадь поверхности теплообмена:
79,9
80 м2
Запас площади поверхности теплообмена:
9,6 %
Запас площади поверхности теплообмена
достаточен.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе были рассмотрены основные виды
теплообменных аппараты.
Произведен расчет четырехходового
кожухотрубчатого теплообменного аппарата. Предлагается установить
четырехходовый кожухотрубчатый теплообменник с внутренним диаметром кожуха 800
мм, длиной труб 3 м и числом труб на один ход трубного пространства 101 как более
простой.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Теплообменное
оборудование. - www.tracon.ru/rus/teploobmennoe-oborudovanie.html
<http://www.tracon.ru/rus/teploobmennoe-oborudovanie.html>
. Павлов,
К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.
Учебное пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г Романкова / К.Ф.
Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия,
1987. - 576 с., ил.