МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА
Б.Е. Байгалиев, а.В. Щелчков, а.Б. Яковлев, п.Ю. Гортышов теплообменные аппараты
Учебное пособие
Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области авиации, ракетостроения и космоса в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заве- дений РФ, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 140100
«Теплоэнергетика и теплотехника», 160700 «Двигатели летательных аппа- ратов» и специальности 160700 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей»
Под редакцией Ю.Ф. Гортышова
КАЗАНЬ 2012
УДК 536.21(075.8)
Ба 12
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор К.Х. Гильфанов (Казанский государственный энергетический университет) доктор технических наук, профессор В.В. Бирюк
(Самарский государственный аэрокосмический университет)
Байгалиев б.Е.
Ба 12 Теплообменные аппараты: учебное пособие / Б.Е. Байгалиев, А.В. Щелчков, А.Б. Яковлев, П.Ю. Гортышов. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2012. –180 с.
ISBN 987-5-7579-1773-3
Содержит описания устройств и работы наиболее распространенных видов теплообменных аппаратов, а также методики их конструкторско- го и поверочного расчетов, имитационного и экспериментального ис- пытаний. Предназначен для студентов всех специальностей дневной и вечерней формы обучения, изучающих курсы «Теплообменные аппара- ты».
Табл. 22. Ил. 71. Библиогр.: 10 назв.
УДК 536.21 (075.8)
Изд-во Казан. гос. техн.. ун-та, 2012
Б.Е. Байгалиев, А.В. Щелчков,
ISBN 987-5-7579-1773-3 А.Б. Яковлев, П.Ю. Гортышов
Введение
Теплообме́нный аппарат — это устройство, осуществляющее передачу теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоноси- телями могут быть газы, пары, жидкости. Теплообменные аппараты исполь-
зуют как нагреватели и как охладители. Применяются в области авиацион- ной, ракетной, космической техники и энергетики, в технологических про- цессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве.
Теплообме́нные аппараты подразделяют на поверхностные, где переда- ча тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные, где теплоноси-
тели контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зави- симости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой[1].
Рекуперат́ивный теплообме́нник — это теплообменник, в котором го- рячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, между кото-
рыми происходит теплообмен. В зависимости от направления движения теп- лоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при па- раллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.
Рекуперативные теплообменники [2] существуют: кожухотрубные, элементные (секционные), двухтрубные типа "труба в трубе"[3], витые, по- гружные, оросительные, ребристые, спиральные, пластинчатые, пластинчато- ребристые, графитовые.
В регенеративных теплообменниках теплоносители (горячий и холод- ный) контактируют с твердой стенкой поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с хо- лодным [1].
Смеси́ тельный (или конта́ктный) — это теплообменник, в котором теп-
ло- и массообменные процессы происходят путем прямого смешивания сред. Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА — тепло- обменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжек- тор [4]. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, не- жели поверхностные, более полно используют тепло. Большое применение контактные теплообменники находят в установках утилизации тепла дымо- вых газов, отработанного пара и т.п. [5].
Пластинчатый теплообменник состоит из набора пластин, в котором теплоносители движутся между пластинами. Он прост в изготовлении (штампованные пластины складываются с прокладками между ними), легко модифицируется (добавляются или убираются пластины). Пластинчатый те- плообменник имеет высокую эффективность (большая площадь контакта че- рез пластины).
Пластинчато-ребристый теплообменник состоит из системы раздели- тельных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности - на- садки, присоединенные к пластинам методом пайки. С боков каналы ограни- чиваются брусками, поддерживающими пластины и образующие закрытые каналы. В основу пластинчато-ребристого теплообменника положена жест- кая и прочная цельнопаянная теплообменная матрица, построенная по сото- вому принципу и работоспособная до давления 100 атм. и выше. Основные достоинства данного типа теплообменников – это компактность (до 4000 м2/м3) и легкость. Последнее обеспечивается за счет применения при изго- товлении теплообменной матрицы пакета из тонколистовых деталей из лег- ких алюминиевых сплавов.
Оребренные пластинчатые теплообменники, ОПТ состоят из тонко- стенных оребренных панелей. За счет конструкции, а также многообразия используемых материалов достигаются высокие температуры греющих сред, небольшие сопротивления, высокие показатели отношения теплопередающей площади к массе теплообменника, длительный срок службы, низкая стои- мость и др.
Спиральный теплообменник представляет собой два спиральных кана- ла, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной пе- регородки — керна, среды движутся по каналам. Одно из назначений спи- ральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидко- стей.
При выборе между пластинчатыми и кожухотрубными теплообменни- ками предпочтительными являются пластинчатые, коэффициент теплопере- дачи которых более чем в три раза больше, чем у традиционных кожухот- рубных [2]. Коэффициент полезного действия пластинчатых теплообменни- ков составляет 90-95 %, а занимаемая площадь в 3-4 раза меньше, чем для кожухотрубных [6]. Современные кожухотрубные теплообменники, осна- щенны трубками с турбулизаторами потока. Это достигается накаткой на внешней поверхности трубы кольцевых или винтообразных канавок интен- сифицирующие теплоотдачу в трубах. Данная технология, в дополнение к таким важным показателям как высокая надежность (также при гидравличе- ском ударе) и меньшая стоимость, дает кожухотрубному оборудованию до- полнительные преимущества по сравнению с пластинчатыми аналогами.
Большие задачи в области теории и практики теплообмена лежат в на- правлении создания компактных теплообменников различного назначения, начиная от стационарных установок и кончая теплообменниками на космиче- ских летательных аппаратах. Для решения этой важной проблемы требуется применение всего современного аппарата теории теплопередачи, дальнейшая разработка методов интенсификации процессов теплообмена в них и получе- ние надежных данных, обеспечивающих быстрое проектирование теплооб- менников методами машинного проектирования
Таким образом, данное методическое пособие является одним из важ- нейших пособий необходимых для современного инженера в области авиа- ционной, ракетной, космической техники и энергетике.
Принятые сокращения АВО – аппараты воздушного охлаждения
ВРУ – воздухоразделительная установка ГТД – газотурбинный двигатель
ГТУ - газотурбинная установка
ДВС – двигатель внутреннего сгорания ОМ – охладитель масла
ОНВ – охладитель надувочного воздуха
РВУ - радиационно – вентиляторная установка ТА – теплообменные аппараты
ТХУ – турбохолодильная установка ЧЕП – число единиц переноса теплоты