ПАХТ (все лекции)
.pdf
Когда недопустим даже кратковременный перегрев нагреваемой среды, используются промежуточные теплоносители в виде жидкостей. К их числу относят горячую (перегретую) воду, минеральные масла, жидкие ВОТ, расплавы солей и др.
Этот процесс может быть организован с естественной или вынужденной циркуляцией промежуточного теплоносителя (рис.4.16).
ТО |
ТО |
печь |
печь |
|
насос |
а) |
б) |
Рис.4.16.Схемы обогрева с естественной (а) и вынужденной (б) циркуляцией жидких ВОТ.
Жидкий ТН нагревается в печи, например, топочными газами, плотность ТН уменьшается, и возникает естественная конвекция. При этом скорости жидкого ТН невелики, небольшие значения коэффициента теплоотдачи. При вынужденной циркуляции скорость жидкого ТН доходит до 2-2,5 м/с и процесс теплоотдачи более интенсивный.
Рассмотренные выше способы нагревания предусматривают использование в качестве прямых источников тепловой энергии топочных (дымовых) газов, получаемых при сжигании твердого жидкого или газообразного топлива. Топочные газы относятся к числу наиболее широко применяемых теплоносителей, они обеспечивают надежное нагревание до 1000-1100°С.
Нагревание топочными газами производят в трубчатых печах, облицованных шамотом камерах сгорания, внутри которых размещены нагревательные элементы, состоящие из стальных трубок.
Наряду с топочными газами электрическая энергия представляет собой прямой источник тепловой энергии. При нагревании электрическим током может быть достигнут практически любой желаемый температурный режим, который легко поддерживать и регулировать. Нагревание электрическим током осуществляется в электрических печах.
1.2.1.3. Отвод теплоты
Многие процессы промышленной технологии протекают в условиях, когда возникает необходимость отвода теплоты, например, при охлаждении газов, жидкостей или при конденсации паров.
Охлаждение водой и низкотемпературными жидкими хладоагентами.
Охлаждение водой используют для охлаждения среды до 10-30°С. Речная, прудовая и озерная вода в зависимости от времени года имеет температуру 4-25°С, артезианская – 8-12°С, а оборотная (летом) – около 30°С.
Расход охлаждающей воды L H 2O определяют из уравнения теплового баланса:
|
|
|
|
|
|
(1.83) |
|
L H H L H2O H HB L H K |
L H2O H KB |
Q П |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Здесь L |
– расход охлажденного теплоносителя, НН и НК – начальная и конечная |
|||||
энтальпия |
охлаждаемого |
теплоносителя, |
ННВ |
и НКВ – |
начальная и |
конечная |
энтальпия охлаждающей воды, Q П – потери в окружающую среду.
Достижение более низких температур охлаждения можно обеспечить с помощью низкотемпературных жидких хладоагентов.
Охлаждение воздухом.
Наиболее широко воздух в качестве охлаждающего агента используют в смесительных теплообменниках – градирнях, являющихся основным элементом оборудования водооборотного цикла.
отработанный воздух |
отработанный воздух |
|
|
вентилятор |
горячая |
|
горячая |
вода |
слой |
вода |
|
насадка |
|
атм.воздух |
|
атм.воздух |
|
|
охлажденная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
охлажденная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
вода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) |
|||||||||||||||
Рис.1.17. Градирни с естественной (а) и принудительной (б) тягой
Горячая вода в градирне охлаждается как за счет контакта с холодным воздухом, так и в результате так называемого испарительного охлаждения, в процессе испарения части потока воды.
1.2.2. Классификация и конструкции теплообменников
Теплообменники |
различаются по назначению, принципу действия, |
|
конструктивным и другим признакам. |
По назначению: |
|
- подогреватели, |
- испарители, - паропреобразователи, |
|
- конденсаторы, |
- холодильники, |
- радиаторы и.т.д. |
По принципу действия:
- поверхностные (рекуперативные, регенеративные)
- контактные (смесительные).
Врекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их стенку.
Врегенеративных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагрева. Сначала поверхность аккумулирует теплоту, а потом отдает и охлаждается.
Требования к теплообменникам:
- возможность проведения технологического процесса; - высокий коэффициент теплопередачи;
-низкое p ;
-устойчивость поверхности теплообмена против коррозии;
-доступность поверхности теплообмена для чистки.
1.2.2.1. Рекуперативные теплообменники
Кожухотрубчатые теплообменники
Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу (I), охлаждаемый (II) – сверху вниз противотоком. Кожухотрубчатые теплообменники – самые распространенные.
|
I |
4 |
|
|
|
|
|
2 |
II |
|
1 |
|
|
3 |
II
5
I
Рис.4.18. Кожухотрубчатый теплообменник. 1-кожух, 2- трубные решетки, 3-трубы, 4- крышка, 5-днище, I,II - теплоносители
Рис. 4.19. Многоходовые (по трубному пространству) кожухотрубчатые теплообменики
Многоходовые теплообменники применяются для увеличения скорости движения теплоносителя. При этом увеличивается и коэффициент теплопередачи.
II |
II |
I |
I |
Если разность температур труб и кожуха больше 500С, то они удлиняются неодинаково. Тогда возникают большие напряжения в трубных решетках. В таких случаях используются теплообменники с линзовым компенсатором, плавающей головкой, U – образные.
I I I I I
II |
II |
|
|
II |
II |
II |
II |
|
I |
|
|
линзовый компенсатор |
плавающая головка |
U–образный |
Рис.4.21. Кожухотрубчатые теплообменники |
|
|
с компенсацией температурных удлинений. |
|
|
Теплообменники типа «труба в трубе» используются для малых тепловых |
||
нагрузок. |
|
|
Змеевиковые теплообменники: |
|
|
II |
II |
|
I |
I |
|
|
|
|
I |
I |
|
II |
II |
|
а) |
б) |
|
Змеевики внутренние погружены в теплоносители. Бывают наружные змеевиковые теплообменники (до 6МПа). Змеевиковые теплообменники просты по конструкции. Скорости теплоносителей в змеевике небольшие, поэтому коэффициенты теплопередачи небольшие.
Теплообменники с оребренными трубами.
Втехнике имеются случаи, когда коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи резко отличаются по величине. Например: нагрев воздуха конденсирующим водяным паром.
Вэтом случае оребрение труб со стороны воздуха резко увеличивает поверхность теплообмена. Ребра должны иметь большой коэффициент теплопроводности.
воздух
пар
ребра
труба
Рис.4.23. Элементы теплообменника с оребрениями.
Пластинчатые теплообменники.
Поверхностью теплообмена в этих теплообменниках является гофрированные параллельные пластины.
I
II 
элемент теплообменника
II
I 
Рис.4.24. Пластинчатый теплообменник
В этих теплообменниках реализуется большие скорости w 1 3 |
м |
. Поэтому |
|
с |
|||
|
|
даже при небольших p реализуются большие коэффициенты теплопередачи.
Спиральные теплообменники.
Спиральные теплообменники в отличие от пластинчатых теплообменников компактны. Однако они сложны в изготовлении, не могут работать при высоких давлениях (свыше 1Мпа).
Рис. 4.25. Спиральный теплообменник
Теплообменники с двойными стенками (рубашками).
холодная среда
пар 
воздух
конденсат
горячая среда
Рис. 4.26. Теплообменик с греющей рубашкой
Теплообменники |
с |
рубашками |
используются обычно |
для |
проведения |
химических реакций. Они |
работают под |
|
избыточным давлением. В зависимости от
технологического |
процесса |
они |
носят |
|
название: |
автоклавов, |
нитраторов, |
||
полимеризаторов, варочных аппаратов и.т.д. Для увеличения коэффициента теплоотдачи от стенки к содержимому аппарата внутри него устанавливают мешалки (механические, пневматические)
4.2.2.2. Регенеративные теплообменники
Для повышения эффективности теплотехнических систем, работающих в широком диапазоне температур, используются регенеративные теплообменники. Аккумуляция теплоты происходит в слое насадки. Слой насадки периодически омывается потоками горячего и холодного теплоносителя.
I – горячий теплоноситель,
II – холодный теплоноситель.
Переключение регенераторов производится автоматическими клапанами. Каждый цикл состоит из двух периодов: разогрева насадки и ее охлаждения.
II 
I
насадка
II 
I
Рис.4.27. Регенератор с неподвижной насадкой.
Регенерирующиеся вращающиеся подогреватели (рис. 4.28) применяются для подогрева воздуха дымовыми газами из котлов ( 3 n 6 миноб ).
Преимущество этих подогревателей - процесс непрерывный (постоянная температура нагретого воздуха), недостаток - расход энергии на вращение.
Регенератор с падающей насадкой работает в непрерывном режиме (рис. 4.29). Во всех регенеративных аппаратах возможно использование специальных
гранул. При нагревании покрытия ядро гранулы начинает плавиться. Гранула имеет дополнительное тепло, равное скрытой теплоте плавления материала ядра. При охлаждении гранул все тепло отдается, происходит затвердевание ядра.
II |
I |
|
насадка |
камера |
|
|
нагрева |
|
горячие |
газы |
|
газы |
|
|
холодный |
|
|
воздух |
|
ядро |
камера |
|
4.2.2.3. Смесительные теплообменники (СТО) |
||
В СТО передача тепло от одного теплоносителя к другому происходит при их |
||
непосредственном соприкосновении или смешении, следовательно, термическое |
||
сопротивление стенки (разделяющей теплоносители) отсутствует. |
||
Наиболее часто СТО применяют для конденсации паров, нагревания и охла- |
||
дения воды и паров. По принципу устройства СТО подразделяют на |
||
барботажные, полочные, насадочные и полые (с разбрызгиванием жидкости). |
||
|
|
воздух |
жидк. |
|
|
нагретая |
|
вода |
жидкость |
|
|
пар |
|
|
а) |
б) |
|
|
|
пар |
|
|
вода + конденсат |
неконденсир.газы |
|
|
вода |
К вакуум- |
|
|
воздух |
|
|
насосу |
|
|
|
|
|
ловушка |
|
|
|
вода |
|
|
форсунки |
|
|
вода |
|
|
вода |
4.2.3. Методика расчета теплообменника
Под расчетом понимают определение основных размеров аппарата и характеристик процесса.
Расчет теплообмена производится в следующей последовательности: - выбор конструкции ТО,
-тепловой расчет ТО,
-гидравлический ТО,
-технико-экономический расчет ТО,
-анализ полученных результатов и выбор оптимального варианта.
Выбор конструкции ТО производят на основе технического задания на проектирование, которое включает расход, начальную и конечную температуры, давление теплоносителей, возможные ограничения по потерям давления в ТО.
Предположим, выбрали рекуперативный кожухотрубчатый ТО.
4.2.3.1. Тепловой расчет ТО
Различают проектный и поверочный расчеты теплообменников.
Цель проектного расчета – определение необходимой площади F и режима работы теплообменника для обеспечения заданного переноса теплоты от одного теплоносителя к другому.
Цель поверочного расчета – определение количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей в данном теплообменнике с заданной площадью F при заданных условиях его работы.
Основы расчетов: уравнения теплопередачи и тепловых балансов.
Проектный расчет теплообменников
Задано: расход, Т к ,Т н одного из теплоносителей, Т н другого теплоносителя.
Расход тепла Q определяется по основному уравнению теплопередачи:
|
|
|
|
|
|
Q K F Tср |
(4.84) |
тепловой баланс можно записать следующим образом: |
|
||
|
|
|
|
Q L1 (H1 H1 ) L2 (H2 2 ) |
(4.85) |
||
Здесь 
1,2 -расходы теплоносителей; Н1н , Н1к начальная и конечная энтальпии более нагретого теплоносителя; Н 2к , Н 2н конечная и начальная энтальпии менее нагретого теплоносителя.
В уравнение (4.85) два неизвестных 
2 и Н2к. Необходимо задаваться одной из величин. Задаемся Н2к. Тогда из(4.85) определяется 
2.
Если теплоносители не меняют своего агрегатного состояния, то:
НС Т
С– теплоемкость теплоносителя при Т ср .
Температура Т ср находится как среднеарифметическое:
Ticp 0.5(Ti Ti ) |
(i 1,2) |
Среднюю движущую силу Tcp определяют как среднелогарифмическую:Т Т
Т ср б T м (4.86)
б
ln( Тм )
Формула справедлива для модели идеального вытеснения.
Если один из теплоносителей меняет фазовое состояние, например, происходит конденсация пара, тогда имеем:
|
|
|
Q L1(H Ï |
H K ) L2 (H2K H1H ) |
|
(4.87)
Здесь НП , НК – энтальпии пара и конденсата соответственно.
|
Т |
|
|
|
Тб |
|
Т м |
||
Т |
к |
|||
Т |
н |
|||
|
|
Тм |
||
|
|
F |
|
|
T |
Т |
|
|
|
Т б |
F |
F |
прямоток |
противоток |
противоток при |
|
конденсации пара |
|||
|
|
||
|
Рис.4.31. К определению Тср |
|