Методички для специальности "Машины и аппараты..." / Калишук_ПиАХТ_Ч

Для получения более низких температур может быть использован жидкий

Температуры кипения приведены для атмосферного давления.

Лекция 33

Теплообменные аппараты Теплообменники. Их классификация.

Теплообменники делят по способу передачи тепла на поверхностные и смешения. Поверхностным теплообменникам характерно то, что тепло в них от одного теплоносителя к другому передаѐтся через твѐрдую, разделяющую теплоносители стенку. В теплообменниках смешения тепло передаѐтся от теплоносителя к другому при непосредственном их контакте.

Среди теплообменников смешения выделяют регенеративные. Они представляют собой массивные сооружения – аккумуляторы тепла, с каналами для прохода теплоносителей. Теплоносители через регенераторы пропускают попеременно. Генераторы, как и поверхностные теплоообменники, применяются, если недопустимо смешение теплоносителей. Однако эксплуатируются в чрезвычайно жѐстких температурных условиях, при очень высоких температурах отдающего теплоносителя.

По назначению теплообменники делят на теплообменники (подогреватели), холодильники, испарители, конденсаторы.

Наиболее широко деление по конструктивному признаку. Из поверхностных теплообменников наиболее распространены трубчатые, тепловые рубашки, пластинчатые, спиральные. В свою очередь каждый конструктивный класс можно разделить на подклассы, группы. Например трубчатые могут быть кожухотрубчатыми, двухтрубными, змеевиковыми и т. д. Кожухотрубчатые могут быть одно- и многоходовыми, с жѐстким закреплением труб, с U-образными трубами, с плавающей головой и т. д.

Теплообменники изготавливают из различных материалов, в основном из металлов, т. к. использование металла позволяет при высокой теплопроводности обеспечить достаточную механическую, коррозионную и термическую стойкость конструкции. Из других материалов, применяемых для изготовления теплообменников, отметим пластмассы, керамику, стекло, графит.

Теплообменники можно также классифицировать по роду теплоносителей: с газовыми, жидкими, паровыми, твѐрдыми.

Конструкции теплообменников

Кожухотрубчатые теплообменники являются наиболее распространѐнными среди трубчатых. При относительной простоте конструкции они обладают достаточно большой удельной поверхностью теплообмена.

Конструкцию и принцип действия кожухотрубчатых теплообменников рассмотрим на примере одноходового теплообменника с неподвижными трубными решѐтками (см. рис.).

Теплообменник состоит из цилиндрического корпуса (кожуха) 1 с установленными на торцах его трубными решѐтками 2 и штуцерами 3 и 4, выполненными на цилиндрической части. В отверстиях трубных решѐток своими концами закреплены трубы 5 (трубный пучок). Узел, включающий кожух, трубные доски и трубный пучок называют трубчаткой. Трубчатка с торцов закрыта крышками 6 с штуцерами 7 и 8. Полость между крышкой и трубной доской называют распределительной камерой. Трубное пространство теплообменника образует внутренний объѐм трубного пучка и распределительные камеры, межтрубное – объѐм, заключѐнный между кожухом, трубными досками и наружной поверхностью труб. Один из теплоносителей подают в трубное пространство, второй – в межтрубное, проходя через теплообменник, горячий теплоноситель отдаѐт тепло холодному через стенки труб.

В многоходовых теплообменниках за счѐт секционирования потоков теплоносителей при меньших расходах теплоносителей по сравнению с одноходовыми удаѐтся достичь интенсивной их турбулентности и увеличения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи. Многоходовыми теплообменники могут быть как по трубному, так и по межтрубному пространствах, так и по обоим пространствам одновременно. Трубное пространство секционируют за счѐт установки перегородок 1 в распределительных камерах, межтрубное пространство

– за счѐт установки поперечных перегородок 2 в нѐм, обычно сегментных (см. рисунок).

За счѐт интенсификации теплообмена многоходовые теплообменники компактнее одноходовых. Однако они сложнее, дороже, у них больше гидравлическое сопротивление, в них нельзя осуществить чистый противоток теплоносителей.

Трубы в трубных решѐтках размещают чаще всего по вершинам равностороннего треугольника (шахматное расположение), реже по сторонам квадрата (корридорно) или по концентрическим окружностям (см. рис.).

Размещение труб: а – по вершинам равностороннего треугольника; б – по вершинам квадрата; в – по концентрическим окружностям.

Закреплляют трубы в трубных решѐтках развальцовкой (см. рис.), развальцовкой с подваркой , сваркой, пайкой и т. д.

Закрепление труб в трубных досках: а – развальцовка; б – сварка.

При работе кожух и трубы теплообменника имеют различные температуры, кроме того они могут быть изготовлены из различных материалов. Поэтому, испытывая различные по величине линейные расширения, они подвергаются воздействию температурных напряжений, возрастающих с увеличением разности температур теплоносителей. Температурные напряжения могут вызвать разрушения труб, кожуха теплообменника. Для частичной компенсации температурных напряжений либо их устранения изменяют конструкцию отдельных узлов теплообменников.

Неподвижное закрепление труб применяют при перепадах температур теплоносителей, не превышающих 50 . При перепадах температур 50 – 100 используют теплообменники с линзовыми компенсаторами (см. рис.)

Линзовый компенсатор 1 представляет гибкую вставку в кожухе теплообменника. Она способна под действием сравнительно небольших усилий

сжиматься и растягиваться. Т. о. на трубный пучок, кожух, трубные доски усилия действуют за счѐт температурных расширений небольшие.

При перепадах температур теплоносителей свыше 100 используют теплообменники с плавающей головой или с U-образными трубами. В таком случае трубный пучок жѐстко связан лишь с одной трубной доской, крепящейся к корпусу (см. рис.) Трубы могут свободно перемещаться относительно корпуса. Теплообменник с U-образными трубами двухходовые по трубному пространству,

сплавающей головой – 2, 4и 6 – ходовые. Плавающая голова представляет собой трубную доску с крышкой меньшего диаметра, чем кожух.

Втеплообменниках с U-образными трубами и плавающей головой межтрубное пространство легкодоступно для очистки. Трубное пространство теплообменника с U-образными трубами чистить довольно сложно. Поэтому их нежелательно использовать с загрязнѐнными механическими теплоносителями, направляемыми в трубное пространство. Однако они надѐжнее при работе с сильно агрессивными, имеющими высокое давление и температуру сгорания.

Обозначения теплообменников: 1) и – испаритель; К – конденсатор; Х – холодильник; Т – теплообменник; 2) Н – с неподвижным закреплением труб; К – с линзовым компенсатором; Y – с U-образными трубами; П – с плавающей головой; 3) В – вертикальный; Г – горизонтальный. Например ККВ – конденсатор

слинзовым компрессором вертикальный.

Холодильники, теплообменники и конденсаторы устанавливают вертикально и горизонтально. В вертикальных испарителях жидкость кипит в трубах, в горизонтальных – в межтрубном пространстве. Аппараты исполнения П используют в основном, если оба теплоносителя включают механические примеси либо вызывают другие отложения. Загрязнѐнный теплоноситель подают в трубное пространство аппаратов исполнения Н и К, в межтрубное пространство – исполнения Y.

Крепления труб с двойными трубами (трубками Фильда)

Для небольших расходов теплоносителей при небольших поверхностях теплообмена используют теплообменники “труба в трубе” (двухтрубные).

Секция такого теплообменника (см. схему) состоит из внутренней трубы 1 и внешней трубы 2 со штуцерами 3 и 4 для вдоха и выхода теплоносителя. Секции соединяют между собой калачами 5. Таким образом теплообменник может включать свой состав несколько секций.

При работе теплообменника один из теплоносителей движется внутри трубы меньшего диаметра, другой – по кольцевому пространству между трубами.

Трубными теплообменниками являются также змеевиковый, с двойными трубами кожухотрубчатый, оросительный, оребрѐнные. Высоко эффективными теплообменниками для теплообмена между чистыми неагрессивными теплоносителями при умеренных давлениях являются пластинчатые. В них каналы для перехода теплоносителей – зазоры между соседними пластинами, собранными в пакет. Оребряют поверхности теплообмена в теплообменниках (калориферах, АВО) с целью увеличения коэффициента теплопередачи со стороны газового теплоносителя. Тепловые рубашки выполняют на поверхностях емкостных

аппаратов. Существуют также спиральные теплообменники с каналами для прохода теплоносителей между двумя спиральными полосами (змеевиковый, оросительный).

Теплообменники смешения представлены распылительными, барботажными, плѐночными, насадочными и др. аппаратами (пластинчатый калорифер, тепловая рубашка, спиральный барометрический конденсатор).

Порядок расчѐта теплообменника.

Задание на расчѐт теплообменника, как правило, включает: расход теплоносителя, его природу и начальные и конечные параметры (температуры, агрегатное состояние, давление).

Порядок расчѐта следующий

1.По расходу заданного теплоносителя и его параметром определяют тепловую нагрузку Q (составляют тепловой баланс по этому теплоносителю).

2.Выбирают второй теплоноситель и его параметры и по тепловой нагрузке рассчитывают его расход.

3.Выбирают конструкцию теплообменника, для поверхностного теплообменника решают, какой из теплоносителей направить в какие каналы (например, для кожухотрубчатого, в трубное и межтрубное пространство).

4.Для простой схемы движения теплоносителей (прямоток и противоток)

рассматриваемого случая теплообмена.

Если один из теплоносителей движется по каналам теплообменника, не меняя агрегатного состояния, то определяют их поперечное сечение, обеспечивающее турбулентное движение этого теплоносителя. Например, для кожухотрубчатого теплообменника, число труб в одном ходе

трубах, Па·с.

7. По найденной поверхности (и сечению каналов для прохода теплоносителя) по каталогам, стандартам и т. д. выбирают подходящий теплообменник.

На этом ориентировочный расчѐт закончен. При необходимости выполняют точный расчѐт, заключающийся в расчѐте точного значения коэффициента теплопередачи и уточнении поверхности теплообмена. Расчѐт выполняют методом

второго теплоносителей. В данной системе число искомых переменных превышает

средняя температура теплоносителя, у которого температуры меняются в меньшей мере.

,физические свойства теплоносителей берут при этих температурах.

10.Задают значения , например со стороны горячего теплоносителя из

условия

должна быть меньше принятой на 15 – 40%.

Если же по п.16 сходимость не получена, то задаются новым значением и цикл расчѐтов по п. п. 8 – 16 повторяют. Задание значениями и расчѐты ведут

до получения нужной сходимости. Расчѐт можно выполнить графоаналитическим методом за два приближения.

Интенсификация и технико-экономические аспекты теплообменных процессов. Использование вторичных энергоресурсов

Интенсивность теплообмена определяется из основного уравнения теплопередачи

(33.7)

Увеличение поверхности теплообмена является интенсифицирующим фактором в том случае, если не приводит к увеличению размеров аппарата. Увеличение удельной поверхности в поверхностных теплообменниках может быть достигнуто за счѐт уменьшения поперечного сечения каналов для прохода теплоносителя (приводит к росту гидравлического сопротивления, снижению коэффициента теплоотдачи из-за уменьшения турбулентности, к увеличению к чувствительности к загрязнениям), в теплообменниках смешения – за счѐт улучшения диспергирования теплоносителей (ведѐт к росту затрат энергии на диспергирование). Поэтому при проектировании теплообменника должна быть достигнута оптимизация его по указанным параметрам.

снижение температуры холодного теплоносителя. Однако теплоносители с более высокими параметрами дороже, при больших может потребоваться более сложная конструкция теплообменника, кроме того следует учитывать термостабильность второго теплоносителя. Поэтому выигрыш из-за уменьшения поверхности теплообмена может быть перекрыт возрастанием других видов затрат. Увеличить можно также увеличив расход теплоносителя. Но при этом растѐт стоимость его использования. Как указывалось ранее, для теплообмена, протекающего без изменения агрегатного состояния обоих теплоносителей, при

тепловой проводимости стенки. Для увеличения в первую очередь необходимо интенсифицировать теплообмен на той стадии, на которой термическое сопротивление наибольшее. Если лимитирует теплоотдача в одном из теплоносителей, то коэффициент теплоотдачи со стороны его можно увеличить за счѐт увеличения турбулентности и т.д. (см. теплоотдачу). Значительный эффект может дать оребрение поверхности со стороны теплоносителя с меньшим коэффициентом теплоотдачи. Для уменьшения термического сопротивления стенки важную роль играют выбор материала еѐ (с высокой теплопроводностью, достаточно дешѐвого, стойкого, неадгезионного), конструкции теплообменника и режимов движения теплоносителя в нѐм (они должны быть такими, чтобы отложения загрязнений были минимальны), регулярная чистка.

В связи с истощением источников топливных ресурсов, а также с загрязнением продуктами сгорания их окружающей среды важнейшую роль

играют вопросы энергосбережения, в т. ч. использования вторичных энергоресурсов (ВЭР). ВЭР, как правило, обладают низкими температурами, потенциалом. Поэтому их использование требует значительных, больших, чем при использовании первичных теплоносителей, капитальных затрат.

В качестве примеров использования ВЭР можно привести подогрев воздуха (окислителя) перед топкой отработанными топочными газами, отопление помещений и т. д.

Лекция 34,35

Выпаривание

Выпаривание – процесс концентрирования жидких растворов нелетучих или малолетучих веществ, растворѐнных в летучих растворителях, осуществляемый путѐм частичного испарения растворителя при кипении раствора.

Выпариванию подвергают растворы солей, щелочей, высококипящих жидкостей и применяют для получения чистых растворителей (опреснение воды) либо растворѐнных веществ. В последнем случае после выпаривания концентрированный раствор обычно подвергают кристаллизации.

Выпаривание – теплообменный процесс. В качестве нагревающего агента при выпаривании применяют чаще всего насыщенный водяной пар (первичный пар). В некоторых случаях для нагрева используют нагретый газ, электроэнергию и т. д.

Пар, получаемый при испарении растворителя, называют вторичным. Выпаривание проводят при различных давлениях: под вакуумом,

атмосферным и избыточным. Использование вакуума позволяет проводить процесс при пониженных температурах, увеличивать разность температур теплоносителей, что необходимо для работы с термочувствительными растворами. При выпаривании под избыточным давлением вторичный пар имеет повышенную температуру, поэтому его удобнее использовать в качестве греющего агента, например, для обогрева выпарного аппарата, работающего под меньшим давлением

Выпаривание проводят в однокорпусных и многокорпусных выпарных установках, принцип действия их может быть непрерывный и периодический. Процесс может осуществляться за один проход через аппарат и при наличии циркуляции.

Материальный баланс выпарного аппарата

На рисунке представлена схема вертикального трубчатого выпарного аппарата с естественной циркуляцией раствора. Греющая камера 1 представляет трубчатку теплообменника, в трубах которой находится раствор, в межтрубном пространстве – греющий агент (первичный пар). Для разделения парожидкостной смеси над трубчаткой установлен сепаратор 2.

Циркуляция раствора осуществляется за счѐт разности плотностей раствора в трубах (кипятильных) 4 и циркуляционной трубе 3, т. к. нагрев раствора в них неодинаков.

Расход вторичного пара связан с концентрациями

Температура кипения раствора. Депрессии

Температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя на величину температурных потерь (депрессий). Различают

Температура кипения растворителя соответствует температуре вторичного пара

растворѐнного вещества, концентрации) и давления над ним. Значение растѐт с ростом концентрации.

Если известны температуры кипения раствора и растворителя при каком-то давлении, то можно рассчитать температуру кипения этого же раствора, температурную депрессию для другого давления. Для указанных расчѐтов наиболее часто используют формулу Тищенко и правило Бабо.

где Т - температура кипения растворителя при заданном давлении, К; r – удельная теплота парообразования растворителя при этом же давлении, кДж/кг; температурная депрессия для раствора заданного состава при кипении его под атмосферным давлением, К.

Правило Бабо устанавливает, что относительное понижение давления пара над кипящим раствором заданного состава есть величина постоянная, т. е.

эндотермическом.

При расчѐтах температурной депрессии определяющей концентрацией является:

1)конечная в аппаратах с циркуляцией раствора, т.к. они являются аппаратами идеального смешения и в целом по аппарату концентрация близка к конечной;

2)средняя (среднее арифметическое начальной и конечной) в аппаратах, в которых выпаривание осуществляется за один проход раствора (прямоточных, плѐночных).

Гидростатическая депрессия разность температур кипения раствора в слое и на поверхности его. В данном случае повышение температуры кипения обусловлено дополнительным давлением – давлением столба растворов. На различных глубинах она различна и увеличивается с увеличением глубины

паросодержание кипящего раствора (рассчитывают по специальным методикам).

Гидростатическую депрессию учитывают при определении температуры кипения раствора в аппаратах с естественной циркуляцией и кипением в зоне нагрева. Для аппаратов с вынужденной циркуляцией и вынесенной зоной кипения она несвойственна. В плѐночных аппаратах, как правило, отсутствует столб

над поверхностью кипения и над поверхностью конденсации. Она обусловлена гидравлическим сопротивлением, которое испытывает вторичный пар при движении по сепаратору выпарного аппарата, по паропроводам. При выпаривании под избыточным, атмосферным и близким к атмосферному пониженным давлениях она невелика и не превышает 1 – 1,5 К. Для еѐ расчѐта необходимо провести расчѐт гидравлического сопротивления проходу вторичного пара.

Подытожив, можно записать, что температура кипения раствора

(34.10)

Тепловой баланс выпарного аппарата

Для его рассмотрения обратимся к ранее приведѐнной схеме.

температуры исходного раствора, упаренного раствора (кипения раствора),

растворов, вторичного и первичного пара и конденсата первичного пара

Приход тепла с исходным раствором и с греющим паром составляет соответственно

(34.11)

Расход тепла с упаренным раствором, конденсатом греющего пара, вторичным паром, связанный с потерями и концентрированием

Тепло концентрирования учитывают при значительном изменении концентрации и большой удельной теплоте концентрирования. Тепловые потери обычно составляют 3 – 5% от количества тепла, используемого на подогрев