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 <#"justify">При конструировании следует обоснованно решать вопрос о направлении теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. Например, теплоносители, загрязненные и находящиеся под давлением, обычно направляют в трубное пространство. Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче удалить конденсат. Чистка трубного пространства (в котором вероятнее всего будут выпадать загрязнения) легче, а живое сечение для прохода теплоносителя меньше. Вследствие этого в трубном пространстве можно обеспечить теплоносителю более высокие скорости и, следовательно, более высокие коэффициенты теплоотдачи [1].

1.1Ребристые трубчатые теплообменники

Ребристые трубчатые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром или водой воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер. В дополнение к компактности и малой массе эти теплообменники имеют и другие преимущества. Конструкции позволяют использовать многоходовое течение теплоносителя в одноходовом теплообменнике.

Ребристые трубчатые теплообменники наиболее эффективны в условиях, когда коэффициенты теплопередачи по обеим сторонам стенки значительно различаются.

При охлаждении, например, горячего воздуха холодной водой (воздухоохладитель <#"justify">Такие аппараты достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве, применяемые в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, обозначаются индексами и классифицируются:

по назначению (первая буква индекса): Т - теплообменники; Х - холодильники; К - конденсаторы; И - испарители;

по конструкции (вторая буква индекса): Н - с неподвижными трубными решетками; К - с температурным компенсатором на кожухе; П - с плавающей головкой; У - с U-образными трубами; ПК - с плавающей головкой и компенсатором на ней;

по расположению (третья буква индекса): Г - горизонтальные; В - вертикальные [1].

теплообменный трубный кожух пластинчатый

1.2.1 Теплообменники с неподвижными трубными решетками

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники - для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред. Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников - также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали. Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рисунке 1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные, трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3.Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены фланцами.

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 <#"383" src="doc_zip7.jpg" />

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 <#"196" src="doc_zip9.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??2 =0,4722?781,525 =369,036 кг/с

где ?2=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.

Критерий Прандтля для этанола при 29°С:

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.