Теплообменные аппараты

1. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ.
1. . КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

 

Теплообменными аппаратами называются устройства, в которых  осуществляется процесс передачи теплоты  от одного теплоносителя к другому.

По принципу действия теплообменные  аппараты (теплообменники) могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Особое место занимают теплообменники с внутренними источниками энергии: электронагреватели, реакторы и др. [1].

Рекуперативными называются теплообменники, в которых горячая и холодная среды обтекают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой (котлы, подогреватели, испарители, конденсаторы и др.). Процесс теплопередачи при этом протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер.

Регенеративными называются теплообменники, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячим, то холодным теплоносителем. В период контакта стенки с горячим теплоносителем стенка нагревается, а в период подачи холодной среды охлаждается, нагревая среду за счет аккумулированной теплоты. К таким аппаратам относятся воздухоподогреватели газотурбинных установок, мартеновских и доменных печей.

Смесительные теплообменники предназначены для осуществления тепло- и массообменных процессов при непосредственном соприкосновении теплоносителей. К таким теплообменным аппаратам относятся оросительные полые, насадочные и барботажные аппараты.

Наибольшее применение в промышленности находят рекуперативные теплообменники, которые по взаимному направлению  движения теплоносителей разделяют на прямоточные теплообменники, противоточные теплообменники и теплообменники с перекрестным или смешанным током.

По принципу взаимодействия теплоносителей различают системы жидкость –  жидкость, пар – жидкость, газ  – жидкость, пар – пар, пар – газ и газ – газ.

По конструктивным признакам рекуперативные теплообменники подразделяются на змеевиковые, оросительные, труба в трубе, кожухотрубчатые, спиральные, пластинчатые и специальные.

Независимо от устройства и принципа работы теплообменные аппараты должны обеспечивать высокую надежность при длительной эксплуатации, возможность очистки и промывки внутренних поверхностей, высокий коэффициент теплопередачи при приемлемом гидравлическом сопротивлении трактов, высокие технико-экономические показатели по расходу металла и технологии изготовления, транспортабельность к месту монтажа, удобство обслуживания и предъявляемые требования охраны труда.

 

2. РАСЧЕТЫ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ.

 

Расчеты теплообменных  аппаратов разделяют на два вида: конструкторский и поверочный.

Конструкторский расчет проводится, когда по технологическим требованиям необходимо разработать новый вариант аппарата, еще не выпускаемого промышленностью. При этом должны быть указаны его тепловая нагрузка, расходы и параметры теплоносителей, механические, теплофизические и коррозионно-стойкие свойства материалов, а также другие сведения, необходимые для проектирования аппарата. Конструкторский расчет включает тепловой, гидравлический, механический и другие расчеты, определяющие геометрические размеры аппарата и его технико-экономические показатели.

Результатом теплового расчета  является рабочая поверхность теплообмена  , определяемая на основе уравнения теплопередачи

      (1.1)

где k – коэффициент теплопередачи, ;

 – средний температурный  напор,  .

Тепловая нагрузка теплообменника , определяется уравнениями теплового баланса

;      (1.2)

;      (1.3)

где и – расходы соответственно горячего и холодного теплоносителя, ;

и – изменения энтальпий теплоносителей в процессе теплообмена, ;

– коэффициент, учитывающий потери теплоты, может быть принят в пределах 0,97 – 0,99.

Изменение энтальпии  какого-либо теплоносителя, не претерпевающего в теплообменнике фазовых превращений, обычно определяется по уравнению

,     (1.4)

где – средняя изобарная теплоемкость теплоносителя, ;

 и t” – начальная и конечная температуры, .

В случае изменения агрегатного  состояния теплоносителя при  определении  учитывается скрытая теплота парообразования.

Коэффициент теплопередачи, , с учетом загрязнения поверхностей теплообмена может быть определен по уравнению

,    (1.5)

где , , – термические сопротивления загрязняющего слоя с каждой стороны стенки и самой стенки, ;

л – теплопроводность материала  стенки, ;

д – толщина стенки, .

 – коэффициенты теплопередачи.

Значения термических сопротивлений различных отложений на стенках теплообменников приведены в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1. Ориентировочные  термические сопротивления различных  загрязнений на стенках теплообменников

Теплоносители и загрязнения	,
Пары:
воды	0,0009
органических жидкостей	0,00011
хладагентов (фреонов)	0,00010
Жидкости:
вода речная	0,00017—0,00035
вода оборотная	0,00018—0,00023
вода морская	0,00021—0,00053
органические жидкости	0,00020—0,00035
нефть	0,00029
масла	0,00035
мазут	0,00050
Загрязнения в виде твердых  веществ (при толщине слоя ):
накипь	0,00033
ржавчина	0,00050
гипс	0,00083
известь	0,00042

 

Числовые значения коэффициентов  теплоотдачи  и , , которые чаще всего определяют по соответствующим критериальным уравнениям.

На процесс теплоотдачи  оказывают влияние режим движения теплоносителя и его теплофизические  свойства. Температуры теплоносителей по сечению и по длине каналов являются переменными, следовательно, переменными будут и их теплофизические характеристики: плотность, вязкость, теплопроводность и т. п. Температура, при которой определяются значения теплофизических параметров, называется определяющей.

Скорость жидкостей, обычно реализуемая  в каналах теплообменников  зависит от коэффициента динамической вязкости и может быть выбрана  в соответствии с рекомендациями [2]:

 

	1,5	0,5-1,0	0,1-0,5	0,035-0,1	0,001-0,035	0,001
	0,6	0,75	0,85	1,5	1,8	2,4

 

Целесообразные значения скорости газов и паров в теплообменниках  определяются их молекулярной массой и рабочим давлением (табл. 1.2). Ориентировочные  значения коэффициентов теплопередачи  в теплообменниках приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.2. Допустимые скорости газов и паров в теплообменниках [3],

 

Давление в корпусе  аппарата, МПа	значения молекулярной массы
	18	29	44	100	200	400
0,17	36	25	21	15	12	10,5
0,45	18	15	12	9	7	6
0,80	15	12	9	7	5,5	5
3,6	10	8,5	6	5	4	3,5
7,0	9	7,5	5	4	−	−

 

Таблица 1.3. Коэффициенты теплопередачи в теплообменниках  со стальной поверхностью теплообмена [4]

 

Теплоноситель
Воздух – воздух	5 – 25
Воздух – вода	10 – 40
Воздух – конденсирующий пар	15 – 50
Вода – вода	150 – 1000
Вода – конденсирующий пар	1000 – 2000
Конденсирующий пар  – кипящая вода	1500 – 3000
Конденсирующий пар  – масло	300 – 500

 

Температурный напор  в теплообменниках составляет среднюю  разность температур теплоносителей и является движущей силой процесса теплообмена. В зависимости от схемы движения теплоносителей в аппарате (рис. 1.1)  различают прямоток или противоток.

 

Рис. 1.1. Схемы  теплообмена при прямотоке (а), противотоке (б) и изменении агрегатного состояния одного теплоносителя (в)

 

Средний температурный  напор рассчитывают по формулам:

 

если  ;

   (1.6)

если 

;    (1.7)

 

Более точной является формула (1.7). При перекрестном и смешанном токе средняя разность температур определяется по формуле

,      (1.8)

где – средний температурный напор, определяемый по формулам (1.6) или (1.7),

 – поправочный коэффициент,  определяемый из графиков рис  1.2.

 

Рис. 1.2. Графики  для определения поправочного коэффициента

для сложных схем теплообменников

 

Для нахождения значения необходимо предварительно рассчитывать значения Р и R. Величина Р показывает отношение величины нагрева холодного теплоносителя к максимально возможному перепаду температур:

     (1.9)

Величина R показывает отношение величины охлаждения горячего теплоносителя к величине нагрева холодного:

      (1.10)

В исследованиях процессов  теплообмена в аппаратах, где  применяют жидкие теплоносители, используют водяные эквиваленты  . При отсутствии тепловых потерь в окружающую среду отношение водяных эквивалентов теплоносителей соответствует

     (1.11)

Из уравнений (1.1) и (1.2) с учетом (1.11) находим:

      (1.12)

Величину  называют числом единиц переноса.

В теплообменных аппаратах, работающих без изменения агрегатного состояния  теплоносителей, противоток дает большее  значение среднего температурного напора по сравнению с любой другой схемой движения теплоносителей. Прямоточная схема движения теплоносителей имеет наименьшее значение среднего температурного напора. Для оценки преимущества схем теплообмена при прямотоке и противотоке в равных условиях были проведены [5]  исследования зависимости.

,

где , ––  тепловая нагрузка теплообменника при прямоте и противотоке.

На рис. 1.3 показано сравнение в  широком диапазоне соотношений  и . Установлено, что при равных условиях теплообмена прямоточные схемы могут быть равноценными только при очень больших и очень малых значениях или очень малых значениях . При всех других равных условиях при прямотоке передается теплоты меньше, чем при противотоке. Поэтому при проектировании теплообменников рекомендуется применять противоточную схему движения теплоносителей.

 

Рис. 1.3. Графики сравнения прямотока  и противотока

Температуру стенки определяют при расчетах коэффициентов теплоотдачи, тепловой изоляции и в случае многослойной теплообменной стенки, когда необходимо знать температуру на границах отдельных слоев.

В теплообменных аппаратах температуру  поверхности стенки определяют по упрошенным формулам:

для внутренней поверхности стенки

,     (1.13)

      (1.14)

для наружной поверхности  стенки

,     (1.15)

      (1.16)

где:  , –– коэффициенты теплоотдачи соответственно с внутренней и наружной стороны при условии ; q –– плотность теплового потока,

равная  ; ; ;

 

Гидродинамический расчет включает в себя определение суммарного сопротивления движению теплоносителя в каналах теплообменников, которое состоит из сопротивления трения о стенки каналов и местных сопротивлений , возникающих при изменении сечения канала и при входе и выходе теплоносителя из аппарата: