Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Теплообменные аппараты поверхностного типа

Основные понятия.

Теплообменный аппарат - устройство для передачи теплоты от одних тел к другим.

Теплоноситель - тело, участвующее в теплообмене.

В теплообменных аппаратах могут происходить процессы нагрева, испарения, кипения, конденсации и т.д. Число теплоносителей может быть равно двум и более. Передача теплоты может осуществляться от одного теплоносителя к нескольким теплоносителям и наоборот.

В зависимости от технологического назначения теплообменники могут называться подогревателями, испарителями, конденсаторами, паропреобразователями и т.д.

По конструктивным признакам теплообменники делятся на 2 группы:

1) теплообменные аппараты поверхностного типа;

2) смесительные теплообменные аппараты.

В поверхностных теплообменниках каждый теплоноситель ограничен твердой поверхностью, которая полностью или частично участвует в теплообмене.

Поверхность нагрева (поверхность теплообмена) - поверхность, участвующая в теплообмене.

Поверхностные теплообменники делятся на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты осуществляется от горячего теплоносителя к холодному через стенку разделяющую их. Тепловой поток направлен от горячего теплоносителя к холодному. Рекуперативные аппараты - аппараты непрерывного действия.(аппараты, в кот. теплообменивающиеся потоки разделены поверхностью теплообмена. Тепловой поток обычно постоянен и перпендикулярен движению теплоносителя, условия теплообмена чаще всего стационарны.

Регенеративные аппараты - аппараты периодического действия и работают циклами, т.е (аппараты, в кот. теплообменивающиеся потоки попеременно омывают одну и ту же поверхность и массу насадки, аккумулирующую и отдающую теплоту)

Цикл включает в себя два периода:

через аппарат пропускают горячий теплоноситель. От горячего теплоносителя теплота передается поверхности стенки, стенка аккумулирует теплоту и нагревается;

2) через теплообменник пропускают холодный теплоноситель, разогретая стенка отдает теплоту холодному теплоносителю, стенка охлаждается, холодный теплоноситель нагревается.

Смесительные теплообменные аппараты - аппараты, в которых нет стенки, разделяющей теплоносители. В этих теплообменниках происходит непосредственное смешение горячего и холодного теплоносителя.

Т.о ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ- Устройство для передачи тепла от нагретого (жидкого или газообразного) теплоносителя более холодному. Примером может служить аппарат для пастеризации молока, в котором холодное молоко нагревается горячей водой, протекающей по внутренним трубам. Классификация.

Классификация теплообменных аппаратов:

по назначению -- на теплообменники , холодильники , конденсаторы , испарители ;

по конструкции -- на аппараты с неподвижными трубными решетками и аппараты с температурным компенсатором на кожухе .

В теплообменных аппаратах применяются как гладкие трубы , так и трубы с накатными кольцевыми канавками -- диафрагмированные трубы . Аппараты могут эксплуатироваться в районах с умеренным и тропическим климатом.

Существует много разных видов теплообменных аппаратов. В контактных (смесительных) теплообменниках потоки греющего и нагреваемого веществ приводятся в прямой контакт друг с другом. Типичный пример -- струйный конденсатор, в котором разбрызгиваемая вода используется для конденсации водяного пара. В теплообменниках поверхностного типа теплоноситель и нагреваемая среда разделяются тонкой стенкой. Часть поверхности стенки, соприкасающаяся с греющим и нагреваемым потоками, называется поверхностью теплообмена. Примером теплообменника поверхностного типа может служить автомобильный радиатор, в котором вода системы охлаждения двигателя и более холодный атмосферный воздух находятся по разные стороны стенок решетки из тонких медных или латунных радиаторных трубок. В жаротрубных теплообменниках в результате сгорания топлива образуется поток горячих газов, как, например, в паровых котлах и бытовых котлах водяного отопления с топочным устройством. Дальнейшая классификация теплообменных аппаратов основана на различиях их конструкции. На рис. 1 представлен часто встречающийся теплообменник кожухотрубного типа. Широко распространены также теплообменники с развитой поверхностью (пластинчатые, или ребристые). В них за счет применения поперечных ребер (рис. 2) достигается значительное увеличение площади поверхности теплообмена. Отношение площадей поверхности ребер и неоребренной части труб может достигать 10. Правда, поверхность ребер менее эффективна в отношении теплопередачи, нежели собственная поверхность труб. И все же правильно спроектированный ребристый теплообменник более компактен, чем теплообменник без оребрения труб, т.е. при одинаковых рабочих условиях у него более высокая интенсивность теплопередачи, приходящаяся на единицу объема. Поперечные ребра теплообменника, показанного на рис. 2, припаиваются к трубам твердым или мягким припоем.

Интенсивность теплопередачи.

Теплообменники имеют конструктивные особенности в зависимости от назначения, от направления движения рабочих сред, от компоновки теплообменной поверхности, градиента температур теплоносителей, материала из которого изготовлен аппарат, от конфигурации теплообменной поверхности. Требования к промышленным теплообменным аппаратам в зависимости от конкретных условий применения весьма разнообразны. Основными требованиями являются: обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении; компактность и наименьший расход материала; надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки ев от загрязнений; унификация узлов и деталей; технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т.д.

При создании новых, более эффективных теплообменных аппаратов стремятся: уменьшить удельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемой при работе энергии по сравнению с теми же показателями существующих теплообменников. Удельными затратами для теплообменных аппаратов называются затраты, отнесенные к тепловой производительности в заданных условиях.

Интенсивностью процесса или удельной тепловой производительностью теплообменного аппарата называется количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме.

Интенсивность процесса теплообмена характеризуется коэффициентом теплопередачи К. На интенсивность и эффективность влияют также форма поверхности теплообмена; эквивалентный диаметр и компоновка каналов, обеспечивающие оптимальные скорости движения сред; средний температурный напор; наличие турбулизирующих элементов в каналах; оребрение и т.д. Кроме конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена существуют режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и ре жима течения жидкости у поверхности теплообмена. Режимные методы включают: подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульсаций потоков, вдувание газа в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложение электрических или магнитных полей на поток, предотвращение загрязнений поверхности теплообмена путем сильной турбулизации потока и т.д.

Интенсивность теплопередачи (тепловой поток) пропорциональна разности температур греющего и нагреваемого веществ. Кроме того, она зависит от термического сопротивления пленок рабочих тел, находящихся в контакте с поверхностью теплообмена, и термического сопротивления стенки. Вследствие образования твердых отложений на поверхностях теплообменника (накипи) термическое сопротивление возрастает. Если термические сопротивления берутся в расчете на единицу площади поверхности теплообмена, то полная интенсивность теплопередачи пропорциональна также площади теплообмена в теплообменнике. Все сказанное выражается следующим уравнением теплопередачи: где q -- тепловая мощность теплообменника, Вт; A -- площадь поверхности теплообмена, м²; Dt -- средний температурный напор, т.е. средняя разность температур теплоносителя и нагреваемой среды, К; R -- полное термическое сопротивление, учитывающее все указанные выше его слагаемые, м²ЧК/Вт; U -- полный коэффициент теплопередачи (величина, обратная R), Вт/(м²·К). Поскольку величина U отнесена к площади A, при ее определении необходимо указывать соответствующую площадь поверхности теплообмена (например, в случае ребристых теплообменников -- площадь только неоребренной поверхности труб или полную площадь поверхности теплообмена с учетом ребер). При заданных температурах греющего и нагреваемого потоков на входе и выходе теплообменника средний температурный напор Dt максимален в противоточных теплообменниках, т.е. таких, в которых два потока направлены навстречу друг другу. В прямоточных же теплообменниках, в которых потоки направлены в одну сторону, величина Dt минимальна. Возможна еще и перекрестная схема тока (рис. 2). Во многих теплообменниках обычных типов встречаются все три основные схемы тока, как, например, на рис. 1, где перекрестная схема тока сочетается с прямоточной и противоточной. В случае достаточно чистых поверхностей теплообмена полное термическое сопротивление R зависит в основном от скоростей течения у поверхности теплообмена, а также от плотности, вязкости, коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости теплоносителя и нагреваемой среды. В некоторых случаях термическое сопротивление пленки одной из рабочих сред намного меньше, чем термическое сопротивление другой. Поскольку же эти термические сопротивления <включены> последовательно, полное термическое сопротивление определяется большей компонентой. Так обстоит дело, например, в секции экономайзера парового котла, где полное термическое сопротивление определяется сопротивлением пленки газа, поскольку сопротивление на стороне воды сравнительно невелико. Это обстоятельство позволяет существенно уменьшить объем экономайзера, если применить оребрение труб на стороне того теплоносителя, термическим сопротивлением которого определяется полная интенсивность теплопередачи. Ребристые экономайзеры применяются во многих силовых установках судов торгового и военно-морского флота.

Виды расчета теплообменных аппаратов поверхностного типа.

Различают 2 вида расчета теплообменных аппаратов поверхностного типа:

1. При расчете заданы: теплопроизводительность аппарата, вид теплоносителей, начальные и конечные параметры теплоносителя.

Задача: определить поверхность теплообмена и конструктивные размеры аппарата.

Такой расчет выполняется для вновь проектируемых теплообменников.

2. Заданы: поверхность теплообмена и конструктивные размеры аппарата, вид теплоносителей и их начальные параметры.

Цель: определить теплопроизводительность агрегата и конечные параметры теплоносителей.

Такой расчет называется поверочным расчетом существующих теплообменников.

Тепловой расчет теплообменного аппарата поверхностного типа.

Цель: определить поверхность теплообмена и конструктивные размеры аппарата.

Расчет основан на использовании уравнения тепловых балансов и теплопередач.

1. Если теплоносители не изменяют своего агрегатного состояния, то уравнение теплового баланса будет иметь вид:

G₁ - расход горячего теплоносителя;

G₂ - расход холодного теплоносителя;

Т₁^', Т₁^'' - температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из аппарата;

с₁ - средняя теплоемкость горячего теплоносителя;

Т₂^', Т₂^'' - температуры холодного теплоносителя на входе и выходе из аппарата;

с₂ - средняя теплоемкость холодного теплоносителя;

з - коэффициент, учитывающий тепловые потери;

Q - теплопроизводительность аппарата.

2. Если один из теплоносителей в теплообменнике меняет агрегатное состояние, то уравнение баланса имеет вид:

D₁ - расход пара;

h₁ - теплосодержание пара на входе;

h_к - теплосодержание конденсата на выходе.

3. Оба теплоносителя меняют свое агрегатное состояние:

D₂ - расход пара при испарении холодной воды;

h₂ - теплосодержание пара на выходе;

h_пв - теплосодержание питательной воды.

Для определения необходимой поверхности теплообмена записывается уравнение теплопередачи:

Чтобы найти F нужно знать средний температурный напор ДТ и коэффициент теплопередачи k.

Средний температурный напор:

теплообменник поверхностный теплоноситель смесительный

ДТ - зависит от характера движение теплоносителя (прямоток, противоток) и от водяных эквивалентов (w₁ и w₂) теплоносителей.

Рассмотрим изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена в зависимости от характера движения теплоносителя:

При противотоке и при условии равенства водяных эквивалентов нельзя пользоваться формулой:

Так как зависимости изменения температур вдоль поверхности являются параллельными прямыми:

Также формулой пользоваться нельзя, когда водяные эквиваленты непостоянны. В этом случае вся поверхность теплообмена делится на несколько зон, в пределах каждой зоны определяют усредненные постоянные значения водяных эквивалентов и для каждой зоны - средний температурный напор ДТ.

Предпочтительным является противоточное движение теплоносителя.

Достоинства:

1) более высокий коэффициент теплопередачи, следовательно, меньшая поверхность теплообмена;

2) при прямотоке ограничением на конечную температуру холодного теплоносителя является температура гоячего теплоносителя на выходе. При противотоке ограничением для конечной температуры холодного теплоносителя является температура горячего теплоносителя на входе, поэтому при проектировании новых теплообменников нужно принимать противоточную схему теплоносителя, если не срабатывают производственные ограничения.

Кроме прямотока и противотока есть система перекрестного тока:

Перекрестный прямоток

Перекрестный противоток

При перекрестном токе есть понятие перемешивающаяся жидкость и неперемешивающаяся жидкость. Жидкость, которая движется по вертикальным трубам - неперемешивающаяся, в змеевике - перемешивающаяся. Если жидкость перемешивающаяся, то ее температура может выравниваться поперечным сечением теплообменника.

При перекрестном прямотоке:

При перекрестном противотоке:

ш₁ и ш₂ - поправочные коэффициенты, которые определяются в справочной литературе.

d_вн, d_н, d_ср - соответственно внутренний, наружный и средний диаметры трубы;

б₁ - коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубы;

б₂ - коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности трубы;

л - коэффициент теплопроводности материала трубы;

R_з - термическое сопротивление загрязнений на поверхности трубы (сажа, накипь);

у₁ и у₂ - толщина отложений на внутренней и наружной поверхности труб;

л₁ и л₂ - коэффициент теплопроводности материала трубы;

Средний диаметр трубы принято определять следующим образом:

если б₁ < б₂ , то d_ср = d_вн;

если б₁ > б₂ , то d_ср = d_н;

если б₁ = б₂ , то d_ср = (d_вн+d_н)/2;

если (d_н/d_вн) <= 1.5:

у - толщина стенки трубы;

если у <= 2.5, то кривизной трубы можно пренебречь и коэффициент теплопередачи рассчитать по формуле для плоской стенки:

Таким образом, можно рассчитать коэффициент теплопередачи, если при этом известны коэффициенты теплоотдачи на внутреннем и наружном диаметре труб - б₁ и б₂.

Применение

На паротурбинных электростанциях важнейшими теплообменными устройствами являются паровой котел и конденсатор. Имеются и другие теплообменники, назначение которых -- повысить тепловой КПД электростанции или улучшить ее эксплуатационные характеристики: термические деаэраторы, экономайзеры, воздухоподогреватели и подогреватели питательной воды. Точно так же основными компонентами всякой холодильной системы с замкнутым циклом являются испаритель и конденсатор. Теплообменники широко применяются в перерабатывающей и химической промышленности, например в установках для нефтепереработки. Они играют важную роль также на атомных электростанциях.

Список литературы

1. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. М., 1983

2. Расчет и проектирование теплообменных аппаратов с оребренной поверхностью / А.С. Хоменко, С.К. Чернов. - Учеб. пособие

3. Криогенные системы-учебник,А.М. Архаров,А.И. Смородин,1999г.,изд.Машиностроение.

4. Аметистов Е.В.,Григорьев В.А.,Теплообмен,1986г.

5. http://wilo.org.ua/cgi-bin/encyclopedia/encyclopedia.pl?action=article&id=34

Размещено на Allbest.ru