Расчет рекуперативных Теплообменных аппаратов

Классификация теплообменных аппаратов. Теплоносители.

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от греющего теплоносителя к нагреваемому.

Тепловые процессы, происходящие в теплообменниках: нагрев,

охлаждение, кипение, конденсация, испарение, затвердевание, плавление, сублимация, кристаллизация и т. д. Часть из этих процессов

сопровождается не только тепло-, но и массообменом.

Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим признакам:

– по принципу действия: поверхностные (рекуперативные и регенеративные) и смесительные;

– по назначению: испарители, конденсаторы, подогреватели, паропреобразователи, холодильники и т.д.;

– по конструктивным признакам: кожухотрубчатые, змеевиковые, спиральные, пластинчатые и т. д.

Кроме того, классификация теплообменников может быть по

фазовому состоянию теплоносителей, по направлению их движения и

другим признакам.

Рекуперативными называются теплообменники, в которых теплообмен между теплоносителями происходит через разделяющую их стенку. Они могут работать как в непрерывном, так и в периодическом режимах. Большинство рекуперативных теплообменников работают в непрерывном режиме. В таких теплообменниках поддерживают постоянные во времени расходы, температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Изменение параметров теплоносителей происходит только при переходе из одного стационарного режима в другой.

Регенеративными называются теплообменники, в которых

греющий и нагреваемый теплоносители попеременно омывают одну и ту же поверхность нагрева (насадку). Регенеративные теплообменники также могут работать в непрерывном и периодическом режимах.

Поверхность нагрева при соприкосновении с теплоносителем получает тепло и аккумулирует его, а затем отдает холодному теплоносителю или наоборот.

На рис. 3.1.1 представлены рекуперативные, регенеративные и смесительные теплообменники.

Рис. 3.1.1. Схемы рекуперативных и регенеративных теплообменников:

а–д – рекуперативные кожухотрубчатые теплообменники:

а – с неподвижными решетками; б – с температурными компенсаторами

на кожухе; в – с плавающей головкой; г – с U-образными трубками;

д – с сальником на плавающей головке; е – регенеративный

теплообменник периодического действия: 1, 2 – насадка; 3, 4 – клапаны;

I, II – холодный и горячий теплоносители; ж – регенеративный

теплообменник непрерывного действия: 1 – вал ротора; 2 – подшипники;

3 – электродвигатель; 4 – насадка; 5 – наружный кожух;

6, 7 – радиальное и периферийное уплотнение; 8 – утечка воздуха;

з – насадочный смесительный теплообменник: 1 – корпус;

2 – насадка; 3 – распределительное устройство

Смесительными называются такие теплообменники, в которых тепломассообмен между теплоносителями происходит при непосредственном их контакте и смещении. Для увеличения поверхности контакта теплоносителей и интенсификации процесса тепломассообмена между ними на пути движения теплоносителей размещают насадку.

Смесительные теплообменники различной конструкции довольно

широко применяются в различных отраслях промышленности.

Теплоносителями называются движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. В качестве теплоносителей применяются газообразные, жидкие и твердые вещества.

Теплоносители классифицируют по различным признакам:

- по назначению (теплоносители, хладоносители, хладагенты, сушильные агенты и т. д.);

- по агрегатному состоянию (однофазные и многофазные);

- по диапазону рабочих температур и давлений (высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные, криогенные).

Высокотемпературные теплоносители: дымовые и топочные газы с температурой до 1500 °С; минеральные масла, кремнийорганические и дифенильные соединения, расплавы солей и жидкие металлы.

Среднетемпературные теплоносители: вода, водяной пар и воздух.

Низкотемпературные теплоносители: хладагенты (аммиак, фреоны, двуокись углерода и др.).

Криогенные теплоносители: сжиженные газы (азот, кислород, воздух, водород и др.).

Теплоносители, с точки зрения технической и экономической целесообразности их применения, должны удовлетворять следующим требованиям:

– быть доступными, широко распространенными и недорогими.

В противном случае дорогие теплоносители увеличивают капитальные и эксплуатационные затраты;

– иметь достаточно высокие значения теплоемкости, теплоты парообразования, плотности, теплопроводности, но малую вязкость;

– должны обладать термостойкостью, быть химически неагрессивными по отношению к материалам аппаратуры, химически стойкими, не давать отложений на теплопередающей поверхности при

длительной работе теплообменника;

– быть безвредными для обслуживающего персонала; обладать

невоспламеняемостью, взрывобезопасностью и экономичностью.

Рассмотрим некоторые из наиболее широко применяемых теплоносителей.

Вода как теплоноситель получила очень широкое распространение, особенно в отношениях и вентиляционных системах. Воду можно транспортировать на значительные расстояния (до нескольких километров) и при этом снижение температуры воды в изолированных трубопроводах составляет не более 1 °С на 1 км. Достоинством воды как теплоносителя является ее невысокая стоимость, нетоксичность, пожаровзрывобезопасность, относительно высокий коэффициент теплоотдачи, высокая теплоемкость и др. Горячую воду получают в водогрейных котлах или на ТЭЦ и котельных в специальных водонагревательных установках.

Водяной пар как теплоноситель получил большое распространение вследствие своих преимуществ перед другими теплоносителями:

– высокое значение удельной теплоты парообразования позволяет передавать большие тепловые потоки при относительно малых

расходах водяного пара;

– относительно высокие значения коэффициентов теплоотдачи при конденсации водяного пара позволяют получать небольшие поверхности нагрева;

– возможность достаточно простого регулирования режимов

процесса теплообмена в аппаратах.

Недостатком водяного пара как теплоносителя является большое значение давления насыщения при высоких температурах насыщения (порядка 300–350 °С), что влечет за собой резкое увеличение металлоемкости и габаритов теплообменной аппаратуры.

Дымовые и топочные газы широко применяются в качестве теплоносителей в сушильных установках как сушильный агент, либо, если их применение недопустимо по условиям загрязнения материала

золой или сажей, они используются как греющий теплоноситель для

нагрева воздуха, который применяется далее уже как сушильный

агент. Недостатком газообразных теплоносителей является:

– большие теплопотери при их транспортировке при высоких

начальных температурах;

– повышенный расход электроэнергии на транспортировку газообразных теплоносителей из-за малых значений плотности, коэффициентов теплоотдачи и больших значений массовых и объемных расходов;

– из-за малых значений коэффициентов теплоотдачи теплообменная аппаратура имеет большие поверхности теплообмена и получается громоздкой;

– вследствие малых значений удельной теплоемкости газообразные теплоносители должны подаваться в аппараты с высокой температурой. Это влечет за собой необходимость изолирования газоходов, что приводит к удержанию теплоиспользующих установок и повышению эксплуатационных затрат.

Высокотемпературные капельные теплоносители нашли применение в промышленности для ведения высокотемпературных процессов. К ним относятся минеральные масла, кремнийорганические соединения, расплавы солей и металлов, дифенильные смеси и др.

Они должны обладать следующими свойствами: высокими коэффициентами теплоотдачи; высокой температурой кипения при атмосферном давлении; низкой температурой затвердевания; термической стабильностью; нетоксичностью; пожаровзрывобезопасностью; химической неагрессивностью; экономичностью.

Новые высокоэффективные высокотемпературные капельные

теплоносители (периолифторэфиры и полифторалкилкарбонаты)

имеют температуру затвердевания ниже 50 °С и температуру кипения

в 1,5–2 раза выше, чем вода. Кроме того, они являются гидрофобными и более устойчивыми к загрязнению. Их недостаток – высокая стоимость.

К низкотемпературным теплоносителям относятся хладагенты и

хладоносители. Их температура кипения или затвердевания ниже

0 °С. К хладагентам относятся аммиак NH3, двуокись углерода СО2,

фреоны, углеводороды. К хладоносителям относятся, в основном,

растворы NaCI и CaCI2. Низкотемпературные теплоносители применяются в холодильной технике.

Существуют следующие виды расчетов: проектный и поверочный. Проектный, в свою очередь, включает в себя тепловой конструктивный, компоновочный, гидравлический, механический и техникоэкономический расчеты.

Целью теплового конструктивного расчета является определение площади поверхности теплообмена аппарата.

В компоновочном расчете устанавливают основные соотношения между линейными размерами, площадью поверхности теплообмена и проходными сечениями каналов, число ходов, габаритные

размеры теплообменника с учетом требований ГОСТов.

При гидравлическом расчете определяют гидравлические сопротивления теплообменника и затраты мощности на перемещение

теплоносителей.

Механический расчет – это проверка деталей теплообменника

на прочность, плотность и жесткость.

Поверочный расчет производится для установления возможности использования имеющегося или выбираемого стандартного аппарата в заданных условиях; для расчета режимов работы, отличных от номинальных.

Тепловой конструктивный расчет рекуперативных теплообменников сводится обычно к совместному решению основного уравнения теплопередачи.

(3.1.1.1)

и уравнения теплового баланса

(3.1.1.2)

где – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

– коэффициент теплопередачи,Вт /(м2 · К);

– средний температурный напор, град;

, – энтальпии соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в аппарат, Дж/кг;

, – энтальпии соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей на выходе из аппарата, Дж/кг;

и – расходы соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей, кг/с.

Уравнение теплового баланса (3.1.1.2) записано без учета потерь .

Если фазовые превращения теплоносителей отсутствуют, то ;

здесь и – удельная изобарная теплоемкость, Дж/кг · К и температура (°C) теплоносителей соответственно.

Средний температурный напор при прямотоке и противотоке (рис. 3.1.1.1.) при условии, что температура обоих теплоносителей изменяется вдоль поверхности нагрева, определяется как среднелогарифметический (если ):

(3.1.1.3)

где и – соответственно наибольшая и наименьшая разности

температур.

При пользуются упрощенной формулой

. (3.1.1.4)

Если – зависимость .

При фазовых изменениях теплоносителей в аппарате средний температурный напор определяется как разность температур насыщения теплоносителей при их давлениях:

. (3.1.1.5)

При этом температура обоих теплоносителей вдоль поверхности

нагрева не изменяется.

Рис. 3.1.1.1. Графики изменения температур в теплообменниках:

а, б, в – при прямотоке; г, д, е – при противотоке; ж – при изменении

фазового состояния (конденсации) греющего теплоносителя;

з, и – при изменении фазового состояния обоих теплоносителей

Средняя разность температур для более сложных схем движения

теплоносителей, не меняющих агрегатного состояния, рассчитывается

следующим образом:

1) определяется средний температурный напор по формуле (3.1.1.3),

2) находят величины

Средний температурный напор находится как

где – температурный напор, рассчитанный по формуле (3.1.1.3).

Коэффициент теплопередачи представляет собой количественную

расчетную величину, характеризующую сложный теплообмен и зависящую от многих факторов (температур, температурных напоров, скоростей движения теплоносителей, давлений, физических параметров и т. д.):

– для плоской стенки:

; (3.1.1.6)

– для цилиндрической:

, (3.1.1.7)

где и – коэффициенты теплоотдачи горячего и холодного теплоносителей; Вт/м2 · К;

– коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м · К;

– термическое сопротивление, учитывающее загрязнение с обоих сторон стенки, м2 · К/Вт;

, , – средний, внутренний и наружный диаметры труб, м;

– толщина стенки, м.

Средний диаметр определяется следующим образом:

при ;

при ;

при .

Если отношение , то расчет коэффициента теплопередачи ведут по формуле (3.1.1.6) для плоской стенки.

Раздел 4. Традиционные способы выработки тепловой и электрической энергии.

Дата добавления: 2014-01-06