Рекуперативные теплообменные аппараты
Дисциплина
« ТЕРМОВЛАЖНОСТНЫЕ И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ
ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ »
ЛЕКЦИЯ №1. 26.06.2020г.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в промышленности разрабатываются и внедряются новые энерго- и материалосберегающие технологии, а также технологии малоотходных производств. Зачастую, приоритетным направлением является реконструкция существующих производств с целью повышения их энергоэффективности и экономичности.
В своей практической деятельности инженер-энергетик сталкивается с необходимостью совершенствования тех или иных теплотехнологических процессов и установок.
Поэтому целью изучения курса «Термовлажностные и низкотемпературные теплотехнологические процессы и установки» является приобретение знаний в области тепло- и массообменных процессов и установок, распространенных в теплотехнологических производствах энергоемких отраслей промышленности; изучение конструктивных особенностей типовых конструкций; овладение теорией и современными методами расчета теплотехнологических схем, процессов, аппаратов и установок; формирование навыков применения энергосберегающих технологий и выбор схем при проектировании или модернизации теплотехнологического оборудования.
После изучения дисциплины студент должен уметь пользоваться технической и справочной литературой; использовать различные диаграммы для расчета и анализа термовлажностных и низкотемпературных процессов и установок; разрабатывать или подбирать рациональную теплотехнологическую схему; использовать современные инженерные методы расчета и выбора теплотехнологического оборудования; технически грамотно излагать результаты своей работы в отчетных документах; иметь навыки работы на ЭВМ.
|
|
|
КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Процесс производства какой-либо продукции состоит из отдельных процессов, выполняемых для данного производства в строго определенной последовательности.
Основным технологическим процессом является такой, в результате которого предметы труда превращаются в готовую продукцию, характерную для данного предприятия. Вспомогательным– технологическим процессом является такой, в результате которого получается продукция, не характерная для данного предприятия.
Классификацию основных процессов проводят по различным признакам.
В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание и законов, определяющих скорость процессов, они делятся на пять групп:
1. Гидромеханические процессы – это процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики, науки о движении жидкостей и газов.
|
|
|
К таким процессам относятся:
- перемещение жидкостей или газов под воздействием вентиляторов, насосов, компрессоров;
- образование неоднородных и однородных систем путем диспергирования их и перемешивания в жидкой или газообразной среде;
- разделение неоднородных систем (Ж-Т или Г-Т) под действием силы тяжести (осаждением), центрифугированием, фильтрованием, под действием сил электрического поля;
- псевдоожижение твердого зернистого материала (движение твердых тел в жидкости или газе).
2. Тепловые процессы – это процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи. Такими процессами являются: нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация.
3. Массообменные (диффузионные) процессы – это процессы, скорость которых определяется скоростью перехода веществ из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз, т.е. законами массопередачи. Это процессы сорбции, ректификации, экстракции, кристаллизации, сушки и др.
4. Химические процессы – это процессы, которые связанны с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики (полимеризация, гидратация цемента и т.п.)
|
|
|
5. Механические процессы описываются законами механики твердых тел. Включают измельчение твердых материалов, классификацию сыпучих материалов и их перемешивание с помощью мешалок, транспортировку.
В соответствии с указанным делением процессов целесообразно классифицировать аппараты промышленных технологий следующим образом:
- гидромеханические;
- тепловые;
- массообменные;
- аппараты для осуществления собственно химических превращений – реакторы;
- измельчающие и классифицирующие машины.
В технологии, как правило, процессы тепло- и массообмена протекают одновременно. Типичными примерами таких процессов являются сушка, ректификация, сорбция.
Все тепломассообменные процессы и установки делят на высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные и криогенные.
К высокотемпературным относят огнетехнические процессы и установки. Наиболее распространенные высокотемпературные установки – это промышленные печи. Им соответствует рабочий диапазон температур 400…2000°С.
Рабочий диапазон среднетемпературныхпроцессов и установок (сушка, выпаривание, ректификация), находится, как правило, в пределах 150…700°С.
|
|
|
Низкотемпературныепроцессы проходят при температурах от –150 до +150°С. К установкам, в которых осуществляются низкотемпературныепроцессы относятся: установки термовлажностной обработки, кондиционеры, вентиляционные, теплонасосные и холодильные установки.
Процессы с более низкими температурами называются криогенными(разделение воздуха, ожижение газов).
По организационно-технической структуре процессы делятся на: периодические, непрерывные и комбинированные.
В периодическом процессе отдельные стадии (или операции) проводятся в одном аппарате, но в разное время.
В непрерывном процессе отдельные стадии осуществляются одновременно, но в разных местах аппарата или даже в разных аппаратах и машинах.
В комбинированных процессах – в них сочетаются периодические и непрерывные. Например, процесс непрерывный, а одна стадия проводится периодически или наоборот.
Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими:
- возможность специализации аппаратуры для каждой стадии процесса;
- улучшение качества продукции за счет устойчивых режимов проведения процессов;
- стабилизация процесса во времени;
- лучшее регулирование, механизация и автоматизация процесса;
- более полное использование подводимого тепла, возможность рекуперации отводимого тепла.
Поэтому в промышленности всегда стараются перейти от периодических процессов к непрерывным.
Непрерывно действующие аппараты в зависимости от характера движения и изменения параметров перерабатываемого продукта делятся на аппараты (реакторы) полного (идеального) вытеснения (РИВ), полного (идеального) смешения (РИС) и промежуточного типа.
В РИВ протекающие через аппарат последующие объемы жидкости не смешиваются с предыдущими, полностью вытесняя их. В РИС - последующие и предыдущие объемы жидкости идеально смешаны.
В зависимости от изменения параметров процесса во времени бывают стационарные(установившиеся) и нестационарные(неустановившиеся) процессы. Встационарных процессах значения каждого из параметров, характеризующих процесс, постоянны во времени, а в нестационарных – переменны, т.е. являются функциями не только положения каждой точки в пространстве, но и функциями времени.
В основе классификации химико-технологических процессов лежат кинетические закономерности, без знания которых невозможно производить расчет аппаратов.
При рассмотрении гидродинамических, тепловых и массообменных процессов было замечено, что их кинетические уравнения аналогичны.
Кинетические закономерности этих процессов могут быть сформулированы в виде общего закона: скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. Величина, обратная сопротивлению, называется коэффициентом скорости.
Основное кинетическое уравнение для гидродинамических процессов
= 
= K1 DР , (1.1)
где dV – элементарный объем протекающих жидкости и газа; S – площадь сечения аппарата, d t – бесконечно малый промежуток времени; DР – перепад давления в аппарате; R1 – гидравлическое сопротивление, К1 – коэффициент скорости.
Основное кинетическое уравнение для тепловых процессов
= 
= K2 Dt , (1.2)
где dQ – бесконечно малое количество тепла; S – поверхность теплообмена; d t – бесконечно малый промежуток времени; Dt – средняя разность температур; R2 – термическое сопротивление; К2 – коэффициент теплопередачи (коэффициент скорости).
Основное кинетическое уравнение для массообменных процессов
= 
= K3 DC , (1.3)
где d М – бесконечно малое количество перенесенного вещества; S – поверхность контакта фаз; d t – бесконечно малый промежуток времени; D С – разность между равновесной и рабочей концентрациями вещества в фазах; R3 – диффузионное сопротивление; К3 – коэффициент массопередачи.
Коэффициенты скорости различных процессов зависят главным образом от скорости движения потоков материалов, поэтому вывод всех кинетических закономерностей основывается на законах движения материальных потоков.
При практических расчетах процессов и аппаратов можно выделить следующие основные этапы:
– определение условий равновесного состояния системы;
– определение производительности массовых потоков перерабатываемых материалов;
– определение энергетических затрат;
– установление оптимальных режимов работы аппаратов и определение их основных размеров;
– технико-экономический расчет.
Рассмотрим основные этапы расчета подробнее:
1. Исходя из законов гидродинамики или термодинамики выявляют условия равновесия и определяют направление процесса. По данным о равновесии устанавливают начальные и конечные значения параметров процессов;
2. На основании закона сохранения материи составляют материальный баланс: (в общем виде для любой установки рассчитывают расход сырья åGн, выход готовой продукции åGк и потери åGпот):
åGн = åGк + åGпот. , (1.4)
принимая åGпот = 5%
3. Энергетический (тепловой) баланс составляют на основе закона сохранения энергии:
Qи.м + Qист + Qэкз = Qм + Qпот , (1.5)
где Qи.м – теплота исходных материалов; Qист – теплота, поступающая от источника тепла; Qэкз – теплота экзотермических реакций; Qм – теплота, уходящая из установки с готовым материалом; Qпот – потери теплоты.
4. По величинам, характеризующим рабочие и равновесные параметры, определяют движущую силу процесса. На основании законов кинетики (гидромеханических, тепловых, диффузионных, химических процессов) находят коэффициент скорости процесса. По полученным данным определяют основной размер аппарата (емкость, площадь сечения, поверхность нагрева).
5. Расчет технико-экономических показателей.
Вопросы для самопроверки
1. По каким признакам классифицируют основные технологические процессы?
2. Напишите основные кинетические уравнения для гидродинамического, теплового и массообменного процессов.
3. Классификация тепломассообменных процессов и установок по рабочему диапазону температур.
4. Как классифицируют основные технологические процессы по организационно-технической структуре?
5. В чем отличие высокотемпературных и среднетемпературных процессов с одинаковыми рабочими диапазонами температур?
6. Как классифицируют основные технологические процессы в зависимости от изменения параметров процесса во времени?
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
В масштабе страны на долю теплоты приходится примерно 70…80% всей расходуемой энергии. Разнообразные процессы, связанные с потреблением теплоты без ее превращения в другие виды энергии, можно по назначению расходуемой теплоты отнести к двум основным категориям:
1) потребление теплоты для коммунально-бытовых нужд, т. е. для обеспечения комфортных условий труда и быта в жилых, общественных и производственных помещениях;
2) потребление теплоты для технологических нужд, т. е. для обеспечения выпуска промышленной или сельскохозяйственной продукции заданного качества.
Первая категория в масштабе народного хозяйства является преобладающей. По литературным данным, на долю коммунально-бытовых нужд приходится около 70%, а на долю технологических нужд – только 30% всего теплового потребления страны.
Первая категория в масштабе народного хозяйства является преобладающей.
Теплообменный (или теплоиспользующий) аппарат является одним из наиболее распространенных и важных элементом энергетических, коммунально-бытовых и технологических установок. Любые преобразования энергии из одного вида в другой, а также передача энергии от одного аппарата либо машины к другому сопровождаются переходом некоторой части всех других видов энергии в тепловую. Поэтому практически во всех машинах и аппаратах теплообмен имеет важное значение.
На теплоиспользующие аппараты приходится значительная доля капиталовложений в энергетические, коммунально-бытовые и технологические установки. При строительстве тепловых элекростанций (если учесть, что паровые котлы также являются теплообменниками) капиталовложения в теплообменные аппараты составляют до 70% капиталовложений на оборудование станций. На современных нефтеперерабатывающих заводах капиталовложения в теплообменные аппараты достигают 40…50%.
На теплоиспользующие аппараты приходится также значительная доля эксплуатационных расходов энергетических, коммунально-бытовых и технологических установок.). Амортизационные отчисления, расходы на уход, осмотр и ремонт теплоиспользующих аппаратов и установок часто выше, чем для оборудования других категорий.
Для осуществления различных технологических процессов применяются теплообменные процессы: нагрев, охлаждение, конденсация, испарение и т. д.
Теплообменным называется процесс переноса энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу.
Теплообменные процессы протекают при взаимодействии не менее чем двух сред с различными температурами, причем теплота переходит от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой без затраты работы. Движущиеся среды, участвующие в переносе теплоты, называются теплоносителями.
Для осуществления различных теплообменных процессов применяются теплообменные аппараты (теплообменники).
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.
Теплообменные аппараты различают по назначению, по способу передачи теплоты, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим признакам.
В зависимости от назначения теплообменные аппараты называют подогревателями, испарителями, конденсаторами, пароперегревателями, холодильниками и так далее.
Наиболее распространена классификация теплообменников по способу передачи теплоты от одного теплоносителя другому, согласно которой они подразделяются на поверхностные и смесительные (контактные) аппараты.
В поверхностных теплообменниках теплота от среды с более высокой температурой передается твердой стенке (или насадке), а от нее – более холодной среде.
В смесительных (контактных) теплообменниках теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителей и, как правило, сопровождается переносом массы. Смесительные теплообменники по конструкции проще поверхностных: тепло в них используется полнее. Но они пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.
Поверхность твердой стенки или граница раздела контактирующих сред, через которую осуществляется теплообмен, называется поверхностью теплообменаили поверхностью нагрева.
Поверхностные теплообменные аппараты делят на рекуперативные и регенеративные.
В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их стенку.
В регенеративных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагрева (насадки). Во время соприкосновения с греющим теплоносителем стенка (насадка) нагревается, т.е. аккумулирует теплоту, а во время соприкосновения с нагреваемым теплоносителем – отдает ему теплоту и охлаждается.
Поверхностные теплообменники могут работать в периодическом и непрерывном режимах.
Если участвующие в теплообмене горячая и холодная среды перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направлении, теплообменный аппарат называют прямоточным,при встречном движении теплоносителей – противоточным, при перекрестном – перекрестноточным. Перечисленные схемы движения теплоносителей называются простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из теплоносителей по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей.
Путь, пройденный теплоносителем в аппарате без изменения направления движения, называютходом. Аппараты, в которых какой-либо из потоков меняет направление 1, 2, 3 раза, называют соответственно одно-, двух-, трехходовымиаппаратами по данному теплоносителю.
Если теплообмен в аппарате происходит между двумя потоками, то такой аппарат называют двухпоточным, при трех потоках – трехпоточным.
Выбор теплоносителей для осуществления теплообмена в аппаратах определяется рядом условий : назначением и характером теплового процесса, конструкцией теплообменного аппарата, теплофизическими, химическими и эксплуатационными свойствами теплоносителей, экономическими соображениями и так далее.
По агрегатномусостоянию теплоносители делятся на твердые, жидкие и газообразные. По диапазону рабочих температур выделяют высоко-, средне-, низкотемпературные теплоносители и теплоносители, применяемые при очень низких (криогенных) температурах.
Твердые теплоносители в виде шариков диаметром 8…12 мм, или более мелких зернистых фракций из стали, чугуна, кремнезема, каолина, шамота, окислов алюминия, магния, циркония применяются в высокотемпературных установках нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслей промышленности для нагрева газов, перегрева водяного пара и паров органических жидкостей до температур 1000…2000°C. Т.е. твердые теплоносители относятся к высокотемпературным теплоносителям.
Жидкие теплоносители очень разнообразны. К ним относятся обычная и тяжелая вода, минеральные масла, органические жидкости, кремнийорганические соединения (силиконы), расплавы металлов, солей и других веществ. Это средне- и высокотемпературные теплоносители. Капельные жидкости относят к высокотемпературным теплоносителям, если их температура кипения при атмосферном давлении превышает 200 оС (минеральные масла, кремнийорганические соединения, расплавы металлов).
К низкотемпературным теплоносителям относят такие жидкости, температура кипения которых при атмосферном давлении обычно не превышает 0 °С. Их называют хладоносителями и хладагентами(водные растворы солей щелочных металлов, аммиак, углеводороды).
К газообразым теплоносителям относятся воздух, дымовые газы, азот, углекислый газ, двуокись серы, водород, гелий, пары воды и других веществ. К высокотемпературным теплоносителям можно отнести дымовые или топочные газы с температурой 400…1500 °С.
При температуре, превышающей2000 °C, применяются ионизированные газы. Это так называемая низкотемпературная плазма.
Вещества, температура кипения которых ниже минус 150°С, называют криогенными теплоносителями (жидкие азот,кислород, водород,гелий).
Свойства теплоносителей многообразны и имеют большое значение при проектировании оборудования и организации теплотехнического процесса. Поэтому при выборе теплоносителей следует учитывать наиболее важные из них, теплофизических свойств.
К теплофизическим свойствам теплоносителей относятся: плотность, теплоемкость, теплопроводность, теплота парообразования, температура кипения, температура плавления.
Теплоносители, обладающие большой плотностьюρ, как правило, дают возможность переносить теплоту в больших количествах при малых собственных температурных перепадах. Для них не требуются большие проходные сечения в аппаратах и трубопроводах, невелики емкости для их хранения. С этой точки зрения газы наименее пригодны как теплоносители.
Теплоносители с большой теплоемкостью с аккумулируют большое количество теплоты в малом количестве массы, чем достигаются снижение расхода теплоносителя, экономия энергии на его транспортировку, уменьшение затрат на трубопроводы и емкости. Вода, обладающая большой теплоемкостью,выгодно отличается в этом отношении от других жидкостей, металлов и газов.
Коэффициент теплопроводности теплоносителей существенно влияет на коэффициент теплоотдачи в теплообменном аппарате. Чем выше l теплоносителя, тем больше коэффициент теплоотдачи a на стороне этого теплоносителя. Поэтому жидкие металлы, обладающие очень высокой теплопроводностью, превосходят по теплоотдаче жидкости и газы.
Теплота парообразования (испарения) r имеет важное значение при теплообмене с фазовыми превращениями – кипением или конденсацией; ее величина определяет расход теплоносителя. Кроме того, постоянство температуры при фазовом превращении способствует стабильности процесса в аппарате.
Температура кипения теплоносителя определяет его давление в процессе передачи теплоты. Предпочтителен такой теплоноситель, у которого высокая температура кипения и с повышением температуры кипения давление насыщения паров возрастает не резко. Малые давления паров в аппарате позволяют иметь тонкостенные аппараты и трубопроводы, что облегчает и удешевляет теплообменник, упрощает поддержание герметичности.
Температура плавления теплоносителя должна быть низкой, чтобы в условиях окружающей среды теплоноситель не затвердевал и при остановке теплообменника оставался в жидком состоянии. Если же температура плавления выше 20 °С (парафин), то возможно застывание его до твердого состояния при остановке всей технологической системы. Эксплуатация таких систем возможна лишь при сооружении специальных обогревающих устройств для аппаратов, трубопроводов и коммуникаций.
Кроме вышеперечисленных свойств, вещества, применяемые как теплоносители, должны бытьхимически стойкими в широком интервале температур, не должны разлагаться, вступать в химическое взаимодействие с конструкционными материалами, не должны изменять свои свойства в контакте с воздухом и водяным паром, не должны образовывать взрыво- и пожароопасную смесь при контакте с другими веществами. В случае химической нестойкости теплоносителя снижается интенсивность теплообмена, и повышается гидравлическое сопротивление аппарата, т.к. на стенках откладываются продукты распада.
Рекуперативные теплообменные аппараты
Конструкции и условия эксплуатации теплообменников весьма разнообразны и определяются областью их применения и назначением.
Наиболее широкое распространение в промышленности получили поверхностные рекуперативные теплообменники, конструкции которых весьма разнообразны.
Рекуперативные 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 ее механической очистки от загрязнений; унификация узлов и деталей; технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т.д. Кроме того, при выборе конструкции теплообменного аппарата исходят из того, что она должна быть достаточно простой, удобной при монтаже и ремонте.
Первые технические теплообменники представляли собой варочные котлы с огневым или дымовым подогревом. Потом появились рубашечные (цилиндр в цилиндре) и змеевиковые, которые применяются и в настоящее время. Но это аппараты периодического действия, с низкой производительностью, в которых сложно регулировать тепловые процессы. Поэтому область их применения ограничена. Значительно чаще используются аппараты непрерывного действия.
На промышленных предприятиях в основном используются рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия, которые имеют разнообразную конструкцию и области применения:
- кожухотрубные теплообменники,
- элементные (секционные) теплообменники,
- двухтрубные теплообменники типа «труба в трубе»,
- витые теплообменники,
- оросительные теплообменники,
- ребристые теплообменники,
- спиральные теплообменники,
- пластинчатые теплообменники.
Кожухотрубные теплообменники
Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным теплообменным аппаратам, что обусловлено, прежде всего, надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, широким диапазоном применения по давлению, температурному режиму, потоковым средам, высокой ремонтопригодностью.
Они предназначены для работы с теплоносителями: газ–газ, жидкость–жидкость, пар–жидкость, газ–жидкость.
Теплообменник кожухотрубный появился, в связи с потребностью тепловых станций в теплообменниках с наиболее большой поверхностью теплообмена, например, таких как подогреватели воды и конденсаторы, которые работают при сравнительно высоком давлении. Также возможно использование кожухотрубных теплообменников в качестве подогревателей, конденсаторов и испарителей. На сегодняшний день их конструкция в результате специально проведенных разработок, с учетом большого опыта в эксплуатации, стала более модернизированной и совершенной.
Для эксплуатации в трудных условиях, кожухотрубные теплообменники зачастую приходилось применять с загрязненными жидкостями, при высоком давлении и температуре, именно поэтому, была необходимость конструировать их так, чтобы в дальнейшем можно было обеспечить простоту ремонта и очистки.
Кожухотрубные теплообменники (рис. 2.1, 2.4) представляют собой аппараты, выполненные из труб, собранных при помощи решеток в пучок и заключенных в кожух, обычно цилиндрической формы.
Трубы в решетках обычно равномерно размещают по периметрам правильных шестиугольников, реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям (рис. 2.2). При использовании в межтрубном пространстве сильно загрязненных теплоносителей используется разбивка труб по периметрам прямоугольников или правильных квадратов, т.к. это облегчает очистку межтрубного пространства. Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель – обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. Наибольшее распространение получило размещение труб по сторонам правильных шестиугольников, так как при этом способе размещения труб достигается максимальная компактность теплообменника, уменьшается сечение межтрубного пространства теплообменника, что увеличивает скорость движущейся в нем рабочей среды и повышает коэффициент теплопередачи, теплообменник более технологичен в изготовлении и ремонте.
| 
|
| а) | б) |
| Рис.2.1. Кожухотрубные теплообменники: а – одноходовой; б – шестиходовой по межтрубному пространству
| |
Схема размещения трубок по сторонам правильных шестиугольников даст равносторонний шахматный трубный пучок
|
Концы труб крепятся в трубных решетках чаще всего развальцовкой (рис. 2.3, а, б) причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки (рисунок 2.3, б).
Кроме того, используют закрепление труб сваркой (рис. 2.3, в), если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой (рис. 2.3, г), применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб.
|
Рис. 2.3. Способы крепления труб в трубных решетках:
а – развальцовкой; б – развальцовкой с канавками; в – сваркой; г – пайкой;
д – сальниковыми устройствами.
Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников (рис. 2.3 д), допускающих свободное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.
Так как проходное сечение межтрубного пространства в 2…3 раза больше проходного сечения внутри труб, при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием, коэффициент теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невелик, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Для создания высоких значений коэффициента теплоотдачи a в межтрубном пространстве устанавливают перегородки (рис. 2.1, б). Устройство перегородок в межтрубном пространстве увеличивает скорость теплоносителя и соответственно эффективность теплообмена.
Для интенсификации теплообмена в трубном пространстве организуют прохождение теплоносителя в несколько ходов (рис. 2.4, б, в).
Теплопередающая поверхность кожухотрубных теплообменников составляет от нескольких сотен см2 до нескольких тысяч м2.
| 
|
| а) | б) |
| 
|
| в) | г) |
| Рис. 2.4. Кожухотрубные теплообменники с компенсацией неодинаковости температурных удлинений труб и кожуха: а – теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция); б – аппарат с U-образными трубами; в – аппарат с W-образными трубами; г – с плавающей головкой | |
В кожухотрубных теплообменниках промышленных технологических установок, в конденсаторах паровых турбин, водоподогревателях тепловых электростанций и тепловых сетей обычно применяют трубы внутренним диаметром 12…38 мм, длиной 0,9…6 м,толщиной стенки 0,5…2,5 мм. При увеличении диаметра труб значительно снижается компактность и возрастает металлоемкость аппарата. Если вероятность загрязнения отсутствует, можно использовать трубы диаметром 4…10 мм. Это повышает интенсивность теплообмена, но повышаются и гидравлические сопротивления. Кроме того, необходима большая точность изготовления, так как при малых проходных сечениях уже небольшие различия в диаметре и расположении труб в пучке вызывают значительную неравномерность расходов теплоносителя по параллельным каналам, и снижают тепловую мощность аппарата.
В парожидкостных теплообменниках пар пропускается в межтрубном пространстве, а жидкость течет в трубах. Разность температур стенок корпуса и труб в этих теплообменниках значительна, поэтому они снабжаются компенсирующими устройствами для предотвращения температурных деформаций. Но компенсаторы можно ставить только при низких давлениях в межтрубном пространстве (до 1 МПа).
Если пар и воздух (для увеличения коэффициента теплоотдачи a обычно пропускают в межтрубном пространстве, то дымовые газы пропускают по трубам с целью уменьшения засорения аппарата золой и сажей и облегчения его чистки
В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубные теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкций.
Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства (рис. 2.1).
В теплообменнике полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением линзового компенсатора (рис. 2.4, а). Такие теплообменники применяют при небольших температурных деформациях (~ 10…15 мм) и невысоких давлениях в межтрубных пространствах.
Если разность температур труб и кожуха достаточно велика (свыше
50°С), то трубы и кожух удлиняются неодинаково, что приводит к значительным напряжениям в трубных решетках, нарушению плотности соединения труб с трубными решетками. Это может привести к смешению теплоносителей или деформации труб. Поэтому при значительной разнице температур труб и кожуха применяют теплообменники нежесткой конструкции, в которых возможно перемещение труб по отношению к кожуху аппарата для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U-образных или W-образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого или открытого типа. В теплообменнике с U-образными и W-образными трубами (рис. 2.4, б, в) оба конца труб закреплены в одной трубной решетке, что позволяет трубам свободно удлиняться.
Теплообменник с плавающей головкой (рис. 2.4, г) применяют при значительных относительных перемещениях труб и кожуха, поскольку в нем одна из решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях.
В кожухотрубном теплообменнике один из теплоносителей протекает по трубам, другой – по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стен труб.
Кожухотрубные теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа.
Теплообменники с неподвижными решетками типов ТН, ТК, ХН, ХК, КН, КК, ИН, ИК изготавливаются по ТУ 3612-024-00220302-02 -Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе.
Теплообменники с компенсацией неодинаковости температурного расширения труб и кожуха типов ТП, ХП, КП, ТУ изготавливаются по ТУ 3612-023-00220302-01 - Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с плавающей головкой, кожухотрубчатые с U-образными трубами и трубные пучки к ним.
Вопросы для самопроверки
1. Назовите наиболее распространенные виды теплоносителей.
2. В каких диапазонах температур применяются твердые, жидкие и газообразные теплоносители?
3. Назовите преимущества жидких теплоносителей.
4. Почему из газообразных теплоносителей наиболее часто используют водяной пар?
5. Как теплофизические свойства теплоносителей влияют на их выбор?
6. По каким признакам классифицируют теплообменные аппараты?
7. Назовите наиболее распространенные рекуперативные теплообменники.
8. Опишите конструкцию и принцип действия кожухотрубчатых теплообменников.
9. С какой целью в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников устанавливают перегородки?
10. С какой целью в трубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников организуют прохождение теплоносителя в несколько ходов?
Дата добавления: 2023-01-08; просмотров: 70; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!