Теплопроводность. Конвекция. Лучистый теплообмен.
Теплопередача– это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного
тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы.
Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.
Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то
тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное).
В чистом виде теплопроводность наблюдается только в сплошных твердых телах. Теплота передается непосредственно через материал или от одного материала другому при их соприкосновении.
Конвекция. При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное
|
|
|
явление называется конвекцией.
Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха.
Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя.
Конвекция характерна для жидких и газообразных сред, где перенос теплоты происходит в результате движения молекул. Конвективный теплообмен наблюдается у поверхности стен при наличии температурного перепада между конструкцией и соприкасающимся с ней воздухом.
Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен –
отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение – это один из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности температур.
|
|
|
Тепловое излучение может сопровождаться испусканием видимого света, но его энергия мала по сравнению с энергией излучения невидимой части спектра.
Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции
пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален
четвертой степени температуры.
Излучение происходит в газообразной среде путем передачи теплоты с поверхности тела через пространство (в виде энергии электромагнитных волн).
Кожухотрубчатые теплообменники.
Классификация кожухотрубчатых теплообменников:
-с неподвижными трубными решетками (ТН);
-с линзовым компенсатором на корпусе (ТК);
-с плавающей головкой (ТП);
-с U-образными трубами (ТУ);
-с витым змеевиковым трубным пучком (ТВ).
В общем выпуске теплообменных аппаратов для промышленности в России около 80 % занимают кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и в то же время достаточно универсальны, т. е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком диапазоне их давлений и температур.
|
|
|
Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Классическая схема кожухотрубчатого теплообменника показана на рисунке:
Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор паровой турбины мощностью 150 Мвт состоят из 17 тысяч труб с общей поверхностью теплообмена около 9000 м2.
В кожутрубчатых теплообменниках (рис. 42) основными элементами являются: корпус (кожух)1, пучки труб малого диаметра 2, трубные решетки 3, патрубки, крышки (распределительные камеры) 4, 5. Трубная решетка 3 предназначена для крепления концов трубок путем сварки, пайки, или развальцовки. Трубная решетка в теплообменниках типа Н жестко соединена с кожухом.
Рис. 42. Теплообменник типа Н с неподвижной трубной решеткой.
В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.
|
|
|
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.
Для повышения скорости движения рабочих потоков и интенсивности теплообмена в конструкции предусматриваются специальные перегородки, устанавливаемые в межтрубном и трубном пространствах (рис. 43,13).
Рис. 43. Двухходовой горизонтальный теплообменник типа Н с неподвижными решетками.
Двухходовой горизонтальный теплообменник типа Н (рис. 43) состоит из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1, 12) и межтрубного (штуцера 2, 10) пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.
Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 – круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.
Теплообменники типа Н отличаются простым устройством и сравнительно дешевы, однако им присущи два крупных недостатка. Во-первых, поперечные перегородки 6 создают в межтрубном пространстве ламинарное движение теплоносителя, что способствует образованию застойных зон и интенсивному накоплению загрязений в этих зонах и на наружной поверхности труб (примеси теплоносителя способны оседать на поверхности труб в виде накипи, отложений и др.).
Во- вторых значительная трудоемкость очистки наружной поверхности труб от загрязнений механическим способом. Слой таких отложений имеет малый коэффициент теплопроводности и способен весьма существенно ухудшить теплопередачу в аппарате.
В-третьих, область применения теплообменных аппаратов типа Н ограничена возникновением в кожухе и трубах аппарата так называемых температурных напряжений. Это явление объясняется тем, что кожух и трубы теплообменника при его работе претерпевают разные температурные деформации, так как температура теплоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве отличается от температуры нагреваемого раствора. Разность температурных удлинений возрастает, если кожух итрубки изготовлены из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Возникающие при этом напряжения в сумме с напряжениями от давления среды в аппарате могут вызвать устойчивые деформации и даже разрушение конструкций. По указанной причине теплообменники типа Н используют при небольшой разности температур (менее 50 °С) кожуха и труб, при этом возможна так называемая самокомпенсация конструкции.
Для борьбы с негативным фактором, который возникает при эксплуатации кожухотрубчатых аппаратов, из-за температурного удлинения реализованы устройства нежесткой и полужесткой конструкции. Их отличительной особенностью является простота конструкции и высокая надежность.
В полужестких аппаратах незначительные температурные деформации гасятся благодаря наличию специальных компенсаторов, расположенных на корпусе устройства. Надежная работа обеспечивается, если давление в устройстве не превышает более 2,5 кгс/см2, а деформация не превышает 10-15мм.
Для реализации нежесткой конструкции теплообменников используются сальниковые уплотнители, которые устанавливаются на пучок U-образных трубок, решетки, патрубки и позволяют устранять значительные температурные напряжения.
Аппараты с температурным компенсатором на кожухе (тип К).
В этих аппаратах для частичной компенсации температурных деформаций используют специальные гибкие элементы (расширители и компенсаторы), расположенные на кожухе.
Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа К (рис. 44) отличается от теплообменника типа Н наличием вваренного между двумя частями кожуха 1 линзового компенсатора 2 и обтекателя 3.
Рис. 44. Вертикальный кожухотрубчатый
теплообменник с температурным компенсатором на кожухе
Обтекатель уменьшает гидравлическое сопротивление межтрубного пространства такого аппарата; обтекатель приваривают к кожуху со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство.
Рис. 45. Компенсаторы:
а – однолинзовый; б – сваренный из двух полулинз; в – двухлинзовый.
Наиболее часто в аппаратах типа К используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы (рис. 45), изготовляемые обкаткой из коротких цилиндрических обечаек. Линзовый элемент, показанный на рис. 40, б, сварен из двух полулинз, полученных из листа штамповкой. Компенсирующая способность линзового компенсатора примерно пропорциональна числу линзовых элементов в нем, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется, так как резко снижается сопротивление кожуха изгибу. Для увеличения компенсирующей способности линзового компенсатора он может быть при сборке кожуха предварительно сжат (если предназначен для работы на растяжение) или растянут (при работе на сжатие).
Теплообменники с U-образными трубами (тип У).
В кожухотрубчатых теплообменниках с U-образными трубами типа У (рис. 41) обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений.
Рис. 46. Теплообменник с U-образными трубами.
Такие аппараты (рис. 46) 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.
Теплообменники типа У являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству. В последнем случае (рис. 47) в аппарате устанавливается продольная перегородка 2, извлекаемая из кожуха 1 вместе с трубным пучком.
Рис. 47. Двухходовой теплообменник с U-образными трубами.
Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата (рис. 48) и перегородкой 2 у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины 3 (рис. 48,а) или прокладку 3 (рис. 48,б) из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки 2.
Рис. 48. Варианты уплотнения пространства между перегородкой и кожухом:
а – гибкой металлической пластиной; б – прокладкой из прорезиненного асбестового шнура.
В аппаратах типа У обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соседних труб.
Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100 °С. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей.
Преимущество конструкции аппарата типа У – возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки.
Поскольку механическая очистка внутренней поверхности труб в аппаратах типа У практически невозможна, в трубное пространство таких аппаратов следует направлять среду не образующую отложений и не имеющую механических примесей, которые требуют механической очистки.
Внутреннюю поверхность труб в этих аппаратах очищают водой, водяным паром, химическими реагентами, токами высокой частоты.
Крепление фланца 4 распределительной камеры к фланцу 1 кожуха аппарата показано на рис. 49. Специальная шпилька 3 с коническим стопорным выступом позволяет снимать распределительную камеру без нарушения соединения трубной решетки 2 с кожухом.
Рис 49. Способ крепления распределительной камеры к кожуху теплообменника.
Один из наиболее распространенных дефектов кожухотрубчатого теплообменника типа У – нарушение герметичности узла соединения труб с трубной решеткой из-за весьма значительных изгибающих напряжений, возникающих от массы труб и протекающей в них среды. В связи с этим теплообменные аппараты типа У диаметром от 800 мм и более для удобства монтажа и уменьшения изгибающих напряжений в трубном пучке снабжают роликовыми опорами.
Теплообменные аппараты с плавающей головкой (тип П).
Теплообменники с плавающей головкой (рис. 50) – наиболее широко распространены в промышленности, это один из основных видов теплообменного аппарата современного НПЗ.
В теплообменниках с плавающей головкой теплообменные трубы закреплены в двух трубных решетках, одна из которых неподвижно связана с корпусом, а другая имеет возможность свободного осевого перемещения; последнее исключает возможность температурных деформаций кожуха и труб.
Рис. 50. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:
1—корпус; 2— трубный пучок; 3— плавающая готовка; 4—распределительная камера; 5—крышка; 6— днище; 7—опора.
Наличие подвижной решетки позволяет трубному пучку свободно перемещаться внутри корпуса, пучок легко удаляется для чистки и замены.
Горизонтальный двухходовой конденсатор
типа П с опорной платформой.
В горизонтальном двухходовом конденсаторе типа П (рис. 51) левая трубная решетка 1 соединена фланцевым соединением с кожухом и распределительной камерой 2, снабженной перегородкой 4. Камера закрыта плоской крышкой 3. Правая, подвижная, трубная решетка установлена внутри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной к ней крышкой 8 «плавающую головку». Со стороны плавающей головки аппарат закрыт крышкой 7. При нагревании и удлинении трубок плавающая головка перемещается внутри кожуха.
Рис. 51. Горизонтальный двухходовой конденсатор с плавающей головкой и
опорной плитой.
1. Трубная решетка, 2. Распределительная камера, 3. Плоская крышка, 4. Перегородка, 5. Нижний штуцер, 6. Опорная платформа, 7. 8. Крышки, 9. Верхний штуцер, 10. Корпус.
В теплообменных аппаратах диаметром 800 мм и более трубный пучок снабжают опорной платформой 6 для обеспечения свободного перемещения трубного пучка внутри кожуха. Верхний штуцер 9 предназначен для ввода пара и поэтому имеет большое проходное сечение; нижний штуцер 5 предназначен для вывода конденсата и имеет меньшие размеры.
Значительные коэффициенты теплоотдачи при конденсации практически не зависят от режима движения среды. Поперечные перегородки в межтрубном пространстве этого аппарата служат лишь для поддержания труб и придания трубному пучку жесткости.
Аппараты с плавающей головкой обычно выполняют одноходовыми по межтрубному пространству, однако при установке продольных перегородок в межтрубном пространстве можно получить многоходовые конструкции. На рис. 52 показаны двухходовые по межтрубному пространству теплообменники.
Рис. 52. Двухходовой теплообменник типа П с плавающей головкой:
а – с цельной; б – с разрезной.
Хотя в аппаратах типа П обеспечивается хорошая компенсация температурных деформаций, эта компенсация не является полной, поскольку различие температурных расширений самих трубок приводит к короблению трубной решетки.
В связи с этим в многоходовых теплообменниках типа П диаметром более 1000 мм при значительной (выше 100 °С) разности температур входа и выхода среды в трубном пучке, как правило, устанавливают разрезную по диаметру плавающую головку (рис.52,б).
Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 4371; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!