:
ГлавнаяТепловые процессыКОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Расчеты

Продукция

КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена – глухую стенку,

2) теплообменники смешения, в которых тепло передаётся от одной среды к другой при их непосредственном контакте.

Обе группы образуют рекуперативные аппараты. По форме поверхности рекуперативные теплообменники разделяют на аппараты с трубчатой поверхностью теплообмена и аппараты с плоской поверхностью.

Теплообменные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева

Простейший из трубчатых теплообменников типа «труба в трубе» состоит из двух коаксиально закреплённых труб. Первый теплоноситель перемещается по внутренней трубе 1. Второй теплоноситель проходит в кольцевом пространстве, образованном

трубой 1 и соосной с ней наружной трубой 2. Таким образом, поверхность, через которую передаётся теплота, образована той частью поверхности внутренней трубы, которая заключена во внешней трубе. Для увеличения поверхности теплообмена в одном аппарате элементы, образованные двумя трубами, соединяют последовательно с помощью изогнутых соединительных труб 3. Межтрубное пространство элементов сообщается через соединительные патрубки 4.

Теплообменники типа «труба в трубе» просты по конструкции и поддаются механической чистке, замена отдельных элементов несложная. Главное преимущество этих аппаратов состоит в том, что можно обеспечить оптимальные скорости движения теплоносителей, подбирая соответствующие диаметры труб.

Существенный недостаток аппаратов «труба в трубе» - значительные габариты, т.е. небольшая поверхность теплообмена в единице объёма аппарата.

В кожухотрубном теплообменном аппарате реализована та же идея, что и в аппарате «труба в трубе», но вместо одной трубы в наружную трубу большого диаметра помещён пучок труб. Кожухотрубные теплообменники характеризуются компактностью. В 1м3объёма аппарата поверхность теплопередачи может достигать 200 м2.

Поверхность теплообмена змеевиковых теплообменников образована трубчатым змеевиком, внутри которого пропускается горячий или холодный теплоноситель. Число витков змеевика ограничено значительными гидравлическими сопротивлениями, поэтому поверхность теплообмена змеевиковых аппаратов невелика, и используют их в аппаратах малой производительности.

Теплообменные аппараты с плоской поверхностью нагрева

Поверхность теплообмена пластинчатого теплообменника состоит из гофрированных пластин с четырьмя отверстиями по углам. Проложив между пластинами 2 и 3 специальные фасонные прокладки и прижимая пластины друг к другу, можно образовать канал синусоидального профиля, по которому жидкость может перетекать из верхнего левого отверстия в нижнее левое. Эти два отверстия объединены общей большой прокладкой, в то время как два других отверстия окружены малыми (кольцевыми) прокладками, и из них жидкость не может ни выходить, ни входить в канал. Если к двум сжатым пластинам 2 и 3 прижать пластину 4, объединив прокладкой нижнее правое отверстие с верхним правым, то будет образовано два канала. В первом, между пластинами 2 и 3, один теплоноситель перетекает сверху вниз, а во втором канале, между пластинами 3 и 4, другой теплоноситель проходит снизу вверх. Продолжая прибавлять пластины и прокладки справа и слева от образованного пакета, можно увеличивать число параллельных каналов и поверхность теплообмена. Ширина синусоидального канала лежит в пределах от одного до нескольких миллиметров, и жидкость быстро прогревается по всей толщине слоя. Этому способствует искусственная турбулизация потока на поворотах в канале, вызывающая увеличение коэффициента теплоотдачи. Пластинчатые теплообменники, занимая малый объём, обладают большой (до 1 500 м23) поверхностью теплообмена и большими значениями коэффициента теплопередачи, вплоть до3 800 Вт/м2 при малом гидравлическом сопротивлении. Ещё одним преимуществом аппаратов этого типа является возможность быстрой сборки и разборки при ревизии и механической чистке поверхности. Кроме того, поверхность теплообмена может легко изменяться, т. к. зависит от числа используемых пластин. Главное же преимущество пластинчатых теплообменников заключается в возможности объединения в одном аппарате нескольких пакетов пластин, в каждом из которых движется своя пара теплоносителей. Это обстоятельство позволяет экономить тепловую энергию на предприятии. Например, при пастеризации соков (молока) в последний (третий) пакет поступают предварительно подогретый сок и горячий теплоноситель при температуре около 100°С. Пастеризация происходит при температуре около 70°С, и нагретый до этой температуры пастеризованный сок переходит в первый пакет, где используется в качестве горячего теплоносителя для предварительного подогрева сока, поступающего в аппарат. Во втором пакете в качестве горячего теплоносителя используется теплоноситель из третьего пакета, температура которого выше 80°С. В этом примере сок нагревается как бы на трёх ступенях, а горячий теплоноситель подаётся только в третий пакет. В действительности в производстве в одном аппарате совмещают подогрев и охлаждение многих жидкостей. Пластинчатые теплообменники применяют также при обогреве паром низкого давления. В этом случае ширина канала для прохода пара составляет 5…10 мм. Пластинчатые теплообменные аппараты нельзя использовать при высоком давлении теплоносителей из-за опасности разгерметизации уплотнений между пластинами.

Расчёт теплообменных аппаратов

Расчёт теплообменного аппарата может преследовать две цели.

Проверочный расчет проводят, чтобы узнать, как изменятся режимные параметры аппарата при изменении каких-либо начальных условий. Например, понижение температуры горячего теплоносителя на входе в аппарат неизбежно приведет к понижению температуры подогреваемого раствора на выходе. Чтобы этого не случилось, придется изменить производительность аппарата. Насколько уменьшится производительность аппарата в новых условиях, покажет проверочный расчет. Проектный расчет выполняют при проектировании нового аппарата, оптимально решающего задачу в поставленных условиях. Оба расчета используют одни и те же уравнения и различаются только в последовательности выполнения.

Проектный расчет теплообменного аппарата можно разделить на следующие этапы:

а) тепловой расчет — определение необходимой площади поверхности теплообмена;

б) конструктивный расчет — определение основных геометрических размеров аппарата и входящих в него узлов и деталей, включая расчеты на прочность;

в) гидравлический расчет — определение потерь напора при прохождении теплоносителей через аппарат. Если это необходимо, подбор насоса, обеспечивающего заданную скорость движения теплоносителя;

г) расчет тепловой изоляции;

д) расчет экономической эффективности.

В задании на проектирование обычно устанавливают производительность аппарата по нагреваемому или охлаждаемому продукту G2 кг/с, его начальную и конечную температуры tи t. Указывают также вид горячего или холодного теплоносителя и его начальные параметры. Если задание предполагает возможность выбора теплоносителя, следует проводить независимо расчет для каждого теплоносителя отдельно, а из полученных результатов выбрать наиболее экономичный вариант.

Как пример рассмотрим подробно последовательность прове­рочного расчета теплообменного аппарата. Пусть требуется установить коэффициент теплопередачи для одноходового кожухотрубного теплообменника, используемого для подогрева сахарного раствора концентрацией х % (по массе), в количестве G2 кг/с, от начальной температуры tдо температуры t.В качестве горячего теплоносителя используют сухой насыщенный пар давлением p, Па. В аппарате установлены п латунных труб длиной 1 м с наружным и внутренним диаметром dн/dв м. Пар подается в межтрубное пространство. Конденсат из аппарата отводится при температуре конденсации. Процесс теплопередачи можно считать установившимся. Рассмотрим последовательно все этапы расчета.

1. Расчет коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенкам трубок.

Предварительно, по таблицам для сухого насыщенного пара, по заданному давлению пара p, Па находят его температуру tп ,°С и скрытую теплоту парообразования r, Дж/кг. Предполагается, что давление пара при входе в аппарат не изменится и температура процесса конденсации будет равна температуре пара. Задаются перепадом температур на пленке конденсата и определяют температуру стенки трубы со стороны пара:

Средняя температура пленки конденсата:

Для этой температуры по таблицам физических свойств воды на­ходят характеристики пленки конденсата:

плотность

теплопроводность

динамический коэффициент вязкости

Затем по формуле Кутателадзе рассчитывают коэффициент теплоотдачи:

2. Расчет коэффициента теплоотдачи от стенок труб к сахарному раствору.

Расчитывают скорость движения раствора по трубам воспользовавшись уравнением расхода:

Здесь — плотность сахарного раствора при концентрации х % (по массе), ее находят по справочным таблицам в зависимости от средней температуры, кг/м 3. Рассчитывают критерий Рейнольдса для сахарного раствора

где v — кинематический коэффициент вязкости сахарного раствора при концентрации х % (по массе) и средней температуре, м2/с. В зависимости от значения Re и режима движения жидкости в табл. выбирают соответствующее уравнение для расчета критерия Нуссельта. Как и ранее, значения физических величин, входящие в критерии Прандтля и Грасгофа, устанавливают по справочным таблицам при средней температуре раствора. Разность температур, входящую в критерий Gr, рассчитывают как разность между температурой стенки tст. и средней температурой раствора. Снижением температуры при прохождении теплоты через стенку на данном этапе расчета можно пренебречь. Далее рассчитывают коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору:

3. Расчет коэффициента теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи для трубы

находят по уравнению

а коэффициент теплопередачи

получают пересчетом по уравнению:

4. Расчет средней разности температур.

Строят температурную диаграмму и определяют и (°С).

Сравнивают полученные величины и рассчитывают (°С).

5. Проверка принятого перепада температур на пленке конденсата

Действительное для данных расчетных условии значение пере­пада температур можно получить, приравнивая количество теплоты, передаваемой от конденсирующего пара к стенке (закон теплоотдачи Ньютона), к количеству теплоты, передаваемой от пара к раствору:

Приравнивая правые части, получим .

Если полученное значение отличается от принятого ранее , расчет повторяют, подставляя в формулу Кутателадзе новое значение . Расчет повторяют до тех пор, пока расхождение в значениях задаваемого и проверочного не будет выходить за пределы установленной точности, после чего окончательно рассчитывают kl и k. В данном расчете использован метод последовательных приближений. Подобные расчеты целесообразно осуществлять на ЭВМ. Электрические нагреватели, их устройство и принцип действия. С помощью электрических нагревателей можно проводить нагревание в широком диапазоне температур, легко регулировать и точно поддерживать заданный температурный режим. Электронагреватели просты по конструкции, компактны и удобны в обслуживании. Однако широкое использование их сдерживается высокой стоимостью электроэнергии.Известно несколько способов превращения электрической энергии в теплоту: нагрев при прохождении тока через электрические сопротивления; индукционный нагрев; нагрев токами высокой частоты; нагрев электрической дугой.С первым способом нагрева вследствие выделения теплоты при прохождении электрического тока через проводник, имеющий значительное сопротивление, каждый знаком с детства. Так работают все бытовые электронагреватели — от утюга и самовара до кондиционера воздуха. В промышленных аппаратах используют более мощные трубчатые электронагревательные элементы, называемые тэнами. Нагрев с помощью токов высокой и сверхвысокой частоты применяют при обработке материалов, не проводящих электрический ток, — диэлектриков. Молекулы такого материала, помещенного в переменное электрическое поле, начинают колебаться с частотой поля. При этом совершается работа трения между молекулами, сопровождаемая равномерным выделением теплоты непосредственно внутри материала. Этот способ нагрева используют в некоторых случаях сушки, а также в обжарочных аппаратах, известных под названием «гриль». С помощью токов сверхвысокой частоты можно осуществить пастеризацию вина, пива и других напитков. Способ нагрева токами высокой частоты связан с необходимостью использования сложной аппаратуры для преобразования про­мышленной частоты переменного тока 50 Гц в частоту от 10 до 100 МГц и более. Эти устройства имеют сравнительно невысокий КПД и дороги в эксплуатации.Индукционный нагрев основан на использовании теплового эффекта, вызываемого вихревыми токами Фуко, возникающими непосредственно в стенках стального нагреваемого аппарата. Этот способ нагрева, как и нагрев электрической дугой, в пищевой промышленности практически не применяют.

Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. | Карта сайта

142400 Московская обл, г. Ногинск, а/я 825

Московская обл, г. Ногинск, ул. Климова, 50