Процессы теплообмена и теплообменные аппараты

Теплообменными аппаратами <#»justify»>При конструировании следует обоснованно решать вопрос о направлении теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. Например, теплоносители, загрязненные и находящиеся под давлением, обычно направляют в трубное пространство. Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче удалить конденсат. Чистка трубного пространства (в котором вероятнее всего будут выпадать загрязнения) легче, а живое сечение для прохода теплоносителя меньше. Вследствие этого в трубном пространстве можно обеспечить теплоносителю более высокие скорости и, следовательно, более высокие коэффициенты теплоотдачи [1].

Ребристые трубчатые теплообменники

Ребристые трубчатые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром или водой воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер. В дополнение к компактности и малой массе эти теплообменники имеют и другие преимущества. Конструкции позволяют использовать многоходовое течение теплоносителя в одноходовом теплообменнике.

Ребристые трубчатые теплообменники наиболее эффективны в условиях, когда коэффициенты теплопередачи по обеим сторонам стенки значительно различаются.

При охлаждении, например, горячего воздуха холодной водой (воздухоохладитель <#»justify»>Такие аппараты достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве, применяемые в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, обозначаются индексами и классифицируются:

  • по назначению (первая буква индекса): Т — теплообменники;
  • Х — холодильники;
  • К — конденсаторы;
  • И — испарители;
  • по конструкции (вторая буква индекса): Н — с неподвижными трубными решетками;
  • К — с температурным компенсатором на кожухе;
  • П — с плавающей головкой;
  • У — с U-образными трубами;
  • ПК — с плавающей головкой и компенсатором на ней;
  • по расположению (третья буква индекса): Г — горизонтальные; В — вертикальные [1].

теплообменный трубный кожух пластинчатый

6 стр., 2599 слов

Теплообменники описание видов и конструкции

... 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 ...

1.2.1 Теплообменники с неподвижными трубными решетками

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники — для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред. Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников — также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали. Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рисунке 1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные, трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3.Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены фланцами.

Рисунок 1 — Теплообменник с неподвижными трубными решетками

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.

Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха. Поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции [1].

1.2.2 Теплообменники с температурным компенсатором на кожухе

Если температурные напряжения, возникающие в стенках теплообменника или трубках, оказываются большими, то необходимо предусматривать температурную компенсацию.

Теплообменник типа К — с линзовым компенсатором на корпусе — представлен на рисунке 2. В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 13-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа).

Рисунок 2 — Теплообменник с линзовым компенсатором на корпусе

Для круглых элементов аппаратов, диаметр которых превышает 100 мм, обычно применяют линзовые компенсаторы, состоящие из одной и более линз. Линзы выполняют штампованными или из кольцевого тора, выполненного с прорезью, разрезными или сварными волнообразной формы. Одна линза компенсирует небольшие температурные деформации (4-5 мм), набор линз (не более четырех) позволяет компенсировать деформации до 15 мм.

Линзовые компенсаторы применяют в вертикальных и горизонтальных аппаратах и трубопроводах при избыточном давлении, составляющем не более 1,6 МПа [1].

1.2.3 Теплообменники с плавающей головкой

Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой предназначен для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения агрегатного состояния (рисунок 3).

10 стр., 4757 слов

Расчет кожухотрубного теплообменника

... U-образных труб или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью. 1.5 Преимущества кожухотрубных теплообменников: простота конструкции легкость обслуживания и монтажа хорошая работа в ... теплообменная труба; 5 - перегородка с сегментным вырезом; 6 - линзовый компенсатор; 7 - штуцер; 8 - крышка. Рисунок 2.1 - Кожухотрубчатый двухходовой горизонтальный теплообменник В ...

Рисунок 3 — Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой

Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку. Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Эти теплообменники, нормализованные в соответствии с ГОСТ 14246-79, могут быть двух- или четырехходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м.

Кожухотрубчатые конденсаторы с плавающей головкой (ГОСТ 14247-79) отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве — от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м [1].

1.2.4 Теплообменники с U-образными трубами

В кожухотрубчатых аппаратах этой конструкции обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений.

Такие аппараты (рисунок 4) 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.

Рисунок 4 — Теплообменник с U-образными трубками

Теплообменники типа U являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству. В последнем случае в аппарате установлена продольная перегородка, извлекаемая из кожуха вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата и перегородкой у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины или прокладку из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки [1].

1.2.5 Теплообменники с сальниками

При значительно больших давлениях в теплообменной аппаратуре применяют сальниковые компенсаторы. Однако сальниковые компенсаторы могут пропускать рабочую среду, что требует их периодическое регулирование, в связи с чем сальниковые компенсаторы применяют для аппаратов с малыми диаметрами. Сальниковые компенсаторы (рисунок 5) выполнены с мягкой набивкой из неметаллических материалов в виде шнура или колец соответствующего профиля, а также в виде стандартных манжет из кожи, резины, пластика и других материалов.

Рисунок 5 — Сальниковый компенсатор

Уплотнение обеспечивают сальниковые кольца 1, расположенные по обе стороны от дренажного кольца 3 и поджатые фланцами 2, 5. В случае утечки через сальник теплоноситель выводится из аппарата через отверстие в дренажном кольце. Трубная решетка в аппарате такой конструкции должна быть на периферии достаточно широкой для возможности размещения прокладки и дренажных колец, с учетом перемещения решетки при удлинении труб [1].

1.2.6 Витые теплообменники

Эти аппараты (рисунок 6) пригодны для реализации теплообмена между средами при давлении до 1 МПа и перепаде температур до 200 °С.

11 стр., 5291 слов

Пластинчатый теплообменник

... термостойкого резинового или каучукового уплотнения. Материал пластин 1.2.1 Принцип работы пластинчатых теплообменников Пластинчатые теплообменники представляют собой разборные теплообменные аппараты. Поверхность теплообмена состоит из тонких металлических штампованных пластин, изготовленных из коррозийностойких ...

Рисунок 6 — Витой теплообменник

Основная рабочая часть такого аппарата — теплообменный элемент (ТОЭ), состоящий из пучка гибких полимерных труб, концы которых соединены сваркой в коллектор (фторопластовую решетку).

Коллектор служит для закрепления ТОЭ в корпусе аппарата и подвода к нему рабочей среды. Фторопластовые теплообменники применяют в производстве серной кислоты, хлорорганических продуктов, медицинских препаратов [1].

3 Аппараты теплообменные трубчатые без кожуха

3.1 Теплообменники погружные (маслоохладители)

Маслоохладители <#»383″ src=»doc_zip7.jpg» />

Рисунок 7 — Теплообменник погружной U-образный

Маслоохладители отводят тепло, получаемое маслом в подшипниках, редукторных передачах и других элементах. Охлаждение масла производится путем погружения маслоохладителя в масляную ванну. Со стороны воды маслоохладители обычно выполняются многоходовыми — здесь это достигается за счет изменения числа перегородок в крышках [1].

1.3.2 Теплообменники погружные спиральные

Основным теплообменным элементом является змеевик — труба, согнутая по определенному профилю (рисунок 8).

Змеевик погружается в жидкость, находящуюся в корпусе аппарата. Скорость движения мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что обуславливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи от наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот).

Для увеличения этого коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в корпусе аппарата, внутри змеевика, стакана. В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью. Часто в погружных теплообменниках устанавливают змеевики из прямых труб, соединенных калачами.

Рисунок 8 — Погружной теплообменник с цилиндрическими змеевиками

2 ) [1].

1.4 Аппараты теплообменные с наружным обогревом

Теплообменные аппараты <#»196″ src=»doc_zip9.jpg» />

Рисунок 9 — Теплообменный аппарат типа «труба в трубе»

Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, другой — по кольцевому зазору между внутренними и наружными трубами 2. Внутренние трубы 1 соединяются с помощью калачей 5, а наружные — с помощью соединительных патрубков 3. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3-6 м, диаметр наружной трубы — 76-159 мм, внутренней — 57-108 мм [1].

1.5 Аппараты теплообменные регенеративные

В регенеративных теплообменниках (рисунок 10) процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки. Теплообменники этого типа часто применяют для регенерации теплоты отходящих газов.

Характерным для регенеративных теплообменников является наличие твердых тел, которые попеременно соприкасаются с горячим и холодным теплоносителями. При соприкосновении с горячим теплоносителем твердое тело нагревается; соприкасаясь с холодным теплоносителем, отдает ему свое тепло.

9 стр., 4471 слов

Каталитические процессы и аппараты

... и гетерогенные. В особую группу следует выделить микрогетерогенные и ферментативные каталитические процессы. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одной ... «работает», т.е. увеличивает скорость реакции в достаточной для практики мере. Каталитические процессы делят на два основных класса: окислительно-восстановительного взаимодействия и - кислотно-основного ...

Рисунок 10 — Регенеративный теплообменник

Разделяют непрерывно действующие и периодически действующие регенеративные теплообменники. Непрерывно действующими регенеративными теплообменниками являются нагревательные установки с циркулирующим зернистым материалом [1].

1.6 Аппараты теплообменные листовые

.6.1 Теплообменники спиральные

Спиральные теплообменники изготовляют с поверхностью теплообмена 10-100 м 2; они работают как под вакуумом, так и при давлении до 1 МПа при температуре рабочей среды 20-200 °С. Их можно использовать для реализации теплообмена между рабочими средами жидкость-жидкость, газ-газ, газ-жидкость, а также конденсации паров и парогазовых смесей.

Все большее распространение этих теплообменников в последнее время объясняется главным образом простотой изготовления и компактностью конструкции. В таком аппарате один из теплоносителей поступает в периферийный канал аппарата и, двигаясь по спирали, выходит из верхнего центрального канала. Другой теплоноситель поступает в нижний центральный канал и выходит из периферийного канала.

Площадь поперечного сечения каналов в таком теплообменнике по всей длине постоянна, поэтому он может работать с загрязненными жидкостями (загрязнение смывается потоком теплоносителя) [1].

1.6.2 Теплообменники пластинчатые разборные

Пластинчатые теплообменники (рисунок 11) представляют собой аппараты, теплообменная поверхность которых образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью. Их разделяют по степени доступности поверхности теплообмена для механической очистки и осмотра на разборные, полуразборные и неразборные (сварные).

Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники, в которых пластины отделены одна от другой прокладками. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляют достаточно быстро, очистка теплообменных поверхностей требует незначительных затрат труда.

Рисунок 11 — Пластинчатый теплообменник

Основные размеры и параметры наиболее распространенных в промышленности пластинчатых теплообменников определены ГОСТ 15518-83. Их изготовляют с поверхностью теплообмена от 2 до 600 м 2 в зависимости от типа размера пластин. Эти теплообменники используют при давлении до 1,6 МПа и температуре рабочих сред от -30 до +180° С для реализации теплообмена между жидкостями и парами (газами) в качестве холодильников, подогревателей и конденсаторов [1].

1.7 Аппараты теплообменные с воздушным охлаждением

В химической и особенно нефтехимической промышленности большую часть теплообменных аппаратов составляют конденсаторы и холодильники. Использование для конденсации и охлаждения различных технологических продуктов аппаратов водяного охлаждения, кожухотрубчатых или оросительных, связано со значительными расходами воды и, следовательно, с большими эксплуатационными затратами. Применение аппаратов воздушного охлаждения в качестве холодильников-конденсаторов имеет ряд преимуществ:

  • исключаются затраты на подготовку и перекачку воды;
  • снижается трудоемкость и стоимость ремонтных работ;
  • не требуется специальной очистки наружной обтекаемой воздушным потоком поверхности труб;
  • облегчается регулирование процесса охлаждения.

Горизонтальный аппарат воздушного охлаждения (рисунок 12) снабжен сварной рамой 1, на которой размещен ряд теплообменных секций 2. Они состоят из пучка поперечно оребренных труб, в которых прокачивается конденсируемая (охлаждаемая) среда. Снизу к раме прикреплены диффузор 3 и коллектор 6, в центре которого находится осевой вентилятор 5. Вентилятор вместе с угловым редуктором 9 и электродвигателем 7 смонтирован на отдельной раме 8. Воздух, нагнетаемый вентилятором, проходит через теплообменные секции, омывая наружную поверхность оребренных труб и обеспечивая при этом конденсацию и охлаждение пропускаемой по трубам среды [1].

7 стр., 3371 слов

Расчет теплообменного аппарата

... повторить уточненный расчет. На основании условий теплообмена, полученных ориентировочных расчетов площади поверхности теплообмена и коэффициента теплопередачи, подробного изучения типов теплообменных аппаратов (с. 54 - 64 [2]) назначаем теплообменный аппарат типа «труба в трубе». Среды движутся ...

Рисунок 12 — Теплообменник с воздушным охлаждением

1.8 Аппараты теплообменные блочные

Блочные теплообменные аппараты изготовляют в основном из искусственного графита или графитопласта — пластмассы на основе фенолформальдегидной смолы, в которой в качестве наполнителя использован мелкодисперсный графит. Аппараты обладают рядом ценных свойств: они эффективны, так как по теплопроводности графит в 4 раза превосходит коррозионностойкую сталь; обладают высокой стойкостью к агрессивным средам (кислотам, щелочам, органическим и неорганическим растворителям); относительно дешевы. Основной метод соединения деталей на основе графита — склеивание искусственными смолами.

Теплообменные аппараты такого типа (рисунок 13) изготовляют из отдельных прессованных блоков 1, соединенных между собой специальной замазкой. В блоках имеются горизонтальные и вертикальные каналы для прохода теплоносителей. Узлы соединения блоков можно уплотнять также прокладками из термо- и коррозионностойкой резины или фторопласта. Аппарат имеет распределительные камеры 2, скрепленные с блоками и между собой крышками 10 и стяжками 7 [1].

Рисунок 13 — Блочный теплообменный аппарат

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (водяной пар), индекс «2» для холодного теплоносителя (этанол).

конд =151,1° С [2, табл. LVII].

Температурная схема:

¾¾ 151,1

¾® 35

б =128,1 ?tм =116,1

Средняя разность температур:

Средняя температура этанола:

t2= t1 — ?tср =151,1-122,4=28,7 29

Расход этанола:

V2= 1700/3600=0,4722 м3/с;

2 =V2??2 =0,4722?781,525 =369,036 кг/с

где ?2=781,525 кг/м3 — плотность этанола при 27 [2, табл. IV].

Расход теплоты на нагрев этанола:

= G2 c2(t2к — t2н) =369,036 ·2681,6·(35 — 23) 11875283,2512 Вт,

где с2=2681,6 Дж/(кг·К) — средняя удельная теплоемкость этанола [2, рис. XI].

Расчет сухого греющего пара с учетом 7% потерь теплоты:

G1= 6,00215 кг/с,

где =2117 Дж/кг — средняя удельная теплоемкость этанола [2, табл. LVII].

Определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая Kор=340 Вт/(м2·К) [2, табл. 4.8], т.е. приняв его таким же, как и при теплообмене от конденсирующегося водяного пара к органическим жидкостям (этанол):

5 стр., 2477 слов

Расчет ректификационной колонны для разделения жидкой бинарной ...

... труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента ... расчетов необходимо концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях. масс масс масс М А , МВ - молекулярные массы соответственно бензола и толуола. ... Д. В дефлегматоре пары этанола конденсируются за счет ... Для обеспечения непрерывной работы установки при ремонте и ...

Fор285,35 м2.

Для обеспечения турбулентного режима при Re2>10000 скорость в трубах должна быть больше w2′:

w2’0,625 м/с,

где =1,025 Пас — динамический коэффициент вязкости этанола при 29°С [2, табл. IX].

Число труб 25х2 мм, обеспечивающих объемный расход этанола при Re2=10000:

n’.

Условию n<2183 и F<285,35 удовлетворят два теплообменника [2, табл. 4.12]:

1. Четырехходовой диаметром 800 мм с числом труб на один ход трубного пространства n=101 (общее число труб 404);

Расчет первого варианта:

Коэффициент теплоотдачи для этанола.

Уточняем значение критерия Re 2:

=10000 =10000 =216039.

Критерий Прандтля для этанола при 29°С:

2 17,44

2 =0,1576 Вт/(м·К) — коэффициент теплопроводности этанола при 29°С [2, рис. X].

Расчетная формула:

20,021·2160390,8·17,440,43·1,12·1=1329,3.

принято равным 1,12 (с последующей проверкой).

Таким образом:

9975 Вт/(м2·К).

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке горизонтальных труб.

Расчет осуществляем приближенно по формуле:

Вт/(м2·К).

=0,62 [2, рис. 4.7], Bt=1136,7 [2, табл. 4.6]. длиной труб L=3 м [2, табл. 4.12]

Принимаем тепловую проводимость со стороны греющего пара 5800 Вт/(м2·К), со стороны этанола 5800 Вт/(м2·К) [2, табл. XXXI]. Коэффициент теплопроводности стали нержавеющей = 17,5 Вт/(м·К) [2, табл. XXVIII].

Тогда:

2178 Вт/(м 2·К).

Коэффициент теплопередачи:

1334,6 Вт/(м2·К).

Поверхностная плотность теплового потока:

163352,5 Вт/м2.

. Определяем:

16 ;

45 ;

где 2849,2 Дж/(кг·К) — средняя удельная теплоемкость этанола при 45 [2, рис. XI], 0,763·10-3 Па·с — динамический коэффициент вязкости этанола при 45 [2, табл. IX], 0,1612 Вт/(м·К) — коэффициент теплопроводности этанола при 45 [2, рис. X].

Следовательно:

1,1.

= 1,12. Разница 1,8 %. Расчет К закончен.

12 стр., 5587 слов

Расчет аппарата воздушного охлаждения

... 2.6) Fм 2 . Выбираем аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа с коэффициентом оребрения 14,6, длина труб 4 м., количество рядов труб 6, количество ходов по трубам 6, поверхностью теплообмена 1870 м?, внутренний диаметр ... площадь поверхности теплообмена в зоне конденсации по формуле: q ср = 0,5 (q1 + q2 ) = 0,5(3980 + 4011) = 3995,5 Вт/м2 (2.17) Таблица 3. - Результаты расчета температур в ...

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

73 м2

Аппарат с L=3 м имеет площадь поверхности теплообмена:

79,9 80 м2

Запас площади поверхности теплообмена:

9,6 %

Запас площади поверхности теплообмена достаточен.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе были рассмотрены основные виды теплообменных аппараты.

Произведен расчет четырехходового кожухотрубчатого теплообменного аппарата. Предлагается установить четырехходовый кожухотрубчатый теплообменник с внутренним диаметром кожуха 800 мм, длиной труб 3 м и числом труб на один ход трубного пространства 101 как более простой.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/vertikalnyiy-teploobmennik/

1.Теплообменное оборудование. — www.tracon.ru/rus/teploobmennoe-oborudovanie.html <http://www.tracon.ru/rus/teploobmennoe-oborudovanie.html >

-Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г Романкова / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. — 10-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1987. — 576 с., ил.