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 м²/м³) 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 t_2ни t_2к. 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 t_2н до температуры t_2к. 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 d_н/d_в 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 t_п ,°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 t_ст. 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 k_l 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.