Выбор теплообменника

Рефераты по теплотехнике » Выбор теплообменника

Министерство Образования Российской Федерации

Оренбургский Государственный Университет

Контрольная работа

по курсу: Основы инженерно-технологические процессы

Выполнил студент Биккинин Р.Т.

Специальность ЭиУ

Курс 2

Группа ЭС2-3

Шифр студента 98-Э-250

Руководитель Асеева В.В.

________________

подпись

________________

дата

Оценка при защите_____________

Подпись___________дата________

Уфа – 2000 г.

Из чего исходят при выборе конструкции теплообменника? В чем заключается конструктивный расчет теплообменника?

Теплообменниками называются аппараты в которых происходить теплообмен между рабочими средами не зависимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели выпарные аппараты концентраторы пастеризаторы испарители деаэраторы экономайзеры и д.р.)

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники в которых пе­редача тепла является основным процессом и реакторы в кото­рых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения в которых рабочие среды непосредственно соприка­саются или перемешиваются и поверхностные теплообменни­ки - рекуператоры в которых тепло передается через поверх­ность нагрева - твердую (металлическую) стенку разделяю­щую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели испа­рители холодильники конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплооб­менники:

а) жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

б) парожидкостные - при теплообмене между паром и жид­костью (паровые подогреватели конденсаторы);

в) газожидкостные - при теплообмене между газом и жид­костью (холодильники для воздуха) и др.

По тепловому режиму различаются теплообменники перио­дического действия в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

В теплообменниках периодического действия тепловой обра­ботке подвергается определенная порция (загрузка) продукта;

вследствие изменения свойств продукта и его количества пара­метры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппа­рата во времени.

При непрерывном процессе параметры его также изменяют­ся но вдоль проточной части аппарата оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс ха­рактеризуется постоянством теплового режима и расхода рабо­чих сред протекающих через теплообменник.

В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смеситель­ных аппаратах пар обычно барботируют в жидкость (впускают под уровень жидкости); при этом конденсат пара смешивается с продуктом что не всегда допустимо. В поверхностных аппара­тах пар конденсируется на поверхности нагрева и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков. Водяной пар как теплоноситель обладает множеством преиму­ществ: легкостью транспортирования по трубам и регулирова­ния температуры высокой интенсивностью теплоотдачи и др. Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного испарения когда выпариваемая из продукт вода направляется в виде греющего пара в другие выпарные аппараты и подогреватели.

Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов) которые но ходу технологи­ческого процесса нагреваются до высокой температуры. В срав­нении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отли­чается переменной снижающейся температурой теплоносителя. Однако регулирование процесса и транспорт жидкостей так же удобны как и при паровом обогреве.

Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В услови­ях технологической аппаратуры пищевых производств при паро­вом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150-160 С что соответствует давлению (5-7) 105 Па.

В отдельных случаях (в консервной промышленности) при­меняется масляный обогрев который позволяет при атмосфер­ном давлении достигнуть температур до 200°С.

Широко применяется обогрев горячими газами и воздухом (до 300—1000°С) в печах сушильных установках. Газовый обо­грев отличается рядом недостатков: трудностью регулирования и транспортирования теплоносителя малой интенсивностью теп­лообмена загрязнением поверхности аппаратуры (при исполь­зовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он явля­ется единственно возможным (например в воздушных сушил­ках).

В холодильной технике используется ряд хладагентов: воз­дух вода рассолы аммиак углекислота фреон и др.

При любом использовании теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные процессы подчинены основному— технологическому процессу производства ради которого созда­ются теплообменные аппараты и установки. Поэтому решение задач оптимизации теплообмена подчинено условиям рациональ­ного технологического процесса.

Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций. Ниже рассматри­ваются некоторые конструкции теплообменных аппаратов при­меняющихся в пищевой промышленности.

Выбор конструкции теплообменных аппаратов

Конкретная задача нагревания или охлаждения данного про­дукта может быть решена с помощью различных теплообмен­ников. Конструкцию теплообменника следует выбирать исходя из следующих основных требований предъявляемых к теплообменным аппаратам.

Важнейшим требованием является соответствие аппарата технологическому процессу обработки данного продукта; это до­стигается при таких условиях: поддержание необходимой темпе­ратуры процесса обеспечение возможности регулирования тем­пературного режима; соответствие рабочих скоростей продукта минимально необходимой продолжительности пребывания про­дукта в аппарате; выбор материала аппарата в соответствии с химическими свойствами продукта; соответствие аппарата давлениям рабочих сред.

Вторым требованием является высокая эффективность (про­изводительность) и экономичность работы аппарата связанные с повышением интенсивности теплообмена и одновременно с соблюдением оптимальных гидравлических сопротивлений аппа­рата. Эти требования обычно выполняются при соблюдении сле­дующих условий: достаточные скорости однофазных рабочих сред для осуществления турбулентного режима; благоприятное относительное движение рабочих сред (обычно лучше противо­ток); обеспечение оптимальных условий для отвода конденсата и неконденсирующихся газов (при паровом обогреве); достиже­ние соизмеримых термических сопротивлений по обеим сторонам стенки поверхности нагрева; предотвращение возможности за­грязнения и легкая чистка поверхности нагрева микробиологи­ческая чистота и др.

Существенными требованиями являются также компакт­ность малая масса простота конструкции удобство монтажа и ремонта аппарата. С этой точки зрения оказывают влияние сле­дующие факторы; конфигурация поверхности нагрева; способ размещения и крепления трубок в трубных решетках; наличие и тип перегородок уплотнений; устройство камер коробок днищ; габаритные размеры аппарата и др.

Ряд факторов определяет надежность работы аппарата и удобство его эксплуатации: компенсация температурных дефор­маций прочность и плотность разъемных соединений доступ для осмотра и чистки удобство контроля за работой аппарата удобство соединения аппарата с трубопроводами и т. д.

Эти основные требования должны быть положены в основу конструирования и выбора теплообменных аппаратов. При этом самое большое значение имеет обеспечение заданного техноло­гического процесса в аппарате.

Для ориентировки при выборе теплообменников приведем следующие соображения. Из парожидкостных подогревателей наиболее рациональным является многоходовой по трубному пространству - трубчатый теплообменник жесткой конструк­ции (к подвижным трубным решеткам прибегают в крайнем случае). Этот же теплообменник с успехом применим в качестве газового или жидкостного при больших расходах рабочих тел и небольшом числе ходов в межтрубном пространстве. При малых расходах жидкостей или газов лучше применять элементные аппараты без подвижных трубных решеток.

Ребристые аппараты следует применять если условия тепло­отдачи между рабочими средами и стенкой с обеих сторон по­верхности нагрева существенно отличаются (в газожидкостных теплообменниках); оребрение целесообразно со стороны наи­меньшего коэффициента теплоотдачи.

Основные способы увеличения интенсивности теплообмена в подогревателях:

а) уменьшение толщины гидродинамического пограничного слоя в результате повышения скорости движения рабочих тел или другого вида воздействия; это достигается например раз-

бивкой пучка трубок на ходы и установкой межтрубных перего­родок;

б) улучшение условий отвода неконденсирующихся газов и конденсата при паровом обогреве;

в) создание благоприятных условий для обтекания рабочими телами поверхности нагрева при которых вся поверхность ак­тивно участвует в теплообмене;

г) обеспечение оптимальных значений прочих определяющих факторов: температур дополнительных термических сопротивле­нии и т. д.

Путем анализа частных термических сопротивлений можно выбрать наилучший способ повышения интенсивности теплооб­мена в зависимости от типа теплообменника и характера рабо­чих тел. Так например в жидкостных теплообменниках попе­речные перегородки имеет смысл устанавливать только при не­скольких ходах в трубном пространстве. Перегородки не всегда необходимы; при вертикальном расположении трубок и нагреве паром последний подается в межтрубное пространство; попереч­ные перегородки будут мешать стеканию конденсата. При теп­лообмене газа с газом или жидкости с жидкостью количество протекающей через межтрубное пространство жидкости может оказаться настолько большим что скорость ее достигнет тех же значений что и внутри трубок; следовательно установка пе­регородок теряет смысл. Перегородки бесцельны также в случае сильно загрязненных жидкостей при которых вследствие нарас­тания слоя загрязнений на трубках решающее влияние на коэф­фициент теплопередачи оказывает величинаRn.

Интенсификация теплообмена является одним из основных направлений развития и усовершенствования тепловой аппара­туры пищевых производств. При этом широко используются по­ложительные эффекты в интенсификации теплообмена обнару­женные и исследованные в других областях химической техники и энергетики. За последние годы выполнен ряд работ по про­мышленному испытанию активных «режимных» методов интен­сификации теплообмена в аппаратах химических и пищевых производств (И. М. Федоткин КТИПП). К ним относятся изме­нение режимных характеристик течения дополнительная турбу-лизация потока за счет пульсации вдувания воздуха и др. На­мечены пути комплексной интенсификации теплообмена дости­гаемой при совместном воздействии различных эффектов. Ведет­ся ускоренная разработка новых типов поверхностей нагрева компактных теплообменников эффективность которых оценива­ется промышленными данными о связи теплоотдачи с гидродина­мическим сопротивлением. Найдены способы передачи значи­тельных тепловых потоков между рабочими средами с помощью тепловых труб аналогичных по способу действия греющим трубкам хлебопекарных печей (трубкам Перкинса). Данные о конкретном применении новых типов теплообменников содер­жатся в рекомендуемой литературе.

Основы расчета поверхностных теплообменников

Расчет поверхностных теплообменников содержит тепловой конструктивный гидравлический прочностный и технико-эконо­мический расчеты которые обычно выполняются в нескольких вариантах. Оценка выбранного варианта производится по одно­му из признаков оптимальности: коэффициенту полезного дейст­вия технико-экономическому критерию оптимальности и др.

Тепловой расчет поверхностного теплообменника состоит в решении общего уравнения теплопередачиQ = qF совместно с уравнением теплового балансаQ = M1 D i1=M2 D i2 для конкрет­ных условий работы теплообменника: данных рабочих сред кон­структивных размеров элементов теплопередающей поверхности заданных пределов изменения температур и схеме относительно­го движения теплоносителей (см. гл. XII). Решением является совокупность правил (алгоритм) однозначно приводящих от ис­ходных данных к результату—значению площади поверхности теплообмена в проектном (прямом) расчете либо к значению температур потоков на выходе из аппарата при проверочном расчете.

Вследствие влияния многочисленных факторов и различия в исхо 1цы. данных общее решение пригодное для любого тепло­обменника отсутствует. Однако существует несколько простых методов приближенного расчета отличающихся различными допущениями легко реализуемых при ручном и машинном сче­те среди них наиболее доступны методы расчета Грасгофа Колбэрна А. П. Клименко и Г. Е. Каневца (Институт газа АН УССР).

Рассмотрим в качестве примера методику теплового и конст­руктивного расчета наиболее распространенного парожидкостного трубчатого подогревателя непрерывного действия по спосо­бу Грасгофа. В проектных тепловых расчетах подогревателей определяют:

а) среднюю разность температур и средние температуры ра­бочих тел;

б) тепловую нагрузку и расход рабочих тел;

в) коэффициент теплопередачи;

г) поверхность нагрева.