ВВЕДЕНИЕ Теплообменные аппараты (теплообменники) представляют собой устройства, предназначенные для передачи тепла от одной рабочей среды (теплоносителя) к другой. Теплоносители могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Теплообменники имеют различные назначения: в них могут протекать процессы нагревания, охлаждения, кипения, конденсации, расплавления, затвердевания, а также сложные термохимические процессы - выпаривание,
ректификация, полимеризация, вулканизация и многие другие. По характеру обмена теплом теплообменные аппараты разделяются на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах имеется поверхность нагрева, через которую тепло передается от одного теплоносителя к другому. Если теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки и тепловой поток в них имеет всегда одно направление, теплообменник называется рекуперативным.
Аппараты с переменным по направлению теплообменом между чередующимися теплоносителями, один из которых отдает тепло поверхности, а другой воспринимает это тепло, называются регенеративными. В смесительных аппаратах теплообмен осуществляется путем непосредственного контакта и смешения теплоносителей: при этом теплообмен происходит одновременно с массообменом, т. е. с изменением теплосодержания среды изменяется и ее массосодержание. Для случаев теплообмена между газами, у которых коэффициент теплоотдачи
очень низок, и водой или водяным паром, у которых этот коэффициент больше в десятки и сотни раз, получили распространение ребристые теплообменники . Ребра увеличивают поверхность теплообмена со стороны теплоносителя, имеющего меньший коэффициент теплоотдачи, способствуя повышению количества тепла, передаваемого 1 пог. м трубы. Благодаря компактности и высокому коэффициенту теплоотдачи в последние годы получили распространение спиральные теплообменники, у которых поверхность теплообмена образуется двумя металлическими
листами, сворачиваемыми в спирали. Между листами оставляют постоянные зазоры, служащие каналами для протекания теплоносителя. Недостатком таких теплообменников является небольшое давление, допускаемое внутри аппарата (рис.1,з). Трубчатые теплообменные аппараты для воздуха и газов имеют малую удельную поверхность нагрева, составляющую 40—60 м2/м3 объема аппарата. Значительно большую удельную поверхность нагрева имеют пластинчатые газо- и воздухоподогреватели 200—300
м2/м3. Пластины этих аппаратов изготовляют штамповкой, сваривают попарно и соединяют в секции. Пластинчатые теплообменники просты по конструкции и относительно недороги. На рис.1,и представлена схема работы пластинчатого теплообменника. а)Кожехотрубный теплообменник с плавающей камерой б)Варочный котел с масляной ванной и огневым обогревом в)Автоклав с паровой рубашкой г)Змеевиковый теплообменник д)спиральный теплообменник
ЗМЕЕВИКОВЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Одним из простейших теплообменников является эмеевиковый аппарат, представляющий собой сосуд со спиральной трубой, витки которой располагаются по винтовой линии. По змеевику движется теплоноситель или охлаждающая жидкость (рис.2,a). При паровом обогреве пар вводится обычно в змеевики сверху, чтобы конденсат мог свободно стекать. При большой общей поверхности теплообмена, для того чтобы в трубках не скапливался конденсат, змеевики
по длине разделают на несколько секций. При охлаждении охлаждающую жидкость вводят в змеевик снизу при скорости до 1,5 – 2 м/с. При паровом обогреве скорость пара при входе в змеевики принимают до 50 м/с. Поверхность теплообмена в змеевиковых аппаратах выполняют из стальных, медных, латунных, алюминиевых или свинцовых труб, а также из кислотоупорных материалов - стекла, керамики или пластмасс. Змеевиковые поверхности теплообмена выполняют из труб внутренним диаметром не более 65 мм.
Во избежание прогиба и деформации труб большого диаметра с большим числом витков каждый виток укрепляют при пoмощи болтов на стойках из стального проката (рис.2,в). Условия теплоотдачи на внутренней поверхности труб змеевиковых аппаратов обычно удовлетворительны. Однако теплоотдача на наружной поверхности труб большей частью низка вследствие малых скоростей среды. Поэтому змеевиковые теплообменники обычно применяют в аппаратах небольшой емкости.
Калужский турбинный завод выпустил «винтовые» теплообменники (рис.3) для использования в качестве регенеративных подогревателей низкого и высокого давлении и холодильников эжекторов к турбинам мощностью до 6 000 кВт. В этих аппаратах нагреваемая вода поднимается по нескольким параллельно включенным концентрически установленным змеевикам, а греющий пар направляется сверху вниз по спиральному каналу, образованному поперечными по отношению к вертикальной оси аппарата перегородками, вставленными между витками змеевиков.
Такая конструкция допускает большие скорости теплоносителей как в змеевиках, так и в межтрубном пространстве, что обеспечивает высокие коэффициенты теплопередачи. Подогреваемая вода поступает через патрубок 15, опускается то трубе 7 в нижние коллекторы 3 и движется по змеевикам вверх. Из змеевиков вода поступает в верхние коллекторы 17 и по кольцевому сечению между трубами 7 и 8 выходит в патрубок 14. Греющий пар поступает через патрубок, вваренный в крышку 13, и
по спиральным каналам движется сверху вниз. Змеевиковые теплообменики ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ При теплообмене между газами трубчатые аппараты характеризуются низким коэффициентом теплопередачи и малым коэффициентом удельной поверхности нагрева (40-80 м2/м3). Для таких теплоносителей с близкими по значению коэффициентами теплоотдачи нашли применение пластинчатые теплообменники. Эти аппараты состоят из ряда параллельных пластин, каналы между которыми сгруппированы
так, что по одной части каналов движется горячий теплоноситель, а по другой - холодный. Движение может быть противоточным и перекрестным. Пластинчатые теплообменники компактны, их удельная поверхность нагрева велика (до 200-300 м2/м3), но прочность пластин невысока, поэтому они применимы только при малых давлениях. В последние годы начато изготовление пластинчатых теплообменников из штампованных гофрированных пластин,
изготовляемых из нержавеющей стали толщиной 1,0-1,5 мм. Сохраняя преимущества обычных пластинчатых аппаратов, штампованные пластинчатые теплообменники допускают рабочее давление до 15 ати. На рис.5 представлен пластинчатый воздухоподогреватель. Каналы аппарата образованы штампованными стальными листами: сечение одного из каналов - волнообразное, другого - перекрестного - овальное. Торцы листов сварены попарно.
Пакеты стягивают болтами, которые воспринимают давление теплоносителей (рис.5,б). а и б – пластинчатый подогреватель конструкции НЗЛ Рисунок 5 – Пластинчатые штампованные теплообменники СПИРАЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Спиральные теплообменники предназначаются для подогрева или охлаждения жидкостей и газов. Они могут работать как при противотоке, так и при перекрестном токе теплоносителей. Теплообменник состоит из корпуса, верхней и нижней крышек и опорной рамы (рис.6).
Поверхность теплообмена образована металлическими листами, свернутыми по спирали. Образующиеся между спиралями каналы прямоугольного сечения начинаются в центре в форме полуцилиндров и кончаются на периферии специальными коробками со штуцерами. Для придания листам жесткости и для фиксирования расстояния между спиралями по обеим торцовым сторонам к листам приварены бобышки. Торцы корпуса уплотнены и скреплены болтовым соединением с крышками при
помощи фланцев, приваренных к наружным виткам спирали. Спиральные теплообменники - горизонтального типа противоточные; их применяют при теплообмене между двумя жидкостями. Теплообменники вертикального типа применяют для теплообмена между паром и жидкостью; они могут работать при противотоке и перекрестном токе. Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду рекомендуется пропускать холодный теплоноситель по
наружному каналу. Спиральные теплообменники получили широкое распространение благодаря ряду преимуществ перед трубчатыми: удельная поверхность на единицу объема в 2 раза больше, чем в трубчатых; малый вес; возможность достижения больших скоростей; высокий коэффициент теплопередачи; небольшие гидравлические сопротивления; малая подверженность загрязнению. Недостатки: трудность производства ремонтных работ; пригодность для работы при давлении до 6 – 10 ати.
Спиральные теплообменники сложны в изготовлении, затруднительна герметизация каналов с разными теплоносителями. РЕБРИСТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Ребристые поверхности теплообмена применяют с целью увеличения теплопередачи через металлические стенки в тех случаях, когда условия теплопередачи по обеим сторонам стенки значительно различаются. При нагревании, например, воздуха паром условия теплоотдачи по обеим сторонам стенки весьма различны: коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке составляет 5 000-10 000 ккал/м2∙ч&
#8729;град, в то время как от стенки к нагреваемому воздуху или газу он составляет всего 5-50 ккал/м2∙ч∙град. Улучшение условий теплопередачи достигается искусственным увеличением теплопередающей поверхности с помощью ребер, размещаемых с той стороны, где величина коэффициента теплоотдачи мала. Ребристые теплообменники изготовляют разнообразных конструкций (рис.4). Наиболее распространены воздухонагревателн с поперечными круглыми и прямоугольными ребрами (рис.4,c).
Иногда ребра выполняют навивкой металлической ленты, поставленной на ребро (рис.4,б). В качестве рекуператоров промышленных печей применяют чугунные игольчатые теплообменники с иглами иа внешней и внутренней стороне (рис.4,д,). При продольном обтекании труб целесообразно располагать ребра вдоль образующих труб (так называемые плавниковые трубы) (рис.4,в). В последние годы для охлаждения воздуха или газа в замкнутом вентиляционном контуре электрических
генераторов нашли применение теплообменники с проволочным «биспиралыным» оребрением (рис.4,г). Искусственно созданная шероховатость и одновременно сильно развитая поверхность трубы способствуют повышению теплопередачи в теплообменниках с проволочным оребрением. Многоребристая труба теплообменника для чистых газов и жидкостей показана рис.4,е. Оребрение осуществляется приваркой к гладкой поверхности трубы диаметром 25/23 мм волнистой ленты,
образующей ребра с просветом в 10 мм. Существенное значение для эффективности работы ребристых аппаратов имеет материал труб и ребер, а также контакт между ними. Для повышения теплопроводности часто применяют латунь, алюминий или медь. Хороший контакт между трубами и ребрами достигается лужением или оцинкованием. Труба с оребренными прямоугольными шайбами Многоребристая труба
Плавниковое оребрение труб ПРОКАТНО-СВАРНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Разработка новых технологических процессов обработки металлов, в частности сварки, совмещенной с прокаткой, позволила создать прокатно-сварные теплообменники из алюминиевых сплавов для холодильных установок и других отраслей техники. Прокатно-сварной теплообменник имеет систему каналов, образованную между двумя листами из алюминиевого сплава, сваренными посредством холодной или горячей прокатки (рис.7).
Таким методом можно получить изделия со сложной системой каналов. При толщине стенок канала в 0,75-1 мм теплообменники выдерживают гидравлическое давление до 16 ати. Прокатно-сварные теплообменники выгодно отличаются от других поверхностных теплообменных аппаратов невысокой стоимостью, простотой и дешевизной изготовления. Замена алюминием меди и нержавеющей стали делает эта теплообменники особо перспективными.
ШНЕКОВЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Шнековый теплообменник представляет собой закрытый короб, в котором установлены два полых шнека (рис.8). Обрабатываемый материал поступает через приемный люк в верхней крышке короба и удаляется через нижний люк. При вращении шнеков материал в коробе передвигается и тщательно перемеши- вается, а соприкасаясь с поверхностью полых шнеков, в которых течет теплоноситель, нагревается или охлаждается. Через головку на валу шнека теплоноситель поступает в полый вал, проходит по его длине
и поступает в пустотелые витки шнека. Отдав тепло материалу, теплоноситель через ту же головку удаляется из аппарата для повторного нагревания. Шнековые теплообменники применяют в таких химических процессах, когда необходимо особенно бережно обращаться с материалам при его нагревании и охлаждении. Они нашли применение для охлаждения солярового масла и цемента, непрерывного кальцинирования необожженного гипса и нагревания смоляных композиций в различных производствах.
Шнековые теплообменники занимают мало места, высокоэффективны и могут быть приспособлены к различным производственным условиям путем объединения нескольких аппаратов в один агрегат. Поверхность нагрева шнека при длине 3 м составляет 2,6 м2. Шнековый теплообменник БЛОЧНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Для процессов теплообмена, протекающих в химически агрессивных средах, в ряде случаев используют теплообменники из неметаллических материалов.
Обычно такие материалы (стекло, керамика, тефлон и др.) обладают более низкой, чем у металлов, теплопроводностью. Исключение составляет графит, который для устранении пористости предварительно пропитывают феноло-формальдегидными смолами. Пропитанный графит является химически стойким материалом в весьма агрессивных средах (например, в горячей соляной, разбавленной серной, фосфорной кислоте и др.) и отличается высокими коэффициентами теплопроводности, равными 92-116 вт/(м∙град), или 70 -
90 ккал/(м∙ч∙град). Типичными теплообменными аппаратами из графита являются блочные теплообменники (рис.9), состоящие из отдельных графитовых блоков 1, имеющих сквозные вертикальные каналы 2 круглого сечения и перпендикулярные им каналы 3. Теплоноситель I движется по вертикальным каналам, а теплоноситель II - по горизонтальным каналам 3, проходя последовательно все блоки, как показано на рис.9.
Горизонтальные каналы различных блоков сообщаются друг с другом через боковые переточные камеры 4. Графитовые блоки уплотняются между собой прокладками из резины или тефлона и стягиваются торцовыми крышками 5 на болтах. Кроме прямоугольных блоков применяют также цилиндрические блоки, в которых горизонтальные каналы располагаются радиально. Рабочее давление в блочных теплообменниках не превышает 2,9x105 н/м2 1-графитовые блоки; 2- вертикальные круглые каналы; 3- горизонтальные круглые каналы;
4- боковые переточные камеры; 5- торцовые крышки. Рисунок – Блочный теплообменник из графита СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1.П.А.Антикайн, М.С.Аронович, А.М.Бакластов “Рекуперативные теплообменные аппараты” М Л, Госэнергоиздат, 1982, 230с. 2А.Г.Касаткин “Основные процессы и аппараты химической технологии” М.: ООО ТИД “Альянс”, 2004 753 c. 3 Баранов Д.А Кутепов
А.М. Процессы и аппараты М.: Академия, 2004. – 302 с. 4 Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки М.: Химия, 1980 408 с.
! |
Как писать рефераты Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов. |
! | План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом. |
! | Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач. |
! | Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты. |
! | Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ. |
→ | Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре. |