Выбор теплообменника

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 величина Rn.

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 теплопередачи Q = qF совместно с уравнением теплового баланса Q

= M1(i1=M2(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.