3.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние называются теплоносителями.
Необходимость передачи теплоты от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники: в энергетике, в химической, металлургической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.
Независимо от принципа действия теплообменные аппараты, применяющиеся в различных отраслях техники, как правило, имеют свои специфические названия. Эти названия определяются технологическим назначением и конструктивными особенностями. Однако с теплотехнической точки зрения все аппараты имеют одно назначение – передачу теплоты от одного теплоносителя к другому. Последнее определяет те общие положения, которые лежат в основе теплового расчета любого теплообменного аппарата.
В аппаратах поверхностного типа теплоносители ограничены твердыми стенками. Поверхностью нагрева называется часть поверхности этих стенок, через которые передается теплота.
Рекуперативными называются такие теплообменные аппараты, в которых теплообмен между теплоносителями происходит через разделительную стенку. При теплообмене в аппаратах такого типа тепловой поток в каждой точке поверхности разделительной стенки сохраняет постоянное направление.
В большинстве рекуперативных теплообменников теплота передается непрерывно через стенку то одного теплоносителя к другому теплоносителю. Такие теплообменники называются теплообменниками непрерывного действия.
Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия весьма разнообразны, поэтому в настоящем учебном пособии рассмотрим только некоторые из них.
Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами и крышками с патрубками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено на несколько ходов. Перегородки, предназначенные для увеличения скорости и, следовательно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей (см. рис. 3.1). Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена: между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газами. При нагреве жидкости паром в большинстве случаев пар вводится в межтрубные пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубам.
а) б)
Рис. 3.1. Кожухотрубчатые теплообменники:
а) – с U – образными трубками; б) – с подвижной решеткой закрытого типа
Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха. Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, предусматривается возможность свободного удлинения труб за счет различного рода компенсаторов.
Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так как они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении.
Секционные трубчатые теплообменники представляют собой разновидность трубчатых аппаратов, состоят из нескольких последовательно соединенных секций, каждая из которых представляет собой кожухо-трубчатый теплообменник с малым числом труб и кожухом небольшого диаметра (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Секционный водо-водяной теплообменник:
1 – вода от ТЭЦ; 2 – вода на ТЭЦ; 3 – из водопровода; 4 – к абоненту
В секционных теплообменниках при одинаковых расходах жидкостей скорости движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве почти равновелики, что обеспечивает повышение коэффициента теплопередачи по сравнению с обычными трубчатыми теплообменниками.
Кожухи серийных секционных теплообменников изготовляют из труб длиной до 4 м, внутренним диаметром от 50 до 500 мм. Число труб в секции от 4 до 450, поверхность нагрева от 0,75 до 50 м2, трубы латунные диаметром 16/14 мм.
3.2 КОНСТРУКТОРСКИЙ И ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТЫАППАРАТОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА
В практике встречаются два случая теплового расчета. Могут быть заданы теплопроизводительность аппарата, теплоносители и их начальные и конечные параметры; требуется определить поверхность нагрева и конструктивные размеры аппарата. Такой расчет называется конструкторским. В другом случае могут быть заданы конструкция и размеры аппарата, теплоносители и их начальные параметры; требуется определить конечные параметры теплоносителей и теплопроизводительность аппарата. Такой расчет называют поверочным.
Конструкторский тепловой расчет теплообменных аппаратов выполняется при их проектировании. В этом случае перед тепловым расчетом необходимо задаться определенной конструкцией аппарата. Расчет состоит в совместном решении уравнений теплового баланса и уравнения теплопередачи.
Для аппаратов, работающих без изменения агрегатного состояния теплоносителей (водо-водяных подогревателей), уравнение теплового баланса имеет вид
Q = G1∙c1∙(t'1 – t"1)∙hN = G2∙c2∙(t"2 – t'2). (3.1)
Для аппарата с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей (пароводяных)
Q = D1∙(h1 – hK)∙hN = G2∙c2∙(t"2 – t'2). (3.2)
В уравнениях (3.1) и (3.2):
Q – тепловая производительность, Вт;
G1 и G2 – расходы теплоносителей, кг/с;
D1 – расход теплоносителя, изменяющего агрегатное состояние пара, кг/с;
c1 и с2 – теплоемкость теплоносителей, Дж/(кг∙К);
t'1, t"1, t"2 и t'2 – начальные и конечные температуры теплоносите-
лей,°С;
h1 – энтальпия пара, Дж/кг;
hK – энтальпия конденсата, Дж/кг;
hN – коэффициент, учитывающей потери тепла в окружающую среду (hN = 0,97).
На основе этих уравнений определяют расход теплоносителей, кг/с,
G1 = Q/(c1∙(t’1 – t”1)∙hN);
G2 = Q/(c2∙(t”2 – t’2)∙hN);
D1 = Q/((h1 – hK)∙hN).
Поверхность нагрева подогревателя H, м2, находится из уравнения теплопередачи
H = Q/(К∙DtСР), (3.3)
где Q – тепловая нагрузка, Вт;
К – коэффициент теплопередачи Вт/(м2∙К);
DtСР – средний температурный напор между теплоносителями,°С.
Для трубчатого теплообменника
H = p∙dСР∙L∙n∙z, (3.4)
где dСР – средний диаметр трубки;
L – длина трубки, м;
n – число трубок в одном ходу;
z – число ходов.
Для пароводяных и водо-водяных подогревателей величина DtСР, °С, определяется по формуле
DtСР = (DtБ – DtМ)/ln(DtБ/DtМ), (3.5)
где DtБ и DtМ – большая и меньшая разности температур между теплоносителями на входе и выходе теплообменника.
Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м2∙К)
K = 1/(1/a1 + dСТ/lСТ + 1/a2 + RЗАГ), (3.6)
где a1 и a2 – коэффициенты теплоотдачи с внешней и внутренней сторон трубки, Вт/(м2∙К);
dСТ – толщина стенки трубки, м;
lСТ – коэффициент теплопроводности материала трубки, Вт/(м∙К);
RЗАГ – термическое сопротивление загрязнений, (м2∙К)/Вт, отлагающихся на поверхности нагрева с обеих сторон
RЗАГ = d1/l1 + d2/l2, (3.7)
Где d1 и d2 – толщина слоев загрязнений, м;
l1 и l2 – коэффициенты теплопроводности слоев загрязнений, Вт/(м∙К).
При расчетах теплообменников можно принимать значения толщины слоя загрязнения накипью в соответствии с табл. 3.1. Коэффициенты теплопроводности материала трубок и загрязнений можно принимать следующими:
- латунные трубки – l = 105 Вт/(м∙К);
- стальные трубки – l = 58 Вт/(м∙К);
- загрязнения – l = 2,3 Вт/(м∙К).
Таблица 3.1
Толщина слоя загрязнения накипью
| Подогреваемая среда | Материал труб | Толщина слоя загрязнений, мм |
| 1. Сырая вода 2. Сетевая вода 3. Конденсат и химически очищенная вода | – – латунные трубы стальные трубы | до 0,5 до 0,3 0,0 0,3 |