Теплотехника

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.



смотреть на рефераты похожие на "Выбор теплообменника"