 |
|
КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
Учебное пособие
Составители: канд. техн. наук,
доцент В. К. Леонтьев, ассистент М. А. Барашева
Ярославль 2011
АННОТАЦИЯ
В пособии рассмотрены общие принципы инженерного расчета и вы- бора рекуперативных теплообменников для наиболее распространенных слу- чаев стационарной теплопередачи. Особое внимание в пособии уделено во- просам подбора расчетных уравнений, методике и последовательности расче- та, что полезно студентам, впервые самостоятельно выполняющим тепловые расчеты и подбор теплообменной аппаратуры.
Пособие предназначено для студентов, выполняющих расчетные зада- ния и курсовые проекты по курсу «Процессы и аппараты химической техно- логии».
СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ | |
| 1. КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ | |
| 1.1. Рекуперативные теплообменники | |
| 1.1.1. Кожухотрубчатые теплообменники | |
| 1.1.2. Теплообменники типа «труба в трубе» | |
| 1.1.3. Пластинчатые теплообменники | |
| 1.1.4. Спиральные теплообменники | |
| 1.1.5. Аппараты воздушного охлаждения | |
| 1.2. Смесительные теплообменные аппараты | |
| 1.3. Регенеративные теплообменники | |
| 2. НАГРЕВАНИЕ, ОХЛАЖДЕНИЕ, КОНДЕНСАЦИЯ | |
| 2.1. Нагревающие агенты и способы нагревания | |
| 2.1.1. Нагревание водяным паром | |
| 2.1.2. Нагревание горячей водой | |
| 2.1.3.Нагревание топочными газами | |
| 2.1.4. Нагревание высокотемпературными теплоносителями | |
| 2.1.5. Нагревание электрическим током | |
| 2.2. Охлаждение до обычных температур | |
| 2.3. Конденсация | |
| 3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ | |
| 4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ТЕПЛООБМЕННИКОВ | |
| 5. СРЕДНЯЯ РАЗНОСТЬ ТЕМПЕРАТУР | |
| 6. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ | |
| 6.1 Теплоотдача при свободном движении теплоносителя без измене- ния агрегатного состояния | |
| 6.2. Конвективная теплоотдача при вынужденном движении теплоно- сителя без изменения агрегатного состояния | |
| 6.2.1. Теплоотдача при движении жидкостей (газов) в трубах и ка- налах | |
| 6.2.2. Теплопередача при поперечном обтекании пучка гладких труб | |
| 6.3. Теплоотдача при конденсации насыщенного пара | |
| 6.4. Теплоотдача при кипении | |
| 7. ПОРЯДОК РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ | |
| 8. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКОВ | |
| 8.1. Расчеты кожухотрубчатых теплообменников | |
| 8.1.1. Пример расчета подогревателя | |
| 8.1.2. Пример расчета конденсатора | |
| 8.1.3. Пример расчета кипятильника | |
| 8.2. Расчет пластинчатого теплообменника | |
| 9. ЗАДАНИЯ НА РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ | |
| СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ | |
| ПРИЛОЖЕНИЕ |
ВВЕДЕНИЕ
Расчет и подбор теплообменной аппаратуры является составной частью общей задачи проектирования технологических установок.
Исходные данные для расчета и проектирования теплообменников не- посредственно вытекают из целевого назначения аппарата в разрабатывае- мой схеме (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и т. д).
Во многих случаях расчету предшествует предварительный выбор типа теплообменника, теплоносителя, его начальной и конечной температур, вы- бор взаимного направления движения теплоносителей и т.д.
Все эти вопросы должны быть решены с учетом достижения высокой интенсивности теплообмена, малых габаритов теплообменника, невысокой стоимости аппарата, удобства обслуживания и ремонта.
В зависимости от исходных данных различают следующие виды теп- ловых расчетов теплообменников: а) проектные, б) поверочные, в) режим- ные.
В проектном расчете неизвестной является поверхность теплопередачи. Ее определение составляет основную цель расчета. После вычисления тре- буемой поверхности теплопередачи проводят, как правило, подбор конкрет- ного аппарата по существующим нормалям и каталогам.
В поверочном расчете искомой является либо тепловая нагрузка тепло- обменника, т.е. количество тепла, которое может передаваться от одного теп- лоносителя к другому в единицу времени при известных размерах теплооб- менника, расходах теплоносителей и их начальных и конечных температу- рах, либо коэффициент теплопередачи.
Режимный расчет теплообменников проводится при проработке режи- мов регулирования теплообменников. Их выполняют специалисты при разра- ботке схем автоматического регулирования теплообменника.
КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Теплообменники – это аппараты, в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой средами. Греющие и нагреваемые среды на- зывают теплоносителями. Среди других аппаратов технологической уста- новки теплообменные аппараты являются самыми многочисленными. Они предназначены не только для поддержания технологического процесса, но и обеспечивают регенерацию теплоты (холода) отходящих потоков, сокращая тем самым расход топлива, пара, а также охлаждающих сред (воды, воздуха, хладоагента).
В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение и др. Теплообменники также могут выполнять различные функции. В зависимости от этого различают подогреватели, испарители, конденсаторы, холодильни- ки, кристаллизаторы.
Подогреватели – аппараты для нагрева дистиллятов или реагентов за счет тепла теплоносителя. Целевым процессом в них является нагрев.
Испарители – аппараты для испарения одной из сред за счет использо- вания высокотемпературных теплоносителей.
Конденсаторы – аппараты для конденсации и охлаждения паров путем передачи теплоты охлаждающему агенту.
Холодильники – аппараты для охлаждения жидких потоков. Если при охлаждении из жидкого потока выделяются кристаллы вещества, то холо- дильный аппарат называют кристаллизатором. В конденсаторах, холодиль- никах и кристаллизаторах целевым процессом является охлаждение горячей среды.
Теплообменные аппараты по принципу взаимодействия фаз разделяют на поверхностные, смесительные и регенеративные.
В поверхностных теплообменниках теплообмен между средами может осуществляться через трубчатую, плоскую или иную поверхность (например, кожухотрубчатые, пластинчатые, спиральные теплообменники и др.). К теп- лообменникам с трубчатой поверхностью теплообмена относятся кожухот- рубные (кожухотрубчатые) и змеевиковые теплообменники, а также тепло- обменники типа «труба в трубе».
К теплообменникам с плоской поверхностью теплообмена относятся пластинчатые, спиральные теплообменники, теплообменники с оребренной поверхностью теплообмена; а также с поверхностью теплообмена, образо- ванной стенками аппарата (аппараты с рубашкой) и др.
В смесительных теплообменниках теплоноситель непосредственно смешивается с рабочей средой. К смесительным теплообменникам можно отнести градирни, конденсаторы смешения, аппараты барботажного типа.
В регенеративных теплообменниках сначала производят нагревание керамических твердых тел, размещенных в аппарате, а затем используют эту теплоту для нагревания рабочей среды.