Контрольная работа №1 Кондрашкин М.В ПЗ-379. Контрольная работа 1 Рекуперативные теплообменники

• Название: Контрольная работа 1 Рекуперативные теплообменники
• Дата: 20.09.2022
• Размер: 0.96 Mb.
• Имя файла: Контрольная работа №1 Кондрашкин М.В ПЗ-379.docx
• Тип: Контрольная работа; #687856

Контрольная работа №1

Рекуперативные теплообменники

1. Основные виды и классификация тепломассообменного оборудования промышленных предприятий. Основные понятия и определения.

2. Рекуперативные теплообменные аппараты. Типы, конструкции. Каким образом осуществляется компенсация температурных напряжений в конструкции вертикальных и горизонтальных подогревателей сетевой воды?

3. Последовательность проектирования (расчета) рекуперативных теплообменных аппаратов.

4. Выбор скоростей теплоносителей.


1. Основные виды и классификация тепломассообменного оборудования промышленных предприятий. Основные понятия и определения.

Основными элементами тепломассообменных установок являются – теплообменные и тепломассообменные аппараты, камеры и др. устройства. Теплообменник – устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами. Устройства, в которых одновременно протекает тепло и массообмен называют тепломассообменными. Перенос теплоты в них может осуществляться конвекцией, кондукцией, теплопроводностью, лучеиспусканием при наличии фазовых и химических превращений. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой называют теплоносителями или в холодильной установке хладагентами.

Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим признакам. Их называют: подогревателями, испарителями, паропреобразователями, конденсаторами, холодильниками, радиаторами. К тепломассообменным аппаратам – скрубберы, применяемые для осушки, увлажнения и очистки воздуха от пыли и вредных паров и газов, ректификационные колоны, абсорберы, абсорбционных холодильных установок, сушильные камеры, градирни для охлаждения воды. В отдельную группу выделяют реакторы – в которых протекают химические реакции. По принципу действия различают – поверхностные и контактные. Поверхность твёрдой стенки или границы раздела контактирующих сред, через которую осуществляется теплообмен, называется поверхностью теплообмена, а если теплообмен сопровождается передачей массы – поверхностью тепломассообмена. Поверхностные теплообменные аппараты делят на рекуперативные и регенеративные.

Рекуперативные аппараты работают в стационарном или периодическом режиме. Периодического действия – сосуды большой вместимости, которые периодически заполняют обрабатываемыми материалами. Регенеративные теплообменные аппараты тоже могут работать в стационарном и периодическом режиме. В аппаратах периодического действия горячий и холодный теплоносители поочерёдно контактируют с неподвижной насадкой. В аппаратах непрерывного действия потоки теплоносителей разделены подвижной, вращающейся поверхностью нагрева (насадкой), различные части которой попеременно контактируют то с греющими, то с нагреваемыми теплоносителями. Если участвующие в теплообмене горячие и холодные среды перемешиваются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направлении – прямоточные. При встречном движении – противоточные и при перекрёстном – перекрёстноточными. Эти схемы движения теплоносителей и сред называют простыми. Путь, пройденный теплоносителем в тепломассообменном аппарате без изменения направления, называют ходом. Если один из потоков меняет направление 1, 2, 3 … n раз – аппарат называют одно, двух и т.д. ходовым. Если обмен теплотой и массой в аппарате происходит между двумя потоками, его называют двухпоточным, тремя – трёхпоточным.
2. Рекуперативные теплообменные аппараты. Типы, конструкции. Каким образом осуществляется компенсация температурных напряжений в конструкции вертикальных и горизонтальных подогревателей сетевой воды?

Рекуперативные теплообменные аппараты — это установки, работающие в периодическом или в стационарном тепловом режиме. Аппараты периодического действия обычно представляют собой сосуды большой вместимости, которые через определенные промежутки времени заполняют обрабатываемым материалом или одним из теплоносителей, нагревают или охлаждают его, а затем удаляют. В стационарном режиме работают, как правило, аппараты непрерывного действия. Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов весьма разнообразны и предназначены для работы с теплоносителями типов жидкость-жидкость, пар-жидкость, газ-жидкость.

Значительно чаще используются теплообменные аппараты непрерывного действия, среди которых наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники (рис. 1). Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток и ограниченных кожухами и крышками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них разделено перегородками на несколько ходов.

В кожухотрубчатых теплообменниках обычно применяют трубы внутренним диаметром не менее 12 мм и не более 38 мм, так как при увеличении диаметра труб значительно снижается компактность теплообменника и возрастает его металлоемкость.

Длина трубного пучка колеблется от 0,9 до 5...6 м. Толщина стенки труб — от 0,5 до 2,5 мм. Трубные решетки служат для закрепления в них труб при помощи развальцовки, запайки или сальниковых соединений. Кожух аппарата представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Он снабжен фланцами, к которым болтами крепятся крышки. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не делается тоньше 4 мм.

Из-за различия температур греющей и нагреваемой сред кожух и трубы работающего аппарата также имеют различные температуры. Для компенсации напряжений, возникающих в результате различия температурных расширений труб и кожуха, применяют линзовые компенсаторы, U- и W-образные трубы, теплообменники с плавающими камерами (рис. 1).



Рис. 1. Кожухотрубчатые рекуперативные теплообменные аппараты: а, б — с жестким креплением труб в трубных решетках; в — с линзовыми компенсаторам корпусе; г, д — с U- и W-образными трубками; е — с нижней плавающей распределительной камерой.



Рис. 2. Змеевиковые и секционные рекуперативные теплообменные аппараты: а — с витой трубчатой поверхностью нагрева (змеевиковый); б — секционный; в — «труба в трубе».



Рис. 3. Спиральный теплообменник: а — принципиальная схема спирального теплообменника; б — способы соединения спиралей с торцевыми крышками.



Рис. 4. Пластинчатые теплообменники: а — пластинчатый воздухоподогреватель; б — разборный пластинчатый теплообменник для тепловой обработки жидких сред; в — гофрированные пластины; г — профили каналов между пластинами; I, II — вход и выход теплоносителя.



Рис. 5. Типы ребристых теплообменников: а — пластинчатый; б — чугунная трубка с круглыми ребрами; в — трубка со спиральным оребрением; г — чугунная трубка с внутренним оребрением; д — плавниковое оребрение трубок; е — чугунная трубка с двухсторонним игольчатым оребрением; ж — проволочное (биспиральное) оребрение трубок; з — продольное оребрение трубок; и — многоребристая трубка.

В вертикальных аппаратах компенсация температурных расширений обеспечивается за счет применения плавающей водяной камеры, а корпуса горизонтальных подогревателей для этой цели снабжены линзовыми компенсаторами
3. Последовательность проектирования (расчета) рекуперативных теплообменных аппаратов.

Существуют следующие виды расчетов: проектный и поверочный. Проектный, в свою очередь, включает в себя тепловой конструктивный, компоновочный, гидравлический, механический и техникоэкономический расчеты.

Целью теплового конструктивного расчета является определение площади поверхности теплообмена   аппарата.

В компоновочном расчете устанавливают основные соотношения между линейными размерами, площадью поверхности теплообмена и проходными сечениями каналов, число ходов, габаритные размеры теплообменника с учетом требований ГОСТов.

При гидравлическом расчете определяют гидравлические сопротивления теплообменника и затраты мощности на перемещение теплоносителей.

Механический расчет – это проверка деталей теплообменника на прочность, плотность и жесткость.

Поверочный расчет производится для установления возможности использования имеющегося или выбираемого стандартного аппарата в заданных условиях; для расчета режимов работы, отличных от номинальных.

Тепловой конструктивный расчет рекуперативных теплообменников сводится обычно к совместному решению основного уравнения теплопередачи.

 (3.1.1.1)

и уравнения теплового баланса

 (3.1.1.2)

где   – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

 – коэффициент теплопередачи,Вт /(м2 · К);

 – средний температурный напор, град;

 ,   – энтальпии соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в аппарат, Дж/кг;

 ,   – энтальпии соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей на выходе из аппарата, Дж/кг;

 и   – расходы соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей, кг/с.

Уравнение теплового баланса (3.1.1.2) записано без учета потерь   .

Если фазовые превращения теплоносителей отсутствуют, то   ; здесь   и   – удельная изобарная теплоемкость, Дж/кг · К и температура (°C) теплоносителей соответственно.

Средний температурный напор при прямотоке и противотоке (рис. 3.1.1.1.) при условии, что температура обоих теплоносителей изменяется вдоль поверхности нагрева, определяется как среднелогарифметический (если   ):

 (3.1.1.3)

где   и   – соответственно наибольшая и наименьшая разности

температур.

При  пользуются упрощенной формулой

 . (3.1.1.4)

Если   – зависимость   .

При фазовых изменениях теплоносителей в аппарате средний температурный напор определяется как разность температур насыщения теплоносителей при их давлениях:

 . (3.1.1.5)

При этом температура обоих теплоносителей вдоль поверхности нагрева не изменяется.



 

Рис. 3.1.1.1. Графики изменения температур в теплообменниках:

а, б, в – при прямотоке; г, д, е – при противотоке; ж – при изменении

фазового состояния (конденсации) греющего теплоносителя;

з, и – при изменении фазового состояния обоих теплоносителей

 Средняя разность температур для более сложных схем движения теплоносителей, не меняющих агрегатного состояния, рассчитывается следующим образом:

1) определяется средний температурный напор по формуле (3.1.1.3),

2) находят величины

Средний температурный напор находится как



где   – температурный напор, рассчитанный по формуле (3.1.1.3).

Коэффициент теплопередачи   представляет собой количественную расчетную величину, характеризующую сложный теплообмен и зависящую от многих факторов (температур, температурных напоров, скоростей движения теплоносителей, давлений, физических параметров и т. д.): для плоской стенки:

 ; (3.1.1.6)

– для цилиндрической:

 , (3.1.1.7)

где   и   – коэффициенты теплоотдачи горячего и холодного теплоносителей; Вт/м2 · К;

 – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м · К;

 – термическое сопротивление, учитывающее загрязнение с обоих сторон стенки, м2 · К/Вт;

 ,   ,   – средний, внутренний и наружный диаметры труб, м;

 – толщина стенки, м.

Средний диаметр   определяется следующим образом:

при     ;

при     ;

при     .

Если отношение   , то расчет коэффициента теплопередачи ведут по формуле (3.1.1.6) для плоской стенки.


4. Выбор скоростей теплоносителей.
Правильный выбор скорости теплоносителей является важным этапом при проектировании тепломассообменных установок. С увеличением скорости среды интенсивность теплообмена повышается. Это приводит к уменьшению габаритов аппарата, его металлоёмкости, т.е. к снижению капитальных затрат. С другой стороны, увеличение скорости приводит к росту гидравлических сопротивлений и увеличению затрат мощности на прокачку теплоносителей, т.е. к росту эксплуатационных расходов. По методике определения наивыгоднейшей скорости Н.В. Кузнецова разработан технико–экономический расчёт, основанный на окупаемости дополнительных капитальных затрат за счёт экономии эксплуатационных расходов в пределах заданного срока окупаемости [6] . Там, где реализация наивыгоднейшей скорости из технико–экономических соображений не встречает препятствий, она является оптимальной. В остальных случаях верхний и нижний пределы скорости лимитируются требованиями, предъявляемыми к теплообменным аппаратам: допустимым гидравлическим (аэродинамическим) сопротивлением, наименьшей эрозией материала, загрязнением и абразивным износом поверхности теплообмена, предупреждением вибрации элементов аппарата. Рекомендуемые значения скоростей основных видов теплоносителей приведены в табл.1.3 [4]. В теплообменных аппаратах с газообразными теплоносителями, где интенсивность теплообмена сравнительно низка, перемещаются 12 большие объёмы воздуха и газов и затрачивается значительная мощность на их прокачку, существенное значение для повышения тепловой эффективности имеет соотношение скоростей рабочих сред. Выбор оптимального соотношения скоростей обеспечивает максимальный теплосъём при минимально возможных затратах мощности на прокачку теплоносителей. Наряду с методикой Н.В. Кузнецова, существуют различные способы оценки влияния соотношения скоростей на эффективность работы теплообменных аппаратов. В.М. Антуфьевым [7] предложена методика выбора соотношения скоростей на основе энергетического коэффициента Е, который для двухстороннего обтекания поверхности теплообмена определяется из выражения

Проведенный анализ [9] показал, что в общем случае оптимальное соотношение скоростей можно рассматривать как функцию нескольких переменных На рис. 1.2 приведена зависимость   f   о для профильно– пластинчатой поверхности с овалообразными выступами применительно к условиям эксплуатации регенераторов газотурбинных установок [8], характерным для которых является существенная разница в величине давления воздуха и продуктов сгорания. Из приведенного графика следует, что с увеличением разности плотностей рабочих сред оптимальное соотношение скоростей смещается в сторону меньших значений. Для теплообменных аппаратов с практически одинаковыми давлениями рабочих сред влиянием ε на величину о можно пренебречь. Не оказывают существенного влияния на выбор оптимального соотношения скоростей также абсолютные значения скоростей рабочих сред, линейный определяющий размер и температурный фактор. Решающее значение для выбора оптимального соотношения скоростей рабочих сред имеет форма поверхности теплообмена, которая при прочих равных условиях однозначно определяет уровень её тепловой эффективности. На рис. 1.3 приведен график зависимости оптимального соотношения скоростей о от соотношения уровней теплообмена сторон, характеризующихся соответствующим критериальным уравнением и представленные в виде чисел Нуссельта. Для различных типов поверхностей нагрева численное значение оптимального соотношения скоростей изменяется в широких пределах, для поверхностей нагрева с одинаковыми условиями обтекания с обеих сторон о практически равно единице. На основе анализа полученных результатов предложена формула для определения оптимального соотношения скоростей .

В табл. 1.4 приведены значения оптимального соотношения скоростей воздуха и дымовых газов для некоторых типов поверхностей нагрева применительно к условиям работы котельных воздухоподогревателей.