1) ПАХТ все лекции в одной. Лекция 1 предмет и задачи курса процессы и аппараты химической технологии уравнение неразрывности в курсе Процессы и аппараты химической технологии изучаются физико химическая сущность и теория процессов,
 Скачать 7.99 Mb.
|
|
2. Водяной пар Паровые котлы для получения насыщенного пара предназначены для снабжения насыщенным водяным паром химического предприятия. Высокие требования при получении пара предъявляются к качеству испаряемой воды. Подаваемая в парогенераторы вода должна быть очищена не только от механических примесей, но и от солей жѐсткости – гидрокарбонатов кальция и магния, которые при нагревании способны выпадать на стенках труб в виде накипи. на стоимости получаемого пара. 4 Достоинства водяного пара как теплоносителей 1) Высокий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке (5 000÷15 000 Вт/(м 2 ·К)). 2) Большое количество теплоты, выделяемой при конденсации пара (2 000÷2 300 кДж/кг). 3) Возможность транспортировки на значительные расстояния (при этом пар должен быть перегрет на 10÷20 К. 4) Равномерность обогрева, поскольку температура конденсации пара постоянна по всей длине аппарата. 5) Возможность регулирования температуры пара путѐм изменения давления. 6) Водяной пар нетоксичен, экологически безопасен, негорюч и невзрывоопасен. Недостатки водяного пара как теплоносителей 1) Значительное возрастание давления с увеличением температуры, вследствие чего использование пара высоких температур возможно только на оборудовании, рассчитанном на высокие давления, что ограничивает применение водяного пара. Область применения Водяной пар является наиболее распространѐнным теплоносителем в химической промышленности. Рабочий интервал температур насыщенного водяного пара ограничен 250 С, однако на практике насыщенный водяной пар используют при 100÷190 С, поскольку более высокие температуры пара соответствуют высоким давлениям. Использование пара с давлением свыше 1,2 МПа, как правило, экономически нецелесообразно вследствие усложнения аппаратурного оформления процесса и заметного снижения удельной теплоты парообразования Рис. Схема устройства конденсатоотводчика со сферическим закрытым поплавком корпус 2 – поплавок 3 – клапан 5 3. Пары высокотемпературных органических теплоносителей Для нагревания выше 190 С без существенного усложнения оборудования вместо водяного пара могут быть использованы пары высокотемпературных органических жидкостей ВОТ. Широкое распространение получила дифенильная смесь – эвтектическая и азеотропная бинарная смесь, содержащая 26,5 % дифенила и 73,5 % дифенилового эфира, кипящая при атмосферном давлении при 258 Си разлагающаяся при 400 С. Достоинства паров дифенильной смеси как теплоносителя 1) Возможность нагрева до высоких температур без существенного повышения давления (рабочий интервал температур 260÷380 С, при этом давление паров не превышает 1 МПа. 2) Низкая горючесть и взрывобезопасность паров (в случае просачивания паров в топочное пространство происходит их воспламенение, но пары горят слабо, образуя шлак, который часто герметизирует имеющуюся щель. 3) Нетоксичность (вдыхание паров неопасно, однако длительное пребывание в атмосфере паров дифенильной смеси вызывает раздражение слизистых оболочек и иногда головные боли. 4) Коррозионно неактивна по отношению к наиболее распространенным конструкционным материалам. Недостатки паров дифенильной смеси как теплоносителя 1) Коэффициент теплоотдачи при конденсации паров дифенильной смеси на порядок ниже коэффициента теплоотдачи при конденсации пара (около 1400÷1750 Вт/(м 2 ·К)). 2) Теплота конденсации дифенильной смеси враз меньше, чем для водяного пара, однако вследствие большей плотности паров дифенильной смеси количество теплоты, выделяющееся на единицу объѐма, для паров дифенильной смеси и водяного пара примерно одинаково) Стоимость дифенильной смеси существенно выше стоимости водяного пара. 4) Быстрое разложение дифенильной смеси при нагревании выше С. Если точное регулирование температуры в испарителе невозможно и дифенильная смесь может частично разлагаться, то необходимо предусмотреть в схеме аппарат для удаления продуктов разложения. Вода Горячая вода является побочным продуктом работы котлов для получения водяного пара. Также может быть использован конденсат от выпарных установок, теплообменников, 6 подогревателей и других аппаратов, где происходит конденсация водяного пара без охлаждения конденсата. Интервал рабочих температур жидкой воды как горячего теплоносителя ограничен температурой еѐ кипения и при атмосферном давлении составляет 50÷95 С. Однако повышение давления до 0,5 МПа позволяет расширить интервал до 150 С без серьѐзного усложнения оборудования. Достоинства воды как горячего теплоносителя 1) Доступность воды. 2) Высокая теплоѐмкость воды по сравнению с органическими жидкостями (4,19 кДж/(кг·К) у горячей воды, примерно 1,5–2 кДж/(кг·К) у органических жидкостей. 3) Невысокая вязкость воды по сравнению с органическими жидкостями. 4) Высокий коэффициент теплоотдачи (примерно враз выше, чему органических жидкостей. 5) Нетоксичность, пожаро- и взрывобезопасность, экологическая безопасность. Недостатки воды как горячего теплоносителя 1) Ограниченный температурный интервал вследствие резкого повышения давления для перегретой воды. 2) Высокие требования к качеству очистки воды от солей жѐсткости, способных образовывать накипь на стенках аппаратов. 3) Коррозионная активность воды по отношению к обычной стали и чугуну, из которых выполняются большинство трубопроводов и аппаратов. 5. Минеральные масла Минеральными маслами называют жидкие смеси высококипящих углеводородов температура кипения 300÷600 С, главным образом алкилнафтеновых и алкилароматиче- ских, получаемые переработкой нефти. При использовании минеральных масел в качестве горячего теплоносителя часто применяют циркуляционный способ обогрева с естественной или принудительной циркуляцией. Однако образование в минеральных маслах твѐрдых или газообразных продуктов их разложения и окисления требует установки в циркуляционном контуре устройств для удаления этих продуктов фильтров, сепараторов и т.п. Достоинства минеральных масел как горячего теплоносителя 1) Возможность нагрева до высоких температур без повышения давления. 2) Отсутствие коррозионного действия большинства минеральных масел на материал трубопроводов и материалов. 7 3) Невысокая стоимость и доступность по сравнению с другими высокотемпературными теплоносителями. 4) Нетоксичность. Недостатки минеральных масел как горячего теплоносителя 1) Невысокая теплоѐмкость минеральных масел и низкий коэффициент теплоотдачи приводят к низкой производительности теплообменной аппаратуры. 2) Высокая вязкость, ещѐ более возрастающая входе длительной эксплуатации из-за окисления и полимеризации. 3) Разложение минеральных масел при перегреве, что ограничивает рабочий интервал температур (не выше 200–300 С. 4) Постепенное разложение, окисление или полимеризация минеральных масел, что влечѐт необходимость их частой замены, а также установки в циркуляционном контуре дополнительных устройств, удаляющих твѐрдые и газообразные продукты разложения. 5) Загрязнение поверхностей трубопроводов и аппаратов продуктами разложения или полимеризации минеральных масел. 6) Горючесть минеральных масел и взрывоопасность их паров. 6. Высокотемпературные органические теплоносители Для получения высоких температур без существенного увеличения давления в системе используются высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ индивидуальные органические вещества (этиленгликоль, глицерин, нафталин и его производные, дифенил и продукты его хлорирования, полифенолы), смеси (дифенильная смесь. Достоинства жидких ВОТ как горячих теплоносителей 1) Возможность нагрева до высоких температур без существенного повышения давления (нагрев жидкой дифенильной смесью при атмосферном давлении проводят до 255 С, под избыточным давлением – до 380 С. 2) Отсутствие коррозионного действия большинства ВОТ на материал трубопроводов и материалов. 3) Низкая токсичность большинства ВОТ. Недостатки жидких ВОТ как горячих теплоносителей 1) Меньшая, чему воды, теплоѐмкость ВОТ. 2) Меньший, чему воды, коэффициент теплоотдачи (дифенильная смесь имеет коэффициент теплоотдачи около 200÷350 Вт/(м 2 ·К)). 3) Горючесть большинства ВОТ. 8 4) Стоимость ВОТ существенно выше стоимости воды. 5) Большинство ВОТ разлагаются прирезком повышении температуры (дифенильная смесь начинает быстро разлагаться при 400 С. Состав наиболее распространённых ВОТ Дифенильная смесь (даутерм) – смесь, содержащая 26,5 % дифенила и 73,5 % дифенилового эфира, температура кипения при атмосферном давлении 258 С. Двойная нафталиновая смесь – эвтектическая бинарная смесь, содержащая 15 % нафталина и 85 % дифенилового эфира, температура плавления смеси 12 С, температура термического разложения нафталина 320 С. Тройная нафталиновая смесь – эвтектическая трѐхкомпонентная смесь, содержащая 15 % нафталина, 25,5 % дифенила и 59,5 % дифенилового эфира, рабочий интервал температур ограничен, с одной стороны, температурой плавления смеси 4 С, с другой стороны – температурой термического разложения нафталина 320 С. 7. Нагрев электрическим током Наряду стопочными газами электрическая энергия представляет собой прямой источник тепловой энергии. Нагрев электрическим током имеет ряд существенных преимуществ высокий кпд широкий рабочий диапазон температур, превосходящий все иные теплоносители, и ограниченный только термической стойкостью материалов, из которых изготовлен теплообменный аппарат (электропечь компактность оборудования удобство подвода электрического тока к теплообменному оборудованию возможность точного и быстрого регулирования нагрева. Несмотря на столь существенные преимущества, нагрев электрическим током не находит широкого применения в химической технологии, что связано с высокой стоимостью электрической энергии. Основные способы нагрева электрическим током - Нагрев электрическим сопротивлением прямого и косвенного действия - Электроиндукционный нагрев индукционными токами- Высокочастотный диэлектрический нагрев - Электродуговой нагрев. 9 ТЕПЛОНОСИТЕЛИ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ (ХЛАДАГЕНТЫ) По фазовому состоянию хладагенты можно разделить на жидкие и газообразные. Газообразные хладагенты в химической технологии представлены в основном воздухом. Из жидких хладагентов наиболее широко в химической технологии применяется вода, которая является вторым после воздуха по доступности хладагентом. Рис. Интервалы рабочих температур хладагентов 1. Воздух Получаемый из окружающей среды воздух обычно не требует никакой дополнительной обработки и подготовки и может быть сразу использован как хладагент. В редких случаях требуется очистка воздуха от пыли или влаги перед его использованием, но, даже с уч- том этого, воздух остаѐтся наиболее дешѐвым хладагентом. Достоинства воздуха как хладагента 1) Доступность (чаще всего, не требуется предварительной очистки и подготовки. 2) Дешевизна (воздух получают непосредственно из окружающей среды. 3) Воздух не загрязняет поверхности аппаратов. Недостатки воздуха как хладагента 1) Низкая плотность воздуха и низкая изобарная удельная теплоѐмкость приводят к необходимости прокачивать через теплообменные аппараты значительные объѐмы охлаждающего воздуха. 2) Низкий коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к воздуху 10 2. Вода Вода, как и воздух, может являться прямым источником холода в том случае, если поступает из окружающей среды. Температура такой воды будет зависеть от еѐ источника речная, прудовая и озѐрная вода в зависимости от времени года имеет температуру 4÷25 С, артезианская вода – температуру 8÷12 С. При проектировании теплообменного оборудования начальную температуру охлаждающей воды следует принимать исходя из наиболее неблагоприятных летних условий. Таким образом, для воды как хладагента не следует рассчитывать на охлаждение ниже 30 С. Температура охлаждающей воды на выходе из теплообменника должна составлять не более С. На химическом предприятии охлаждающая вода циркулирует по замкнутому контуру, называемому водооборотным циклом (рис. Рис. Схема водоподготовки и водооборотного цикла химического предприятия 1 – водоѐм; 2 – насос водозабора 3 – отстойник-коагулятор; 4 – фильтр со слоем кварцевого песка 5 – ионообменные колонны 6 – сборник холодной воды 7 – насос холодной воды 8 – теплообменники 9 – сборник отработанной (тѐплой) воды 10 – насос тѐплой воды 11 – градирня Достоинства воды как хладагента 1) Невысокая стоимость воды. 2) Самая высокая среди хладагентов теплоѐмкость (4,18 кДж/(кг·К)). 3) Высокий коэффициент теплоотдачи от стенки к воде (1 000÷6 000 Вт/(м 2 ·К)). 4) Нетоксична, экологически безопасна, взрыво- и пожаробезопасна). 5) Вода – один из прямых источников холода, либо может быть охлаждена воздухом в градирнях. Недостатки воды как хладагента 1) Коррозионная активность воды 2) Вводе содержатся соли жѐсткости, загрязняющие поверхность теплообменников 11 3. Холодильные рассолы Холодильными рассолами называют водные растворы солей (хлорида кальция, хлорида натрия и др, применяемые как промежуточные теплоносители для транспортировки холода от холодильной машины к потребляющим аппаратам. Достоинства холодильных рассолов 1) Невысокая стоимость холодильных рассолов по сравнению с фреонами (использование холодильных рассолов позволяет значительно сэкономить фреон, которого потребовалось бы гораздо больше, если для доставки холода к потребляющим аппаратам использовался непосредственно он. 2) Замерзание части рассола концентрирует оставшуюся часть, препятствуя дальнейшему замерзанию. 3) Высокая теплоѐмкость рассола (при необходимости остановки холодильной машины рассол некоторое время способен поддерживать низкую температуру в системе. 4) Безопасность рассолов (нетоксичны, взрыво- и пожаробезопасны). 5) Рассолы безопасны для экологии (если соблюдать правила утилизации. Недостатки холодильных рассолов 1) Высокая коррозионная активность. 2) Наличие двойного перепада температур в холодильной машине от фреона к рассолу ив аппарате от рассола к охлаждаемой среде. Это влечѐт необходимость создания более глубокого холода в холодильной машине, чем при непосредственном охлаждении фреоном. 3) Высокая вязкость рассолов по сравнению с фреонами. 4. Аммиак как хладагент Аммиак в нормальных условиях – бесцветный газ с резким запахом, под избыточным давлением легко сжижается. До настоящего времени аммиак продолжает оставаться самым распространенным холодильным агентом промышленных холодильных установок. Достоинства аммиака как хладагента 1) Аммиак может быть использован для подвода холода непосредственно к охлаждаемой среде (в отличие от фреонов. 2) Высокая теплоѐмкость жидкого аммиака и низкая вязкость жидкого аммиака 3) Высокий коэффициент теплоотдачи от стенки к аммиаку. 4) Аммиак имеет оптимальные свойства в наиболее важном для холодильной техники температурном интервале от –50 С до 10 С. 12 5) Не оказывает корродирующего действия на материал трубопроводов и аппаратов. 6) Экологически безопасен Недостатки аммиака как хладагента 1) По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия. 2) Пожаро- и взрывоопасен. 5. Фреоны (хладоны) Получение и область применения Фреоны (хладоны) – техническое название группы насыщенных алифатических фтор- содержащих углеводородов, применяемых в качестве хладагентов. Известно более 40 различных фреонов. Наиболее широко в качестве хладагентов применяют R12 (дифтордихлор- метан) и R22 (хлордифторметан). Достоинства фреонов 1) Благодаря своему многообразию фреоны обеспечивают охлаждение в широком температурном интервале от –120 С до 30 С. 2) Высокие объѐмные холодопроизводительности значительной части фреонов (не уступающие аммиаку. 3) Фреоны химически инертны, не оказывает корродирующего действия на материал трубопроводов и аппаратов. 4) Фреоны нетоксичны и безопасны для человека. 5) Фреоны пожаро- и взрывобезопасны. 6) Фреоны, являясь хорошими растворителями, смывают загрязнения с внутренних поверхностей трубопроводов и аппаратов. Недостатки фреонов 1) Пары фреонов, попадая в атмосферу, способствуют разрушению озонового слоя в атмосфере Земли. 2) При нагревании выше 250 С или под действием открытого пламени образуют ядовитые вещества, в том числе фосген. 3) Более высокая стоимость фреонов по сравнению с аммиаком. 1 ЛЕКЦИЯ №16 ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ Теплообменные аппараты в зависимости способа передачи теплоты подразделяют на поверхностные, смесительные (контактные, регенеративные (Рис. Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее значительную группу аппаратов, используемых в химической технологии. В таких аппаратах теплоносители разделены стенкой, через которую теплота передаѐтся за счѐт теплопроводности материала стенки. Главной характеристикой таких аппаратов является площадь поверхности стенки, поскольку именно от еѐ размера зависит количество теплота, передаваемое в аппарате от одного теплоносителя к другому. Форма поверхности стенки может быть трубчатой, плоской или иной. В смесительных (контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. В регенеративных теплообменниках процесс переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному происходит на насадке, которая нагревается горячим теплоносителем, а затем сама нагревает холодный теплоноситель. Рис. Классификация теплообменных аппаратов 2 По назначению поверхностные теплообменные аппараты подразделяют наследующие типы холодильники – для охлаждения жидких или газовых сред подогреватели – для нагрева жидких или газовых сред жидким теплагентом или конденсирующимся паром конденсаторы – для конденсации паров при охлаждении водой или другим хладагентом испарители – для испарения жидкостей при обогреве паром или жидким высокотемпературным теплоносителем. Кожухотрубчатые теплообменники Устройство и принцип работы вертикального одноходового кожухотрубчатого теплообменника Холодный теплоноситель II через штуцер на днище 1 (Рис) поступает во входную камеру, образованную днищем и нижней трубной решѐткой 2. Во входной камере поток теплоносителя распределяется по трубам 3, движется вверх, попадая в верхнюю камеру, образованную крышкой 4 и верхней трубной решѐткой 5, и покидает аппарат через штуцер на крышке. Горячий теплоноситель I поступает в межтрубное пространство 6 и движется сверху вниз, обтекая трубы. В межтрубном пространстве установлены сегментные перегородки 7, способствующие турбулизации течения теплоносителя. Такое движение теплоносителей (нагреваемый – снизу вверх, а охлаждаемый – сверху вниз) способствует более эффективному переносу теплоты, так как направление естественной конвекции из-за разности температур совпадает с направлением вынужденной конвекции. Рис. Кожухотрубчатый одноходовой теплообменник 1 – днище 2 – нижняя трубная решѐтка; 3 – трубы 4 – крышка 5 – верхняя трубная решѐтка; 6 – межтрубное пространство 7 – сегментные перегородки I, II – теплоносители 3 Размещение и способы крепления труб в трубных решѐтках Наиболее распространѐнный способ размещения труб в трубных решѐтках – по вершинам равносторонних треугольников (риса. Применяются и другие способы размещения труб (рис, б, в. Способ размещения должен обеспечит максимальную компактность аппарата, высокое значение коэффициента теплоотдачи, низкое гидравлическое сопротивление и возможность очистки межтрубного пространства. а б в Рис. 16.3. Способы размещения труб в трубных решѐтках: а – по вершинам равносторонних треугольников б – по вершинам квадратов в – по концентрическим окружностям Для обеспечения герметизации теплообменников и предотвращения смешения теплоносителей разработаны различные способы крепления труб в трубных решѐтках рис. Чаще всего трубы закрепляют при помощи развальцовки, это наиболее удобный и распространенный метод. Если материал труб не поддается развальцовке, или при большом давлении теплоносителя - используют сварку. Применение сальниковых уплотнений дорого, сложно и недостаточно надежно, хотя значительно упрощает разбор теплообменника для его чистки. Кроме того, крепление труб с помощью сальникового уплотнения является одним из способов компенсации температурных деформаций теплообменника. а б в г Рис. Крепление труб в трубных решетках а – развальцовка б – развальцовка с канавками в – сварка г – сальниковые уплотнения 4 Многоходовые кожухотрубчатые теплообменники Теплоноситель, поступающий в трубное пространство одноходового теплообменника, распределяется по всем трубам равномерно. Однако, в случае относительно небольших расходов теплоносителя, это приводит к малой скорости теплоносителя в трубах и, как следствие, к низкому значению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве. Для интенсификации теплоотдачи в трубном пространстве необходимо увеличить скорость теплоносителя в нм. Для этого теплоноситель распределяют не по всем трубам, а направляют его таким образом, чтобы он последовательно поступал только в первую часть труб, затем в вторую часть и т.д. При этом площадь сечения потока, поступающего в часть труб меньше, чем в исходном варианте одноходового теплообменника, следовательно, скорость теплоносителя возрастает. Такие теплообменники называют многоходовыми по трубному пространству (рис. В многоходовом по трубному пространству кожухотрубчатом теплообменнике с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышке и днище теплообменника, пучок труб разделѐн на секции или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. Очевидно, что в таких теплообменниках скорость движения теплоносителя по трубам, при неизменном его расходе, увеличивается кратно числу ходов. Для увеличения скорости, турбулизации потока, повышения коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника применяют сегментные перегородки. Применение сегментных перегородок эффективно только для теплоносителей, которые нагреваются или охлаждаются, те. не изменяющих фазового состояния. а б Рис. Схема многоходовых (по трубному пространству) кожухотрубчатых теплообменников а – двухходовой, б – четырѐхходовой; 1 – крышки и днища, 2 – перегородки I, II – теплоносители 5 Увеличение скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменника влечѐт за собой увеличение гидравлического сопротивления, а также снижение движущей силы теплопередачи. Поэтому выбор конструкции кожухотрубчатого теплообменника должен быть сделан на основе техно-экономического анализа. Устройства для компенсации температурных деформаций Кожух теплообменника и его трубы контактируют с разными теплоносителями, температура этих элементов конструкции теплообменника различна. Если разница температур кожуха и труб достаточно велика (более 50 Кто кожухи трубы удлиняются существенно неодинаково, что влечѐт за собой значительные механические напряжения в трубных решѐтках, и может привести к нарушению плотности соединения труб с трубными решѐтками. Поэтому при значительных разницах температур кожуха и труби большой длине труб теплообменника применяют теплообменники нежѐсткой конструкции (Рис. При небольших температурных деформациях (не более 10–15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа) в качестве устройства для компенсации температурных деформаций может быть использован линзовый компенсатор - гибкая складка на кожухе теплообменника. Линзовый компенсатор прост, дешев, однако он значительно снижает прочность кожуха. а б в Рис. Кожухотрубчатые теплообменники с устройствами для компенсации температурных деформаций а – теплообменник с линзовым компенсатором б – теплообменник с образными трубами в – теплообменник с плавающей головкой 1 – кожух 2 – трубы 3 – линзовый компенсатор 4 – плавающая головка I, II – теплоносители В теплообменнике с образными трубами нет нижней решетки, трубы могут удлиняться или сокращаться независимо от кожуха. Такие аппараты не имеют ограничений по температурным деформациями давлению в межтрубном пространстве, как аппараты с линзовым компенсатором. Однако в таких аппаратах усложняется монтаж труб, затруднена очистка их внутренней поверхности. В теплообменнике с плавающей головкой нижняя трубная решѐтка не связана с кожухом и снабжена отдельной крышкой. Обладает теми же достоинствами, что и аппарат с образными трубами, к тому же, он лишѐн недостатков, связанных с проблемой монтажа труби механической очистки их внутренних поверхностей. Однако стоимость таких аппаратов несколько выше, чем теплообменников с другими способами компенсаций температурных деформаций. Достоинства кожухотрубчатых теплообменников 1) Большая площадь поверхности теплопередачи при относительно компактных размерах кожухотрубчатого теплообменника. 2) Простота изготовления. 3) Расход материала на изготовление сравнительно невелик. 3) Надѐжны в работе. 4) Способны работать под большими давлениями. Недостатки кожухотрубчатых теплообменников 1) Неспособны эффективно работать при низких расходах теплоносителей. 2) Трудности изготовления из материала, не допускающего развальцовки и сварки. 3) Трудности при осмотре, чистке и ремонте. 7 Пластинчатые теплообменники Устройство и принцип работы Пластинчатые теплообменники относятся к подклассу теплообменников с плоской поверхностью теплопередачи, образованной гофрированными параллельными пластинами. рис. Пластины развернуты одна относительно другой на 180°, собраны в пакет и закреплены в раме. При этом образуется система узких волнистых каналов (рис) шириной 3÷6 мм, по которыми протекают теплоносители. Такая установка пластин обеспечивает чередование горячих и холодных каналов. В процессе теплообмена жидкости движутся навстречу друг другу (в противотоке. Двойное резиновое уплотнение практически исключает смешение и потерю теплоносителей. а б Рис. Гофрированные пластины пластинчатых теплообменников а – обычные (симметричные) пластины б – пластины с рисунком «ассиметричная ѐлочка»; 1 – прокладка, ограничивающая пространство первого теплоносителя 2, 3 – отверстия для входа и выхода первого теплоносителя 4 – прокладка, ограничивающая пространство второго теплоносителя 5, 6 – отверстия для прохода второго теплоносителя Рис. Характер движения потока жидкости в канале, образованном двумя соседними гофрированными пластинами Разборный пластинчатый теплообменник (рис) представляет собой пакет гофрированных пластин, зажатый в специальном станке, подобном тому, что используется для рамного фильтр-пресса. Сжатие пакета пластин в станке, состоящем из подвижной плиты 8 и неподвижной плиты, направляющих стержней 7 и 13, стойки 9 и стяжного винтового устройства 10, обеспечивает плотное прилегание прокладок между пластинами 6. Теплоноситель I поступает через штуцер 12 и движется по проходу 15, образованному отверстиями в пластинах. Продвигаясь по проходу, теплоноситель I распределяется по нечѐтным каналам (считая слева направо, образованным гофрированными пластинами 6. Отработанный теплоноситель I собирается в проходи по нему направляется к выходному штуцеру 2. Теплоноситель II, поступая через штуцер 1 и двигаясь по проходу 5, распределяется поч тным каналам. Отработанный теплоноситель II собирается в проходи по нему направляется к выходному штуцеру 11. Рис. 9. Разборный пластинчатый теплообменник типа «фильтр-пресс»: 1 – штуцер ввода теплоносителя II;, 2 – штуцер вывода теплоносителя I; 3 – неподвижная плита 4 – проход для движения отработанного теплоносителя I; 5 – проход для движения свежего теплоносителя II; 6 – гофрированные пластины 7 – верхний направляющий стержень 8 – подвижная плита 9 – неподвижная стойка 10 – стяжное винтовое устройство 11 – проход для движения отработанного теплоносителя II; 12 – штуцер ввода теплоносителя I; 13 – нижний направляющий стержень 14 – проход для движения отработанного теплоносителя II; 15 – проход для движения свежего теплоносителя I 9 Разборные пластинчатые теплообменники достаточно простыв изготовлении, их легко разбирать для чистки и ремонта. Однако герметизация пластин представляет серьѐзную проблему, поэтому они не могут работать при высоких давлениях. Эта проблема практически исчезает в сварных или паяных пластинчатых теплообменниках, однако последние являются неразборными, они подлежат замене при загрязнении пластин, что удорожает процесс теплообмена. Применяют также полуразборные пластинчатые теплообменники, где пластины сварены попарно. Одно из существенных преимуществ пластинчатых теплообменников заключается в возможности различных схем пакетной компоновки пластин. Пакетом в данном случае названа группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только водном направлении (сверху вниз или наоборот. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках. При заданном расходе теплоносителя увеличение числа пакетов приводит к увеличению скорости теплоносителя, что интенсифицирует теплоотдачу, но увеличивает гидравлическое сопротивление. Достоинства пластинчатых теплообменников 1) Пластинчатые теплообменники компактны (враз меньше по габаритным размерам равных по площади поверхности теплопередачи кожухотрубчатых теплообменников. 2) Пластинчатые теплообменники обеспечивают высокий коэффициент теплопередачи 3000÷4000 Вт/(м 2 ·К) (что более чем в 3 раза выше, чем в кожухотрубчатых), благодаря высокой скорости теплоносителей в каналах (1÷3 мс, при сравнительно невысоких для таких скоростей гидравлических сопротивлениях. 3) Разборные пластинчатые теплообменники удобны для обслуживания, чистки и ремонта. 4) Имеется возможность различных схем компоновки пластин, что позволяет подобрать оптимальный режим работы при заданных расходах теплоносителей. Недостатки пластинчатых теплообменников 1) Невозможность работы при высоких давлениях из-за недостаточной герметичности прокладок у разборных пластинчатых теплообменников и опасности деформации пластину сварных (разборные теплообменники работают при давлениях до 1 МПа, сварные – до 4 МПа. 2) Проблема обслуживания сварных пластинчатых теплообменников – чистка и ремонт затруднены. 10 Двухтрубные теплообменники Устройство и принцип работы Двухтрубные теплообменники, применяемые при небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена не превышает 30 м, часто называют теплообменниками типа труба в трубе. Они представляют собой набор последовательно соединѐнных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб рис. Один теплоноситель I движется по внутренним трубам 1, другой теплоноситель II – по кольцевому зазору, образованному внешними и внутренними трубами 2. Внутренние трубы соединяются с помощью калачей 3, а наружные - с помощью соединительных патрубков 4. Рис. Неразборный однопоточный теплообменник типа труба в трубе 1 – внутренняя труба 2 – внешняя труба 3 – соединительное колено (калач 4 – соединительный патрубок Достоинства двухтрубных теплообменников 1) Высокие коэффициенты теплоотдачи благодаря высоким скоростям движения теплоносителей. 2) Возможность работы при небольших расходах теплоносителей. 3) Возможность работы при высоких давлениях. Недостатки двухтрубчатых теплообменников 1) Относительно небольшие площади поверхности теплопередачи при значительных габаритных размерах теплообменника. 2) Большой расход материала на изготовление. 3) В неразборных двухтрубных теплообменниках затруднена чистка. Оросительные теплообменники Устройство и принцип работы Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы паров. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис, по которому протекает охлаждаемый теплоноситель. Снаружи трубы орошаются водой, которую подают в распределитель - желоб 3. Вода, последовательно перетекая по наружным поверхностям труб змеевика, частично испаряется. Неиспарившаяся вода поступает в корыто 4. За счѐт испарения части воды процесс теплообмена идѐт интенсивнее, а расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках других типов. Однако при этом происходит необратимая потеря испарившейся воды, а также увлажнение окружающего воздуха. Поэтому оросительные теплообменники чаще устанавливают на открытом воздухе, а при установке в помещениях снабжают кожухом и подключают к системе вытяжной вентиляции. Рис. Оросительный холодильник 1 – трубы 2 – соединительные колена (калачи 3 – желоб для распределения охлаждающей воды 4 – корыто для сбора воды Достоинства оросительных теплообменников 1) Простота изготовления и низкая стоимость. 2) Лѐгкость чистки наружных стенок труб. 3) Интенсификация теплообмена за счѐт частичного испарения воды. 4) Меньший расход охлаждающей воды Недостатки оросительных теплообменников 1) Безвозвратная потеря испарившейся воды и увлажнение воздуха. 2) Громоздкость оросительных теплообменников (особенно снабжѐнных кожухами для работы внутри помещений. 3) Неравномерность смачивания труб (нижние ряды могут слабо смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. |