технол лек 1. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 11.39 Mb.
|
|
? или другими способами 2 6 Как правило, в химико-фармацевтической технологии передача тепла часто происходит через поверхность труб. Для цилиндрической стенки необходимо учитывать различие в величинах внутренней и наружной поверхностей. Рассуждая аналогично, как для плоской стенки можно получить соотношение для расчета коэффициента теплопередачи многослойной цилиндрической стенки, отнесенное к единице длины стенки i r r r r R i i i K 1 1 1 1 ??? 2 ?? ??? ?? 1 ln 1 , (где i i r r ??? ?? , – соответственно внутренний и наружный диаметры і-го слоя, м. Тогда количество теплоты, передаваемое через многослойную цилиндрическую стенку, составит . (На практике уравнение (11.62) применяют только для толстостенных цилиндрических стенок, например трубопроводов, покрытых толстым слоем тепловой изоляции. Для труб с тонкими стенками, у которых внутренняя и наружная поверхности близки по значению, расчет коэффициента теплопередачи можно свести к более простому расчету для плоской стенки. Это возможно, когда отношение толщины стенки к внутреннему диаметру не превышает 3 , 0 ?? < ? d Список литературы. Беляев НМ, Рядко А. А. Методы нестационарной теплопроводности. М.: Высш. шк, 1978. 328 с. Гухман А. А. Введение в теорию подобия. М Высш.шк., 1973. 254 с. Жукаускас А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982. 472 с. Исаченко В. П, Осинова В. А, Сукомел АС. Теплопередача. М.: Энергоатомиздат, 1981. 416 с. Крейт Ф, Блэк У. Основы теплопередачи. М Мир, 1983. 512 с. Михеев НА, Михеева ИМ. Основы теплопередачи. М Энергия. 320 с. Юдаев Б. Н. Теплопередача. М Высш.шк., 1981. 319 с 2 6 Глава 12. НАГРЕВАНИЕ, ОХЛАЖДЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ 12.1. Общие сведения В химико-фармацевтическом производстве получили широкое распространение тепловые процессы – нагревание и охлаждение жидкостей, газов, конденсация паров, осуществляющиеся в теплообменных аппаратах. В зависимости от назначения теплообменные аппараты бывают подогревателями или холодильниками. Аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим, называются теплообменниками. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. В тепловой передаче участвует не менее двух сред, имеющих разные температуры. В данном случае тепло может передаваться самопроизвольно лишь в случае разницы температур, те. от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой. Среды с более высокой температурой называются горячими теплоносителями, а среды с более низкой температурой – холодными. В виде прямых источников тепла в химико-фармацевтической технологии используются чаще всего дымовые газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива и энергию электрического тока. Вещества, получающие тепло от указанных источников и передающие его через стенку теплообменника обогреваемой среде, называются промежуточными теплоносителями. К числу широко применяемых промежуточных теплоносителей относятся водяной пар, горячая вода, минеральные масла и некоторые специальные теплоносители (органические жидкости и их пары, расплавленные соли, жидкие металлы и их сплавы). В виде охлаждающих агентов для понижения температуры до 10 ч 30 о С используются в основном вода и воздух. Поиск оптимальной температуры теплоносителя зависит от требуемой температуры нагрева или охлаждения и необходимости ее регулирования. Промышленный теплоноситель должен обладать достаточно высоким теплосодержанием при малых массовых и объемных его расходах, а также малой вязкостью, но высокой плотностью и теплоемкостью. Теплоноситель должен быть негорюч, нетоксичен, термически стоек, не должен реагировать с материалом теплообменника и, наконец, должен быть доступными дешевым. Нагревающие агенты и способы нагревания. Нагревание водяным паром Водяной пар является наиболее широко используемым горячим теплоносителем при нагревании до температуры ч о С. 2 6 Преимущества насыщенного водяного пара как греющего агента) высокий коэффициент теплоотдачи 2) большое количество тепла, выделяемое при конденсации 3) возможность транспортировки по трубопроводам на большие расстояния 4) постоянство температуры его конденсации и равномерность обогрева легкость регулирования обогрева. Насыщенный водяной пар может быть влажными сухим. Насыщенный пар – это пар, имеющий максимальные плотность и упругость при определенных давлении и температуре, при которых в паровом пространстве находится максимально возможное количество молекул. Влажным насыщенным паром называется пар, образовавшийся при незаконченном парообразовании и состоящий из смеси пара с капельками воды (температура влажного насыщенного пара равна температуре кипящей воды). Сухим насыщенным паром называется пар, образовавшийся при законченном парообразовании (его температура также равна температуре кипящей воды. Сухой пар характеризуется неустойчивостью состояния он переходит либо в состояние влажного насыщенного пара при охлаждении, либо при подводе тепла – в состояние перегретого пара. Давление перегретого пара не изменяется и не зависит от степени перегрева. Перегретый пар имеет более высокую температуру, чем насыщенный пар того же давления. Он, перемещаясь по трубопроводу, не конденсируется и понижается лишь его температура. Только перегретый пар пригоден для паровых двигателей. В промышленности насыщенный водяной пар получают в паросиловых цехах (котельных. Чаще применяют пар небольшого давления (до ч атм, иногда используют перегретый пар (нач о С). Использование перегретого пара не дает особых преимуществ ввиду того, что теплота перегрева невысока по сравнению с теплом конденсации, которая высвобождается при нагревании насыщенным паром. Экономически выгодно применение отработанного пара с абсолютным давлением ч атм (после паровых турбин с противодавлением) или отборного пара с абсолютным давлением 6 ч 7 атм (от турбин с промежуточным отбором. Часто возможно использование экстрапара с выпарных установок. Нагревание водяным паром осуществляется путем применения так называемого острого или глухого пара. В случае обогрева острым паром его вводят непосредственно в нагреваемую среду и получающийся конденсат смешивается с нею. Введение острого пара осуществляется через трубу, опущенную ниже уровня среды, или через барботер – трубу, имеющую большое количество мелких отверстий, размещенную на дне в виде спиралей, колец и др 2 7 При использовании барботера одновременно осуществляется перемешивание жидкости. В случаях, когда разбавление жидкости или ее смешение с водой недопустимо, последний способ обогрева непригоден. Нагревание глухим паром Наиболее часто используется нагревание глухим паром. В этом случае тепло передается через стенку теплообменного аппарата. При обогреве глухим паром необходимо, чтобы он полностью сконденсировался в аппарате. Чтобы предотвратить непроизводительный расход пара и организацию беспрепятственного удаления из аппарата парового конденсата без выпуска пара, используют специальные устройства – конденсатоотводчики. Существует несколько типов конденсатоотводчиков, отличающихся по принципу действия: поплавковые, дросселирующие (подпорные шайбы, лабиринтные, термостатические, гидрозатворы. На предприятиях химической промышленности ив химико- фармацевтических производствах наибольшее применение нашли поплавковые и дросселирующие конденсатоотводчики. Примером периодически действующего конденсатоотводчика может служить конденсационный горшок с открытым поплавком (рис. погруженным в конденсат при наименьшей высоте слоя конденсата в поплавке и образует гидравлический затвор. После удаления значительной части конденсата из поплавка 3 последний Смесь пара и конденсата поступает через штуцер 1 в корпус 2 конденсатоотводчика. При этом поплавок 3 всплывает и с помощью укрепленного на вертикальном стержне 4 клапана закрывает выходное отверстие для конденсата. По мере накопления конденсата он переливается через край поплавка внутрь последнего и, когда масса жидкости с поплавком превысит выталкивающую (архимедову) силу, поплавок опускается и открывает выход для конденсата, который выдавливается из корпуса давлением пара. Масса поплавка рассчитана так, что патрубок в направляющих которого перемещается клапан 5, остается Рис. 12.1. Конденсационный горшок с открытым поплавком – штуцер для поступления конденсата – корпус 3 – открытый поплавок – стержень поплавка 5 – клапан – патрубок 7 – отверстие для выхода конденсата 8 – продувочное отверстие 2 7 снова всплывает и закрывает выходное отверстие 7. Таким образом, начинается следующий цикл. Над выходным отверстием расположен клапан 5, предотвращающий обратное попадание конденсата в конденсатоотводчик. При установке конденсационных горшков обычно делается обводная линия (байпас) (рис. 12.2) для того, чтобы теплообменник мог работать при ремонте (отключении) горшка. Дросселирующий конденсато- отводчик, или подпорная шайба, простейшей конструкции (рис. представляет собой зажатый между фланцами 2 и 5 конденсатопровода стальной или бронзовый диск (толщина 3 ч 5 мм) с отверстием незначительного диаметра. Действие ее основано на способности отверстия малого диаметра пропускать количество воды во много раз большее, чем количество пара при тех же давлениях (так как удельный объем пара во много раз превышает удельный объем воды. Диаметр отверстий определяется расчетом в зависимости от количества отводимого конденсата и перепада давления дои после шайбы. При отверстиях диаметром до 5 мм перед шайбой устанавливают патрубок увеличенного диаметра, в который помещают свернутую в виде конуса мелкую стальную или медную сетку. Сетка предназначена для улавливания песка и окалины, содержащихся в паре и способных забить отверстия шайбы. Наиболее экономично подпорная шайба работает при перепаде давления в 1 кгс/см 2 . С увеличением давления пара перед шайбой количество пролетного пара, выходящего из отверстия вместе с конденсатом, возрастает. При давлении ? 5 кгс/см 2 потеря пара через шайбу составляет %, что равно количеству пара, теряемому в исправно работающем поплавковом конденсатоотводчике. Поэтому применение подпорных шайб при давлении пара >5 кгс/см 2 не рекомендуется. Рис. 12.2. Схема установки конденсационного горшка – теплообменник – конденсационный горшок – отводной вентиль – трубка для отбора проб конденсата Рис. 12.3. Подпорная шайба с патрубком-фильтром: 1 – диск 2, 5 – фланцы – патрубок – сетка 6 – труба 2 7 Шайба, рассчитанная по максимальному расходу конденсата, при уменьшении расхода начинает пропускать значительное количество пара. Вследствие этого шайбы устанавливают только там, где расход пара постоянен. С учетом этих ограничений все же следует по возможности устанавливать шайбы, так как конструкция их крайне проста и они не требуют квалифицированного обслуживания. Расход D глухого пара при непрерывном нагревании определяют из уравнения теплового баланса + D•i п = G•C•t 2 + D•i к + п 2 i i Q t t C G D ? + ? ? = , (где G – расход нагреваемой среды, кг; С – средняя удельная теплоемкость нагреваемой среды, Дж/(кг•град); t 1 , t 2 – начальная и конечная температуры нагреваемой среды, о С; i п, i к – энтальпия греющего пара и конденсата, Дж/кг; Q п – потери тепла в окружающую среду, Дж/с. Нагревание острым паром Если допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом, то применяют нагревание острым паром, который вводят непосредственно в нагреваемую среду. Подобный способ нагрева проще нагрева глухим паром, так как полностью используется тепло пара. Он смешивается с нагреваемой жидкостью. Для лучшего перемешивания и уменьшения шума применяют бесшумные подогреватели (см. рис, куда пар подается через сопло 1, которое захватывает жидкость, поступающую через боковые отверстия в смешивающий диффузор 2. При этом способе значительно уменьшается шум. где C B – теплоемкость конденсата, а остальные величины те же, что ив уравнении (Рис. 12.4. Бесшумный сопловой подогреватель – сопло 2 – смешивающий диффузор Затраты острого пара определяют, учитывая равенство конечных температур нагреваемой жидкости и конденсата. Отсюда по уравнению теплового баланса находим п + G•C•t 1 = D•C B •t 2 + + G•C•t 2 + Q п , откуда расход пара 2 t C i Q t t C D D B ? + ? ? = , (12.2) 2 7 3 12.2.2. Нагревание горячей водой Горячая вода по сравнению с насыщенным водяным паром имеет ряд недостатков коэффициенты теплоотдачи от горячей воды ниже коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара, температура горячей воды снижается вдоль поверхности теплообмена, что понижает равномерность нагрева и затрудняет его регулирование. Горячую воду получают в водогрейных котлах или в бойлерах (паровой водонагреватель. Применяются бойлеры для нагревания до температур не более 100 о С. Если необходимо осуществить нагревание выше 100 о С, то используют воду, находящуюся под избыточным давлением. Для нагрева водой используют циркуляционные системы обогрева. Нагревание топочными газами Нагревание топочными газами относится к наиболее давно применяемым способам, нов химико-фармацевтическом производстве оно все реже применяется из-за их существенных недостатков неравномерности нагрева, трудности регулирования температуры обогрева, низких коэффициентов теплоотдачи от газа к стенке, возможности загрязнения нагреваемых материалов продуктами неполного сгорания топлива. Значительные перепады температур между топочными газами и нагреваемой средой и другие указанные недостатки создают жесткие условия нагревания, что не всегда применимо в фармацевтическом производстве из-за необходимости проведения технологических процессов в щадящих условиях при обработке лекарственных средств. Этот способ применяют для получения пара в паросиловых цехах (котельных, без которых редко работает фармацевтическое предприятие. Схема обогрева топочными газами представлена на рис. Необходимая температура газов перед обогреваемым аппаратом осуществляется регулированием подачи воздуха в камеру смешения. Топочные газы, получаемые при сжигании топлива, используют для нагревания до высоких температур (от 700 до 1000 о С). Топочные газы получаются в топке 1, в которой сжигается топливо и куда подается для поддержания горения воздух. Из топки газы поступают в камеру смешения 2, в которую поступает воздух для разбавления газов и снижения их температуры Рис. 12.5. Схема обогрева топочными газами – топка 2 – камера смешения – обогреваемый аппарат 4 – дымосос 2 7 Топочные газы проходят через обогреваемый аппарат 3, где отдают тепло, затем они отсасываются дымососом 4 и удаляются в атмосферу. Расход топлива при нагреве топочными газами определяют по уравнению теплового баланса. Если расход газообразного топлива составляет В, а энтальпии топочных газов равны i 1 (на входе в теплообменники (на выходе из теплообменника, то уравнение теплового баланса выглядит так (i 1 – i 2 ) = GC(t 2 – t 1 ) + Q п , откуда ( ) 2 1 ? 2 1 i i Q t t GC B ? + ? = , (где все обозначения, кроме приведенных выше, те же, что ив уравнении (12.1). При этом величина п, кроме потерь тепла в окружающую среду, включает такие статьи расхода тепла, как потери от химического недожога газов, а также потери при неполном горении твердого топлива. Более подробные тепловые балансы печей могут быть найдены в специальной литературе. Нагревание минеральными маслами Минеральные масла являются одним из старейших промежуточных теплоносителей, применяемых для равномерного нагрева материалов в химико-фармацевтическом производстве. Для этой цели используют масла, имеющие высокую температуру вспышки – до 310 о С (цилиндровое, компрессорное, цилиндровое тяжелое). В случаях, когда обогрев теплоносителя в рубашке невозможен (по причине огне- и взрывоопасности технологии, нагрев масла производится вне теплоиспользующего аппарата в установках с естественной и принудительной циркуляцией. Эти установки имеют некоторые особенности по сравнению со схемами на рис. 12.6. Ввиду значительного увеличения объема масла при его нагревании за теплообменником (и выше его) размещают расширительный резервуар, емкости для холодного вязкого масла снабжают паровым обогревом и подводят к ним инертный газ для создания подушки, предохраняющей масло от окисления при контакте с воздухом и т.д. Масла считаются наиболее дешевым органическим теплоносителем, однако им присущи определенные недостатки: низкий коэффициент теплоотдачи, подверженность термическому разложению и окислению. Для получения необходимых тепловых нагрузок разность температур между теплоносителем и нагреваемым материалом должна быть не ниже ч о С. Ввиду Лебедев П.Д., Щукин А.А. Промышленная теплотехника. М.: Госэнергоиздат, 1956. 2 7 указанных причин минеральные масла вытесняются более эффективными высокотемпературными теплоносителями б Рис. 12.6. Принципиальные схемы установок с естественной (аи принудительной (б) циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя – печь со змеевиком 2 – теплоиспользующий аппарат 3 – подъемный трубопровод 4 – опускной трубопровод 5 – циркуляционный насос. Нагревание электрическим током Электрическая энергия широко применяется в самых различных диапазонах температур ив различных отраслях промышленности ввиду точности регулирования его в соответствии с заданным технологическим режимом. В зависимости от способа превращения электрической энергии в тепловую нагревание подразделяют на диэлектрическое, электрической дугой, сопротивлением, индукционным током, диэлектрическое. Нагревание электрической дугой применяется в дуговых печах и позволяет получать высокие температуры (ч о С и более. Печи бывают с открытой и закрытой дугой. В печах с открытой дугой пламя образуется электродами, размещенными над нагреваемым веществом, и тепло передается лучеиспусканием. В печах с закрытой дугой пламя образуется между электродом и непосредственно нагреваемым материалом. Дуговые печи не позволяют равномерно осуществлять нагрев и точно регулировать температуру. Они используются для плавки металлов, а также при получении карбида кальция и фосфора. Нагревание электрическим сопротивлением – наиболее часто используемый способ нагрева, который осуществляется в электрических печах, представленных на рис. 12.7, при пропускании тока через термоэлектронагреватели (ТЭНы) 2 и 3, выполненные в виде закрытых или открытых проволочных спиралей. ТЭНы изготавливаются в основном из хроможелезоалюминиевых сплавов, обладающих большим омическим сопротивлением и высокой жаростойкостью (нихромы или фехрали). Тепло, образующееся при прохождении электрического тока через ТЭНы, передается стенкам нагреваемого аппарата 1. Печь внутри футеруют 2 7 огнеупорным слоем 4 и защищают снаружи тепловой изоляцией (например, слоем шлаковой ваты. Для периодического контроля электронагревателей печь имеет опускное устройство 5. При снабжении печи трехфазным током температуру нагрева регулируют переключением проводников со звезды на «треугольник» и соответствующим изменением потребляемой мощности или отключением отдельных секций нагревательных элементов 4 3 5 2 пропускается переменный ток, вследствие чего вокруг обмотки возникает переменное магнитное поле, индуцирующее в стенках стального аппарата электродвижущую силу. В результате в стенках аппарата образуется электрический ток, который прогревает их по всей толщине. Диэлектрическое нагревание или высокочастотное нагревание основано на том, что при воздействии на диэлектрик (непроводник электрического тока) переменного электрического поля определенная часть энергии расходуется на преодоление трения между молекулами диэлектрика и преобразуется в тепло. В результате диэлектрик нагревается. Для получения токов высокой частоты пользуются ламповыми генераторами, которые преобразуют обычный переменный ток частотой 50 Гц в ток высокой частоты. Полученный в генераторе ток высокой частоты подводят к пластинам конденсатора, между обкладками которого помещается нагреваемый материал. Достоинство диэлектрического нагревания – непосредственное выделение тепла в нагреваемом материале, что особенно важно Рис. 12.7. Электропечь сопротивления – обогреваемый аппарат 2 – боковые секции нагревательных элементов – донная секция нагревательного элемента 4 – футеровка печи – устройство для опускания футеровки 6 – слой шлаковаты Нагрев ТЭНами позволяет достигать температур в пределах до 1100 о С. Расчет электронагревателей заключается в определении необходимой мощности, на базе которой находят потребную силу тока и сопротивление нагревателя. По величине сопротивления подбирают материал, сечение, длину проводников. Расчет ТЭНов приводится в специальной технической лите- ратуре. Нагревание индукционными токами основано на использовании теплового эффекта, вызываемого вихревыми токами Фуко. Аппарат размещают в центре обмотки, по которой 2 7 для веществ с низкой теплопроводностью, к которым принадлежат большинство диэлектриков нагрев материала на всю толщину до необходимой температуры в течение очень малого времени без перегрева отдельных частей простота регулирования процесса нагревания и его полная автоматизация. Диэлектрический нагрев используется при нагревании пластических масс перед их прессованием, при склеивании древесины в производстве фанеры, при вулканизации каучука и др. Охлаждающие агенты, способы охлаждения и конденсации Для охлаждения до обыкновенных температур в качестве охлаждающих агентов используют воздух и воду, а для достижения низких температур – холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей (например, аммиак, сжиженные газы (СО, этан и др) или холодильные рассолы. Воздух используется при естественном и искусственном охлаждении (с помощью вентилятора. При естественном охлаждении горячий теплоноситель охлаждается вследствие потерь тепла через стенки аппаратов в окружающую среду. Если по условиям данной местности вода дефицитна или ее транспортировка требует больших экономических затрат, то охлаждение осуществляют оборотной водой. Указанную воду охлаждают в смесительных теплообменниках или путем ее частичного испарения в открытых бассейнах или в градирнях способом смешения с потоком воздуха и вновь направляют на повторное использование в виде охлаждающего агента. Вода является наиболее распространенным охлаждающим агентом, она обладает высокой теплоемкостью, большим коэффициентом теплоотдачи и доступностью. Требуемая степень охлаждения зависит от начальной температуры теплоносителя (воды. Речная, озерная и прудовая вода в зависимости от времени года имеет температуру ч о С, артезианская вода – ч о С, оборотная вода – приблизительно о С (летом). Температура воды использованной, те. выходящей из теплообменных аппаратов, не должна превышать ч о С в зависимости от состава воды во избежание выделения растворенных в ней солей и образования инкрустаций, загрязняющих теплообменное оборудование и снижающих эффективность процесса теплообмена. Расход воды W при охлаждении определяют по уравнению теплового баланса н – t к) = WC B (t 2 – откуда 2 7 8 ( ) ( ) 1 2 ? ? t t C t t GC W B ? ? = , (где G – расход охлаждаемой среды; С – средняя удельная теплоемкость этой среды – удельная теплоемкость воды н, t к – начальная и конечная температуры охлаждаемой среды, t 2 – начальная и конечная температуры охлаждающей воды. Низкотемпературные агенты (фреон, фреон, азот, углекислота и др) используются для создания температур ниже 5 ч20 о С, недостижимых при охлаждении водой. Охлаждение паров проводят в конденсаторах. Объем получаемого конденсата в тысячу раз меньше объема пара, из которого он получился. В конденсаторе создается понижение атмосферного давления, разряжение увеличивается с понижением температуры конденсации. Одновременно с конденсацией в рабочем пространстве конденсатора наблюдается накопление воздуха и других неконденсирующихся газов, которые выделяются из жидкости, а также поступают через неплотности аппаратуры из окружающей среды. Вследствие этого для поддержания разряжения на необходимом уровне необходимо отводить из конденсатора неконденсирующиеся газы. В технике указанные газы откачивают при помощи вакуум-насосов. Одновременно вакуум-насос предотвращает колебания давления, сопряженные с изменением температуры охлаждающего агента. По принципу охлаждения конденсаторы делятся на конденсаторы смешения и поверхностные. В конденсаторах смешения пар непосредственно контактирует с охлаждаемой водой и конденсат смешивается с последней. Конденсацию в указанных аппаратах обычно осуществляют тогда, когда пары не представляют ценности. В зависимости от способа отвода воды, конденсата и неконденсирующихся газов конденсаторы смешения подразделяются на мокрые и сухие. В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Таким образом, получаемый конденсат и охлаждающий агент отводятся из конденсатора раздельно, и конденсат, представляющий ценность, может быть использован в дальнейшем технологическом процессе. Следует отметить, что поверхностные конденсаторы более металлоемки в сравнении с конденсаторами смешения. Поверхностные конденсаторы менее экономичны, так как они создают добавочное термическое сопротивление, что вызывает необходимость повышения средней разности температур. В качестве поверхностных конденсаторов могут быть использованы теплообменники различных типов 2 7 9 12.4. Классификация и конструкции теплообменных аппаратов. Классификация теплообменников По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменников) поверхностные, или рекуперативные, в которых теплообменивающие среды разделены теплопроводящей стенкой) смесительные, в которых теплообмен осуществляется при непосредственном контакте смешивающих сред. В химико-фармацевтическом производстве широко применяются поверхностные и смесительные теплообменники. В зависимости от конструкции поверхностные теплообменники подразделяются на трубчатые, пластинчатые, спиральные, теплообменники с рубашкой и теплообменники с оребренной поверхностью (рис. Рис. 12.8. Типы поверхностных теплообменников Трубчатые теплообменники делятся наследующие типы: кожухотрубные, труба в трубе, оросительные, змеевиковые (погружные). 12.4.2. Устройство поверхностных теплообменников Кожухотрубные теплообменники получили широкое применение в промышленности ввиду их компактности, простоты в изготовлении, надежности в работе (риса, б). Кожухотрубные теплообменники бывают одноходовыми и многоходовыми. Одноходовой теплообменник представлен на риса. Он состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубчатых решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 3. К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки В кожухотрубном теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред (I) движется внутри труба другая (II) – в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг к другу нагреваемую среду – снизу вверх, а среду, отдающую тепло в противоположном направлении. Многоходовой теплообменник 2 8 б) имеет корпус 1, трубные решетки 2, укрепленные в них трубы и крышки 4. С помощью поперечных перегородок установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, по которым последовательно движется жидкость, проходящая в трубном пространстве теплообменника. Обычно разбивку на ходы осуществляют таким образом, чтобы во всех секциях находилось одинаковое количество труб. Ввиду меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, расположенных водной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника увеличивается (по отношению к скорости в а б Рис. 12.9. Кожухотрубный одноходовой (а) и многоходовой (б) теплообменники – корпус 2 – трубные решетки – трубы 4 – крышки 5 – перегородки в крышках 6 – перегородки в межтрубном пространстве одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов. Следовательно, в четырех- ходовом теплообменнике (рис, б) скорость в трубах при прочих равных условиях в раза больше, чем в одноходо- вом. Для повышения скорости и удлинения пути движения среды в межтрубном пространстве (рис. 12.9, б) применяют сегментные перегородки. В горизонтальных теплообменниках указанные перегородки служат одновременно промежуточными опорами для пучка труб. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тока, что, как известно, приводит к некоторому снижению движущей силы теплопередачи по сравнению с чисто про- тивоточным движением участвующих в теплообмене сред. В вышеприведенных теплообменниках с закрепленными трубными решетками при различном тепловом удлинении труби кожуха не исключены деформации труб в местах их закрепления. Поэтому такие теплообменники целесообразно применять при небольшой (до о С) разности температур труби кожуха. а б в Рис. 12.10. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами: а – с линзовым компенсатором; б – с плавающей головкой; в – с образными трубами – компенсатор 2 – подвижная трубная решетка 3 – образные трубы 2 8 Компенсация неодинакового удлинения труби кожуха достигается установкой линзового компенсатора (риса) в теплообменниках применением так называемой плавающей головки (рис. 12.10, б) и образных труб (рис. 12.10, в. Наличие одной трубной решетки в двух последних конструкциях обеспечивает возможность удаления пучка труб из кожуха для осмотра и очистки межтрубного пространства. Для кожухотрубных теплообменников чаще всего применяют медные и латунные трубы диаметром ч мм и стальные бесшовные трубы диаметром ч мм. Теплообменник типа труба в трубе (рис. 12.11) состоит из нескольких элементов, расположенных один над другим. равномерно подается на верхнюю трубу, с которой стекает на нижеразмещенные трубы и внизу собирается в корыте Рис. 12.11. Теплообменник типа «труба в трубе – внешняя труба 2 – внутренняя труба 3 – калач – соединительный патрубок Каждый элемент состоит из наружной трубы 1 и концентрически расположенной в ней трубы. Внутренняя и наружная трубы соединены при помощи сальникового уплотнения или сварки. Внутренние трубы элементов соединены последовательно переходными коленами (калачами) Наружные трубы также соединены последовательно патрубками Среда I движется по внутренним трубам, а среда II – по кольцевым каналам между трубами 1 и 2. Эти теплообменники позволяют осуществить высокую интенсивность теплообмена вследствие большой скорости перемещения сред, однако они громоздки и расходуется много металла для их создания. Межтрубное пространство очищается химическим способом. Оросительные теплообменники в основном применяются для охлаждения жидкостей или конденсации паров и газов. Представленный на рис. оросительный теплообменник состоит из ряда расположенных одна над другой труб 1, соединенных коленами 2. Орошающая вода из желоба 3 с зубчатыми краями Рис. 12.12. Оросительный теплообменник – труба 2 – колено – распределительный желоб – корыто 2 8 Охлаждаемая жидкость подается в трубы и прокачивается снизу вверх. Если охлаждается парили газ, то их подают сверху. Устройство указанных теплообменников несложное, но оно громоздко и имеет малый коэффициент теплопередачи. Теплообменник со змеевиком представлен на рис. 12.13. В цилиндрической емкости 1 размещен змеевик 2, согнутый по винтовой спирали. Витки змеевика крепятся настойках хомутами 4. Одна Рис. 12.14. Пластинчатый теплообменник – пластины 2 – штанга 3, 4 – стойки 5 – нажимная плита 6 – винт, 11 – резиновые прокладки 8 – патрубок для входа продукта 9 – отверстие – пластина 12 – отверстие 13 – выход продукта 14 – патрубок для входа теплоносителя 15 – патрубок для выхода теплоносителя; І – теплоноситель ІІ – продукт Пластинчатый теплообменник (рис. 12.14) состоит из группы штампованных теплообменных пластин 1, подвешенных на горизонтальных штангах 2, концы которых закреплены в стойках и 4. При помощи нажимной плиты 5 и винта 6 пластины в собранном виде плотно прижимаются одна к другой через резиновые прокладки 7, приклеенные по периферии пластин и вокруг отверстий для прохода сред. Таким образом, после сборки и Рис. 12.13. Змеевиковый теплообменник – сосуд 2 – змеевик 3 – стойка – хомут из сред протекает по змеевику, другая – через емкость 1. При высоких тепловых нагрузках змеевик размещают в несколько рядов. Змеевиковые теплообменники просты по устройству и доступны для осмотра и ремонта, но имеют невысокий коэффициент теплоотдачи ввиду свободной конвекции у наружной поверхности труб. Внутреннюю полость труб змеевика очищают химическим способом 2 8 сжатия пластин в теплообменнике образуется две системы каналов: одна – нечетная для среды I, а другая – четная для среды II. Обе системы каналов соединены со своими патрубками для входа и выхода потоков. Рабочие поверхности пластин (рис. 12.15) имеют множество выступов различной формы, обеспечивающих турбулизацию проходящих сред. Теплоноситель движется навстречу продукту. Он поступает в патрубок 14, проходит через нижний коллектор, распределяется почетным каналами движется по ним вверх. Через верхний коллектор и патрубок 15 теплоноситель выходит из аппарата. Вследствие значительных скоростей движения жидкости между пластинами достигаются высокие значения коэффициентов теплопередачи вплоть до 3800 Вт/м 2 (3000 ккал/м 2 •ч•град) и более при малом гидравлическом сопротивлении. Спиральный теплообменник (рис. 12.16) имеет поверхность теплообмена, образованную двумя металлическими листами 1 и согнутыми в виде спиралей вокруг перегородки 3. По каналам прямоугольного сечения, образованным между листами, движутся среды I и II. С торцов каналы закрыты плоскими крышками 4 и уплотнены прокладками 6. Расстояние между спиралями фиксируется бобышками или дистанционной полосой 7. У наружных концов спиралей и у центра крышки приварены патрубки для ввода и вывода сред. Рис. 12.15. Пластины пластинчатого теплообменника, 4 – прокладки, 3 – отверстия для жидкости I; 5, 6 – отверстия для жидкости Пластины на рис. 12.14 показаны в разъемном состоянии. Продукт обозначен на схеме сплошной линией, а теплоноситель пунктиром. Продукт поступает в теплообменник через патрубок 8, а затем через угловое отверстие 9 впервой слева пластине попадает в коллектор, образованный угловыми отверстиями пластин после их сборки. По коллектору продукт доходит до пластины 10, имеющей глухой угол (без отверстия, и распределяется по нечетным каналам между пластинами. Продукт сообщается с угловым коллектором благодаря соответствующему расположению резиновых прокладок 7 и. При движении вниз в канале между пластинами продукт обтекает волнистую поверхность пластин, обогреваемых с обратной стороны теплоносителем. Затем продукт поступает в коллектор, образованный нижними угловыми отверстиями и выходит из теплообменника через патрубок 13. 2 8 теплоотдачи по обеим сторонам стенки различны, например в трубе происходит конденсация пара с высоким коэффициентом теплоотдачи ?, а снаружи трубы омываются нагреваемым воздухом с низким значением ?. Чтобы улучшить теплоотдачу от стенки трубы к воздуху, снаружи труб увеличивают поверхность теплообмена, для этого делают оребрение поверхности различной формы. Рис. 12.17. Оребренные поверхности теплообмена: а – труба с поперечными ребрами б – труба с продольными ребрами; в – ребра плавникового типа г – игольчатый теплообменник – коробка 2 – труба 3 – ребра. Смесительные теплообменные аппараты В фармацевтическом производстве иногда не требуется получать чистый конденсат водяного пара для его последующего использования. В этих случаях используют смесительные теплообменные аппараты или конденсаторы смешения, более простые по устройству и соответственно более дешевые, чем поверхностные теплообменники. Рис. 12.16. Схема спирального теплообменника, 2 – листы 3 – перегородка 4 – крышки – фланцевое соединение 6 – прокладка – дистанционная полоса 8 – патрубки Спиральный теплообменник имеет высокий коэффициент теплопередачи, небольшое гидравлическое сопротивление и отличается большой компактностью. Однако его изготовление сложно ион непригоден для работы под давлением более 4 ч5 бар (1 бар = 10 5 Па, 1 атм = = 101325 Па). Теплообменники с оребренной поверхностью (рис. 12.17) применяются в тех случаях, когда условия 2 8 Одной из самых распространенных конструкций конденсаторов смешения является сухой полочный барометрический конденсатор (рис. 12.18), работающий при противоточном движении охлаждающей воды и пара. разрежения в конденсаторе. Поэтому неконденсируемые газы отсасывают через штуцер 8 и отделяют от увлеченных брызг воды в брызгоуловителе – ловушке (на рисунке не показана. Отсюда вода также стекает в вертикальную барометрическую трубу ив барометрический ящик. В барометрических конденсаторах иногда вместо сегментных полок применяются полки, представляющие собой чередующиеся круглые диски 9 и кольца 10 (рис. 12.18, б). Для установок умеренной производительности применяют прямоточные конденсаторы (рис. 12.19), расположенные на низком уровне. Вследствие этого вода чаще всего засасывается в аппарат под действием имеющегося в нем разрежения и вспрыскивания в корпус 1 через сопло 2. Пары поступают в конденсатор сверху. Охлаждающая вода и конденсат удаляются центробежным насосом, а воздух отсасывается воздушным насосом В цилиндрический корпус 1 с сегментными полками 2 снизу через штуцер поступает пар. Вода подается через штуцер 4, расположенный на высоте 12 ч 16 м над уровнем земли, и каскадно перетекает по полкам, имеющим невысокие борта. При соприкосновении с водой пар конденсируется. Смесь конденсата и воды сливается самотеком через штуцер 5 в барометрическую трубу 6 высотой примерном и далее – в барометрический ящик Барометрическая труба и ящик выполняют функции гидравлического затвора, препятствующего проникновению наружного воздуха в аппарат. Из барометрического ящика вода удаляется в канализацию через переливной штуцер. Вместе с паром и охлаждающей водой в конденсатор попадает некоторое количество воздуха, кроме того, воздух подсасывается через неплотности фланцевых соединений. Остаточное давление в конденсаторе наиболее часто должно поддерживаться в пределах ч атм. Присутствие неконденсирующихся газов может вызвать значительное снижение Рис. 12.18. Барометрический конденсатора – с сегментными полками; б – с кольцевыми полками – цилиндрический корпус – сегментные полки – штуцер для подвода пара 4 – штуцер для подвода воды 5 – штуцер для отвода воды и конденсата – барометрическая труба – барометрический ящик – штуцер для отвода неконденсируемых газов – диски 10 – кольца 2 8 снабжения для понижения температуры воды, отводящей тепло от теплообменных аппаратов, компрессоров и т.д. Охлаждение происходит в основном за счет испарения части воды, стекающей по оросителю в виде пленок или капель под действием сил тяжести. Испарение 1 % воды понижает ее температуру примерно на 6 о С. По типу орошения градирни подразделяют на пленочные, капельные и брызгальные, по способу подачи воздуха – на вентиляторные, башенные (в последних создается тяга воздуха при помощи высокой вытяжной башни) и открытые (атмосферные, использующие силу 2 8 7 5 6 2 6 8 1 7 5 2 6 3 4 1 8 7 Рис. 12.19. Сухой прямоточный конденсатор низкого уровня – корпус 2 – сопло – центробежный насос – воздушный насос Такие конденсаторы значительно компактнее противоточных барометрических. Однако основной недостаток противоточных аппаратов – большая высота компенсируется меньшим расходом охлаждающей воды и отсасываемого воздуха. Последнее обусловлено более низкой температурой воздуха в этих аппаратах по сравнению с прямоточными конденсаторами. Кроме того, достоинством противоточных барометрических конденсаторов является наиболее простой и дешевый способ отвода удаляемой в канализацию воды. Примером смесительного теплообменника может служить градирня устройство для охлаждения воды атмосферным воздухом. Градирни применяются главным образом в системах оборотного (циркуляционного) водо- Рис. 12.20. Градирни: а – вентиляторная; б – башенная в – атмосферная – ороситель; 2 – водораспределитель; 3 – вентилятор 4 – водоуловитель; 5 – резервуар – подвод воды 7 – отвод воды 8 – вход воздуха ветра и отчасти – естественную конвекцию для потока воздуха через ороситель (рис. 12.20). В е н т ил я торные градирни, в свою очередь, делятся насек- ционные и отдельно стоящие. Вентилятор- ные градирни обеспечивают более глубокое и устойчивое охлаждение воды и допускают большие удельные тепловые нагрузки, чем башенные и атмосферные, но требуют 2 8 дополнительного расхода электроэнергии. Производительность градирни характеризуется величиной плотности орошения удельного расхода охлаждаемой воды, приходящегося на 1 м 2 площади орошения. При проектировании тип, размеры и основные элементы градирни определяются технико-экономическими расчетами в зависимости от количества и температуры охлаждающей воды и параметров атмосферного воздуха. В фармацевтическом производстве при рекуперации экстрагента из лекарственного растительного сырья методом перегонки с водяным паром используется смесительный теплообменник (см. т. 2). В качестве последнего используют перколятор-диффузор, в котором находится отработанное сырье – шрот. Для рекуперации экстрагента в нижний штуцер перколятора подают острый пар, который, проходя через сырье снизу вверх, подогревает его и, обогащаясь парами экстрагента, выходит из верхней части аппарата. Конденсаторы смешения широко применяются для создания разрежения в установках, работающих под вакуумом, в том числе в вакуум-фильтрах, вакуум-сушилках, выпарных аппаратах и др. Выбор теплообменников и их расчет Кожухотрубные теплообменники используются для теплообмена между двумя жидкостями и между жидкостью и конденсирующимся паром или сжатым газом. Для аналогичных целей применяются и оросительные теплообменники. Змеевиковые теплообменники часто используются в качестве холодильников для жидкостей, реже – для конденсации сжатых газов. Пластинчатые теплообменники в ряде случаев предпочтительнее аппаратов других типов для теплообмена между жидкостями. Спиральные теплообменники лучше применять для теплообмена между жидкостью и конденсирующимся паром. Теплообменники с оребренной поверхностью используются главным образом для теплообмена между воздухом и паром или горячей водой. Пластинчатые теплообменники используются для теплообмена между газами при низком давлении. Пластинчатые теплообменники фильтр-прессного типа и спиральные теплообменники при избыточных давлениях до 6 ч 10 атм в ряде случаев более предпочтительны, чем аппараты других типов при теплообмене между жидкостями, а спиральные теплообменники – при теплообмене между жидкостью и конденсирующимся паром. Расчет теплообменников Для теплообменников составляют проектный и поверочные расчеты. Конструктивный расчет осуществляют при проектировании теплообменника для известных или заданных количеств 2 8 нагреваемого или охлаждаемого продукта и их параметров на входе и выходе теплообменника. При этом рассчитывают поверхность теплообмена, расход нагревающего или охлаждающего агента, размеры теплообменника заданной конструкции и его гидравлическое сопротивление. Поверочные расчеты выполняют, чтобы определить возможность соответствия при использовании существующих или стандартных теплообменников определенным технологическим требованиям. Тепловые расчеты производят совместно с гидравлическими и конструктивными и на основе всех этих расчетов подбирают наиболее подходящие стандартные или нормализованные конструкции теплообменных аппаратов. Выбранная конструкция должна быть по возможности оптимальной, сочетающей интенсивный теплообмен с низкой стоимостью, надежностью, дешевизной и удобством эксплуатации. При проведении расчета трубчатых теплообменников следует установить целесообразность подачи одного из теплоносителей в трубное, а другого – в межтрубное пространство аппарата. Рекомендуется в трубное пространство направлять теплоноситель, который 1) имеет меньший расход, так как скорость его выше, чем в межтрубном пространстве) содержит твердые взвеси и загрязнения или возможно образование инкрустаций (твердых осадков) обладает повышенным избыточным давлением (по соображениям механической прочности аппарата) агрессивен и требует изготовления труб из коррозионностойкого материала, так как поверхность трубного пространства меньше межтрубного. Кроме того, при направлении нагревающего теплоносителя в трубы уменьшаются потери тепла в окружающее пространство. Принимая направление взаимного движения теплоносителей, учитывают преимущество противотока при теплообмене без изменения агрегатного состояния, а также целесообразность совпадения направлений вынужденного и свободного движений теплоносителя (например, при движении нагреваемой среды снизу вверх). Скорости теплоносителей в выбранном аппарате должны обеспечивать благоприятное сочетание интенсивного переноса тепла и умеренного расхода энергии на перемещение теплоносителя. При этом желательно, чтобы теплообмен происходил в условиях турбулентного течения теплоносителей при развитом турбулентном движении (Re > 10 4 ) или близком к нему. Тепловой расчет Тепловой расчет проектируемого теплообменника производят в следующей последовательности 2 8 Определение тепловой нагрузки и расхода теплоносителей Тепловую нагрузку находят из уравнения теплового баланса по уравнениям (11.1), (11.4), (11.5) или, в случае изменения агрегатного состояния одного или обоих теплоносителей, по уравнению (11.7). Из уравнений (11.1) – (11.5) и (11.7) определяют расходы теплоносителей. Если же их расходы заданы, то, пользуясь теми же уравнениями, находят обычно неизвестную в этом случае конечную температуру одного из теплоносителей. Когда неизвестны конечные температуры обоих теплоносителей, то ими задаются, принимая во внимание, что разность температур между теплоносителями на конце теплообменника должна быть практически не менее ч о С. Наиболее желателен выбор оптимального значения конечной температуры на основе технико- экономического расчета. Определение средней разности температур и средних температур теплоносителей При противотоке и прямотоке среднюю разность температур определяют как среднелогарифмическую из большей и меньшей разности температур теплоносителей на концах теплообменника (по уравнениями) или как среднеарифметическую (уравнение (В расчетной практике рекомендуется среднюю температуру теплоносителя с меньшим перепадом температур по длине аппарата определять как среднеарифметическую, а среднюю температуру другого теплоносителя – по известной величине ?t ср , пользуясь соотношением ср = ?t ср1 – ?t ср2 . (Определение коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена Из справочников [2, с. 174] берут ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи или теплопередачи для заданных условий теплообмена. По этим значениями расходу теплоносителей определяют ориентировочную поверхность теплообмена F, по которой подбирается по справочнику теплообменника затем расчетом уточняют необходимую поверхность. Для уточненных расчетов при определении коэффициента теплопередачи К необходимо предварительно рассчитать коэффициенты теплоотдачи ? 1 от горячего теплоносителя к стенке – от стенки к холодному теплоносителю, а также термическое сопротивление самой стенки, на которой в процессе эксплуатации теплообменника обычно образуется с одной или двух сторон слой загрязнений. Коэффициенты теплоотдачи рассчитывают в 2 9 зависимости от условий теплоотдачи по одному из уравнений) – (11.50). Поэтому предварительно необходимо определить условия теплообмена, для чего принимают вид теплообменника, количество, длину и диаметр труб в нем. Определяют режим движения теплоносителей. Чтобы вычислить ?, часто необходимо знать температуру стенки t т ( о С) или удельную тепловую нагрузку q [Вт/(м 2 •ч)], значения которых, в свою очередь, зависят от определяемой величины ?. В таких случаях коэффициенты теплоотдачи рассчитывают методом последовательных приближений [7] или используют методику, по которой проводят расчет два раза, задавшись температурой стенки t т со стороны холодного теплоносителя. Температуру стенки принимают нач о С ниже температуры горячего теплоносителя один раз – возле ее крайнего нижнего значения, второй – возле верхнего. Затем по графику определяют t cт.д (действительное, соответствующее q д действительной тепловой нагрузке. Задавшись температурой стенки t т в первый раз, определяют тепловую нагрузку q 1 со стороны горячего теплоносителя = ? 1 (t 1 – t т, (где t 1 – средняя температура горячего теплоносителя. По величине термического сопротивления стенки ? cт / ? cт рассчитывают температуру стенки со стороны холодного теплоносителя t т т = t т q 1 ? cт / ? cт . (Определяют ? 2 и q 2 со стороны холодного теплоносителя, где t 2 – средняя температура холодного теплоносителя. Для этого предварительно определяют режим движения холодного теплоносителя в зависимости от условий теплообмена и конструкции теплообменника. Сравнивают значения q 1 и q 2 . В случае их неравенства задаются новым значением температуры стенки т. Повторяют все расчеты и получают вторые значения q ? 1 и q ? 2 . Если они также не равны, то строят график зависимости q от t т (рис. 12.21), по которому определяют действительную температуру стенки t cт.д и действительную тепловую нагрузку q д. Зная q д, определяют коэффициент теплопередачи К q K ? = . (Вычислив К, находят величину поверхности теплообмена риз основного уравнения теплопередачи (11.8): cp p t K Q F ? = . (Если расчетная поверхность теплопередачи р больше поверхности выбранного ранее теплообменника т (теоретического 2 9 1 12.5.2. Конструктивный расчет Конструктивный расчет производят после теплового расчета теплообменника. Для кожухотрубчатых теплообменников он сводится к определению числа и длины труб, размещенных в трубной решетке, с учетом числа ходов и нахождению основных размеров (диаметра и высоты) аппарата. При конструктивном расчете определяют также диаметры патрубков штуцеров теплообменника. Число труби длина l каждой трубы связаны зависимостью l d F n p ? = , (где d p – расчетный диаметр трубы. Из выражения (12.11) находят необходимую длину труб, которую округляют обычно до ближайшей большей величины по соответствующему ГОСТу. Внутренний диаметр кожухотрубчатого теплообменника рассчитывают по формуле D вн = S (b – 1) + 4d н, (где S – шаг между трубами (S = ч d на число труб, размещаемых на диагонали наибольшего шестиугольника при шахматном расположении труба – число труб на стороне наибольшего шестиугольника н – наружный диаметр трубы. Диаметр патрубков штуцеров теплообменника определяют из уравнения расхода (то необходимо задаться новым теплообменником с большей поверхностью. Рассчитывают запас поверхности. (Коэффициент запаса Z должен лежать в пределах 0 < Z < < 40 При несоблюдении условия) необходимо выбрать похожий теплообменник с меньшей площадью и повторить расчет заново. Рис. 12.21. График зависимости тепловой нагрузки q от температуры стенки t т 2 9 где w опт – оптимальная скорость движения теплоносителя в трубопроводе, которая принимается согласно приведенным значениям скоростей (см. гл. Конструктивный расчет змеевиковых теплообменников включает определение общей длины, числа витков и высоты змеевика. Змеевик в аппарате размещают так, чтобы он не доходил нач м до стенок аппарата и по всей высоте находился в жидкости. Принимая диаметр витка змеевика d зм и расстояние между витками по вертикали h, находим длину одного витка змеевика как винтовой линии по формуле 2 ?? d h d l ? ? + ? = . (Величиной h можно пренебречь, так как обычно расстояние между витками h принимают равным ч диаметра трубы змеевика. При числе витков n общая длина змеевика L = n ? d зм , откуда l n ? = . (Расчетное число витков округляют до целого числа. Общая высота змеевика (по осям крайних труб H = Для прямых змеевиков с поверхностью теплообмена F общая длина змеевика d F L ? = , (где d р – расчетный диаметр длины змеевика. Змеевик обычно состоит из нескольких параллельных секций. Зная расход жидкости секи принимая ее скорость w в трубе змеевика, определяем число секций d V m 2 ??? 4 ? = . (Соответственно длина одной секции змеевика – m L l = 12.5.3. Гидравлический расчет Гидравлическое сопротивление теплообменников находят по общей формуле 2 ?.? ? ? w d l P ? ??? ? ??? ? ? + ? = ? ? , (где Р – общая потеря напора на трение в трубопроводе длиной l при диаметре его, равном d э, и коэффициенте трения ?; 2 9 мс – сумма местных сопротивлений плотность теплоносителя, кг/м 3 Расчеты величин, входящих в уравнение (12.17), приведены в гл. 6, разд. Список литературы. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М Химия, 1971. С. 326 – 362. 2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л Химия, С. 152 – 224. 3. Плановский АН, Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М Госхимиздат, 1962. С. 411 – 466. 4. Бакланов АН. Трубопроводы в химической промышленности. Л.: Химия, 1970. С. 33 – 34. 5. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды. 2-е изд. МЛ. Гладков В.А., Арефьев Ю.И., Барменков Р.А. Вентиляторные градирни. М, 1964. 7. Зайцев АИ, Винник Л.М., Шаповалов А.В., Рубашка В.П. Методические указания к расчету кожухотрубчатого теплообменника по курсу Процессы и аппараты химической технологии. Х, 1995. 48 с 2 9 Глава 13. ИСКУССТВЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ. Общие сведения Охлаждение тел до температуры ниже температуры окружающей среды и поддержание их в охлажденном состоянии в течение продолжительного времени составляют главную задачу отрасли техники, называемой холодильной. Для многих производств такое охлаждение различных веществ, как его называют – производство холода, является неотъемлемой частью технологического процесса. В быту ив промышленности производство холода распространено и используется для хранения, транспортировки продуктов и лекарственных средств, создания искусственного микроклимата. Для ряда научных исследований необходимо охлаждать изучаемые объекты до очень низких температур. Термодинамические основы получения холода Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой. Такой перенос тепла с низшего уровня на высший, согласно второму закону термодинамики, сопровождается уменьшением энтропии S и поэтому не может происходить самопроизвольно. Для того чтобы осуществить такой процесс, его необходимо сочетать с другим процессом, идущим с возрастанием энтропии (тес затратой энергии) и компенсирующим ее убыль в процессе отнятия тепла от среды с более низкой температурой. В холодильных установках перенос тепла от среды с более низкой температурой к среде с более высокой температурой осуществляется с помощью рабочего тела, называемого холодильным агентом или хладоагентом. Получение холода происходит по круговому процессу, или циклу, в котором процесс отнятия тепла от охлаждаемой среды сопровождается компенсирующим процессом – подводом энергии (например, при сжатии паров хладоагента в компрессоре). Согласно законам термодинамики, при переносе тепла от среды с более высокой температурой T к среде с более низкой температурой наибольшая степень превращения тепла в работу соответствует коэффициенту полезного действия обратного цикла Карно. Поэтому, рассчитывая перенос тепла от менее нагретого тела к более нагретому, можем воспользоваться этим циклом (рис. состоящим из следующих процессов – адиабатическое сжатие парообразного хладоагента (конечная температура сжатия T); 2–3 – изотермическая конденсация паров хладоагента при температуре T с отдачей окружающей среде (например, воде) теплоты конденсации Q; 2 9 5 ?????? ?????????????- |