Конспект лекций. Закон теплоотдачи Вследствие сложности точного расчета теплоотдачи ее определяют по упрощенному закону. В качестве основного закона теплоотдачи принимают закон охлаждения Ньютона, по которому количество тепла
 Скачать 3.8 Mb.
|
|
6.3 Отвод конденсата и газов Для нормального действия теплообменных аппаратов, обогреваемых водяным паром, необходимо непрерывно отводить из них конденсат. При этом нельзя допускать потери не сконденсировавшегося пара с уходящим из аппарата конденсатом. Конденсат удаляется из теплообменного аппарата через специальные устройства, называемые конд енсатоотводчиками или водоотводчиками. Водоотводчики работают непрерывно или периодически. Из различных конструкций непрерывно действующих водоотводчиков рассмотрим конденсационный горшок с закрытым поплавком и подпорную шайбу. В конденсационном горшке с закрытым поплавком поступлении конденсата в корпус 1 горшка поплавок 2 всплывает и после заполнения 2 / 3 объема горшка открывает клапан 3 для выпуска конденсата. Если теплообменник работает с постоянной нагрузкой, то поплавок находится водном и том же положении и непрерывно выпускает конденсат, не пропуская пара из горшка. Для устранения прикипания трущихся частей поплавок при помощи специального рычага 4 периодически поднимают на высоту максимального открытия клапана. Горшки с закрытым поплавком применяют при давлении пара выше 10 ата. 6 . 3 . 1 Конденсационный горшок с закрытым поплавком корпус поплавок клапан рычаг для подъема поплавка 6 . 3 . 2 Подпорная шайба диск сменный ниппель добавочная шайба дренажный патрубок 5 патрубок для контроля за теплосодержанием конденсата 62 В теплообменниках, работающих при расходе пара, изменяющемся не более чем на 35 —40%, и давлении пара до 7 ати, в качестве водоотводчика используется подпорная шайба. Шайба представляет собой приваренный к трубе диск 1 с отверстием или сменным ниппелем 2 (как показано на рисунке) с проходом диаметром до 5 —6 мм. Перед диском устанавливают добавочную шайбу 3 с отверстием большего диаметра или сетку, для предупреждения засорения отверстия шайбы песком, окалиной и т. п. Работа шайбы в качестве конденсатоотводчи ка основана на том, что при небольших давлениях через нее проходит ничтожно мало пара по сравнению с расходом конденсата. Примером периодически действующего водоотводчика может служить конденсационный горшок с открытым поплавком. В корпусе 1 имеется поплавок 2, представляющий собой открытый стакан, в донышке которого укреплен стержень с направляющими ребрами и клапаном 3 на верхнем конце клапан притерт к седлу сменной шайбы 4. В крышке горшка укреплена трубка 5, которая служит направляющей для стержня клапана и, будучи всегда погружена в конденсат, образует гидравлический затвор. В крышке горшка установлен обратный клапан 6, предотвращающий попадание конденсата в горшок из отводной конденсатной линии, к которой могут быть подключены и другие теплообменные аппараты. Вес поплавка можно регулировать при помощи сменного груза 8. Опорожнение горшка производят, открывая пробку. Припуске и разогреве теплообменного аппарата, к которому присоединен горшок, открывают продувочный вентиль 7 и быстро удаляют скопившийся конденсат после разогрева аппарата вентиль 7 закрывают и горшок начинает работать. Когда конденсат накапливается в корпусе горшка, поплавок всплывает и закрывает клапан 3. Конденсат заполняет горшок и постепенно переливается внутрь поплавка. Когда в поплавке наберется определенное количество конденсата, он опускается вниз, одновременно открывая клапан 3; при этом вследствие разности давлений дои после горшка конденсат выдавливается из горшка в отводную линию. Так как конденсата убывает значительно больше, чем поступает, то поплавок снова поднимается и закрывает клапан 3. Рис 6.3.3 Конденсационный горшок с открытым поплавком 1 корпус 2— поплавок клапан сменная шайба трубка 6— обратный клапан продувочный вентиль 8 сменный груз пробка Вовремя подъема поплавка до момента закрытия клапана уровень конденсата в поплавке выше нижнего конца трубки 5, поэтому парне может выйти из горшка. Хотя горшок с открытым поплавком работает периодически, он обладает некоторыми достоинствами по сравнению с горшком, снабженным закрытым поплавком, — по периодическим выбросам воды можно контролировать работу горшка, трущиеся его части не прикипают к корпусу горшка и т. д. Конденсационные горшки с открытым поплавком изготовляют также с двойным клапаном. В этих горшках в момент опускания поплавка открывается вначале меньший клапана затем второй — больший. При таком устройстве горшок чаще открывается и закрывается, и производительность его выше, чем горшков с одинарным клапаном. Обычно конденсационные горшки выбирают по каталогу, зная производительность и наибольший перепад давлений дои после горшка при выборе горшка расчетную производительность (количество конденсата, поступающего из теплообменника) принимают для надежности в четыре раза больше действительной. В каталогах указываются только данные о максимальной производительности горшка, соответствующей непрерывному истечению конденсата с температурой ниже 100°, и 64 минимальной — при периодической работе горшка без переохлаждения конденсата. Рис 6.3.4 Схема установки конденсационного горшка 1 теплообменник конденсационный горшок 3 обводной вентиль 4- труба для отбора проб конденсата Схема установки конденсационного горшка показана на рис. 6.3.4. Горшок устанавливают ниже места отвода конденсата из теплообменника не менее чем нами снабжают обводной линией для того, чтобы теплообменник мог работать бесперебойно при ремонте (отключении) горшка. Контроль за работой горшка можно вести, измеряя температуру конденсата на выходе из горшка она не должна превосходить температуру насыщения греющею пара в теплообменнике. Помимо отвода конденсата, должен быть предусмотрен отвод газов из парового пространства теплообменника. Газы попадают в греющий пар главным образом из воды, питающей паровые котлы присутствие газов значительно уменьшает коэффициент теплопередачи и снижает производительность теплообменника. Поэтому газы отводят из верхних зон парового пространства теплообменника периодически (при помощи продувочных краников) или непрерывно. Теплообменники 7.1 Аппараты с рубашками . Двойные стенки, или рубашки, широко используются для обогрева реакционных аппаратов, особенно в тех случаях, когда внутри аппарата нельзя установить змеевики (например, в аппарате со скребущей мешалкой и др. Схема устройства паровой рубашки показана на рис. 7.1.1. Рубашка 2 укреплена снаружи корпуса 1 аппарата между внутренней поверхностью рубашки и наружной поверхностью корпуса аппарата образуется герметически замкнутое пространство, в которое при нагревании через штуцеры 3 и 4 вводится пара через штуцер 5 отводится конденсат. Для охлаждения, наоборот, охлаждающая жидкость поступает снизу через штуцер 5 и отводится сверху через штуцеры 3 и 4. Рис 7.1.1. Схема устройства паровой рубашки 1 корпус аппарата 2— рубашка штуцеры Высота рубашки должна быть не менее высоты уровня жидкости в аппарате. Рубашки приваривают к стенкам аппарата, а также крепят на болтах к фланцу корпуса или крышке аппарата. Для более равномерного обогрева аппаратов диаметром болеем пар вводят в рубашку с двух сторон. Обычно рубашки применяют для нагревания паром давлением не более 5 ати. Превышение этого предела приводит к чрезмерному утолщению стенок рубашки и аппарата поверхность рубашек, как правило, не превышает 10 м 2 Для работы при высоких давлениях применяют рубашки специальной конструкции. Рубашку изготовляют из листов, в 66 которых выштампованы отверстия. Кромки листов по периметру отверстий наглухо привариваются к стенке аппарата. Такие рубашки отличаются повышенной прочностью и допускают применение пара давлением до 75 ати. Вследствие повышенной скорости теплоносителя в таких рубашках можно достичь больших коэффициентов теплопередачи, чем для рубашек, описанных выше. При расчете аппаратов с рубашками обычно задано количество нагреваемой (или охлаждаемой) жидкости, ее начальная и конечная температуры и поверхность рубашки, а искомыми являются коэффициент теплопередачи и продолжительность нагревания, которые определяют по общим формулам теплопередачи час (7.1.1) где F — поверхность теплообмена определяется как внутренняя поверхность аппарата, погруженная в нагревательную (или охлаждаемую) жидкость. Поверхность теплообмена определяется из выражения ; (7.1.2) где — внутренний диаметр аппарата в м R — радиус кривизны днища в м — высота цилиндрической части аппарата, заполненной жидкостью в м — высота сферической части днища в м. 7.2 Змеевиковые теплообменники Одним из простейших теплообменных устройств в аппаратах являются змеевики, представляющие собой прямые трубы, соединенные коленами, или спирально согнутую трубу с расположением витков по винтовой линии. Коэффициент теплоотдачи змеевиков несколько выше, чем прямых труб. Однако змеевики имеют большую длину, и при конденсации пара в нижней части змеевика может накапливаться конденсат, что приводит к ухудшению теплообмена в длинных змеевиках, кроме того, значительно уменьшается давление и затруднен отвод неконденсирующихся газов. Поэтому змеевики разделяют на несколько отдельных секций, расположенных одна над другой или в виде концентрических окружностей. Рис. 7.2.1 Змеевики Коэффициент теплоотдачи змеевиков несколько выше, чем прямых труб. Однако змеевики имеют большую длину, и при конденсации пара в нижней части змеевика может накапливаться конденсат, что приводит к ухудшению теплообмена в длинных змеевиках, кроме того, значительно уменьшается давление и затруднен отвод неконденсирующихся газов. Поэтому змеевики разделяют на несколько отдельных секций, расположенных одна над другой или в виде концентрических окружностей. При давлении пара 3—5 ата рекомендуется выбирать отношение длины змеевика к диаметру его труб в пределах 225—275 (при средней разности температур теплоносителей = 30—40°). Вследствие значительного гидравлического сопротивления змеевиков скорость теплоносителей в них принимают обычно меньшей, чем в прямых трубах скорость жидкости принимают до 1 м/сек, а весовую скорость газов до 10 кгс /м 2 ·сек. Змеевики обычно изготовляют из труб диаметром до 76 мм ; из труб большего диаметра изготовлять змеевики трудно. В химической промышленности применяют змеевики из стальных труба также из труб, изготовленных из цветных металлов, керамики, стекла, пластических масс и других химически стойких материалов. 68 Для предотвращения прогиба и деформации труб змеевики закрепляют хомутами настойках. Теплообменники из змеевиков, погруженных в резервуар, наполненный жидкостью, называются погружными. Рис 7.2.3 Аппарат со змеевиками, залитыми в стенки корпус аппарата змеевики мешалка. Вследствие небольшой скорости протекания жидкости в резервуаре эти теплообменники отличаются малоинтенсивным теплообменом, но хи часто применяют для охлаждения из-за простоты изготовления и выполнения ремонта, а также удобства применения в агрессивных средах. В змеевиковых теплообменниках одна из участвующих в теплообмене жидкостей может орошать трубы змеевика снаружи. Теплообменники такой конструкции называются оросительными их применяют в качестве холодильников. Змеевики могут быть также эффективно применены для теплообмена при высоких давлениях в аппаратах специальной конструкции. В таких аппаратах теплоноситель протекает в змеевике, а тепло передается или отнимается через, цилиндрическую стенку аппарата, как в аппаратах с рубашками. На показан чугунный аппарат, в стенках которого залиты стальные змеевики. В аппаратах такой конструкции нагрев теплоносителями можно вести при весьма высоких давлениях, но эти змеевики сложны в изготовлении и дороги кроме того, в связи стем, что чугун и сталь имеют разное тепловое удлинение, обычно не удается достигнуть плотного соединения змеевиков с чугунной стенкой аппарата и остаются раковины и пустоты, ухудшающие теплопередачу. Рис 7.2.4 Аппарат с приваренными снаружи змеевиками. Аппараты с залитыми в стенки змеевиками изготовляют только из чугуна, поэтому их можно применять при внутренних давлениях не выше 6 ати. Более совершенны для нагревания при высоких давлениях аппараты, в которых стальной змеевик приварен по наружной поверхности. Змеевик имеет форму спирали или состоит из труб, расположенных по образующим цилиндрической поверхности аппарата. Такие аппараты могут быть изготовлены из любого металла, что является преимуществом теплообменников этой конструкции перед аппаратами со змеевиками, залитыми в стенки. Змеевики приваривают к аппаратам двумя способами, в зависимости от материала стенок аппарата. По первому способу змеевики плотно насаживают на предварительно очищенную наружную поверхность стенки 1 стального аппарата, а между змеевиком и стенкой аппарата помещают фасонные металлические прокладки 2. После этого приваривают змеевики к стенкам аппарата. 70 К аппаратам, изготовленным из металла, не сваривающегося со стальными трубами змеевика, например из меди, алюминия, никеля, монеля, змеевики приваривают по второму способу. - - - На предварительно очищенную наружную поверхность стенки 1 аппарата укладывают медные прокладки 2 под трубы змеевика, сваривают их друг с другом и дополнительно скрепляют посредством полос, приваренных перпендикулярно к плоскости витков змеевика (на рисунке не показаны. Поэтому способу трубы не приваривают непосредственно к стенкам аппарата, что ухудшает теплопередачу. Рис. 231. Приварка наружных змеевиков на стальных аппаратах на аппаратах из цветных металлов. стенка аппарата 2 — фасонные прокладки 3 сварной шов. Описанные выше конструкции аппаратов с наружными змеевиками довольно сложны в изготовлении. В аппаратах упрощенной конструкции вместо целых труб приварены половинки разрезанных по длине труб, образующие полукруглые нагревательные каналы на наружных стенках аппарата. Иногда каналы образуются путем приварки к стенкам аппарата угловой стали. Такие упрощенные конструкции применимы лишь до давлений 60 ата, те. для значительно меньших давлений, чем аппараты с приваренными змеевиками, в которых допустимо давление в трубах змеевика до 250 ата. Поэтому упрощенные конструкции во многих случаях неприемлемы, например для нагревания перегретой водой но они проще в изготовлении и обеспечивают лучшую теплопередачу, чем аппараты с приваренными снаружи змеевиками. Рис. 232. Упрощенные конструкции наружных нагревательных змеевиков из труб из угловой стали. стенка аппарата нагревательный элемент. Расчет теплообменников со змеевиками, залитыми в стенки аппарата или приваренными снаружи по существу аналогичных аппаратам с рубашками) проводится также, как и аппаратов с рубашками, так как ив тех ив других аппаратах теплообменной является внутренняя поверхность аппарата, погруженная в жидкость. Теплообменники с погруженными змеевиками рассчитывают следующим образом. Диаметр трубы змеевика выбирают в зависимости от расхода и скорости протекания жидкости или пара по змеевику, имея ввиду изготовление змеевиков из стандартных труб, выпускаемых промышленностью. Средний диаметр змеевика выбирают в зависимости от внутренних размеров аппарата и мешалки, если обогрев или охлаждение происходят при механическом перемешивании средний диаметр змеевика должен быть меньше внутреннего диаметра аппарата и больше диаметра мешалки. 72 Поверхность змеевика находят по общему уравнению теплопередачи, после чего определяют его конструктивные размеры общую длину, число витков и высоту. Для круглого змеевика выбирают диаметр витка змеевика з ми расстояние между витками по вертикали, или шаг по вертикали h (который принимают равным 1,5—2 диаметрам трубы змеевика. Длина одного витка змеевика (винтовой линии) равна ; (7.2.1) Общая длина змеевика при числе его витков n составляет ; (7.2.2) откуда ; (7.2.3) Рассчитанное по формуле число витков округляют до целого числа. Общая высота змеевика (по осям крайних труб) H = nh. Для прямых змеевиков общую длину змеевика определяют по формуле ; (7.2.4) где F — расчетная поверхность теплообмена в м d c р — средний диаметр трубы змеевика. Обычно змеевики разделяют на некоторое число параллельных секций. Зная расход жидкости V c e к, определяют по принятой скорости ω ее протекания через змеевик число параллельных секций ; (7.2.5) откуда длина труб одной секции (2.108) 7.3 Двухтрубные теплообменники Интенсивный теплообмен может быть достигнут в двухтрубных теплообменниках, состоящих из труб, заключенных в других трубах большего диаметра. Двухтрубный теплообменник, называемый также теплообменником типа труба в трубе, состоит из нескольких элементов, расположенных один под другим, причем внутренние трубы 1 одного элемента теплообменника соединены последовательно c внутренними трубами, а внешние трубы 2 — с внешними трубами другого элемента. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют калачами или коленами 3. Рис. 7.3.1. Теплообменники типа труба в трубе внутренняя труба 2— внешняя труба калач (колено. В тех случаях, когда необходима значительная поверхность теплообмена, устанавливают несколько рядов таких теплообменников и соединяют их параллельно коллекторами. При нагревании жидкостей паром или при конденсации насыщенных паров жидкость поступает во внутреннюю трубу внизу теплообменника, проходит последовательно все элементы теплообменника и вытекает из него сверху. Пар поступает в кольцевое пространство верхнего элемента и вместе с образующимся там конденсатом перетекает в кольцевые пространства ниже расположенных элементов. Из кольцевого пространства нижнего элемента конденсат удаляется через конденсационный горшок. Подбором диаметра внутренней и наружной труб можно сообщить обеим жидкостям, участвующим в теплообмене, любую максимально допустимую скорость и тем самым достигнуть высокого коэффициента теплопередачи. Для повышения коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве в некоторых конструкциях теплообменников типа труба в трубе внутренняя труба имеет продольные ребра. При расчете теплообменника по принятой скорости протекания жидкости подбирают диаметр труби определяют поверхность теплообмена F из общего уравнения теплопередачи. Длину L внутренней трубы, заключенной в наружную трубу, определяют из уравнениям) где d c р — средний диаметр внутренней трубы в м. Принимая длину одного элемента равной l, определяют число элементов или число труб теплообменника n из равенства ; (7.3.2) Рис. 7.3.2. Кожухотрубный теплообменник кожух трубная решетка 3 трубки сферическое днище фланец болт лапа. причем l подбирают так, чтобы отношение было целым числом. |