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.
|
|
7.4 Кожухотрубные теплообменники Если для проведения процесса требуются сравнительно большие поверхности теплообмена, то применяют главным образом трубчатые теплообменники. Поверхность теплообмена в трубчатых теплообменниках может быть получена различными способами. Простейшей конструкцией аппаратов такого типа является кожухотрубный теплообменник в кожухе 1 теплообменника с двух концов приварены трубные решетки 2, в которые входит пучок трубок 3. Днища 4 соединены с кожухом на фланцах 5 при помощи болтов 6, что позволяет снимать днища и прочищать трубки. Трубки теплообменника прямые поэтому их легко прочистить ив случае появления течи заменить новыми. Способы закрепления трубок в трубных решетках показаны на рис. 7.4.1. Трубки закрепляют в трубных решетках герметично, главным образом путем развальцовки или сварки. В некоторых случаях применяют сальниковое крепление труб, при котором допускается продольное их перемещение при удлинении, но такое крепление является сложным. Рис. 7.4.1. Закрепление трубок в трубных решетках развальцовкой IV — сваркой сальниковым соединением. В теплообменниках с вертикальными трубами пар обычно проходит по межтрубному пространству сверху вниз, а жидкость протекает по трубам. Конденсат удаляется из нижней части кожуха в конденсационный горшок газы собираются в верхней части межтрубного пространства, откуда они удаляются. Кожухотрубные теплообменники выполняют одноходовым ив которых жидкость движется параллельно по всем трубами многоходовыми, в которых пучок труб разделен на несколько секций (ходов, причем жидкость протекает последовательно по всем ходам. 76 Рис. 7.4.2. Многоходовой теплообменник 1, 3, 5, отсеки нижней камеры 2, 4, 6, в—отсеки верхней камеры. Многоходовой теплообменник с вертикальным расположением труб имеет верхнюю и нижнюю камеры, разделенные продольными перегородками на отсеки жидкость поступает из отсека 1 в отсек 2, потом возвращается назад, входит, в отсек 3, отсюда в отсеки т. д, пока не удаляется из отсека 8. Такое устройство позволяет увеличить скорость жидкости в трубах теплообменника и, следовательно, улучшить теплопередачу. Рис. 7.4.3. Двухходовой теплообменник с перегородками в межтрубном пространстве кожух перегородки. Для увеличения скорости протекания жидкости, в межтруб - ном пространстве размещают перегородки. В аппаратах с поперечными перегородками теплоноситель движется поперек пучка труб, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи. Многоходовые теплообменники работают при смешанном токе теплоносителей. Поэтому установка многоходовых теплообменников вертикально не дает преимуществ и часто их устанавливают горизонтально. Поперечные перегородки представляют собой диски с вырезанными сегментами или чередующиеся кольца и диски. В некоторых конструкциях теплообменников межтрубное пространство разделяется на ходы с помощью продольных перегородок. Жесткое крепление трубок теплообменника в трубной решетке сваркой надежно, если разность температур между кожухом и пучком труб не превышает 20°. При большей разности температур может произойти изгиб и деформация труб, поэтому для компенсации температурных удлинений и свободного удлинения труб одну из трубных решеток не закрепляют наглухо или соединяют ее с кожухом при помощи сальникового уплотнения, стем, чтобы решетка могла свободно перемещаться. Аппараты, в которых одна из трубных решеток не прикреплена к кожуху и имеет свободное осевое перемещение, называют теплообменниками с плавающей головкой. Последняя может быть закрытого и открытого типа . Плавающую головку применяют не только для компенсации температурных удлинений, но и для того, чтобы облегчить разборку и чистку теплообменника. 78 Рис. 7.4.4. Теплообменники с плавающей головкой закрытого типа открытого типа, кожух плавающая головка. В теплообменниках используются также сальниковые компенсаторы, которые могут быть установлены на штуцере или на корпусе. Упругая деформация при удлинении трубок может восприниматься также приваренным к кожуху линзовым компенсатором. В некоторых конструкциях устанавливаются трубки U- образной формы, оба конца которых развальцованы водной трубной решетке. Компенсация температурных удлинений трубок в данном случае достигается тем, что каждая трубка может свободно удлиняться независимо от других. Однако механическая очистка таких трубок затруднительна. При расчете кожухотрубных теплообменников обычно принимают определенную скорость теплоносителя и диаметр труб, после чего находят коэффициент теплопередачи К и величину поверхности нагрева F теплообменника по общему уравнению теплопередачи. По длине l труб рассчитывают их количество по формуле ; (7.4.1) где — средний диаметр трубы в м. Зная количество труб n, проверяют фактическую скорость теплоносителя в трубах по секундному его расходу V c e кв м ; (Если скорость отличается от принятой вначале расчета, можно изменить длину трубили задаться другим значением ω. Если то теплообменник можно изготовить многоходовым; при этом число ходов m теплообменника определяют по формуле ; (7.4.3) Большое значение имеет выбор оптимальной скорости теплоносителя. Увеличение скорости улучшает теплопередачу, но одновременно вызывает увеличение гидравлического сопротивления и может привести к гидравлическим ударами т. п, поэтому наивыгоднейшую скорость можно установить только технико-экономическим расчетом с учетом указанных выше явлений. Обычно стремятся обеспечить устойчивое турбулентное движение теплоносителя, определяемое величиной Re ≥ 10000. 80 Рис. 7.4.5. Теплообменник с компенсаторами температурных удлинений: с сальниковым; III— С линзовым. теплообменник 2 компенсатор. Для жидкостей, обладающих небольшой вязкостью, в большинстве случаев принимают скорость не ниже 1,0 —0,3 м/сек и не более 2 м/сек. а для газов принимают весовую скорость в пределах 2—20 кгс/м 2 ·сек. Рис. 7.4.6. Теплообменник с U- образными трубками кожух образные трубки. Трубы выбирают такого диаметра, чтобы скорость в них была возможно большей (ноне выше допустимой) и чтобы при необходимости можно было без затруднений их прочищать наиболее употребительны стальные трубы наружного диаметра 25, 38 и 57 мм для более вязких и загрязненных жидкостей, а также для газов применяют трубы большего диаметра. После определения размера и числа труб их размещают в трубных решетках и определяют диаметр теплообменника. Трубы размещают равномерно по сечению решетки в шахматном порядке, те. по периметрам правильных шестиугольников или же по концентрическим окружностям. Рис. 7.4.7. Размещение труб в трубных решетках по правильным шестиугольникам по концентрическим окружностям. В теплообменниках, предназначенных для работы на загрязненных жидкостях, иногда принимают прямоугольное размещение труб для облегчения чистки межтрубного пространства аппарата. Расстояние между центрами смежных трубили шаг труб, выбирают возможно меньшим для увеличения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве и уменьшений размеров аппарата. При закреплении труб в решетке путем развальцовки шаг t = 1,3 н н, где н — наружный диаметр трубы. При закреплении на сварке шаг труб берут меньшим, t ≈ l,25 d н Количество труб, размещаемых по обоим способам, приводится в справочных таблицах при размещении труб в шахматном порядке обычно указывается количество труба на стороне внешнего шестиугольника и количество труб b на его диагонали. Обозначим n — количество труб теплообменника н — наружный диаметр трубы шаг труб. Тогда число труб на диагонали шестиугольника и общее число труб 82 — ; (7.4.4) Внутренний диаметр D теплообменника определяют по формуле ; (7.4.5) В горизонтальных теплообменниках-конденсаторах, где пар движется в межтрубном пространстве и трубки расположены в шахматном порядке, паровой конденсат, стекая на лежащие ниже ряды труб, образует вокруг них жидкостную пленку, что ухудшает теплопередачу. Поэтому в горизонтальных конденсаторах диагонали шестиугольников, по которым расположены трубы, обычно повернуты на некоторый угол γ, для того чтобы конденсат с верхней трубы омывал лишь небольшую часть поверхности, лежащей ниже трубы. При этом пленка конденсата уменьшается и увеличивается коэффициент теплоотдачи от пара. 7.5 Спиральные теплообменники В спиральных теплообменниках поверхность теплообмена образуется не трубами, а спиралями, свернутыми из металлических листов. Спиральный теплообменник состоит обычно из двух свернутых в виде спиралей металлических листов 1 и 2, образующих два спиральных канала прямоугольного сечения. Оба канала начинаются в центре и заканчиваются на периферии. Внутренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой (керном) 3. С торцов плоские или конические) крышки 4 и 5 скреплены через фланец 6 болтами с наружным витком спирали. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями с обоих торцов листов вварены дистанционные бобышки 7. Спиральные теплообменники работают главным образом при противотоке жидкостей. По одному из вариантов противотока жидкость с температурой t 1 н поступает через наружный штуцер 10, входит впер вый канал, проходит последовательно по всем виткам от периферии к центру и выходит при температуре t 1 к через штуцер 9. Другая жидкость, имеющая температуру t 2 н, поступает через штуцер 11, входит во второй канал, проходит вдоль канала от центра к периферии и выходит при температуре t 2 к через штуцер 8. Каналы с обоих торцов плотно закрыты съемными крышками на прокладках 12. Рис. 7.4.8. Схема спирального теплообменника 1, металлические листы перегородка 4, крышки фланец дистанционная бобышка; 8, штуцеры прокладка. Уплотнение каналов в спиральных теплообменниках производят разными способами. Наиболее часто применяют уплотнение по схеме на рис. 7.4.8 по которой каждый из каналов закрыт на сварке только с одной стороны, противоположной другому каналу. Такой способ уплотнения предотвращает смешение теплоносителей в случае неплотности соединения на прокладке, так как наружу может проходить только один из теплоносителей. По другому способу один из каналов с обеих сторон открыта другой (так называемый глухой канал) с обеих сторон закрыт и, следовательно, не может быть легко очищен. Этот способ применяют в тех случаях, когда прокладки не удается изготовить из материала, химически стойкого против одного из теплоносителей. Уплотнение с обоими открытыми (сквозными) каналами применяют тогда, когда смешение теплоносителей (если оно произойдет при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи продукта. Сквозные каналы могут быть также уплотнены манжетами при помощи спирали. Поэтому способу уплотнение создается давлением теплоносителей оно может оказаться 84 неудовлетворительным при колебаниях давления и непригодно для работы под вакуумом. На рис. 7.4.8 показан одинарный спиральный теплообменник из углеродистой стали, рассчитанный на условное давление 5 кгс/см 2 . Спиральные теплообменники для жидкостей нормализованы Главхиммашем и выпускаются трех типов СТО (одинарные, СТС (секционные) и СТБ (блочные. В теплообменниках всех типов применяется стандартный узел—корпус спиралей, выполняемый с начальными конечным радиусами кривизны r = 100 и R = 400 мм толщина спиралей δ = 4 мм. Одинарные теплообменники выполняют с поверхностью теплообмена 15 им (ширина спиралей 375 и 750 мм) и рассчитывают на условное давление, равное соответственно 5 и 2,5 кгс/см 2 . Секционные теплообменники состоят из двух элементов и имеют поверхность теплообмена 30 им. Поверхность блочных теплообменников кратна числу корпусов спиралей сопрягаемых в блоки. Рис. 7.4.9. Схема уплотнения Рис. 7.4.10 Спиральный спирального теплообменника Схема 1: прокладка крышка. Схема II: сквозной канал 2— глухой канал спиральная металлическая прокладка. Схема III: 1, 2 каналы спиральная металлическая прокладка. Схема IV: манжета 2 спираль. теплообменник корпус 2 спирали анкерные болты. Спиральные теплообменники значительно компактнее обычных трубчатых в них легко достигаются большие скорости жидкости (до 2 м/сек), пара или газа (до 20 м/сек) ; при большей скорости криволинейного движения жидкости достигаются высокие коэффициенты теплопередачи. В спиральных теплообменниках не возникает резкого изменения скорости, и поэтому их гидравлическое сопротивление меньше, чем трубчатых, при равных скоростях жидкости. Спиральные теплообменники меньше подвержены загрязнениям, чем теплообменники других типов. Однако спиральные теплообменники изготовить сравнительно сложно, и рабочее давление в них обычно не должно превышать 6 ата (в отдельных случаях до 10 ата). При проектировании спирального теплообменника задаются начальным (внутренним) диаметром спирали d, расстоянием между спиралями, или их шагом, t, а также шириной листа спирали В с п . . Обычно величину В с п . принимают из конструктивных соображений равной 350—750 мм. 86 Рис. 7.4.11. К расчету спирального теплообменника, спирали перегородка. Шаг t определяют из выражения ; (7.5.1) где b — ширина канала, равная 6—15 мм δ — толщина листа, принимаемая для стали равной 2 —8 мм. Поверхность теплообменника определяют по общему уравнению теплопередачи м (7.5.2) Эта поверхность определяется также, как полезная поверхность каналов теплообменника. С учетом креплений ширина спирали, участвующей в теплообмене, будет В’ с п = В с п — 20 мм наружный виток одной из спиралей не используется для теплообмена. Обозначим полезную длину спиралей (от начала спиралей до точек Аи Б на рис. 246) через l 0 , тогда поверхность теплообмена будет равна ; (7.5.3) откуда полезная длина спирали ; (7.5.4) Каждый виток спирали строят по радиусами, причем для первого витка и . Центры, из которых производят построение спирали, отстоят друг от друга на величину шага витка t. Длина спирали при числе витков n равна ; (7.5.5) откуда число витков ; (7.5.6) Наружный диаметр теплообменника определяют по формуле ; (7.5.7) Рис. Двойные трубы теплообменников. 7.6 Теплообменники с двойными трубами. В контактных и других реакционных аппаратах применяют в качестве теплообменных элементов двойные трубы. Двойная труба состоит из наружной трубы с закрытым наглухо нижним концом, внутри которой помещается более 88 короткая труба меньшего диаметра с открытым нижним концом. Жидкость или газ поступает сверху во внутреннюю трубу, а затем проходит по кольцевому пространству между внутренней и наружной трубами или же поступает сверху в кольцевое пространство (рис. 247, II) и поднимается снизу вверх по внутренней трубе. Наружная труба омывается снаружи газом или жидкостью, отдающей или воспринимающей тепло. Необходимую длину труб L в теплообменниках с двойными трубами можно определить по формуле ; (7.6.1) Величину средней разности температур определяют из уравнения ; (7.6.2) где Q — тепловая нагрузка в ккал/час, н — коэффициент теплопередачи наружной трубы на 1 пог. м ее в ккал/м·час·°С; — средняя разность температур между теплоносителями G — количество теплоносителя, протекающего через одну трубу, в кгс/час; с — теплоемкость теплоносителя в ккал/час·°С; — разность температур теплоносителя в С — разность температур теплоносителей у выхода из наружной трубы. В выражении верхние знаки + и - относятся к тому случаю, когда теплоноситель с более высокой температурой входит во внутреннюю трубу, а нижние знаки для случая ввода теплоносителя в наружную трубу. Рис. 7.6.1. Теплообменник с двойными трубами кожух двойные трубы. Отдельные величины, входящие в уравнение, равны при входе теплоносителя во внутреннюю трубу ; ; (7.6.3) при входе теплоносителя в наружную трубу ; ; (7.6.4) причем и ; (7.6.5) где и — коэффициент теплопередачи на 1 пог. м внутренней и наружной трубы в ккал/м·час·°С; и — коэффициент теплопередачи для внутренней и наружной трубы в ккал/м 2 ·час·°С; , и — разность температур теплоносителя в трубном и межтрубном пространстве в Си диаметр внутренней и наружной труб в мВ выражениях для величин Аи В верхний знак перед r относится к противотоку в наружной трубе, а нижний к параллельному току в ней. 7.7 Теплообменники с ребристой поверхностью При нагревании воздуха и газов паром чаще всего пользуются нагревательными приборами, снабженными ребристыми поверхностями теплообмена. Ребристые поверхности теплообмена применяют для увеличения теплопередачи через металлические стенки в тех случаях, когда условия теплоотдачи по обеим сторонам стенки различны. Условия теплоотдачи улучшают, увеличивая, добавлением ребер, поверхность, отдающую тепло. Ребра 90 размещают стой стороны поверхности, где коэффициент теплоотдачи сравнительно ниже. При нагреве воздуха паром условия теплоотдачи по обеим сторонам стенки неравноценны от греющего пара к стенке коэффициент теплоотдачи ккал/м 2 ·час·°С, а от стенки к нагреваемому воздуху или газу величина составляет всего 5—50 ккал/м 2 ·час·°С. Пропуская греюший пар внутри трубы и снабжая трубу с наружной стороны ребрами, увеличивают ее наружную поверхность ив значительной мере выравнивают теплоотдачу с обеих сторон трубы. Необходимым условием полного использования ребер является быстрое выравнивание тепла внутри ребристых стенок, для чего стенки и ребра должны быть изготовлены из хорошо проводящего тепло материала. Особое значение имеет выбор направления ребер. Если поверхность, отдающая тепло, представляет собой цилиндр трубу, то ребра располагают по окружности, те. в плоскости, перпендикулярной коси цилиндра, или по его образующим, те. в меридиальных плоскостях. В свою очередь, трубы следует располагать так, чтобы воздух не мог проходить над ребрами в поперечном направлении, а возможно глубже проникал между ребрами. По этой причине отопительные трубы с поперечными ребрами не устанавливают вертикально, так как при естественной циркуляции нагреваемый воздух движется снизу вверх. Схема ребристого калорифера изображена на рис. 251. Теплоноситель движется внутри труба подогреваемый воздух омывает их снаружи, проходя между ребрами в направлении, перпендикулярном оси труб. Рис. 7.7.1. Схема ребристого калорифера корпус 2 трубка 3 ребро 4, 5 — штуцеры. Наиболее распространены стальные пластинчатые калориферы, состоящие из пучков или секций труб с надетыми на трубы по всей их длине пластинами. В зависимости от числа рядов труб, установленных в направлении движения воздуха, различают три модели калориферов малую с двумя рядами труб (модель М, среднюю стремя рядами труб (модель Си большую с четырьмя рядами труб (модель Б. Каждая модель калорифера в зависимости от числа секций и их длины выпускается шести номеров. Калориферы обогревают горячей водой или водяным паром. Давление пара в нормализованных конструкциях стальных пластинчатых калориферов не должно превышать 6 ати. Гидравлическое сопротивление пластинчатых калориферов обычно равно от 0,3 до 25 мм вод. ст. Калориферы часто соединяют друг с другом в батареи параллельно, последовательно и комбинированно обоими способами. Коэффициент теплоотдачи для воздуха зависит главным образом отчего весовой скорости ωγ (в кгс/м 2 ·сек) в живом сечении калорифера. Поэтому для улучшения теплопередачи калориферы желательно соединять последовательно, но при этом увеличивается сопротивление батареи. Рис. 7.7.1. Пластинчатым калорифер. 92 Коэффициент теплопередачи в пластинчатых калориферах может быть определен по эмпирическим формулам при обогреве паром ; (7.7.1) где Аи для моделей Ми Си для модели Б при обогреве водой ; (7.7.2) где A' = 11,76; m = 0,17 и n = 0,46 для моделей Ми С Аи для модели Б. В уравнении (7.7.2) через т р. обозначена скорость воды в трубках калорифера в м/сек. |