Заврин В.Г. Тепломассообменное оборудование предприятий

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство Образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

В. Г. Заврин

ТЕПЛОМАССООБМЕННОЕ

ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ

Учебное пособие

Томск 2004

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

УДК 621.1

З – 13

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий. Учеб.

пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

В учебном пособии в краткой форме изложены основные теплотехни-

ческие процессы, протекающие в промышленных установках. По каждой те-

ме имеются пояснения, вопросы для контроля знаний.

Пособие подготовлено на кафедре теоретической и промышленной те-

плотехники, соответствует программе дисциплины и предназнач

ено для сту-

дентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» Института

дистанционного образования.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского совета

Томского политехнического университета.

Рецензенты:

Ю. В. Видин – зав. каф. теоретических основ теплотехники Красноярского

политехнического университета, профессор, к. т. н.;

С. В. Голдаев – ведущий научный сотрудник НИИ ПММ при ТГУ, к. т. н.

Темплан 2004

й политехнический университет, 2004

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

ВВЕДЕНИЕ

Промышленная теплоэнергетика, отличаясь широким охватом различ-

ных процессов, связанных с получением, преобразованием, транспортом

и использованием всех видов тепловой энергии в самых различных отраслях

промышленности, включает:

– совокупность процессов, установок, систем и агрегатов, связанных

с непосредственным использованием энергии топлива, составляющую со-

держание комплекса технических знаний, которую можно объединить назва-

нием промышленная огнетехника;

– совокупность п

роцессов, установок, систем и агрегатов, связанных

с преобразованием энергии, комбинированной выработкой теплоты и элек-

троэнергии, с транспортом энергоносителей, составляющих комплекс техни-

ческих знаний, объединяемых под названием промышленные теплоэнерге-

тические установки и теплоэнергосбережение.

В промышленной теплотехнике реализуется большое количество топли-

ва, поэтому при рассмотрении промтеплотехнических установок особое вни-

мание уделяется их рациональной работе, глубокому использованию потен-

циала энергоносителей, что позволяет увеличить КПД установок и сократить

вредные выбросы в атмосфер

у.

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов обес-

печивается на основе принципов энергосберегающей, малоотходной и безот-

ходной технологии и энерготехнологии и энерготехнологического комбини-

рования.

Всю промышленную теплотехнику разделяют на высокотемпературную,

среднетемпературную, низкотемпературную и криогенную. Температурный

уровень работы промышленных печей 400÷2000

С; выпарка, ректификация,

сушка 150÷700

С; отопление, вентиляция, кондиционеры, теплонасосные

и холодильные установки от –150 до +150

С. Процессы с более низкими тем-

пературами относят к криогенным (например, разделение воздуха). Устройство,

в котором происходит теплообмен между двумя или несколькими средами на-

зывается теплообменный аппарат; массообмен – массообменный аппарат; од-

новременно тепло- и массообмен – тепломассообменный аппарат.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

О ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ

1.1. Классификация теплообменных аппаратов

В теплообменных аппаратах (ТА) один теплоноситель передает тепло-

ту другому теплоносителю. Если при передаче теплоты происходит измене-

ние агрегатного состояния, то температура теплоносителя не меняется. В ос-

тальных случаях температура теплоносителей изменяется.

По принципу работы ТА делятся на поверхностные (рекуперативные

и регенеративные) и контакт

ные. В рекуперативных аппаратах теплообмен

происходит через разделительную стенку. В регенеративных ТА поверхность

теплообмена по очереди омывается то греющим, то нагреваемым теплоноси-

телем. Во время контакта с греющим теплоносителем тепло аккумулируется

насадкой, а потом передается нагреваемому теплоносителю.

В контактных ТА передача теплоты от греющего теплоносителя к на-

греваемому происходит при непосредственном их конт

акте. Контактные ТА

делят на смесительные и барботажные. В смесительных аппаратах теплоно-

сители перемешиваются.

В барботажных – греющий теплоноситель прокачивается через нагре-

ваемый, или наоборот, не смешиваясь с ним.

По роду теплоносителей различают ТА: жидкость–жидкость; пар–жидкость;

газ–жидкость; пар–пар; пар–газ; газ–газ.

В зависимости от изменения агрегатного состояния теплоносителей ТА

делят: без изменения агрегатного состояния одн

ого из теплоносителей, с из-

менением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

В ТА могут протекать различные процессы теплообмена: нагрев, охлаж-

дение, кипение, конденсация, вымораживание и т. д. В зависимости от этих

процессов ТА делят на подогреватели, охладители, испарители, конденсато-

ры и т. д.

По характеру движения теплоносителей относительно теплопередаю-

щей поверхности ТА работа осуществляется пр

и стационарном режиме, в ре-

генеративных ТА – в нестационарном.

По конфигурации поверхности теплообмена рекуперативные аппараты

делят: на кожухотрубные с прямыми гладкими трубами; кожухотрубные

с U-образными трубами; кожухотрубные с оребренными трубами; секцион-

ные «труба в трубе»; змеевиковые; спиральные; пласти

нчатые; пластинчато-

ребристые.

Регенеративные ТА классифицируют по виду и форме насадки: алюми-

ниевая гофрированная лента, сетчатая насадка, в виде шаров или гранул, из

огнеупорных кирпичей, из колец Рáшига.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

По способу компенсации температурных удлинений рекуперативные

ТА классифицируют: без компенсации (жесткая конструкция); с компенсаци-

ей упругим элементом (полужесткая конструкция); с компенсацией в резуль-

тате свободных удлинений (нежесткая конструкция). В ТА жесткой конст-

рукции теплообменные трубы и кожух соединены жестко с трубными решет-

ками. Для полужесткой конструкции на кожухе предусмотрены специальные

компен

саторы температурных деформаций, выполненные в виде гофр. В ТА

нежесткой конструкции трубы и кожух могут свободно перемещаться отно-

сительно друг друга благодаря применению пучка U-образных труб, подвиж-

ной плавающей решетки.

По виду кожуха: с коробчатым кожухом; кожухотрубчатые с компенса-

тором на кожухе.

По ориентации теплопередающей поверхности в пространстве: верти-

кальные, горизонта

льные и наклонные.

По схемам тока теплоносителей рекуперативные ТА делят на три

группы: с постоянной температурой обоих теплоносителей (конденсаторы

и испарители) индивидуальных веществ; с постоянной температурой одного

теплоносителя (конденсаторы и испарители индивидуальных веществ); с пе-

ременной температурой обоих теплоносителей.

В ТА, работающих без изменения агрегатного состояния теплоносите-

лей наибольший тепловой поток при прочих равных условиях достигает

ся

в противоточной схеме, а наименьший в прямоточной. Остальные схемы тока

по этому признаку являются промежуточными.

1.2. Кожухотрубные тепломассообменные аппараты

Кожухотрубные аппараты изготавливают жесткой, полужесткой

и нежесткой конструкции; одно- и многоходовыми; прямоточными, противо-

точными и поперечноточными; горизонтальными и вертикальными. Рекупе-

ративные ТА состоят: из пучка труб, жест

ко закрепленных в трубных решет-

ках; кожуха, крышек с фланцами, образующими распределительные камеры,

опор и перегородок, расположенных в межтрубном пространстве. На кожухе

и крышках установлены технологические патрубки и штуцера.

Трубы. Компактные трубные пучки рекуперативных ТА изготавливают

из гладких труб наружным диаметром d и толщиной стенки s: d×s: 6×0,5;

8×1; 10×1; 12×1. Поскольку чис

тка таких труб затруднена, трубы химической

и нефтехимической промышленности изготавливают: 20×2; 25×2; 25×2,5,

в энергомашиностроении: 14×1; 14×1,5; 16×0,75; 16×0,1; 16×1,5; 19×1; 22×2;

24×1; 32×4; 32×5; 38×2,5 (d мм 15,88; 19,05; 25,4; 31,78).

Материалы, используемые при изготовлении трубных пучков ТА:

1. Трубы холодильных ТА, подогревателей и охладителей воды: медь,

отожженная латунь, медно-никелевый сплав, ст

аль, сплав титана.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

2. Оребренные рубашки и ребра биметаллических труб: алюминий и его

сплавы.

3. Трубы ТА общего назначения: сталь, латунь.

Закрепление концов труб в отверстиях трубных решеток осуществляет-

ся: вальцовкой при использовании двух кольцевых расширительных канавок

в трубной решетке, конической развальцовкой входного участка трубы, свар-

кой со швом, валиком и валиком с канавкой, взрывом, авт

оматической свар-

кой плотным швом (рис. 1, 2).

Вальцовка – прочноплотное соединение, образующееся в результате

деформации трубы в радиальном направлении под действием силы, созда-

ваемой вальцовочным инструментом. Для обеспечения осевой прочности

пучка в отверстиях трубных решеток выполняют 2÷3 расширительные канав-

ки шириной 2÷3,5 мм и глубиной 0,4÷1 мм. При взрывном вальцевании

взрывной заряд помещает

ся внутри трубы в толще трубной решетки. С по-

мощью детонатора заряд подрывается, энергия взрыва затрачивается на де-

формацию трубы в радиальном направлении, даже толстостенные трубы об-

разуют прочное соединение с трубной доской. Применяют и электрогидрав-

лический способ развальцовки труб. Если труба подвержена вибрации, цик-

лическому нагреву, большим перепадам давления, – трубы приваривают

к трубной решетке.

Перегородки. Для креплени

я труб с целью предотвращения их прогибов

и вибраций и для организации поперечного обтекания труб в межтрубном

пространстве и увеличения скорости жидкости внутри кожуха устанавливают

поперечные перегородки (сегментные, диск-кольцо, двухсторонние сегмент-

ные перегородки).

1.3. Выбор скорости теплоносителей в теплообменных аппаратах

Скорость теплоносителя в межтрубном пространстве влияет на теп-

лоотдачу, потерю давления, загрязняемост

ь и вибрацию труб. Ориентиро-

вочное значение скорости теплоносителей:

Рис. 2. Коническая развальцовка

входного участка трубы

Рис. 1. Вальцовка при использовании

двух кольцевых расширительных

канавок в т

ру

бной

ешетке

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

• маловязкая жидкость (вода, бензин, керосин) нагнетательная линия

1÷3 м/с, всасывающая от 0,8÷1,2 м/с;

• вязкая жидкость (легкие и тяжелые масла, растворы солей), нагнета-

тельная линия 0,5÷1,0 м/с, всасывающая 0,2÷0,8 м/с;

• водяной пар, перегретый 30÷75 м/с;

• пары насыщенные (углеводороды и др.) Р, МПа 0,005÷0,07 60÷75 м/с,

0,05÷0,1 20÷40 м/с,

0,1 10÷25 м/с.

1.4. Сравнение кожухотрубных и пластинчатых

теплообменных аппаратов

Кожухотрубные ТА позволяют путем установки перегородок увеличить

скорость теплоносителей и интенсивность теплообмена. Теплообменники

предназначены для теплообмена между различными жидкостями, паром и жид-

костями, между жидкостями и газом. Они применяются, когда требуется боль-

шая пове

рхность теплообмена. Трубки теплообменника, за исключением

U-образных, бывают прямые, доступные для очистки и замены в случае течи.

Проходное сечение межтрубного пространства в 2,5÷3 раза больше

трубного, поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, если не меня-

ется агрегатное состояние, при пониженных скоростях теплоносителя снижа-

ется коэффициент теплопередачи в аппарате. Для выравнивания проходных

сеч

ений иногда применяют усадку концов трубок при закреплении в трубной

решетке. Для уменьшения засорения золой дымовые газы пропускают внутри

труб, а воздух – через межтрубное пространство.

Пластинчатые теплообменники имеют щелевидные каналы, образован-

ные параллельными пластинами (см. рис. 3). Пластины могут быть плоскими.

Для интенсификации теплообмена и повышения компактности пластинам

при изготовлении придают различные профили. Между плоскими пластина-

ми помещают профилированные вставки. Перв

ые профилированные пласти-

ны изготавливались из бронзы фрезерованием, были дорогостоящи и метал-

лоемки. В настоящее время пластины штампуют из листовой стали, алюми-

ния, титана и др. Толщина пластин 0,5÷2 мм. Поверхность теплообмена

0,15÷1,4 м

. Расстояние между пластинами 2÷5 мм.

Теплообменники выполняют разборными и неразборными. В разборных

аппаратах герметизацию каналов обеспечивают с помощью прокладок на ос-

нове синтетических каучуков. Такие аппараты применяют при необходимо-

сти чистки поверхностей с обеих сторон. Они выдерживают температуру от

20 до 140÷150

С и давление не более 2,5 МПа. Неразборные пластинчатые теп-

лообменники выполняются сварными, работают при температуре до 400

и давлениях до 3 МПа. Пластинчато-ребристые теплообменники относят

к числу наиболее компактных аппаратов благодаря развитой поверхности те-

плообмена в ограниченном объеме ТА. Наиболее распространены ребристые

поверхности, образующие треугольные и прямоугольные каналы для движе-

ния теплоносителей.

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Рис. 3. Типы каналов пластинчатых теплообменников

В связи с тем, что пластинчато-ребристые ТА имеют высокую компакт-

ность и малую массу, приходящуюся на единицу теплопередающей поверх-

ности, они нашли широкое применение в транспортных энергетических

и криогенных установках. Но аппараты могут использоваться только для

чистых рабочих веществ, поскольку механическая чистка каналов от загряз-

нений практически невозможна. При термообработке вязких жидк

остей

в трубчатых или пластинчатых ТА коэффициент теплопередачи не превыша-

ет 4000 Вт/(м

⋅К), а тепловой поток, отнесенный к площади поверхности теп-

лопередачи ≈ 50 кВт/м

Для повышения теплоотдачи и уменьшения загрязнений скорость W

нужно увеличивать, а для снижения потерь давления и для снижения вибра-

ции – уменьшать.

Конструкции кожухотрубных ТА бывают:

по назначению: теплообменники Т

охладители Х

конденсаторы К

испарители И

по конструкции: с неподвижными трубными решетками Н

температурным компенсатором на кожухе К

плавающей головкой П

U-образными трубками U

ГНР, образующие

треугольные каналы и т. д.

ГНР, образующие

трапецеидальные каналы;

Гладкие непрерывные

ребра (ГНР), образующие

прямоугольные каналы;

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

1.5. Интенсификация теплообмена в трубчатых теплообменниках

Интенсификация теплообмена производится с целью увеличения коэф-

фициента теплопередачи и уменьшения поверхности нагрева. Интенсифика-

ция теплоотдачи должна осуществляться со стороны теплоносителя, имеюще-

го малое значение коэффициента теплоотдачи. Повышение интенсивности те-

плоотдачи должно быть соизмеримо с увеличением гидравлических сопро-

тивлений.

Для интенсификации теплообмена в трубах и каналах используются

следующие устройства: закр

ученная лента; непрерывный шнековый завихри-

тель (рис. 4, ж); кольцевой канал типа диффузор-конфузор; труба с косыми,

плавно очерченными выступами (рис. 4, б); витая труба; диаметральные уз-

кие полосы сужений в круглой трубе (рис. 4, е, д).

Рис. 4. Схемы устройств,

применяемые для интенсификации теплоотдачи в каналах

г д

Заврин В. Г. Тепломассообменное оборудование предприятий.

Учеб. пособие / Том. политех. ун-т. – Томск, 2004. – 163 с.

Применяют следующие способы интенсификации теплообмена:

• конструирование шероховатых поверхностей и поверхностей сложной

формы, способствующих турбулизации потока в пристенном слое (см. рис. 4, а);

• использование турбулизированных вставок в каналах (см. рис. 4, г);

• увеличение площади поверхности теплообмена путем оребрения;

• воздействие на поток теплоносителя электрическим, магнитным

и ультразвуковым полями;

• турбулизацию пристенного сло

я путем организации пульсаций скоро-

сти набегающего потока и его закрутки;

• механическое воздействие на поверхность теплообмена путем ее вра-

щения и вибрации;

• применение зернистой насадки в неподвижном и кипящем слое;

• добавление в теплоноситель твердых частиц или газовых пузырьков.

Оребрение осуществляют обычно со стороны теплоносителя, имеющего

низкое значение коэффициента теплоотдачи. Применяют лопаточные за

вих-

рители, прерывистые шнековые завихрители. Коэффициент теплоотдачи рас-

тет на 30÷40 %, но в 1,5÷2 раза растет гидравлическое сопротивление.

В псевдосжиженном слое поверхность нагрева самоочищается, поэтому

не требуется запас поверхности на ее загрязнение.

1.6. Теплоносители

Выбор теплоносителей определяется назначением ТА, условиями его

эксплуатации, а также теплофизическими свойствами теплоносителей, их

доступностью, ст

абильностью в процессе длительной эксплуатации.

Из теплофизических свойств теплоносителей наиболее важными явля-

ются те, которые определяют интенсивность теплоотдачи в каналах ТА. Теп-

лоносители более высокой плотности и теплоемкости при небольших пере-

падах температур между стенкой и жидкостью позволяют передать большие

тепловые потоки.

Теплопроводность влияет на интенсивность теплоотдачи. Чем бол

ьше

теплопроводность теплоносителя, тем выше коэффициент теплоотдачи в ка-

нале ТА. Жидкие металлы имеют высокие коэффициенты теплоотдачи.

Вязкость влияет на теплообмен и гидравлическое сопротивление. Высо-

кая вязкость задерживает переход от ламинарного к турбулентному режиму

течения жидкости. Вязкость с увеличением температуры понижается.

Число Прандтля

.Pr

Для воздуха и газов Pr ≤1, для воды

Pr = 1÷13,67 (t = 180÷0

С). У жидких металлов Pr <<1. С увеличением тем-

пературы число Pr уменьшается.