Контрольная: Выбор теплообменника

Министерство Образования Российской Федерации

Оренбургский Государственный Университет

Контрольная работа

по курсу: Основы инженерно-технологические процессы

Выполнил студент Биккинин Р.Т.

Специальность ЭиУ

Курс 2

Группа ЭС2-3

Шифр студента 98-Э-250

Руководитель Асеева В.В.

________________

подпись

________________

дата

Оценка при защите_____________

Подпись___________дата________

Уфа – 2000 г.

Из чего исходят при выборе конструкции теплообменника? В чем заключается

конструктивный расчет теплообменника?

Теплообменниками называются аппараты, в которых происходить теплообмен, между

рабочими средами не зависимо от их технологического или энергетического

назначения (подогреватели, выпарные аппараты, концентраторы, пастеризаторы,

испарители, деаэраторы, экономайзеры и д.р.)

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются

собственно теплообменники, в которых пе­редача тепла является основным

процессом, и реакторы, в кото­рых тепловой процесс играет вспомогательную

роль.

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых

рабочие среды непосредственно соприка­саются или перемешиваются, и

поверхностные теплообменни­ки - рекуператоры, в которых тепло передается

через поверх­ность нагрева - твердую (металлическую) стенку, разделяю­щую эти

среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испа­рители, холодильники,

конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплооб­менники:

а) жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

б) парожидкостные - при теплообмене между паром и жид­костью (паровые

подогреватели, конденсаторы);

в) газожидкостные - при теплообмене между газом и жид­костью (холодильники

для воздуха) и др.

По тепловому режиму различаются теплообменники перио­дического действия, в

которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия

с установившимся во времени процессом.

В теплообменниках периодического действия тепловой обра­ботке подвергается

определенная порция (загрузка) продукта;

вследствие изменения свойств продукта и его количества пара­метры процесса

непрерывно варьируют в рабочем объеме аппа­рата во времени.

При непрерывном процессе параметры его также изменяют­ся, но вдоль проточной

части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока.

Непрерывный процесс ха­рактеризуется постоянством теплового режима и расхода

рабо­чих сред, протекающих через теплообменник.

В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка

перегретый водяной пар. В смеситель­ных аппаратах пар обычно барботируют в

жидкость (впускают под уровень жидкости); при этом конденсат пара смешивается

с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностных аппара­тах пар

конденсируется на поверхности нагрева и конденсат удаляется отдельно от

продукта с помощью водоотводчиков. Водяной пар как теплоноситель обладает

множеством преиму­ществ: легкостью транспортирования по трубам и

регулирова­ния температуры, высокой интенсивностью теплоотдачи и др.

Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного

испарения, когда выпариваемая из продукт вода направляется в виде греющего

пара в другие выпарные аппараты и подогреватели.

Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден

при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов),

которые но ходу технологи­ческого процесса нагреваются до высокой

температуры. В срав­нении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и

отли­чается переменной, снижающейся температурой теплоносителя. Однако

регулирование процесса и транспорт жидкостей так же удобны, как и при паровом

обогреве.

Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с

повышением температуры. В услови­ях технологической аппаратуры пищевых

производств при паро­вом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены

150-160 С, что соответствует давлению (5-7) 105 Па.

В отдельных случаях (в консервной промышленности) при­меняется масляный

обогрев, который позволяет при атмосфер­ном давлении достигнуть температур до

200°С.

Широко применяется обогрев горячими газами и воздухом (до 300—1000°С) в

печах, сушильных установках. Газовый обо­грев отличается рядом недостатков:

трудностью регулирования и транспортирования теплоносителя, малой

интенсивностью теп­лообмена, загрязнением поверхности аппаратуры (при

исполь­зовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он явля­ется

единственно возможным (например, в воздушных сушил­ках).

В холодильной технике используется ряд хладагентов: воз­дух, вода, рассолы,

аммиак, углекислота, фреон и др.

При любом использовании теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные

процессы подчинены основному— технологическому процессу производства, ради

которого созда­ются теплообменные аппараты и установки. Поэтому решение задач

оптимизации теплообмена подчинено условиям рациональ­ного технологического

процесса.

Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники

разнообразных конструкций. Ниже рассматри­ваются некоторые конструкции

теплообменных аппаратов, при­меняющихся в пищевой промышленности.

Выбор конструкции теплообменных аппаратов

Конкретная задача нагревания или охлаждения данного про­дукта может быть

решена с помощью различных теплообмен­ников. Конструкцию теплообменника

следует выбирать, исходя из следующих основных требований, предъявляемых к

теплообменным аппаратам.

Важнейшим требованием является соответствие аппарата технологическому

процессу обработки данного продукта; это до­стигается при таких условиях:

поддержание необходимой темпе­ратуры процесса, обеспечение возможности

регулирования тем­пературного режима; соответствие рабочих скоростей продукта

минимально необходимой продолжительности пребывания про­дукта в аппарате;

выбор материала аппарата в соответствии с химическими свойствами продукта;

соответствие аппарата давлениям рабочих сред.

Вторым требованием является высокая эффективность (про­изводительность) и

экономичность работы аппарата, связанные с повышением интенсивности

теплообмена и одновременно с соблюдением оптимальных гидравлических

сопротивлений аппа­рата. Эти требования обычно выполняются при соблюдении

сле­дующих условий: достаточные скорости однофазных рабочих сред для

осуществления турбулентного режима; благоприятное относительное движение

рабочих сред (обычно лучше противо­ток); обеспечение оптимальных условий для

отвода конденсата и неконденсирующихся газов (при паровом обогреве);

достиже­ние соизмеримых термических сопротивлений по обеим сторонам стенки

поверхности нагрева; предотвращение возможности за­грязнения и легкая чистка

поверхности нагрева, микробиологи­ческая чистота и др.

Существенными требованиями являются также компакт­ность, малая масса,

простота конструкции, удобство монтажа и ремонта аппарата. С этой точки

зрения оказывают влияние сле­дующие факторы; конфигурация поверхности

нагрева; способ размещения и крепления трубок в трубных решетках; наличие и

тип перегородок, уплотнений; устройство камер, коробок, днищ; габаритные

размеры аппарата и др.

Ряд факторов определяет надежность работы аппарата и удобство его

эксплуатации: компенсация температурных дефор­маций, прочность и плотность

разъемных соединений, доступ для осмотра и чистки, удобство контроля за

работой аппарата, удобство соединения аппарата с трубопроводами и т. д.

Эти основные требования должны быть положены в основу конструирования и

выбора теплообменных аппаратов. При этом самое большое значение имеет

обеспечение заданного техноло­гического процесса в аппарате.

Для ориентировки при выборе теплообменников приведем следующие соображения.

Из парожидкостных подогревателей наиболее рациональным является многоходовой

по трубному пространству - трубчатый теплообменник жесткой конструк­ции (к

подвижным трубным решеткам прибегают в крайнем случае). Этот же теплообменник

с успехом применим в качестве газового или жидкостного при больших расходах

рабочих тел и небольшом числе ходов в межтрубном пространстве. При малых

расходах жидкостей или газов лучше применять элементные аппараты без

подвижных трубных решеток.

Ребристые аппараты следует применять, если условия тепло­отдачи между

рабочими средами и стенкой с обеих сторон по­верхности нагрева существенно

отличаются (в газожидкостных теплообменниках); оребрение целесообразно со

стороны наи­меньшего коэффициента теплоотдачи.

Основные способы увеличения интенсивности теплообмена в подогревателях:

а) уменьшение толщины гидродинамического пограничного слоя в результате

повышения скорости движения рабочих тел или другого вида воздействия; это

достигается, например, раз-

бивкой пучка трубок на ходы и установкой межтрубных перего­родок;

б) улучшение условий отвода неконденсирующихся газов и конденсата при паровом

обогреве;

в) создание благоприятных условий для обтекания рабочими телами поверхности

нагрева, при которых вся поверхность ак­тивно участвует в теплообмене;

г) обеспечение оптимальных значений прочих определяющих факторов: температур,

дополнительных термических сопротивле­нии и т. д.

Путем анализа частных термических сопротивлений можно выбрать наилучший способ

повышения интенсивности теплооб­мена в зависимости от типа теплообменника и

характера рабо­чих тел. Так, например, в жидкостных теплообменниках попе­речные

перегородки имеет смысл устанавливать только при не­скольких ходах в трубном

пространстве. Перегородки не всегда необходимы; при вертикальном расположении

трубок и нагреве паром последний подается в межтрубное пространство;

попереч­ные перегородки будут мешать стеканию конденсата. При теп­лообмене газа

с газом или жидкости с жидкостью количество протекающей через межтрубное

пространство жидкости может оказаться настолько большим, что скорость ее

достигнет тех же значений, что и внутри трубок; следовательно, установка

пе­регородок теряет смысл. Перегородки бесцельны также в случае сильно

загрязненных жидкостей, при которых вследствие нарас­тания слоя загрязнений на

трубках решающее влияние на коэф­фициент теплопередачи оказывает величина

Rn.

Интенсификация теплообмена является одним из основных направлений развития и

усовершенствования тепловой аппара­туры пищевых производств. При этом широко

используются по­ложительные эффекты в интенсификации теплообмена,

обнару­женные и исследованные в других областях химической техники и

энергетики. За последние годы выполнен ряд работ по про­мышленному испытанию

активных «режимных» методов интен­сификации теплообмена в аппаратах

химических и пищевых производств (И. М. Федоткин, КТИПП). К ним относятся

изме­нение режимных характеристик течения, дополнительная турбу-лизация

потока за счет пульсации, вдувания воздуха и др. На­мечены пути комплексной

интенсификации теплообмена, дости­гаемой при совместном воздействии различных

эффектов. Ведет­ся ускоренная разработка новых типов поверхностей нагрева

компактных теплообменников, эффективность которых оценива­ется промышленными

данными о связи теплоотдачи с гидродина­мическим сопротивлением. Найдены

способы передачи значи­тельных тепловых потоков между рабочими средами с

помощью тепловых труб, аналогичных по способу действия греющим трубкам

хлебопекарных печей (трубкам Перкинса). Данные о конкретном применении новых

типов теплообменников содер­жатся в рекомендуемой литературе.

Основы расчета поверхностных теплообменников

Расчет поверхностных теплообменников содержит тепловой, конструктивный,

гидравлический, прочностный и технико-эконо­мический расчеты, которые обычно

выполняются в нескольких вариантах. Оценка выбранного варианта производится

по одно­му из признаков оптимальности: коэффициенту полезного дейст­вия,

технико-экономическому критерию оптимальности и др.

Тепловой расчет поверхностного теплообменника состоит в решении общего уравнения

теплопередачи Q = qF совместно с уравнением теплового баланса Q =

M1Di1=M2Di2, для конкрет­ных условий работы теплообменника: данных рабочих

сред, кон­структивных размеров элементов теплопередающей поверхности, заданных

пределов изменения температур и схеме относительно­го движения теплоносителей

(см. гл. XII). Решением является совокупность правил (алгоритм), однозначно

приводящих от ис­ходных данных к результату—значению площади поверхности

теплообмена в проектном (прямом) расчете либо к значению температур потоков на

выходе из аппарата при проверочном расчете.

Вследствие влияния многочисленных факторов и различия в исхо,1цы.\ данных

общее решение, пригодное для любого тепло­обменника, отсутствует. Однако

существует несколько простых методов приближенного расчета, отличающихся

различными допущениями, легко реализуемых при ручном и машинном сче­те, среди

них наиболее доступны методы расчета Грасгофа, Колбэрна, А. П. Клименко и Г.

Е. Каневца (Институт газа АН УССР).

Рассмотрим в качестве примера методику теплового и конст­руктивного расчета

наиболее распространенного парожидкостного трубчатого подогревателя

непрерывного действия по спосо­бу Грасгофа. В проектных тепловых расчетах

подогревателей определяют:

а) среднюю разность температур и средние температуры ра­бочих тел;

б) тепловую нагрузку и расход рабочих тел;

в) коэффициент теплопередачи;

г) поверхность нагрева.