Описание работы аппарат типа «труба в трубе»

При истечении жидкостей в теплообменнике температура их изменяется: горячая жидкость охлаждается, а холодная нагревается. Характер изменения температуры жидкости, движущейся вдоль поверхности нагрева, зависит от схемы ее движения. В теплообменных аппаратах применяются в основном три схемы движения жидкостей:

· прямоточная, когда горячая и холодная жидкости протекают параллельно;

· противоточная, когда горячая и холодная жидкости протекают в противоположном друг другу направлении;

· перекрестная, когда жидкости протекают в перекрестном направлении.

 

 

 

А.

 

Рис. 6. Схема движения жидкостей в теплообменнике типа «труба в трубе» при прямотоке (А) и противотоке (Б).

 

 

Рис. 7. Односекционный теплообменник «труба в трубе».

1 – штуцер на D_y= 100 мм и p_y= 40 кгс/см²; 2 – штуцер на D_y= 150 мм и p_y= 25 кгс/см²; 3 – опора; 4 – наружная труба; 5 – решетка для наружных труб; 6 – колпак; 7 – калач; 8 – внутренняя труба; 9 – распределительная коробка; 10 – штуцер на D_y= 150 мм и p_y= 25 кгс/см²; 11- решетка для внутренних труб; 12 – крышка.

Достоинства спиральных теплообменников: компактность (большая поверхность теплообмена в единице объема, чем у многоходовых трубчатых теплообменников) при одинаковых коэффициентах тепле передачи и меньшее гидравлическое сопротивление для прохода тег поносителей.
Недостатки: сложность изготовления и ремонта и пригодность работы под избыточным давлением не свыше 1,0 МПа.

Пластинчатые теплообменники имеют плоские поверхности теплообмена. Обычно такие теплообменники применяю для теплоносителей, величины коэффициентов теплоотдачи которых одинаковы.

Недостатками изготовлявшихся до недавнего времени пластинчатых теплообменников являлась малая герметичность и незначительные перепады давлений между теплоносителями.

Конструкцию ТА следует выбирать, исходя из следующих основных требований, предъявляемых к ТА:

· соответствие аппарата технологическому процессу обработки данного продукта. Это достигается при условии поддержания температуры процесса, обеспечении регулирования температурного режима, соответствии рабочих скоростей продукта минимально необходимой продолжительности пребывания продукта в аппарате, выборе материала аппарата в соответствии с химическими свойствам продукта, соответствии аппарата давлениям рабочих сред;

· высокая эффективность (производительность) и экономичность работы аппарата, связанные с повышением интенсивности теплообмена. Эти условия выполняются при достаточной скорости сред для осуществления турбулентного режима, благоприятном относительном движении рабочих сред (лучше противоток), обеспечении оптимальных условия для отвода конденсата, предотвращении загрязнения либо легкой очистки поверхностей аппарата;

· компактность, малая масса, простота конструкции, удобство монтажа и ремонта аппарата. Здесь оказывают влияние следующие факторы – это конфигурация поверхности, способ размещения и крепление трубок в трубных решетках, наличие и тип перегородок, уплотнений, габаритные размеры аппарата.

В качестве теплоносителей в зависимости от назначения производственных процессов могут применяться самые разнообразные газообразные, жидкие и твердые вещества. С точки зрения технической и экономической целесообразности их применения теплоносители должны обладать следующими качествами:

1. Иметь достаточно большую теплоту парообразования, плотность и теплоемкость, малую вязкость. При таких характеристиках теплоносителей обеспечивается достаточная интенсивность теплообмена и уменьшаются их массовые и объемные количества, необходимые для заданной тепловой нагрузки теплообменного аппарата. Необходимо также, чтобы теплоносители имели высокие температуры при малых давлениях, что способствует установке относительно небольших поверхностей теплообмена.
2. Иметь необходимую термостойкость и не оказывать неблагоприятного воздействия на материалы аппаратуры. Теплоносители должны быть химически стойкими и неагрессивными даже при достаточно длительном воздействии высоких температур. Желательно, чтобы теплоносители не давали в процессе работы отложений на поверхность теплообмена, так как отложения понижают коэффициент теплоотдачи и теплопроизводительность оборудования.
3. Быть недорогими и достаточно доступными в отечественных ресурсах. Дорогостоящие или малодоступные вещества увеличивают капитальные затраты и эксплуатационные расходы, что иногда приводит к явной нецелесообразности применения их с экономической точки зрения.
При выборе теплоносителей необходимо в каждом отдельном случае детально учитывать их термодинамические и физико-химические свойства, а также технико-экономические показатели. Водяной пар как греющий теплоноситель получил больше распространение вследствие ряда своих достоинств:

1. Высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации водяного пара позволяют получать относительно небольшие поверхности теплообмена.

2. Большое изменение энтальпии при конденсации водяного пара позволяет расходовать малое его весовое количество для передачи сравнительно больших количеств тепла.

3. Постоянная температура конденсации при заданном давлении дает возможность наиболее просто поддерживать постоянный режим и регулировать процесс в аппаратах.

Основным недостатком водяного пара является значительное повышение давления в зависимости от температуры насыщения. Обогрев паром применяет в процессах нагревания, происходящих при умеренных температурах (порядка 60-150 °С).

Наиболее употребляемое давление греющего пара в теплообменниках составляет от 0,2 до 1,2 МПа. Для высоких температур теплообменники с паровым обогревом получаются очень тяжелыми и громоздкими по условиям обеспечения прочности, имеют толстые фланцы и стенки весьма дороги и поэтому применяются редко.

Горячая вода получила большое распространение в качестве греющего теплоносителя, особенно в отопительных вентиляционных установках. Подогрев воды осуществляется в специальных водогрейных котлах, производственных технологических агрегатах (например, в печах) или водонагревательных установках ТЭЦ и котельных. Горячую воду как теплоноситель можно транспортировать по трубопроводам на значительные расстояния (на несколько километров). Однако горячая вода, поступающая от тепловых сетей, как греющий теплоноситель производственных теплообменников используется редко, поскольку в течение отопительного сезона при качественном регулировании отпуска тепла температура ее непостоянна и изменяется от 70 до 150 °С.

Дымовые и топочные газы как греющая среда применяются обычно на месте их получения для непосредственного обогрева промышленных изделий и материалов, если физико-химические характеристики последних не изменяются при загрязнении сажей и золой. Если по условиям эксплуатации загрязнение обрабатываемого материала недопустимо, дымовые газы направляются в рекуперативный теплообменник, где отдают свое тепло воздуху, а последний нагревает обрабатываемый материал.

Достоинством топочных газов является возможность нагрева ими материала до весьма высоких температур, которые требуются иногда по технологическим условиям производства. Но это достоинство не всегда может быть использовано, потому что вследствие трудности регулировки возможны перегрев материала и ухудшение его качества; с другой стороны, по условиям техники безопасности не всегда можно пользоваться огневым обогревом. Высокая температура топочных газов приводит к большим тепловым потерям. Газы, покидающие топку с температурой выше 1000 °С, доходят до потребителя с температурой не выше 700 °С, так как осуществить удовлетворительную термоизоляцию при таком высоком уровне температур достаточно трудно.

Недостатки дымовых и топочных газов как греющей среды:
1. Малая плотность газов влечет за собой необходимость получения больших объемов для обеспечения достаточной теплопроизводительности, а последнее приводит к созданию громоздких трубопроводов.
2. Вследствие малой удельной теплоемкости газов их необходимо подавать в аппараты в большом количестве с высокой температурой;
последнее обстоятельство вынуждает применять огнеупорные материалы для трубопроводов. Прокладка таких газопроводов, а также создание запорных и регулирующих приспособлений по тракту течения газа представляют большие трудности.

1. Вследствие низкого коэффициента теплоотдачи со стороны газов теплоиспользующая аппаратура должна иметь большие поверхности нагрева и поэтому получается весьма громоздкой.

2. Расчет теплообменников содержит тепловой, конструктивный, гидравлический, прочностной и технико-экономический, т.е. задача расчета заключается в определении площади теплообменной поверхности и габаритных размеров аппарата.

Расчет начинается с составления материального и теплового балансов, из которых определяется количество переданной теплоты.

Например, тепловой баланс для нагрева вещества количеством G от до насыщенным паром запишется так:

, (21)

значит количество теплоты, необходимое для нагрева:

(22)

Из основного уравнения теплопередачи определяем площадь поверхности теплообмена,

, (23)

где Q – количество передаваемой теплоты, определяемое в формуле (2), Дж; К – коэффициент теплопередачи, ; - разность температур между нагреваемой средой и греющим агентом, .

Начальные и конечные температуры заданы условием, следовательно необходимо определить коэффициент теплопередачи К, ;

(24)

 

где - толщина стенки, м; - теплопроводность, (выбираем из таблиц по температуре) и - коэффициенты теплоотдачи, , определяемые из формулы критерия Нуссельта.

(25)

 

В свою очередь критерий Нуссельта определяется в зависимости от режима движения жидкости.

Например, при турбулентном режиме движения

(26)

При переходном режиме

(27)

Если движение проходит в кольцевом пространстве, например в ТА типа труба в трубе, то

(28)

Вследствие влияния различия в исходных данных общее решение, пригодное для любого теплообменника, отсутствует, поэтому пользуются различными методами приближенного расчета.

Например, находят порядка пяти значений коэффициента теплоотдачи при различной температуре, затем находят плотности теплового потока, строят график нагрузочной характеристики и находят уточненное значение температуры стенки, по которой находят коэффициент теплоотдачи и теплопередачи. Затем находят площадь поверхности теплообмена.