Теплообменники с оребренными трубами

 

В практике достаточно часто встречаются процессы теплообмена, в которых коэффициенты теплоотдачи по обе стороны теплопередающей поверхности резко различаются по величине. Например, при нагреве воздуха водяным паром, как показано на рисунке 6.6.

Рисунок 6.6 – Схема нагрева воздуха водяным паром

Оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повысить тепловую нагрузку теплообменного аппарата за счет увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи. Виды оребрения представлены в таблице 6.4.

 

Таблица 6.4 – Элементы теплообменников с оребрением

Оребрение
Поперечное		Продольное
Прямоугольные ребра	Трапециевидные ребра

Эффективность использования ребер обусловлена:

– плотностью соприкосновения с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки);

– рациональным размещением ребер;

– выбором материала (для изготовления подобных труб коэффициент теплопроводности материала должен быть высоким).

Тепловые балансы теплообменных аппаратов.

Тепловой расчет начинается с определения тепловой нагрузки аппарата и расхода греющего или охлаждающего теплоносителя. Тепловой нагрузкой называется количество тепла, переданного от горячего теплоносителя к холодному. Очевидно, что

(2)

В зависимости от заданного процесса тепловые балансы имеют различный вид.

Уравнение теплового баланса в общем виде можно записать в виде равенства

(3)

- для холодильников:

(4)

(5)

где – расход горячего теплоносителя, кг/с; c – средняя удельная теплоемкость горячего теплоносителя, Дж/(кг град); (для газа c = c_р); t₁ и t₂ – начальная и конечная температуры горячего теплоносителя, град; – расход охлаждающей воды, кг/с; c_в – средняя удельная теплоемкость охлаждающей воды, Дж/(кг град); и –температура охлаждающей воды на выходе из аппарата и на входе в аппарат, град.

Из уравнения теплового баланса определяется расход охлаждающей воды (кг/с):

(6)

- для подогревателей:

Нагрев одного из теплоносителей происходит за счет конденсации греющего водяного насыщенного пара:

; (7)

где Д – расход греющего пара, кг/с; i₁ – теплосодержание (или энтальпия) греющего пара (находится из таблиц насыщенного водяного пара), Дж/кг; i ₂ теплосодержание конденсата, Дж/кг; G_c – расход нагреваемого вещества, кг/с; c – удельная теплоемкость нагреваемого вещества, Дж/(кг град); t ₁ и t ₂ – начальная и конечная температуры вещества, град.

Уравнение теплового баланса

(8)

где Q _пот – потери тепла от стенок аппаратов в окружающую среду, Вт.

Из практики известно, что потери тепла составляют 2 - 3 % от подведенного тепла Q _прих и учитываются коэффициентом = 0,97 - 0,98:

(9)

Тогда расход греющего пара (кг/с)

(10)

- для испарителей:

Нагрев холодного теплоносителя производится с изменением его агрегатного состояния, т.е. жидкость переходит в пар, в то же время горячий теплоноситель (например, насыщенный пар), отдавая тепло, также изменяет агрегатное состояние – конденсируется:

; (11)

где Q₁ – тепло, израсходованное для нагрева холодного теплоносителя до температуры кипения, Вт; Q₂ – тепло, затраченное для испарения кипящей жидкости, Вт.

; (12)

где G – расход холодного теплоносителя, кг/с; с – удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг град), t_s – температура кипения холодного теплоносителя, град; t₁ – начальная температура холодного теплоносителя, град; r – скрытая теплота парообразования теплоносителя, Дж/кг.

Уравнение теплового баланса

(13)

Расход греющего пара (кг/с)

(14)

- для конденсаторов:

В этих аппаратах происходит процесс охлаждения горячего теплоносителя с изменением агрегатного состояния. Например, технологическое вещество - пары этилового спирта, охлаждаясь, конденсируются и жидкий этиловый спирт выходит с заданной температурой t₂. Тепло от горячего теплоносителя чаще всего отводится холодной водой:

; (15)

где Q₁ – тепло, выделяющееся при охлаждении перегретых паров от t _П.П. до насыщенного состояния t _Н.П.=t_s, Вт; Q₂ – тепло, выделяющееся при конденсации насыщенного пара, Вт; Q₃ – тепло, выделяющееся при охлаждении горячей жидкости от t_s до заданной температуры t₂, Вт; W – расход охлаждающей воды, кг/с; c _в – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг град).

; ; (16)

где G – расход горячего теплоносителя, кг/с; с_р – удельная теплоемкость при постоянном давлении для перегретого пара, Дж/(кг град); r – скрытая теплота конденсации горячего теплоносителя, Дж/кг; c – удельная теплоемкость горячего теплоносителя Дж/(кг град). Уравнение теплового баланса

(17)

Если охлаждающая вода попадает в межтрубное пространство и внешние стенки аппарата имеют температуру, мало отличающуюся от температуры окружающей среды, то тепловые потери ничтожно малы и их не учитывают.

Из уравнения (17) определяем расход охлаждающей воды (кг/с):

(18)

Если в процессе теплообмена есть дополнительные условия, осложняющие процесс, например, дополнительный приход или расход тепла за счет химической реакции или превращения вещества, то их нужно учесть в тепловом балансе.

 

Вопросы:

 

– 1. Назовите виды теплоносителей для подвода теплоты в теплообменную аппаратуру.

– 2. Перечислите достоинства и недостатки нагрева насыщенным водяным паром.

– 3. Какие методы и теплоносители можно использовать для нагрева до высоких температур?

– 4. Охарактеризуйте водооборотные циклы химических предприятий.

– 5. Дайте классификацию теплообменных аппаратов.

– 6. Опишите устройство и принцип действия кожухотрубчатых теплообменников.

– 7. Приведите классификацию кожухотрубчатых теплообменников.

– 8. Что представляют собой змеевиковые теплообменники?

– 9. Когда используют теплообменники с оребренными трубами?

Домашнее задание:

Сравнительная характеристика теплообменных аппаратов: кожухотрубчатых, «труба в трубе», погружных, оросительных, пластинчатых, с рубашкой, с паровым пространством, воздушного охлаждения