Теплообменник "Труба в трубе"

      Введение

    Процесс переноса тепла между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой теплообмена  является разность между более и  менее нагретыми телами. Тела, участвующие  в теплообмене, называются теплоносителями. Различают три способа переноса тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение.

    Теплопроводность  – это перенос тепла от более  нагретых участков тела к менее нагретым вследствие теплового движения и  взаимодействия микрочастиц, непосредственно  соприкасающихся друг с другом.

    Конвекцией  называют перенос тепла вследствие движения и перемешивания микроскопических объемов газа или жидкости.

    Тепловое  излучение – процесс распространения  электромагнитных колебаний с различной  длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов и молекул излучающего тела.

    Теплоотдача – перенос тепла от стенки к  газовой или жидкой среде в  прямом или обратном направлении. Теплопередача  – процесс переноса тепла от более  нагретой к менее нагретой жидкости(газу) через разделяющую их поверхность  или стенку.

    В непрерывно действующих аппаратах  температуры в различных точках не изменяются во времени, а протекающие  процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В аппаратах периодического действия, где температура меняется с течением времени, осуществляются нестационарные процессы теплообмена.

    Тепловое  воздействие на пищевые продукты является необходимым условием технологических  процессов пищевых производств. 
 
 
 
 

ГЛАВА 1

1 КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 

    Теплообменниками  называются аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического назначения.

    В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

    1. Поверхностные, в которых передача  тепла между рабочими средами осуществляется через твердую стенку, разделяющую их. В таких аппаратах непосредственный контакт между средами исключен.

    2. Смешения, в которых передача  тепла между рабочими средами  осуществляется при непосредственном  соприкосновении.

    По  принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные. В рекуперативных теплоносители разделены стенкой и тепло от одного теплоносителя к другому передается через стенку. В регенеративных теплообменниках одна и та же теплообменная поверхность омывается попеременно горячим и холодными теплоносителями. В смесительных аппаратах передача тепла происходит при непосредственном взаимодействии теплоносителей.

    Наиболее  распространены поверхностные теплообменники.

    Рассмотрим некоторые основные конструкции [1]. 
 

    1.1  Теплообменники типа «труба в трубе»

    Такие теплообменники применяют при небольших  расходах рабочих жидкостей и  невысоких давлениях. Эскиз теплообменника типа «труба в трубе» приведен на рисунке 1. теплообменник типа «труба в трубе» состоит из ряда наружных труб большого диаметра и расположенных внутри их труб меньшего диаметра. Внутренние и внешние трубы соединены друг с другом последовательно с помощью колен и патрубков.

                  

                  

        

    Рисунок  1  -  Теплообменник типа «труба в трубе» 

    Преимущества теплообменников типа «труба в трубе»: высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления.

    Недостатки  таких теплообменников: громоздкость, высокая металлоемкость, трудность  очистки межтрубного пространства [1]. 
 

    1.2  Погружные трубчатые теплообменники

    Погружные трубчатые теплообменники представляют собой трубу, согнутую в виде змеевика и погруженную в емкость с  жидкой средой. Теплоноситель движется внутри змеевика. Змеевиковые теплообменники изготавливают с плоским змеевиком или со змеевиком, согнутым по винтовой линии.

    Преимущество  змеевиковых теплообменников –    простота    изготовления.

    Недостатки  - погружные трубчатые теплообменники громоздки и трудно поддаются  очистке. Погружные теплообменники используют для охлаждения и нагрева конденсата, а     также для    конденсации    паров.   Эскиз   змеевикового

    

теплообменника представлен на рисунке 2. [1] 

            

            Рисунок  2  - Погружной  змеевиковый теплообменник 
 

    1.3  Оросительные теплообменники

    Состоят из нескольких расположенных одна над другой труб, соединенных коленами. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Охлаждающая вода поступает в распределительный желоб с зубчатыми краями, из которого равномерно перетекает на верхнюю трубу теплообменника и на расположенные ниже трубы. Часть охлаждающей воды испаряется с поверхности труб. Под нижней трубой находится желоб для сбора воды.

    Недостатками  таких теплообменников являются громоздкость и неравномерность  смачивания наружной поверхности труб, небольшой коэффициент теплопередачи.

    Оросительные  теплообменники просты по устройству, но металлоемки. Обычно их устанавливают  на открытом воздухе. Эскиз оросительного теплообменника представлен на рисунке 3. [1]

    

    

            

    Рисунок  3 -   Оросительный теплообменник 

    1.4  Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева

    К этому типу относятся различные  ребристые, пластинчатые и другие теплообменники. Оребрение поверхности производится с той стороны, где меньше значение коэффициента теплоотдачи. Это делается для создания большей поверхности контакта стенки с рабочей средой. Ребристый теплообменник для нагревания или охлаждения называется калорифером.  

    1.5  Кожухотрубные теплообменники

    Кожухотрубные теплообменники являются наиболее широко распространенными в пищевых  производствах. Теплообменник представляет собой пучок труб, которые помещены в цилиндрический корпус. пространство между трубами и внутренней поверхности кожуха называется межтрубным. Трубки закреплены или приварены к трубным решеткам. К   фланцам     корпуса

крепятся  крышка и днище, имеющие патрубки для подвода и отвода рабочей  жидкости Ж₂. на корпусе также имеются патрубки для подводи и отвода рабочего тела Ж₁. Эскиз кожухотрубного теплообменника представлен на рисунке 5.

    Трубки  обычно имеют диаметр d ³ 10 мм и изготавливаются из материалов, хорошо проводящих тепло. [3]

    С целью интенсификации теплообмена  в кожухотрубных теплообменниках  пучок труб секционируют, т.е. разделяют  на несколько секций (ходов), по которым  теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах. Такой теплообменник называется многоходовым. Эскиз многоходового теплообменника представлен на рисунке 6. здесь рабочая жидкость проходит через трубное пространство в несколько ходов, протекая последовательно по всем пучкам труб. [1]

      Если  в межтрубном пространстве теплоносителем является жидкость, то для увеличения ее скорости также устанавливают  перегородки – продольные и поперечные. Продольные перегородки делят трубное пространство на столько же ходов, сколько имеет трубное. Эти перегородки обеспечивают принцип противотока рабочих тел. Поперечные перегородки бывают перекрывающие и не перекрывающие. перекрывающие перегородки пересекают все межтрубное пространство, оставляя вокруг каждой трубки кольцевую щель шириной около 2 мм. Расстояние между перегородками обычно 100 мм. Не перекрывающие перегородки выполняют, например, в виде сектора или сегмента. Эскиз многоходового теплообменника с несколькими ходами в межтрубном пространстве представлен на рисунке 7.

      Двухходовой теплообменник часто выполняют  с U-образными трубками, открытые концы которых завальцованы в одну и ту же трубную решетку. Эскиз теплообменника с U-образными трубками представлен на рисунке 8. При запуске в работу теплообменников нужно обращать внимание на    направление

движения  рабочих тел. Горячая (охлаждаемая) жидкость должна опускаться (подача сверху), а холодная - подниматься. В этом случае принудительное движение совпадает с естественным. [3]

    

    Рисунок 5 – Кожухотрубчатый  теплообменник

    

    

      Преимущества  кожухотрубных теплообменников: компактность, невысокий расход металла, легкости очистки труб изнутри (кроме теплообменника с U-образными трубками).

     Недостатки  кожухотрубных теплообменников: сложность  достижения высоких скоростей теплоносителей (за исключением многоходовых теплообменников), трудность очистки межтрубного пространства, малая доступность его для осмотра и ремонта, сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовке и сварке. [1] 

    

    Рисунок 6 -  Многоходовой кожухотрубный теплообменник 

    

    

    

     Рисунок 7 - Многоходовой кожухотрубный теплообменник  с несколькими ходами в межтрубном пространстве

     

     

    Рисунок 8  - Кожухотрубный теплообменник  с U-образными трубками 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

 

      При выборе инструкции теплообменного аппарата следует исходить из следующего: аппарат  должен соответствовать технологическому процессу, быть высокоэффективным (производительным), экономичным и надежным в работе, иметь низкую металлоемкость; материал теплообменника должен быть коррозиестойким в рабочих средах [1].

      Существенными требованиями являются 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. [2]

      Высокие значения коэффициентов теплопередачи достигаются , когда теплоносители движутся через теплообменник с большими скоростями. Также для достижения высоко коэффициента теплоотдачи поверхность теплообмена должна быть чистой. При увеличении скорости одного из теплоносителей коэффициент теплопередачи заметно повышается лишь в том случае, если коэффициент теплоотдачи со стороны другого теплоносителя достаточно высок, а термические сопротивления стенки и загрязнений невелики.

      

      При решении вопроса о том, какой  теплоноситель пропускать по трубам, а какой  - с наружной стороны труб, надо придерживаться следующих правил: для достижения большего коэффициента теплопередачи теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи следует пропускать по трубам; теплоноситель, оказывающий коррозионное действие на аппаратуру, надо также пропускать   по

      

трубам, так как в этом случае применение антикоррозийного материала необходимо только для труб, решеток и камер, кожух не может быть сделан из обычного материала; для уменьшения потерь теплоты теплоноситель с высокой температурой целесообразно пропускать по трубам; теплоноситель, из которого выделяются осадки, рекомендуется пропускать с той стороны поверхности теплообмена, которую легче очищать; теплоноситель с высоким давлением следует направлять в трубное пространство, чтобы корпус теплообменника не находился по давлением.

      Конструкцию теплообменного аппарата выбирают на основании технико-экономического расчета. При этом сопоставляют капитальные  затраты на изготовление и годовые  эксплуатационные расходы. В ряде случаев идут на увеличение капитальных затрат в том случае, если они быстро окупаются за счет экономии эксплуатационных затрат. Когда проектируют теплообменник для технологического процесса, задача расчета заключается в определении площади его теплообменной поверхности и габаритных размеров аппарата.

      Из  рассмотренных теплообменных аппаратов  при заданной производительности 96000 кг/ч выбираем кожухотрубный теплообменник. [1] 

 

       3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА 

      Материалом  для изготовления стальных сварных аппаратов являются полуфабрикаты, поставляемые металлургической промышленностью в виде листового сортового и фасонного проката, труб, специальных поковок и отливок.

      Материал  должен быть химически и коррозионностойким в заданной среде при ее рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать холодную и горячую механическую обработку, а также иметь возможно низкую стоимость и быть недефицитной.

      При выборе материала должны учитываться  механическая прочность, термостойкость, химическая стойкость, физические свойства.

      Учитывая  все вышеперечисленное, мы выбираем в качестве материала для тепловой изоляции совелит, а для теплообменника выбираем качественную углеродистую конструкционную сталь.

      Марка стали 20, d_в=420,d_т=250. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      

      

      ГЛАВА 2

      1 РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА 

      Принимаем для межтрубного пространства индекс «1», для трубного «2». При заданном давлении температура насыщенного водяного пара будет равна [2].

                                     .

      Найдем  среднюю разность температур :

                                  .

      Найдем  среднюю температуру  для воды по формуле (1):

                                           ;                                                       (1)

                                         .

      В таблице 1 приведены теплофизические  свойства воды при температуре 40⁰ [ 2, 143 ].

      Таблица 1 – Теплофизические свойства 

 
 
      

      

      Расчет  теплообменника проводят последовательно  в соответствии с общей блок –  схемой [1].

Определяем  тепловую нагрузку аппарата Q, Вт, по формуле (2):

                            ,                                           (2)

где     G₂ –   производительности        теплообменника,      кг/с ;

           с₂ -   удельная теплоемкость, Дж/(кг·К).

              Вт.

      Насыщенный  водяной пар при имеет r = 2161 кДж [1]. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к воде примем равным Вт/(м²·К) [ 1, 47 ].

      Рассчитаем  ориентировочное  значение  поверхности  теплообмена F_ор , м²   по формуле (3):

                                                 

,                                                        (3)

где       Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт ;

             - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К) ;

                                .

ВАРИАНТ 1

      По  ориентировочному значению поверхности теплообмена выбираем теплообменник с параметрами [ 1, 51 ]: Д=600 мм, d = 25x2 мм, число ходов       z = 6, общее число труб n =196 , поверхность теплообмена F = 91м², длинна труб         L = 6м.

      Определим объемный расход V₂, м³/с по формуле (4):

                                                     ,                                                               (4)

где  G₂ –   производительности        теплообменника,      кг/с ;

             - плотность воды, кг/м³. 

                                             .

      Определим среднюю скорость воды , м/с по формуле (5):

                                                 ,                                                      (5)

      где V₂ – объемный  расход  воды,  м³/с;

            S₂ – живое сечение трубопровода, м²;

                                                      ;                                                 (6)

                                               ;

             n – общее число труб;

       z – число ходов.

                             .

Определим критерий Рейнольдса Re по формуле (7):

                                          ,                                                       (7)

где - средняя скорость воды, м/с;

       d – внутренний диаметр труб, м;

      -  коэффициент динамической вязкости, Па·с.

                                      .

Следовательно,  режим течения жидкости турбулентный.

      По  найденному значению критерия Рейнольдса находим критерий Нуссельта Nu₂ по формуле (8):

                                  ,                             (8)

      

      где  - критерий Pr при температуре стенки того же теплоносителя. 

      

      

      Температура стенки t_ст определяется по формуле (9):

                                          ,                                       (9)

                                  .

      Исходя  из этого критерий Pr_ст = 1,5 [].

                .

      Определяем  коэффициент теплоотдачи  , Вт/(м²·К) по формуле (10):

                                                  ,                                                   (10)

      где - критерий Нуссельта;

             - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

              d_вн – диаметр труб, м.

                          Вт/(м²·К).

        Рассчитаем температуру конденсата, удовлетворяющего условие  [ 1, 53 ].

                                     ,

                                     .

      Теплофизические свойства  насыщенного   водяного   пара      при     t=110⁰ приведены в таблице 2 [ 2, 143 ]. 

      Таблица 2 – Теплофизические свойства насыщенного  водяного пара. 

 

Рассчитаем  расход пара G₁ , кг/с по формуле (11):

                                                 ,                                                         (11)

кде r – удельная массовая теплота конденсации ( испарения ).

                                        .

      Коэффициент теплоотдачи от пара , Вт/(м²·К), лимитирующий теплопередачу определим по формуле (12):

                                        ,                                             (12)

      где n – общее количество труб.

                .

      Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений  со стороны воды и пара равна [ 1,47 ]:

                    ,

      Коэффициент теплопередачи

                           .

      

Тогда, требуемая  поверхность теплопередачи составит:

                                           .

      Из  [1, 51] подходит теплообменник Д=600 мм, d=25x2 мм, число ходов z=2, общее число труб n=240, длина труб L=4м, поверхность теплообмена F=75м² с запасом:

                                     .