Тепломассообменное оборудование предприятий

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова» С.В. Осколков Конспект лекций по дисциплине «Тепломассообменное оборудование предприятий» Магнитогорск 2009 УДК (536+621.1)(075.3) Рецензенты: Зав. каф. Электроснабжения и Энергообеспечения Пром. Предприятий ОГТИ ф.-л. ОГУ г. Орск доц., к. п. н. Синицина Г.Н. Начальник турбинного участка ЦЭС ОАО «ММК» Чинючин Д.В. Осколков С.В. Тепломассообменное оборудование предприятий: Конспект лекций – Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2009.-163с. Методический сборник соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 140104 – «Промышленная теплоэнергетика» и направлению подготовки бакалавров 140100 – «Теплоэнергетика». Рассматриваются современные тепломассообменные аппараты; выпарные, сушильные, разделительные установки; вспомогательное оборудование теплотехнологических установок, применяемые в них теплоносители; вопросы очистки промышленных выбросов. Основное внимание обращено на процессы, происходящие в установках, конструкции аппаратов, основы их расчета и проектирования. УДК (536+621.1)(075.3) © Осколков С.В., 2009 © МГТУ им.Г.И. Носова, 2009 ПРЕДИСЛОВИЕ Целью дисциплины является изучение современных конструкций теплотехнологических аппаратов, методов расчета теплотехнологических схем и процессов, источников и методов использования вторичных энергоресурсов, систем защиты окружающей среды. Задачи изучения дисциплины заключаются в приобретении навыков и умений оценивать, выбирать, оптимизировать и разрабатывать теплотехнологические схемы установок, систем и их элементов. В результате изучения дисциплины студент должен знать: - методы расчета расходов топлива, пара и воды для ведения теплотехнологических процессов; - схемы, состав оборудования и режимы работы современных и перспективных промышленных тепломассообменных установок; - конструктивное оформление тепломассообменных аппаратов и методы их расчета; - способы эффективного использования вторичных энергоресурсов. Студент должен уметь: - выполнять теплотехнические и конструктивные расчеты промышленных тепломассообменных установок, выбирать основное и вспомогательное оборудование; - разрабатывать теплотехнологические схемы установок и систем, обеспечивающие экономичную, надежную и безопасную их работу; - рационально использовать компьютерную технику для выполнения расчетов; - оформлять проектно-конструкторскую документацию. Дисциплина базируется на материалах следующих дисциплин: «Прикладная механика», «Гидрогазодинамика», «Тепломассообмен», «Техническая термодинамика». Введение В связи с развитием промышленности на базе создания высокопроизводительных установок все больше растет значение процессов тепломассообмена с точки зрения рационального использования теплотехнологических и сырьевых ресурсов. Важнейшими современными задачами развития производства являются проблемы интенсификации технологических процессов с одновременной экономией топливно-энергетических ресурсов. Единственный путь для этого – создание технологических процессов, при которых весь сырьевой поток и энергоресурсы полностью или с максимальной полнотой используются в процессе производства. Все это определяет важность изучения аппаратного оформления технологических процессов и создания высокоэффективных теплоиспользующих установок. В квалификационной характеристике для подготовки инженеров – промтеплоэнергетиков указано, что специалист должен знать: 1. энергопроизводящее и энергопотребляющее оборудование электрических, тепловых, воздуходувных, газовых и холодильных станций; 2. основы проектирования и эксплуатации тепломассообменных установок и аппаратов; 3. уметь выполнять технологические и конструктивные расчеты энергоустановок промышленных предприятий, а также выполнять расчет и выбирать вспомогательное оборудование и сооружения для утилизации тепловых и технологических выбросов. Энергетическое и энерготехнологическое хозяйство современного промышленного предприятия представляет собой сложный комплекс, включающий в себя установки для производства и преобразования различных видов энергии; коммуникации и трубопроводы для транспорта топлива, энергии, сырья и продуктов; установки и системы отопления, вентиляции и кондиционирования; энергоиспользующие установки для выработки технологической продукции; установки для обезвреживания и утилизации выбросов, использования вторичных энергоресурсов предприятия. Одним из составных элементов энергопроизводящего и энергопотребляющего оборудования являются ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ УСТАНОВКИ (ТМОУ), Дисциплина «Тепломассообменное оборудование предприятий» предназначена для изучения: • конструкций ТМОУ; • происходящих в них процессов; • методов проектирования; • условий эксплуатации. Все тепломассообменные процессы и установки подразделяют в зависимости от рабочей температуры на: • высокотемпературные (tр = 400 – 2000 оС) (огнетехнические установки – пром. печи); • среднетемпературные (tр = 150 – 700оС) (выпарка, ректификация, сушка); • низкотемпературные (tр = -150 - + 150оС) (отопление, вентиляция, кондиционирование, теплонасосные и холодильные установки); • криогенные (tр ‹ -150оС) (разделение воздуха). В данном курсе рассматриваются тепломассообменные процессы и установки, основанные на использовании теплоты средних и низких параметров. Наиболее распространенные процессы в этой области следующие: Нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание, сушка, дистилляция, ректификация, кристаллизация, затвердевание и т.д. Теплообменный аппарат – это устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами. Аппараты, в которых одновременно осуществляется тепло- и массообмен, называются тепломассообменными. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой и применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел и веществ к менее нагретым называют теплоносителями. Классификация теплообменных и тепломассообменных аппаратов. Тепломассообменные аппараты различают по: • назначению • принципу действия • фазовому состоянию теплоносителей • конструктивным признакам • режиму работы. По виду технологического процесса бывают следующие виды ТМО аппаратов: • нагреватели • охладители (холодильники, конденсаторы) • выпарные аппараты • испарители, паропреобразователи • реакционные аппараты • ректификационные колонны и т.д. По области применения: • ТО и ТМО аппараты промышленных печей • ТО и ТМО аппараты теплоэнергетических систем (ТЭЦ, конденсационные станций, котельных и т.д.) • ТО и ТМО аппараты систем теплоснабжения (бойлерных, тепловых пунктов и т.д.) • ТО и ТМО аппараты химических технологий • ТО и ТМО аппараты криогенной технологии • ТО и ТМО аппараты сушильной технологии и т.д. По принципу действия: • поверхностные (через стенку, посредством насадки) • контактные (при непосредственном соприкосновении теплоносителей, как правило с массообменном). Иногда в отдельную группу выделяют смесительные теплообменники, в которых происходит полное или частичное перемешивание потоков теплоносителей. Контактные подразделяются на: • смесительные • насадочные (поверхность теплообмена формируется с помощью насадки) • безнасадочные (поверхность теплообмена формируется в результате гидродинамического и теплового взаимодействия жидкости и газа; например, поверхность пузырьков и т.д.). Поверхностные подразделяются на: • рекуперативные (теплообмен происходит через разделительную стенку) • регенеративные (теплоносители омывают поочередно одну и ту же поверхность) По режиму работы все ТМО аппараты бывают периодического и непрерывного действия. В последнее время все большее распространение получают аппараты с промежуточным теплоносителем. Кроме того, по направлению движения все ТМО аппараты бывают: • простые (прямоточные, противоточные, перекрестноточные) • со сложной схемой движения теплоносителей и сред. По количеству потоков – двухпоточные, трехпоточные и т.д. Путь, пройденный теплоносителем в ТМО аппарате без изменения направления движения, называют ходом. Соответственно ТМО аппараты бывают – двух-, трех-, и многоходовые. Теплоносители. Теплоносители классифицируются по назначению: • греющий • охлаждающий • промежуточный • сушильный и т.д. По агрегатному состоянию: • однофазные (газы, неконденсирующиеся пары, невскипающие жидкости и их смеси, твердые сыпучие тела) • многофазные, чаще двухфазные (конденсат, кипящие жидкости, парогазовые смеси, пены и т.д.). Самые распространенные: Водяной пар, горячая и холодная вода, топочные и дымовые газы, воздух и т.д.. В последнее время все большее распространение получают: Минеральные масла, органические соединения, расплавленные металлы и их соли). Рекуперативные аппараты. Все ТМО аппараты подразделяются на – поверхностные и контактные. В поверхностных теплота от греющего теплоносителя последовательно передается твердой поверхности (насадке), а от нее нагреваемому теплоносителю. Было отмечено, что поверхностные теплообменники с передачей теплоты от одного теплоносителя к другому через разделительную стенку называются рекуперативными. Классификация рекуперативных теплообменных аппаратов. В зависимости от рабочей температуры можно выделить следующие группы рекуперативных теплообменников: 1. высокотемпературные рекуператоры (tр = 400 – 20000С); Рекуператоры металлургических печей, теплообменники для утилизации тепла отходящих газов. 2. среднетемпературные рекуператоры (tр = 150 – 7000С); Рекуператоры в системах энергопроизводства: конденсаторы, воздухоподогреватели, экономайзеры и т.д. 3. низкотемпературные рекуператоры (tр = -150 - +1500С); Рекуператоры, которые используются в системах отопления и вентиляции, в системах утилизации низкопотенциального тепла. Рис 1. Классификация рекуперативных теплообменных аппаратов по конструктивным признакам. Из самых распространенных средне- и низкотемпературных рекуператоров по конструктивным особенностям можно выделить следующие: 1. кожухотрубчатые теплообменные аппараты; 2. испарители (паропреобразователи); 3. секционные теплообменные аппараты; 4. пластинчатые теплообменники; 5. спиральные теплообменники; 6. пленочные теплообменники. Изучение теплообменных аппаратов данного вида начнем с рассмотрения особенностей их конструкций. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты. Кожухотрубчатые теплообменники обычно используются для теплообмена между различными жидкостями, между паром и жидкостями или между жидкостями и газами. В основном они применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена. Этот теплообменник представляет собой аппарат, выполненный из ряда труб, собранных при помощи решеток в пучок и заключенных в кожух, обычно цилиндрической формы. Концы труб для обеспечения плотности их соединения с трубными решетками развальцовывают, реже пропаивают или приваривают к трубным решеткам. На рис.2 представлен схематический чертеж простейшего кожухотрубчатого теплообменника. Он состоит из следующих основных элементов: 1. пучок труб; 2. трубные решетки; 3. кожух; 4. крышка (днище); 5. штуцеры; 6. фланцы. В большинстве случаев греющий теплоноситель вводится в межтрубное пространство, а нагреваемый теплоноситель протекает по трубам. Если теплообмен происходит с изменением агрегатного состояния греющего теплоносителя (конденсация пара), то конденсат отводится из штуцера, расположенного в нижней части корпуса. В кожухотрубчатых теплообменниках промышленных технологических установок, в конденсаторах паровых турбин, водонагревателях тепловых электростанций и тепловых сетей обычно применяют трубы внутренним диаметром dвн. = 12 – 38 мм для удобства чистки поверхности. Увеличение диаметра труб приводит к снижению компактности теплообменника и соответственно к увеличению его металлоемкости. Длина труб обычно находится в пределах от 0,9 до 6 метров. Более длинные трубы подвержены большой вибрации и продольному изгибу. Рис.2. Кожухотрубчатый теплообменник Если по расчету длина трубок оказывается более 6м, то применяются многоходовые теплообменники за счет конструкционных перегородок в верхних и нижних крышках теплообменников. Проходное сечение межтрубного пространства кожухотрубчатого теплообменника превышает проходное сечение трубного пучка в несколько раз (2,5 – 3 раза). Если теплообмен происходит без изменения агрегатного состояния теплоносителей, то коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве из-за более низких скоростей теплоносителя может быть значительно ниже коэффициента теплоотдачи в трубах. В случае использования в качестве теплоносителей газов и жидкостей коэффициенты теплоотдачи могут отличаться на 1 – 2 порядка. С целью интенсификации теплообмена увеличивают скорости теплоносителей с низким коэффициентом теплоотдачи в межтрубном пространстве путем размещения сегментных (рис.3) и концентрических (рис.4) перегородок, т.е также со стороны теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменник делают многоходовым. Поверхность теплообмена кожухотрубчатого теплообменника может быть в пределах от 1 до 2000 м2. Кроме того, также с целью увеличения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве увеличивают заполнение трубами межтрубного пространства путем снижения диаметра труб в трубной решетке (рис.5). Разнообразие конструктивного исполнения кожухотрубчатых теплообменников также обусловлено необходимостью компенсаций температурных напряжений, возникающих в результате различия температурных напряжений труб и кожуха. Рис.3 Кожухотрубчатый теплообменник с сегментными поперечными перегородками. Рис.4 Кожухотрубчатый теплообменник с концентрическими поперечными перегородками. Рис.5. Трубы в трубной решетке Типы компенсаторов: а) осевые; б) радиальные 1. линзовые компенсаторы (рис.6) Рис. 6. Компенсаторы: а – одиолиизовый; б – сваренный из двух полулинз: в – двухлинзовый 1. U иW – образные трубы (рис.7) Рис. 7. Теплообменник с U-образными трубами 2. трубы Фильда. (рис.8) 1 - внешняя труба (поверхность теплообмена), 2 - трубные доски, 3 - внутренняя труба (поверхность теплообмена), 4 - первый теплоноситель, 5 - второй теплоноситель Рис. 8. Теплообменный аппарат на основе трубы Фильда 3. теплообменники с плавающими камерами (рис.9) Рис.9. Двухходовой теплообменник типа П с плавающей головкой: а – цельной; б – разрезной 16 Дополнительно рассмотрим конструктивные особенности элементов кожухотрубчатого теплообменника. Крышка и днище. Наиболее прочными являются крышки со сферическим профилем, но ввиду сложности их изготовления обычно используют эллипсовидные крышки из стали. Толщину рассчитывают на прочность. Минимальная толщина 4 мм, чтобы препятствовать смятию при транспортировке. Штуцеры. Основным типоразмером штуцеров является их внутренний диаметр, который определяется уравнением сплошности (1) при пересчете площади поперечного сечения Fшт. = V / W (1) где V – объемный расход теплоносителя вводимого штуцером в теплообменный аппарат, м3/с; W - Скорость теплоносителя в штуцере, м/с. Рекомендуются следующие скорости теплоносителей: - для жидкостей – 2 – 5 м/с; • Для газов – 20 – 50 м/с. Фланцы. Фланцы также рассчитываются на прочность. Толщина фланцев ориентировочно 20мм. Если трубная решетка приваривается к корпусу, то конструкция называется жесткой. Если крепится болтами – полужесткая конструкция. Нежесткая конструкция с U и W– образными трубами. Корпус. Корпус обычно выполняется из листовой стали или сварных труб. В корпусе вырезают отверстия под штуцеры. Если диаметры отверстий более 50 мм применяют упрочняющие накладки. Диаметр корпуса выбирают из следующего ряда величин: 300, 400, 500, 600 мм и далее с шагом 200 мм. Толщина корпуса также рассчитывается на прочность, но не менее 4 мм. Достоинства кожухотрубчатых теплообменников: 1. высокая тепловая нагрузка; 2. низкое гидравлическое сопротивление; 3. дешевизна, т.к. по сравнению с другими видами теплообменников самыми дорогими элементами являются две трубных решетки. Недостатки: малая компактность (40 м2/м3 – контакт на объем) Испарителя и паропреобразователями. Широко применяется для уменьшения и восполнения потерь конденсата. Разделяется на аппараты с естественной циркуляцией воды между трубками и с принудительной циркуляцией воды в кипятильных трубках. Вертикальный испаритель (рис.10) Греющий пар от ТЭЦ или котельной подается в межтрубное пространство, отдает теплоту воде и конденсируется. Вода, поднимаясь по трубам закипает. Естественная циркуляция нагреваемого теплоносителя происходит вследствие того, что образовавшаяся в кипятильных трубках пароводяная эмульсия имеет меньшую плотность, чем вода в кольцевом зазоре между корпусом и трубной системой, где ей сообщается значительно меньшее удельное количество тепла на единицу объема. При этом в трубках устанавливается подъемное движение пароводяной эмульсии, а в кольцевом зазоре – опускное движение воды. Греющий пар от ТЭЦ или котельной подается в межтрубное пространство, отдает теплоту воде и конденсируется. Уровень воды в аппарате поддерживается с помощью поплавкового регулятора питания выше верхней трубной решетки. Подача воды производится через пеноразмывочное устройство, для размывки шапки пены, образуется над зеркалом испарения при значительной концентрации растворенных примесей в испаряемой воде. Для отделения влаги из вторичного пара в верхней части встроено сепарирующее устройство. Коэффициент теплоотдачи R=30004000 Вт/м2С. 1- сепарационное устройство; 2- вход греющего пара; 3 – трубы греющей камеры; 4 – корпус; 5 – вход воды; 6 – выход вторичного пара; 7 – выход конденсата Рис.10 Вертикальный испаритель Конденсат возвращается на ТЭЦ или котельную. Вторичный пар подается в теплоиспользующие установки или для получения конденсата на восполнения потерь питательной воды котлов. Горизонтальный испаритель – котельно-трубные аппараты. В них греющий пар обычно подходит по трубам, а над горизонтальным пучком труб имеется свободное пространство для сепарации (удаления) капель жидкости из пара. В холодильных установках применяют горизонтальные испарители с кипением хладагента внутри труб и оросительные горизонтальные труб испарители, в которых греющий теплоноситель проходит по трубам, а испаряющаяся жидкость стекает в виде пленки по наружной поверхности труб. При термической обработке агрессивных жидкостей, паров и газов (серная, фосфорная, соляная и другие кислоты) поверхности нагрева защищаются антикоррозионными покрытиями: смолами, пластмассами, стеклопластиками. В последние годы термическая обработка агрессивных сред производится также в теплообменниках из непроницаемых графитовых элементов (труб и блоков), пропитанных фенолформальдегидной смолой, или из графитопласта АТМ-1. Вследствие хорошей теплопроводности графита углеграфитовые теплообменники более компактны по сравнению с теплообменниками из других неметаллических материалов. Пластинчатые теплообменники. В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений. Рис 11. Пластинчатый теплообменник. Это теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов (рис. 11). Пластины, штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены ‘в елку’ (шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4 - 7 мм). К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал. Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м2, число пластин– от 7 до 303. В разборных пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 1500 С (с учетом свойств резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см2 . Спиральные теплообменники. В спиральном теплообменнике (рис. 12) поверхность теплообмена образуется двумя 1 металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке З, а их наружные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты установленными на прокладках плоскими крышками 4 и 5. Таким образом внутри аппарата образуются два изолированных один от другого спиральных канала (шириной 2–8 мм), по которым, обычно противотоком, движутся теплоносители. Как показано на рисунок 12, теплоноситель 1 поступает через нижний штуцер и удаляется через боковой штуцер в правой крышке теплообменника, а теплоноситель 2 входит в верхний штуцер и удаляется через боковой штуцер в левой крышке. 1, 2 - листы, свернутые в спирали; 3 - перегородка; 4, 5 - крышки. Рис 12. Спиральный теплообменник. Имеются также конструкции спиральных теплообменников перекрестного тока, применяемые главным образом для нагрева и охлаждения газов и конденсации паров. Спиральные теплообменники весьма компактны, работают при высоких скоростях теплоносителей (для жидкостей 1–2 м/с) и обладают при равных скоростях сред меньшим гидравлическим сопротивлением, чем трубчатые теплообменники различных типов. Вместе с тем эти аппараты сложны в изготовлении и работают при ограниченных избыточных давлениях, не превышающих 10х10^5 н/м2 (10 атм.), так как намотка спиралей затрудняется с увеличением толщины листов; кроме того, возникают трудности при создании плотного соединения между спиралями и крышками. Ребристые теплообменники. Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрение с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы)(рис. 13) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер. Ребристые теплообменники широко применяют в сушильных установках, отопительных системах и как экономайзеры. 1 - коллектор для входа пара; 2 - оребренная труба; 3- коллектор для приема конденсата. Рис 13. Пластинчатый калорифер. Рис 14. Схема устройства пластинчато-ребристого теплообменника. Помимо трубчатых теплообменников с трубами, имеющими поперечные ребра прямоугольного или трапециевидного сечения, разработаны конструкции с продольными, плавниковыми, проволочными, игольчатыми непрерывными спиральными ребрами и др. Трубы с поперечными ребрами различной формы широко используются, в частности, в аппаратах для нагрева воздуха –калориферах (рис. 13), а также в аппаратах воздушного охлаждения. При нагреве воздуха обычно применяют насыщенный водяной пар, поступающий в коллектор 1 и далее в пучок оребренных труб 2. Конденсат отводится из коллектора 3. Иногда используются про дольные ребра, которые для турбулизации пограничного слоя (что особенно важно при ламинарном течении теплоносителя) на определенном расстоянии надрезаются. Конструкции оребренных теплообменников разнообразны. Схема устройства современного пластинчато–ребристого теплообменника, работающего по принципу противотока, приведена на рис. 14. Теплообменники такого типа используются, например, в низкотемпературных установках для разделения воздуха. Оросительные теплообменники. Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой (рис. 15). Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи "калачей". Рис. 15. Оросительный теплообменник. Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные теплообменники– довольно громоздки аппараты, они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред или необходимости применения поверхности нагрева из специальных мате риалов (например, для охлаждения кислот применяют аппараты из кислотоупорного ферросилида, который плохо обрабатывается). Теплообменные устройства реакционных аппаратов. Для обогрева и охлаждения реакционных и других аппаратов разнообразных конструкций применяют различные устройства, в которых поверхность теплообмена образуется стенками самого аппарата. К числу устройств, использующих в качестве теплообменного элемента стенки аппарата, относятся рубашки (рис. 16). К фланцу корпуса аппарата 1 крепится на прокладке и болтах рубашка 2. В некоторых случаях рубашку приваривают к стенкам аппарата, но при этом затрудняется ее очистка и ремонт. В пространстве между рубашкой и внешней поверхностью стенок аппарата движется теплоноситель. На рис. 16а показан обогрев аппарата через рубашку паром, который, при диаметре аппарата более 1 м, вводят для повышения равномерности обогрева, с двух сторон через штуцера 3, а конденсат удаляется через штуцер 4. Поверхность теплообмена рубашек ограничена площадью стенок и днища аппарата и обычно не превышает 10 м2. Давление теплоносителя в рубашке равно не более 610 ат, поскольку при больших давлениях чрезмерно утолщаются стенки аппарата и рубашки. Для давлений вплоть до 73,6 105 н/м2 (75 атм.) применимы рубашки с анкерными связями (рис. 16б). Эти рубашки имеют выштампованные в шахматном порядке круглые отверстия, и по внутренней кромке отверстий стенки рубашки 2 приварена к наружной стенке аппарата. Рубашка такой конструкции обладает не только повышенной механической прочностью, но и обеспечивает более высокие скорости движения теплоносителя в полостях между анкерными связями, а следовательно, и большие коэффициенты теплоотдачи. 1 - корпус аппарата; 2 - рубашка; 3 - штуцера для ввода пара; 4 - штуцер для отвода конденсата. Рис. 16. Аппарат с рубашкой: а) аппарат с паровой рубашкой; б) рубашка с анкерными связями (деталь). а) из разрезанных по образующей (половинок труб); б) из угловой стали; в) из труб, приваренных многослойным швом; г) из труб, залитых в стенки аппаратов. Рис. 17. Варианты исполнения змеевиков. Нагревание или охлаждение при повышенных давлениях теплоносителя (до 58,4 105 Н/м2 или 60 атм.) может быть осуществлено также с помощью змеевиков, приваренных к наружной стенке аппарата и изготовленных из полуцилиндров разрезанных по образующей труб (рис. 17а) или угловой стали (рис. 17б). Для более высоких давлений, достигающих 246 105 Н/м2 (250 атм.), например, в системах обогрева перегретой водой, к наружной стенке аппарата многослойным швом приваривают змеевики (рис. 17в). Эти устройства вытесняют применявшиеся ранее для такого же диапазона давлений стальные змеевики, залитые в чугунные стенки аппарата (рис. 16г) при его отливке. При заливке змеевиков получают относительно низкие коэффициенты теплопередачи, так как вследствие различия коэффициентов объемного расширения стали и чугуна возможно образование местных воздушных зазоров между змеевиком и стенкой аппарата, что приводит к возрастанию термического сопротивления. Кроме того, изготовление такой системы сложно, а ремонт змеевиков практически невозможен. Высокотемпературные рекуператоры непрерывного действия. Высокотемпературные рекуператоры непрерывного действия используются для подогрева воздуха в промышленных печах. При tгаза 800900С применяются трубчатые рекуператоры из углеродистой стали и рекуператоры из игольчатых труб. При tгаза 9001000С – термоблочные рекуператоры, в которых гладкие трубы находятся в чугунном каркасе, имеющем каналы для дымовых газов. При tгаза 10001200С внутри труб из легированной стали по которым проходит воздух устанавливаются металлические вставки, которые нагреваются за счет радиационного потока от стенок и передают теплоту воздуху конвекции. Конструкции рекуператоров Разделяют на две основные группы: а) металлические рекуператоры (игольчатые (рис. 19), трубчатые (рис. 20), радиационные (рис. 21)) б) керамические (блочные, трубчатые). Металлические рекуператоры. Игольчатые рекуператоры. Выпуск начали с 1947 года. Представляют собой конструкцию, состоящую из типизированных элементов (игольчатых труб), отливающих из различных марок чугуна. В зависимости от требуемой Fт.о из различного количества труб. Наличие игл увеличивает поверхность нагрева, поэтому коэффициент теплопередачи относящийся к гладкой поверхности может достигать высоких значений 70150 Вт/м2С. Рис. 19. Игольчатый рекуператор Выпускаются трубы с иглами обтекаемой формы, на внутренней (воздушной) стороне или на обеих сторонах (дым и воздух). Выпускаются трубы 4-х типоразмеров (длиной 880, 1135, 1385, 1640 мм). Бывают вертикальные и горизонтальные. Стойкость в значительной мере определяется маркой чугуна. Наилучшие результаты чугун высококремнистый "силал". Эти рекуператоры надежно работают при tст=600С, что соответствует tдым.газ=750800С. Могут быть одно – многоходовыми (двухходовые распростр.). Устанавливаются над печью, в борове или в стороне от печи над уровнем пола цеха. Однако опыт эксплуатации показал следующие недостатки: 1. Низкая стойкость труб с двухсторонними иглами из-за перегрева наружных игл. 2. Иглы забиваются пылью. Используются односторонние с k=3060 Вт/м2С к гладкой поверхности. 3. Значит число мест уплотнения (утечка воздуха до 25%). Стойкость до 12 лет. Выходят из строя первые по ходу дыма трубы. максимальный подогрев воздуха в игольчатых рекуператорах 300400С, однако обычно 250300С. Главная причина низкого подогрева – малое количество пропускаемого дыма. Пропуск малого дыма объясняется: 1. Значительными потерями дыма через окна рабочего пространства печи (6070%). 2. Пропуск значительной части дыма через обводной шибер мимо рекуператора для снижения температуры дыма (6070%). При проектировании рекуператора принимать скорости движения сред воздуха 410 м/сек, прод. горизонтальное ‑ 34 м/сек. Трубчатые рекуператоры. Основное преимущество является полная газоплотность, поэтому используется для подогрева воздуха и газа. Разнообразны по конструкции. Выделяют 2 основные группы трубчатых рекуператоров. а) с движением по трубам воздуха; б) с движением по трубам дымных газов. Рис. 20. Трубчатый петлевой рекуператор В первую группу входят рекуператоры трех типов: а) прямотрубные; б) петлевые (с U-образными элементами); в) двойной циркуляции. Ток теплоносителей обычно перекрестный. Материал – жаропрочные стали (х25т и х17). Недостатки: необходимость компенсации температурных напряжений. В б) и в) ликвидируются температурные компенсации, kтруб.рек=1725 Вт/м2С, но при этом сокращается расход металла по сравнению с односторонними игольчатыми в 1,5 раза. В прямотрубных рекуператорах устанавливаются вставки: 1) уменьшаются проходное сечение воздуха (в увеличивается); 2) воспрепятствуется излучение от стенок труб, снимает температуру, повышенный срок службы. Радиационные рекуператоры. В условиях высоких температур дымовых газов при t9001000С нагрев в основном за счет лучистого теплообмена от дымовых газов, поэтому для усиления передачи тепла, в частности, увеличивают толщину газового слоя. Рис. 21. Радиационный рекуператор Дымовой газ в трубе диаметром (11,5 м) и в пространстве между наружной трубой и обмуровкой. Воздух с в=1520 м/с в кольцевом зазоре. Благодаря высокой скорости в и малому dэ обеспечивается интенсивный отвод тепла воздухом. Преимущество: в высоком k=3560 Вт/м2С, простоте конструкции и пригодный в условиях запыленных потоков. Газ и воздух нагревается до 500С. Для интенсификации теплообмена используют обмуровку. Недостатки: неполное использование тепла отходящих газов. Поэтому комбинируют с другими рекуператорами. Керамические рекуператоры. Отличаются более высокой стойкостью к потоку, более высокая температура нагрева до 550650С, срок службы до 15 лет. Недостатки: а) плохая газоплотность из-за большого количества соединений и утечка воздуха. б) низкий k вследствие низкой в (из-за больших утечек) и высокого термического сопротивления стенок. Поэтому громоздки и используются только для подогрева воздуха. Два типа: блочные (рис. 22) и трубчатые. Блочные рекуператоры. Собираются из шамотных блоков с каналами для воздуха. Уплотнение блоков обмазкой стуков раствором шамотно-бокситового цемента. в = 0,51 м/с дым = 3 м/с k=4,79,3 Вт/м2С. Рис. 22. Блочный керамический рекуператор Для уменьшения утечки воздуха надо стремиться к уравниванию давлений воздуха и дымовых газов. Следовательно применяется просос воздуха через рекуператор. Трубчатые керамические рекуператоры. а) с карборундовыми трубками l=15 м. Температура подогрева воздуха до tв=350С k=1416,5 Вт/м2С в = 2,02,5 м/с Недостатки в отличие от блочных: Создаются значительные сопротивления по дымовому и воздушному трактам. Срок службы этих рекуператоров ниже. б) с короткими трубками восьмигранного сечения, изготовленных из шамота и смеси шамота с карборундом. Трубки соединяются при помощи шамотных звездочек и уплотняются раствором шамотно-бокситового мертеля и жидкого стекла. Дымовые газы по трубам, а воздух поперек труб. Рекуператор по воздуху многовходовый имеет те же недостатки. Особенности теплового расчета (2) (2) и ‑ степень черноты продольного горения при температуре Тдыма и Тстенки соответственно зависит от соединения СО2 и Н2О по таблицам. ‑ степень черноты стенки равны 0,8. Тепловые трубы. Область применения: энергетика, металлургия, химическая промышленность и так далее. Например, позволяет утилизировать низко потенциальную теплоту на температурном уровне 100С и ниже, что сложно осуществить с помощью других теплопередающих устройств. Устройство: герметическая полость различных диаметров (обычно цилиндр), внутри которой находиться теплоноситель. Принцип работы: в тепловых трубах теплота от охлаждаемой среды отбирается в зоне испарения испаряющегося здесь жидкостью и с потоком образующегося пара передается стенке трубы при конденсации. Образующийся конденсат снова возвращается в зону испарения. Преимущества: 1. простота конструкции; 2) отсутствие нагнетателей, следовательно, затрат энергии на перемещение теплоносителей внутри тепловой трубы. 3) герметичность, позволяющая использовать в качестве теплоносителей любых агрессивных сред 4) Легкость регулирования 5) высокая теплопроводность в сотни раз превышает самые теплопроводные материалы (от зоны испарения в зону конденсации). Типы: I. Фитильные (капиллярные) тепловые трубы (рис. 23). На их внутренней поверхности расположен капиллярно пористый материал – фитиль, пропитанный жидкостным теплоносителем. Жидкость испаряется при внешнем подводе теплоты. В (Lи) капиллярная структура фитиля освобождается от жидкости и из зоны конденсации LК подводиться, таким образом непрерывный подвод теплоты от зоны Lи в зону в зону Lт – транспортная зона. Рис. 23. Фитильная (капиллярная) тепловая труба II. Гравитационные тепловые трубы (термосифоны) Возврат конденсата из конденсатора в зону испарения происходит за счет сил тяжести, то есть конденсатор обязательно выше зоны испарения. III. Центробежные тепловые трубы Корпус трубы вращается вокруг своей продольной оси. Возврат конденсата из зоны охлаждения в зону нагрева за счет центробежных сил. Применяют для охлаждения электрических двигателей, где вал электрического двигателя одновременно является центробежной тепловой трубой. I. Капиллярные тепловые трубы Условия циркуляции теплоносителя определяется уравнением движения для жидкости и пара. Перенос теплоты от зоны испарения в зону конденсации возможен, когда суммарные потери давления на участках трубы будет меньше движущей силы (3) (имеющей капиллярный или массовый характер), то есть (3) , - потери давления на трение при движении пара и жидкости обусловливая ориентир ТТ в пространстве; - массовые силы, если испарения выше конденсат последнем со знаком «+», если ниже «-»; R – Минимальный радиус кривизны менисков жидкости в зоне испарения. G – Поверхностное натяжение. Суммарное гидравлическое сопротивление по жидкостному тракту (4), (5) (4) L=Lи+Lт+Lк – длина тепловой трубы; ' и ' - плотность и вязкость жидкости; G – Расход жидкости через поперечное сечение фитиля площадью Fф; К – коэффициент проницаемости пористого материала; , (5) dn - диаметр парового канала Fn – площадь поперечного сечения этого канала; Q=Gr – теплопередающая тепловая труба. Суммарное гидравлическое сопротивление (6) (6) При влиянии сил тяжести , где  - угол наклона к горизонту. (7) Это выражение характеризует максимальный тепловой поток (7), (8), ограниченный капиллярными или гравитационными силами. При тепловой трубе (=0) и (8) ФГ=f(K, R') – характеризует геометрические параметры тепловой трубы. ФC=f(, r, ', R') – характеризует физические свойства теплоносителей; R – радиус капиллярных структур. Рассмотрим процесс теплопередачи теплоты от наружной поверхности испарителе к неравной поверхности конденсата(рис. 24). Рис. 24. теплопередачи теплоты от наружной поверхности испарителе к неравной поверхности конденсата. В зоне испарения теплота Q передается от неровной поверхности стенки тепловой трубы с температурой ta через стенку корпуса и фитиль. В зоне испарения (9) , (9) где Fи – площадь зоны испарения. В зоне конденсации (10), (11) . (10) Если фифк , (11) где . Определив передаваемую теплоту по соотношению способности тепловой трубы находят максимальные теплоты о передающей способности тепловой трубы без учета гидравлического сопротивления. Тепловая труба переедет требуемое количество теплоты и эти значения сравнить при QQг. Верхний предел Q теплопередающей способности ограничен следующими факторами: 1. Предельная скорость движения пара. В зоне испарения она становиться равной скорости звука. 2. Суммарные гидравлические потери не должны превышать капиллярного напора. 3. Ограничение связанной с замерзающего теплоносителя в тепловой трубе. Термосифоны (трубы Перкинса). Основное достоинство в простоте конструкции и возможности охлаждать тепловыделяющие поверхности сложной конфигурации, когда установка пористой структуры тепловой трубы на тепловыделяющей поверхности затруднена. Термосифоны (рис. 25) передают собой герметические замкнутый объем, часть которого заполнена жидкостным теплоносителем. Тепловой поток q подводится к нижней части термосифона, а отводится от верхней. Пар поднимает конденсат вверх, конденсат стекает в зону нагревая за счет сил гравитации. Различают по форме: а) цилиндрическая; б) плоские по месту подвода теплоты к испарителю; в) с торцевым и г) боковым подводом. Рис. 25. Термосифоны Наиболее распространены с боковым подводом теплоты. В зависимости от количества замкнутого теплоносителя в зоне подвода теплоты q, теплового потока на стенке и d термосифона могут осуществиться два режима работы, качественно отличаются друг от друга: 1) Режим стекающей пленки Пленка жидкости покрывает при работе только внутренняя поверхность термосифона. Избыток жидкости в нижней части термосифона, как правило, отсутствует. 2) Режим двухфазной среды (рис. 26) Уровень заливки в пределах 0,30,8. При малом d перемещение пара осуществляется в виде пробок, «снарядов». При больших d всплытие отдельных пузырьков пара без объединения в пробки – такой режим работы называется барботажным. Рис. 26. Режим двухфазной среды в трубах Перкинса Определим тепловой поток передаваемый термосифонами (12) Fи, Fк – площади поверхностного теплообмена в зонах испарения и конденсации. ts – температура насыщения. Определение температурные напоры в каждом слое. Поскольку ts=tи. Сложив левой и правой части. Схема передачи теплоты через термосифоны (13) (13) Для расчета Q надо знать и и к. Определяется экспериментально для конкретного теплоносителя. Рекуперативные аппараты периодического действия. К ним относятся водонагреватели-аккумуляторы, варочные котлы и реакционные аппараты, автоклавы и другие. Предназначены для нагрева воды, различных сред и металлов и поддержания необходимого температурного уровня и давления в течение некоторого периода времени. За это время в воде или другой среде накапливается теплота, протекают химической реакции, а затем вода отпускаются потребителю, а обрабатываемая среда охлаждаются. I. Водонагреватели – аккумуляторы предназначены для снятия пиковых тепловых нагрузок отопительной системы и горячего водоснабжения. Вода нагревается достаточно длительно 4-5 часов, а расходуется за 20-30 минут, например, в душевных цехов. II. В варочных и реакционных аппаратах обрабатываемые материалы нагревается до определенной температуры и соединяется в течение некоторого времени при этой температуре. За это время происходит требуемые изменения, после чего аппарат опорожняется. Простейшим является открытый чан. Материал на «ложном дне» (решетка или перекрытие с отверстием). Под ложным дном паровой змеевик с отверстиями – барботажная трубка. Пар нагревает жидкость в чане – обогрев «острым» паром. Жидкость нагревает материал. При температуре до 100С. III. Термообработку твердых или жидких материалов при высоких температурах и давлениях осуществляют в герметизирующем аппарате – автоклавах. Обогрев «острым» или «глухим» (через стенку и жидкости) паром. Обогрев «острым» экономичнее, однако теряется конденсат. Часто для интенсификации используются мешалки. 1. Расчет водонагревателя – аккумулятора с паровым обогревом В водонагревателе – аккумуляторе с паровым обогревом (рис. 27) нагрев происходит при нестационарном режиме теплообмена, поэтому ранее используемые формулы для расчетов агрегатов непрерывного действия не подходят. Рис. 27 Водонагреватель - аккумулятор с паровым обогревом Дифференциальные уравнения теплопередачи и теплообменного баланса для элемента времени d, когда температура воды повышается на dt (14): (14) В интегральном виде (15,16): (15) или  (16) (17) Для определения коэффициента теплоотдачи от стенки к воде 2 надо знать t2ср. Ее определяют: (18) При проектировании иногда бывает известна поверхность теплообмена, требуется определить конечную температуру воды. Зависимость от  в виде (19): (19) Зависимость расхода пара от времени выражается формулой (20) (20) 2. Расчет расхода пара от времени выражается формулой Особенностью режима работы является то, что при G1=t1=const температура на выходе из аппарата по мере нагревания воды в водонагревателе – аккумуляторе увеличивается. Изменение температур на схеме. Усложняется расчет, так как две переменные по времени t1 и t2. Дифференциальное уравнение теплопередача и теплового баланса (21): (21) , среднелогарифмическая разность температур теплоносителей. Подставляя t получаем (22) (22) Отсюда Обозначая , получаем . Поставляя t1 в уравнение (1) и интегрируя левую и правую часть уравнения получаем. Отсюда (23) Зная k можно определить F. Для определения 2 надо знать среднюю температуру нагрева воды (24) (24) Среднее значение для греющей воды по формуле (25) (25) где и - начальные и конечные процесса. Если известна F, то зависимость от времени нагрева  можно выразить (26) , (26) где (27) Методика конструктивного теплового расчета. Актуальность темы из того, что в квалификационной характеристике следует – умение проектировать. В практике расчета и проектирования теплообменных аппаратов выделяют два принципиальных различных вида расчета теплообменников: Проектный Поверочный Исходные данные Исходные данные 1) Теплоноситель с расходами и температурами на входе t' и t'' 1) Конструкция и размеры аппарата 2) Тепловая мощность или конечные температуры теплоносителей 2) Теплоносители и начальные параметры Цель расчета Цель расчета Выбор разновидности и типа теплообменного аппарата в основном из числа стандартных выпускаемых промышленностью. Если нет, то детальное проектирование Тепловая мощность или температуры на выходе и аппарата При проектировании выполняются следующие расчеты: 1) Тепловой и конструктивный расчет теплообменника: определяют площадь поверхности теплообмена F (м2) основные конструкционные размеры теплообменника (диаметр, высота) 2) Гидравлический расчет. Определение гидравлических сопротивлений и суммарных потерь давления Pпот прохождения каналов и затрат мощности на перемещение теплоносителей теплообменника для расчета мощности вентилятора или нагнетающего насоса. 3) Компоновочный расчет Для основных соотношений между площадью поверхности теплообменника, прохождениями сечениями каналов для теплоносителей, числом ходов, габаритными размерами теплообменником. 4) Механический расчет Проверка деталей и соединений на прочность, плотность и жесткость. При Pраб0,7105 Па, то конструктивное решение должно соответствовать правилам Госгортехнадзора. При проектирование теплообменника предъявляется следующие требования исходя на анализа условий: 1) компактность 2) малые энергетические затраты Эти требования противоречивы, так как реализуется следующими принципами: 1) комп.  (то есть    W ) 2)  Pпот   W Поэтому при проектировании определяют критерий оптимизации – приведенные затраты П (28): , (28) где К – затраты конструкции; Тн – нормативный срок окупаемости; Э – эксплуатационные затраты. Конструктивный расчет заканчивается выбором серийно выпускаемых теплообменников. Детальное проектирование оправдано, если заданным условиям не удовлетворяет ни один из выпускаемых аппаратов. Тепловой расчет выполняется методом последующих приближений сначала задаются значением, а затем проверяют правильность значения. Поэтому удобнее пользоваться ЭВМ. Конструктивный тепловой расчет составляется в совместном решении уравнений тепловых балансов, определяющих теплопроизводительность аппарата и уравнений теплопередачи. Уравнения тепловых балансов (для 2х тепловой системы) 1) без изменения агрегатного состояния теплоносителей (29) , (29) Q, G2 – расходы; c1 и c2 ‑ удельные теплоемкости; t1 и t2 – температуры греющего и нагревающего теплоносителя на входе 2) с изменением (30) , (30) , – энтальпия пара на входе и конденсате на выходе; 3) с изменением агрегатного состояния объема тепла (31) , (31) , – энтальпия начального и конечного нагрева среды; (32) , (33) Q1 – отдано тепло, Q2 – получено тепло; Qпот – в окружающую среду. Отсюда если неизвестен, находят расход теплоносителя. Поверхность нагрева теплообменника определяют из уравнения теплопередачи (34) t – средняя разность температур между теплоносителями. Из поверхности теплообменника можно находить характеристические размеры для трубчатого теплообменника (35) d – средний диаметр трубки, м; L – длина трубки, м; n – число трубок в одном ходу; Z – число ходов. Последовательность теплового конструктивного расчета. 1. Уточнение технологической схемы работы теплообменного аппарата; 2. Составление схемы, теплового и материального потоков теплоносителей, с учетом продувок, дренажей, сливов, проб и других потерь; 3. Составление теплового баланса аппарата: Q – теплопроизводительность или расходы теплоносителей, начальная и конечная температуры; 4. Определение конструктивной схемы к.-т. теплообменников (противоток, прямоток). Противоток целесообразнее так как Q, F. W – полная теплоемкость теплоносителя (36) Графики (рис. 28) изменения температуры т.н. вдоль поверхности П1 обмена при их противотоке и прямотоке в рекуперативных теплообменниках непрерывного действия. Прямоток Противоток W1=W2 W1>W2 W1 (при прямотоке < всегда). 2. Температура стенки при противотоке выше, чем при прямотоке (37) (37) 3. Всегда желателен противоток, если по каким-либо соображениям противоток невозможен, необходимо стремиться к многоперекрестному току с обменом теплоты на общем противоточном принципе. 4. Правило: при Nu/Pr0,4>58 выгоднее продольное, а при Nu/Pr0,4<58 – поперечное омывание. 5. Определение среднего температурного напора или средне-логарифмической разности между наибольшим и наименьшим напорами: (38) и ‑ максимальный и минимальный температурные напоры между теплоносителями. При (в противотоке), а при  при  Для перекрестного тока теплоносителей и в более сложных схемах движения (39) , (39) где ‑ средний температурный напор противотока в предположении, что они движутся противотоком. ‑ поправочный коэффициент, учитывающий влияние коэффициента движения сред и определяется по рис. 29 в зависимости от условии параметров P и R. Рис. 29. Зависимость , Р, R. ; (40) При изменении агрегатного состояния (конденсации пара) греющего теплоносителя (один теплоноситель меняет фазовое состояние). Для точного расчета средней разности температур необходимо общую поверхность разделить на отдельные части, в которых передача тепла происходит при различных агрегатных состояниях теплоносителя (рис. 30). Часто принимают температуру одного теплоносителя постоянной (b'c'), тогда рассчитывают разность по предыдущим формулам. I – область перегретого пара; II – область переохлажденного конденсата; III – область переохлажденного конденсата. Fзап.то – запас поверхности теплообмена считается, как без изменения агрегатного состояния. Рис. 30. Передача тепла при разных агрегатных состояниях Паропреобразователи. t=tн1-tн2 Во избежание чрезмерного увеличения поверхности теплообменника считают t15С 6. На основе опыта или по справочникам [лит. 3.4] оценивают ориентировочное 1 и 2, необходимых для определения k – коэффициента теплопередачи. воздух 150 Вт/м2К пар 20100 вода 50010000 7. С учетом загрязненности поверхности определяют ориентировочные значения коэффициента теплопередачи для плоских стенок (41) для цилиндрических стенок (42) 1>2 dср=dн; 1=2 ; (43) 1<2 dср=dн; 1, 2 – внутренний и внешний Термическое сопротивление загрязнение с обеих сторон поверхности теплообмена выбирают по эксперименту или литературе , (44) где 1 и 2 – толщина загрязнении внутренних и внешних стенок; 1 и 2 – загрязнения внутренних и внешних стенок; для плоской стенки . (45) 8. Определяют предварительное значение Fто (46) 9. Определяют среднее значение температуры теплоносителей при противотоке и ; при прямотоке и . Поэтому достаточно найти среднюю температуру одного теплоносителя и другую найти из уравнения (47) 10. По средней температуре теплоносителей из таблицы  ПН. Отсюда объемный расход: (48) 11. Выбирают скорость теплоносителя. Наилучший метод выбора основан на технико-экономическом расчете: растут затраты – падает Fт.о. 12. Определяют площадь поперечного сечения труб (49) 13. Выбирают диаметр труб и определяют их длину и число по Fсеч и Fт.о диаметры  17 мм. Чаще 22, 25, 32 и 38 мм. Для загрязненных жидкостей и газов 44,5; 51; 57 и 76 мм. 14. Уточняют значения конструктивных размеров и скоростей теплоносителей. 15. Определяют окончательно значения коэффициентов  и k. 16. По теплопроизводительности Q, tср и k определяют расчетную Fт.о . (50) Если , то расчет окончен. Производят тепловой и конструктивный расчеты тепловой изоляции. Производят гидравлический расчет. Определяют полное гидравлическое сопротивление. Для стальных труб С6,5 и R=0,77310-4 м2С/Вт. P – давление (0,98185)х105 Па , (51) где "h" - относиться к раствору, а "в" – относиться к воде. Поверочный расчет рекуперативных теплообменников. Поверочный расчет проводится в случае оценки пригодности имеющихся и предназначающихся к участке теплообменных аппаратов для определенных технологических условий. а) Без изменения агрегатного состояния теплоносителей Известны и , Fт.о, приближенные значения k и G1c1 и G2c2. искомые величины: , и количество передаваемого тепла Q. При прямотоке: П в таблице [I, 1-9] в зависимости от и . При противотоке: Z в зависимости от и . Z определяют из уравнений теплового баланса. В более сложных случаях так как k зависит от температуры теплоносителей задается конечными температурами и выполняют конструктивный расчет методом приближений до совпадений Fт.о. б) С изменением агрегатного состояния теплоносителей при нагреве за счет конденсата пара (рис. 31) Рис. 31. График изменения агрегатного состояния теплоносителей при нагреве за счет конденсата пара Для случая кипения жидкости Промежуточные значения температур определяются путем подставления в выражения для конечных температур соответственных величин F. Регенеративные аппараты. К ним относятся большая группа теплообменных аппаратов, в которых передача тепла осуществляется посредством неподвижной или перемещаемой насадки. В качестве насадки применяется огнеупорный кирпич, металлические листы, пластины, шары, фольгу, дроби, беспорядочная шут проволоки и так далее. Насадка из колец Рашига. Компактность насадки характеризуется отношением площади поверхности посадки к занимаемому объему. В регенерирующий воздухоразделительный участок 10002000 м2/м3. У регенераторов холодильно-газовых машин 104105 м2/м3. Регенераторы бывают с неподвижной, вращающейся насадками и с использованием промежуточного теплоносителя. Существуют два типа регенераторов: периодического и непрерывного действия. В металлических и стеклоплавильных печах получили распространение высокотемпературные регенераторы периодического действия с неподвижными насадкой выполненной из огнеупорных кирпичей. Назначение: нагрев воздуха и горючих газов до 8001400С. Для создания высоких температур в рабочем пространстве печей (до 2500С). Подогрев воздуха до таких температур в металлических рекуператорах трудно, из-за недостаточной характеристики. 1. Перекидной шибер 2. Форсунки 3. Посадка Рис. 32. Схема работы высокотемпературного регенератора мартеновской печи. Одновременно с переключением шибера гасятся форсунки левой части и зажигаются справа. В мартеновских печах на газе, подогреваются не только воздух, но и газ, поэтому используются по две камеры с насадкой с каждой стороны (рис. 32). Металлические насадки высокотемпературных регенераторов должен обладать высокой удельной теплоемкостью, быть жаро и химическим стойким, не трескаться при резких изменениях температуры, не испаряются, не истираются и выдерживать ударную нагрузку. Толщины кирпичной регенератора 4050 мм обычной формы и специальной (для регенераторы Сименса, Каупера и так далее), что вызывает турбулентностью потоков и интенсифицирует теплообменников. Воздухонагреватели доменных печей выделяется своими размерами. Два или несколько совместно работающих нагревателей имеют высоту до 50 м и d до 11 м, нагрев воздух до 1300С G500000 м3/ч. В камере сгорания сжигают горючие газы. Продукты сгорания постоянны в воздухонагреватель сверху снизу. После переключения шибера воздух движется снизу вверх через насадку. Недостатками регенераторов с неподвижной кирпичной насадкой является: а) Громоздкость б) Усложнение эксплуатации, связанной с необходимостью периодического переключения регенерации. в) колебание температуры в рабочем пространстве печи. Поэтому их используют только при высоких температурах теплоносителей. В качестве неподвижной насадки для средне- и низкотемпературных регенераторов используют металлы. Например, в холодильной установке для глубокого охлаждения азота (до -185С) в регенераторах в качестве неподвижной насадки используются Al гофрированная лента. Достоинство металлическая насадка по сравнению с кирпичной: большая поверхность теплообменника в небольшой объема (например, гофрированные Al лента 1 м3  2000 м2, 1-2С) при этом разность температур теплоносителя и насадки. Коэффициент использования насадки 99%. Недостатки: большое гидравлическое сопротивление. В настоящее время в энергетических установках с высокотемпературными процессами, когда высоколегированные стали недостаточной стойки, получили применением регенераторы с неподвижным, кипящим или падающим слоем из твердых жаростойких частиц сыпучего теплоносителя (рис. 33). Назначение: 1) перегрев воздуха пара 2) нагрев воздуха, газа и паров органических жидкостей до температур 1600-2000С 1и 2- камеры охлаждающего и нагревающего газов; 3 – вращающегося диск, регенерирующий подачу твердых частиц; 4 – электрический двигатель; 5 – ковшовый элеватор; 6 и 7 – коллекторы охлаждающего и нагревающего газа; 8 – окна коллектора. В качестве промышленных теплоносителей принимают твердых частиц и шарики из коалита, муллита, окиси алюминия, медь, цинка и тому подобное размером 8-12 мм. На практике применяются регенераторы с промышленным теплоносителем периодического и непрерывного действия. В установках периодического действия неподвижный или кипящий слой твердого промышленного теплоносителя периодически продувными горячими газами и нагреваемым теплоносителем. Присущи регенераторы ничем не отличаются от рассмотрены выше регенераторной промышленной печей. Рис. 33. Схема теплообмена с движущемся твердым промышленным теплоносителем В установках непрерывного действия твердый теплоноситель все время перемещается при помощи механического ковша элеваторов виброподъемников или пневматических устройств. Здесь загрузочные и разгрузочные штуцера, через которые поднимается промышленный теплоноситель, должны быть заполнены этими шариками и служить гидрозатвором, исключающим перетекающие газа и камеры охлаждающая в камеру нагрева и наоборот. Недостатки: 1. Требуется высокая герметизируя охлаждения и газов 2. Сложность регулирования расхода частиц промышленной 3. Применение элеваторов и так далее. 4. Абразивный износ частиц и аппарата (0,3 мм в год) Для среднетемпературных процессов в технике используется воздухонагреватели исправного действия вращающем ротором, являются металлической насадкой, системы «Юнгстрем» (рис. 34). Рис. 34. Регенератор с вращающейся насадкой. Назначение: Регенеративные вращающие нагреватели применяются на электрических станциях в качестве воздухонагревателя для использования теплоты дымных газов из котлов, для подогрева воздуха в топку котла. Вращающаяся насадка из гофрированных металлических листов вращаются в вертикальной или горизонтальной плоскости с частотой 3-6 об/мин омываются то горячими газами, то холодным воздухом. Достоинство: 1. непрерывный режим работы. 2. практически постоянная средняя температура воздух. 3. компактность S=200 м2/м3. Недостатки: 1. Дополнительный расход электрической энергии. 2. сложность конструкции. 3. загрязнение воздуха газами через перегородку. Далеко не все темы существующей концентрацией регенераторы аппаратов. Тепловой расчет регенераторов Строгое физико-математическое описание и решение задач нестационарных процессов теплообменника в регенераторы представляет большой трудности и точных мет расчета пока нет. Задача. Определение поверхности нагрева и веса насадки. 1. Тепло воспринимаемое поверхностью насадки за период нагрева , (52) где - средняя температура греющего газа; - средняя температура поверхности насадки за период нагревается; F – площадь поверхности насадки. 2. Тепло идущее на повышение температуры поверхности посадки на , то есть , (53) толщина подогреваемого слоя посадки; - коэффициент аккумуляции тепла. Это отношение количества тепла, воспринимаемого насадкой, к теплу которое могло бы быть им аккумулировано, если бы температура всей массы насадки была одинаковой, то есть без внутреннего термосопротивления насадки. В действующих регенераторах а=0,50,7 и зависит от Фурье (54) - коэффициент температуропроводимости м2/ч. R - половина толщины кирпича (при двухстороннем нагреве), м; - изменение температуры поверхности насадки за период нагрева; - средняя температура поверхности насадки за период охлаждения; 2,23,5. 3. В период охлаждения Q передаваемое воздуху определяет , кДж/период (55) - средняя температура воздуха за период охлаждения; Из (60)-(62) Отсюда или , кДж/цикл (56) kц – коэффициент теплопередачи регулятора за цикл. Коэффициенты kц определяют отдельно для горячей и холодной регулятора и при расчетной поверхности насадки пользуются среднеарифметической значением их. Для кирпичных регенераторов kц - =18,831,4 кДж/м2С цикл.