Обзор и сравнительный анализ теплообменников

Строение теплообменника «труба в трубе»

В настоящее время в промышленности и в быту широко используются теплообменники. Такой теплообменник имеет корпус в виде барабана, внутри которого между трубными досками расположены латунные трубки диаметром 16 мм. Теплопередача осуществляется через стенки латунных трубок. Для увеличения поверхности теплопередачи увеличивают количество трубок, в связи с чем такой теплообменник сложен в изготовлении и имеет большие габариты.

Схема подогревателя ПВМР: 1 – камера распределительная; 2 – корпус; 3 трубная система; 4 – малая водяная камера; 5 – съемная часть корпуса; А – отвод сетевой воды; Б – подвод сетевой воды; В – подвод греющей воды; Г – отвод греющей воды.

 

Теплообменник типа " труба в трубе" в котором внутренняя труба имеет ступенчато изменяющееся сечение по ходу среды, а наружная труба также имеет живое сечение, ступенчато изменяющееся по ходу среды, и ее ступени смещены относительно ступеней внутренней трубы, причем последние снаб жены на выходном торце пазами, а наружная и внутренняя трубы выполнены в виде сильфонов, пазы - в виде гофр.

В многопоточных теплообменных аппаратах распределительная камера служит для распределения потока по теплообменным трубам. Между решетками теплообменных и кожуховых труб расположена распределительная камера для среды, протекающей по кольцевому пространству в кожуховых трубах. Многопоточные теплообменники имеют два хода по внутренним трубам и два по наружным.

Теплообменник содержит спиральное оребрение, размещенное на внутренней трубе с зазором относительно наружной трубы, причем последняя имеет подводящий и отводящий патрубки межтрубной среды, расположенные тангенциально, а на поверхности оребрения со стороны подводящего патрубка межтрубной среды выполнены нагревающие лопатки, примыкающие к кромке ребер и расположенные с зазором относительно внутренней трубы. Наличие лопаток обеспечивает направление потока теплоносителя к поверхности внутренней трубы, что увеличивает теплосъем, однако такая конструкция сложна в изготовлении.

Известен, теплообменник содержащий установленные с зазором переменной ширины наружную и внутреннюю трубы, последняя из которых имеет круглое сечение и снабжена спиральным оребрением, примыкающим к стенке наружной трубы, причем наружная труба в сечении имеет форму эллипса и установлена совместно с внутренней трубой.

Наиболее близким к заявляемому решению по конструкции является теплообменник типа " труба в трубе", у которого внутренняя труба снабжена спиральным оребрением, размещенным с зазором в наружной трубе, имеющей штуцеры для нагреваемой среды, причем зазор выполнен постоянной величины на 1-6 мм меньше шага между витками спирального оребрения, а по оси внутренней трубы с зазором относительно нее установлен электронагреватель, при этом штуцеры размещены тангенциально.

В теплообменных аппаратах разборной конструкции внутренние трубы в ряде случаев с наружной поверхности выполняются с оребрением, позволяющим в 4 - 5 раз увеличить их поверхность теплообмена. Оребрение внутренних труб используют, как правило, в тех случаях, когда со стороны одной из теплообменивающихся сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи. В этом случае оребрение поверхности со стороны такой теплообменивающейся среды позволяет значительно увеличить количество переданного тепла.

 

 

Расчет площади теплопередающей поверхности рекуперативного теплообменника типа «труба в трубе»

Исходные данные

Горячий теплоноситель движется по внутренней трубе; его температура на входе равна T1, а расход составляетG1, кг/с. Холодный теплоноситель движется по кольцевому каналу между трубами и нагревается от температурыT2 доT2; его расход составляетG2, кг/с.

Исходные данные для расчета: материал труб сталь. Горячий и холодный теплоносители – вода.

Данные для расчета теплообменника

 

G1, кг/с	G2, кг/с	T1, К	T2, К	T”2, К	d1, мм	d2, мм	D, мм	Материал труб	Тепло- носитель
1, 10	1, 19							алюминий	вода

Критерий Нуссельта

В соответствии с характером движения жидкости выбрали одно из критериальных уравнений с целью определения величины критериев Нуссельта Nu1 и Nu2, характеризующих интенсивность теплообмена на поверхностях внутренней трубы со стороны горячего и холодного теплоносителей.

Температуру Tст2 приняли равной температуре Tст1.

Плотность теплового потока на 1 м длины трубы, Вт/м

Коэффициенттеплоотдачи

По найденным значениям критериев Нуссельта вычисляем величины коэффициентов теплоотдачи α 1 и α 2.

Длина трубы

Длина трубы теплообменника находится как l Qql, м.

Поверхность нагрева

Поверхность нагрева определяется как F π d1l, м2.

Анализ результатов расчета

Критерий Прандтля для воды при t=30°С:

где λ _t=0, 6154 – коэффициент теплопроводности воды при t = 30 ^оC, Дж/кг∙ К – удельная теплоемкость.

Re=, Re> 10000

Критерий Нуссельта для воды рассчитаем по формуле:

Nu=0, 021·ε _l·Re^{0, 8}·Pr^{0, 43}· (Pr/Pr_ст)^{0, 25},

принимаем ε _l=1 и (Pr/Pr_ст)^{0, 25}=1, таким образом:

Nu₂=0, 021·Re^{0, 8}·Pr^{0, 43}=0, 021·^{0, 8}·5, 3^{0, 43}=69, 676;

Коэффициент теплоотдачи от стенки к рассолу:

q^' = K^’ · ∆ t_ср =∙ 24, 25 = 18878, 625 Вт/м².

q^' = K^’ · Δ t_ср. =

где;

Найдём:

Проверка: + + = 24, 25 °С – верно.

Отсюда:

; где С_ст2, μ _ст2, λ _ст2 параметры воды при температуре стенки t_ст.2.

Тогда =, то есть коэффициент теплоотдачи для воды:

t_ст.1 = t₁ - 54, 25 – = 48, 07 °С;

t_ст.2 = t₂ + = 30 + = 38, 08 °С

F_p’= = = 7, 5 м²;

Запас поверхности теплообмена:

*100% == 10 %.

С запасом 10% F_p=8, 25 м²

Площадь поверхности теплообмена одного элемента длиной L = 6 м:

F₁ = π d_cpL = 3, 14 · 0, 022 · 6 = 0, 414 м²;

Число элементов в каждой из секций:

2, 84 = 3 шт.;

Общее чи сло элементов n·N = 7 · 3 = 21 шт.

м²; м.

Заключение

В данной работе проведен расчет площади теплообменника типа “труба в трубе” изготовленного из труб 57х4 мм (наружная труба) и 25х3 мм (внутренняя труба). Результаты расчетов показывают, что двухтрубный теплообменник обладает рядом преимуществ: имеет выше коэффициент теплопередачи, меньшую площадь поверхности теплообмена, меньшую массу и ниже по стоимости. На основании всех этих показателей можно сделать вывод о том, что рациональнее выбрать теплообменник типа «труба в трубе» для обеспечения должного теплообмена и достижения более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата

Список литературы

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. В 2-х кн.: М.: Химия, 2005. –400 с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд. М.: Химия, 2003. 750 с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. 2-е изд.\ Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.: Химия, 2011. – 494 с.

4. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М., Курочкина М.И. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии. СПб.: Химия 2003. 496 с.

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 2011. – 560 с

 

 

 

Обзор и сравнительный анализ теплообменников

Тепловые аппараты, применяемые в пищевых производствах для проведения теплообменных процессов, называются теплообменниками. Теплообменники отличаются разнообразием конструкций, которое объясняется назначением аппаратов и условиями проведения процессов. По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, и теплота подается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

Рекуперативные теплообменники в зависимости от конструкции разделяются на кожухотрубные, типа " труба в трубе", змеевиковые, пластинчатые, оросительные и аппараты с рубашками. Особую группу составляют трубчатые выпарные аппараты.

Кожухотрубные теплообменники являются наиболее широко распространенной конструкцией в пищевых производствах. Кожухотрубный теплообменник состоит из цилиндрического корпуса, которых с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками с закрепленными в них греющими трубами.

Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб и межтрубное. К корпусу присоединены с помощью болтового соединения два днища. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки. Один поток теплоносителя, например, жидкость, направляется в трубное пространство проходит по трубам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи греющие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок. Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб. Греющие трубы соединяются с трубой решеткой сваркой либо развальцованы в ней. Греющие трубы изготавливаются из стали, меди и латуни.

Размещаются греющие трубы в трубных решетках несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорные) и по концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообменника. Шаг размещения труб зависит от внешнего диаметра трубы.

С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменников пучок труб секционируют, т.е. разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах. Достоинства кожухотрубных т еплообменников заключаются в компактности, невысоком расходе материала, легкости отчистки труб изнутри.

При необходимости создания больших площадей поверхностей теплопередачи, теплообменник составляют из нескольких секций, получают батарею.

Достоинством теплообменников типа " труба в трубе" является высокий коэффициент теплопередачи вследствие к большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления.

Недостатки этих теплообменников заключаются в громоздкости, высокой металлоемкости, трудности отчистки межтрубного пространства. Теплообменники типа " труба в трубе" применяются при небольших расходах теплоносителей для теплообмена между двумя жидкостью и конденсирующимся паром.

Погружные змеевиковые теплообменники представляют собой трубу, согнутую в виде змеевика и погруженную в аппарат с жидкой средой. Теплоноситель движения внутри змеевика. Змеевиковые теплообменники изготавливаются с плоским змеевиком или со змеевиком, согнутым по винтовой линии.

Погружные теплообменники применяются для охлаждения, а также для конденсации паров.

Оросительные теплообменники применяются для охлаждения жидкостей, газов и конденсации паров. Состоят они из нескольких расположенных одна под другой труб, соединенных коленами. По трубам протекает охлажденный теплоноситель.

Спиральные теплообменники состоят их двух спиральных каналов прямоугольного сечения. Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов имеются патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к плоским боковым крышкам.

Пластинчатые теплообменники монтируются на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих брусов, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей. Уп лотнение пластин достигается с помощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабочие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделения прокладками отверстия. Теплообмен происходит в противотоке, причем каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны плиты.

123Следующая ⇒

Поделиться: