iSswV45XbM

составление инструкций по уходу и очистке теплообменника. Выбирая первоначально поверхность теплообмена, за исходное требование обычно принимают либо получение минимальных масс и габаритов без учета затраты мощности на прокачку жидкости, либо обеспечение минимальной затраты мощности без ограничения по габаритам и массе.

После выбора типа теплообменной поверхности приступают к тепловому расчету, целью которого является определение величины поверхности теплообмена с последующей её компоновкой. При этом учитывают факторы, ограничивающие как минимально, так и максимально допустимые скорости теплоносителей, следствием которых могут быть или повышенные износы поверхности теплообмена, или интенсивность образования отложений, или большие потери давления, т. е., должно быть достигнуто оптимальное соотношение между затратами на прокачку и очистку теплообменной поверхности от загрязнений. Необходимо также иметь в виду, что направление движения рабочих жидкостей в теплообменниках может быть параллельным однонаправленным, параллельным противоточным и перекрестным или сложным. После компоновочного расчета переходят к гидродинамическому расчету, определяя мощность, необходимую для прокачки теплоносителей через теплообменник.

Инструкции по техническому обслуживанию должны включать информацию по условиям эксплуатации, срокам и порядке очистки теплообменника, а также о допустимом количестве трубок, которые могут быть заглушены при выполнении ремонта.

Контрольные вопросы самопроверки к 1-й главе

1.Что такое теплообменники?

2.Какие теплообменники называются рекуперативными?

3.За счет чего происходит теплообмен в рекуперативных теплообменниках?

4.Как разделяются теплообменники по принципу действия?

5.Как разделяются теплообменники по назначению?

6.Как разделяются рекуперативные теплообменники по типу конструкции поверхности теплообмена?

7.Что принимают за исходное требование при выборе поверхности теплообмена?

8.Что предусматривают инструкции по обслуживанию теплообменников?

10

Глава 2. ВАРИАНТЫ СХЕМ ДВИЖЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Принято считать, что основной характеристикой конструкции теплообменника является тип относительного движения в нем потоков теплоносителей. Описание течений всегда представляет собой идеализацию реальных течений, отличающихся порой весьма существенно от практически имеющихся. В противоточном теплообменнике теплоносители движутся параллельно в противоположных друг другу направлениях. Схема такого движения представлена на Рис. 1.

Рисунок 1. Схема противоточного теплообменника

В простейшей конструкции такого типа предусмотрено коаксиальное расположение двух труб. Один из теплоносителей течет по внутренней трубе, а другой по кольцевому зазору в пространстве между двумя трубами. Практически возможно расположение внутри трубы с большим диаметром нескольких труб. Такие теплообменники наиболее эффективны, поскольку обеспечивают наилучшее использование имеющейся разности температур, т.е. в них может быть достигнуто наибольшее изменение температур обоих теплоносителей.

При параллельном однонаправленном движении, представленном на Рис. 2, располагаемая разность температур теплоносителей используется плохо.

11

Рисунок 2. Схема теплообменника с параллельным однонаправленным движением теплоносителей

Если при проектировании теплообменника определяющим параметром является эффективность передачи тепла, то такую схему движения не применяют. Однако преимуществом таких теплообменников является более однородная температура теплопередающей стенки.

Третий вариант – перекрестный ток (Рис. 3). В таком теплообменнике два теплоносителя движутся перпендикулярно друг другу. Один из потоков может при этом двигаться внутри пучка труб, а другой в пространстве между трубами в направлении перпендикулярном оси пучка этих труб.

Рисунок 3. Схема теплообменника с перекрестным течением теплоносителей

По своей эффективности такие теплообменники занимают промежуточное положение между теплообменниками с параллельным однонаправленным течением и параллельным противоточным. Сконструировать такой теплообменник практически легче, чем вышеперечисленные.

12

Четверым распространенным вариантом является схема перекрестного тока с противотоком (Рис. 4). При таком варианте возможны двух-, трех- и четырехходовые конструкции.

Рисунок 4. Схема теплообменников со смешанным движением теплоносителей (перекрестный ток с противотоком)

Теплообменники со смешанным течением теплоносителей рассматривают, как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции. Увеличение числа ходов в таких конструкциях приближает их по экономичности к противоточным теплообменникам.

Еще один распространенный вариант предполагает многоходовое течение в межтрубном пространстве и в трубах (Рис. 5).

Рисунок 5. Схема движения теплоносителей во многоходовых кожухотрубных теплообменниках

13

В таких конструкциях в одном теплообменнике осуществляют комбинацию аппаратов с однонаправленным движением теплоносителей и противоточным. Это получают за счет поворота труб внутри единого корпуса, причем поворотов может быть множество. Такой эффект может быть получен и при использовании прямых труб за счет определенного устройства коллекторов.

При рассмотрении теплообменников, работающих на однофазных теплоносителях, в результате передачи тепла температура горячего теплоносителя уменьшается, а холодного возрастает. Изменение температур происходит пропорционально передаваемой теплоте, а их распределение зависит от схемы движения. На Рис. 6 показано изменение температур для противоточного и однонаправленного движений. При противоточном движении выходная температура одного из теплоносителей приближается к входной температуре второго теплоносителя. При однонаправленном движении возможна только близость значений выходных температур теплоносителей.

Рисунок 6. Распределение температур в противоточном теплообменнике (а)

итеплообменнике с однонаправленным движением теплоносителей (б)

Вкотлах или в конденсаторах большое значение имеет изменение фазового состояния одного из теплоносителей. В таких случаях изменение теплоносителя изменяющего свое фазовое состояние пренебрежимо мало.

Вчастности, в котле вода поступает в теплообменник (в конвективный пучок трубок) недогретой до температуры насыщения и поэтому её температура сначала повышается до температуры кипения, а далее, в области фазового перехода, температура изменяется незначительно и

только из-за слабого изменения давления в теплообменнике.

14

Образовавшийся сухой насыщенный пар может быть перегрет относительно температуры насыщения. На Рис. 7 показано изменение температуры теплоносителей в котле с однонаправленным движением.

Рисунок 7. Распределение температур теплоносителей в котле с пароперегревателем

Один из потоков на этом рисунке – вода и водяной пар. Вода поступает недогретой до температуры насыщения, а водяной пар выходит перегретым. Другой поток – газообразные продукты сгорания, температура которых постепенно снижается. Однако нужно помнить, что в реальных котлах схема движения теплоносителей является комбинированной и включает как однонаправленное течение, так и противоток, и перекрестный ток.

Аналогичная картина складывается и при работе паровых конденсаторов, однако наличие воздуха в них приводит к тому, что температура газообразной фазы в конденсаторе не остается однородной, а падает по мере снижения концентрации пара.

В общем, же случае температура потока теплоносителя изменяется нелинейно. Поэтому даже в теплообменниках без фазового перехода при больших перепадах температур следует учитывать характерное для большинства материалов изменение вместе с температурой значения удельной теплоемкости.

15

Контрольные вопросы самопроверки ко 2-й главе

1.Перечислите четыре основных вида рекуперативных теплообменников, в которых температура теплоносителей непрерывно изменяется.

2.Чем определяется характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена?

3.По какому закону изменяется температурный напор вдоль поверхности теплообмена?

4.Что такое водяной эквивалент теплоносителя?

5.Перечислите преимущества и недостатки прямоточной и противоточной схем движения.

6.Как изменяется температура теплоносителя в теплообменнике при наличии фазового перехода?

7.Как конструктивно добиваются в одном теплообменнике однонаправленного и противоточного движения теплоносителей?

16

Глава 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННИКА

В инженерной практике рассматривают два вида расчетов: проектный (конструктивный) и поверочный. Проектный выполняют при проектировании новых теплообменников с целью определения требующейся площади поверхности теплообмена, необходимой для отвода (подвода) заданного количества тепла (т.е. тепловой производительности); поверочный, - если известна поверхность теплообмена и требуется определить (проверить) количество передаваемого тепла и конечные температуры рабочих жидкостей. И в том и в другом случаях расчет сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи, которые едины по существу и применительно к рекуперативному теплообменнику в стационарных условиях теплообмена без учета потерь тепла и отсутствии фазового изменения состояния теплоносителей имеют следующий вид:

где индекс «1» относится к горячему теплоносителю, «2» - к холодному теплоносителю, обозначение (') соответствует значению данной величины на входе в теплообменник, а (") – значению обозначенной величины на выходе из теплообменника; Q – тепловой поток, Вт; G – удельный массовый расход теплоносителя, кг/с; cp – массовая теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении, Дж/(кг·К); произведение G ·cp называют теплоемкостью массового расхода в единицу времени или иначе

– водяным эквивалентом, часто обозначаемым в литературе символом W, Вт/К; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); F – величина поверхности теплопередачи, м2.

При изменении фазового (агрегатного) состояния горячего

и в случае изменения агрегатного состояния обоих теплоносителей

17

Формулы (3.3) – (3.5) справедливы для случая с сухим насыщенным водяным паром. Учитывая реальную возможность существования в теплообменнике влажного насыщенного и перегретого пара имеем:

где x – степень сухости пара, r – скрытая теплота фазового перехода, qпер – удельная теплота перегрева равная разности удельных энтальпий перегретого пара iп.п и сухого насыщенного iс.н.п..

По уравнению неразрывности находят расходы теплоносителей:

внешнего канала для прохода жидкости в межтрубном пространстве

где D – внутренний диаметр наружной трубы (или корпуса кожухотрубного теплообменника), dвн – внутренний диаметр трубки, d – наружный диаметр трубки, n – число трубок в корпусе теплообменника,

для канала пластинчатого теплообменника (с плоскими пластинами)

где s – расстояние между пластинами, b – ширина пластины.

18

Величину Q принято называть тепловой мощностью теплообменника, а разность температур (t1 – t2) в уравнении (3.2) температурным напором t между теплоносителями. Это уравнение справедливо в предположении, что температуры теплоносителей остаются неизменными, что может быть только в частных случаях. Кроме того, в действительности не остается постоянным и коэффициент теплопередачи k. Поэтому при конструктивном расчете формула для определения требующейся поверхности теплообмена F

предполагает определение среднего температурного напора tср и среднего коэффициента теплопередачи kср. Классическое представление схем движения теплоносителей и возможного характера изменения температур теплоносителей в зависимости от соотношения водяных эквивалентов W1 и W2 представлено на Рис. 8, а изменение температурного напора между теплоносителями по длине поверхности теплообмена – на Рис. 9.

Рисунок 8. Распределение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена

19