Расчет теплообменника

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Литозбор по использованию вторичного тепла 8

2. Тепловой  расчет  рекуперативного теплообменника 10

3. Выбор основного оборудования 14

4. оценка гидравлического сопротивления 16

5. Подбор вспомогательного оборудования 18

6. Контрольно-измерительные приборы 20

7. Заключение 24

Список использованных источников 25

ВВЕДЕНИЕ

 

Теплообменники – устройства, предназначенные для передачи тепла  от одних тел к другим. В теплообменных  аппаратах могут происходить  различные тепловые процессы: изменение  температуры, испарение, кипение, конденсация, расплавление, затвердевание и, наконец, более сложные комбинированные  процессы. Количество тел, участвующих  в этих процессах, может   быть больше двух, а именно: тепло может  передвигаться от одного тела к нескольким другим телам или, наоборот, от нескольких тел к одному. Эти тела, отдающие или воспринимающие тепло, принято  называть теплоносителями.

В зависимости  от назначения, теплообменные аппараты называются подогревателями. Конденсаторами, испарителями, паропреобразователями  и т.д.

По принципу действия  теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные.

В поверхностных  аппаратах теплоносители разделены  твёрдыми теплопроводными стенками, через которые происходит теплообмен между теплоносителями. Та часть  поверхности стенок, через которую  передаётся тепло, называется поверхностью нагрева.

В свою очередь  поверхностные  теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные.

Теплообмен  между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто  используемых в технике процессов. Например, получение пара заданных параметров в современном парогенераторе основано на процессе передачи тепла  от одного теплоносителя к другому. В конденсаторах и градирнях  тепловых электростанций, воздухоподогревателях  доменных печей и многочисленных теплообменных устройствах химической промышленности основным рабочим процессом  является процесс теплообмена между  теплоносителями. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативные  теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две  жидкости с различными температурами  текут в пространстве, разделенном  твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей  является излучающим газом, то и за счет теплового излучения.

Если же два  и больше теплоносителей попеременно  соприкасаются с одной и той  же поверхностью нагрева, то теплообменный  аппарат называют регенеративным. В  период соприкосновения с одним  из теплоносителей стенки аппарата получают тепло  и аккумулируют его;  в  следующий период  соприкосновения  другого  теплоносителя с той  же поверхностью стенок аккумулированное тепло передаётся теплоносителю. Направление  теплового потока во втором периоде  изменяется  на противоположное.

В большинстве  рекуперативных аппаратов осуществляется непрерывная передача тепла через  стену от одного теплоносителя к  другому. Эти аппараты, как правило, являются аппаратами непрерывного действия. Рекуперативные аппараты, в которых производится периодический нагрев или охлаждение одного из теплоносителей, относят к аппаратам периодического действия. 

К рекуперативным поверхностным  теплообменникам непрерывного действия, наиболее распространенным в промышленности относятся ребристые теплообменники.

Ребристые теплообменники применяют  для увеличения теплообменной поверхности  оребрением с той стороны, которая  характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) 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.

Ребристые теплообменники бывают разнообразных конструкций. Наиболее распространены воздухонагреватели с поперечными круглыми и прямоугольными рёбрами. Иногда рёбра выполняют навивкой  металлической ленты, поставленной на ребро. В качестве рекуператоров промышленных печей применяют чугунные игольчатые теплообменники с иглами на внешней и внутренней стороне. При продольном обтекании труб целесообразно располагать рёбра вдоль образующих труб.

За счет применения поперечных ребер (рис. 1) достигается значительное увеличение площади поверхности теплообмена. Отношение площадей поверхности ребер и неоребренной части труб может достигать 10. Правда, поверхность ребер менее эффективна в отношении теплопередачи, нежели собственная поверхность труб. И все же правильно спроектированный ребристый теплообменник более компактен, чем теплообменник без оребрения труб, т.е. при одинаковых рабочих условиях у него более высокая интенсивность теплопередачи, приходящаяся на единицу объема. Поперечные ребра теплообменника, показанного на рис. 1, припаиваются к трубам твердым или мягким припоем.

 

 

Рис.1

 

Существенное значение для  эффективности работы ребристых  аппаратов имеет материал труб и  рёбер, а также контакт между  ними. Для повышения теплопроводности часто применяют латунь, алюминий или медь. Хороший контакт между  трубами и рёбрами достигается  лужением или оцинкованием.

Регенеративные  теплообменники в большинстве случаев  являются аппаратами периодического действия; в них разные теплоносители поступают  в различные периоды времени. Непрерывная работа осуществляется в таких аппаратах лишь в том  случае, если они снабжены движущимися  стенками или насадками, попеременно  соприкасающихся с потоками разных теплоносителей и непрерывно переносящими тепло из одного потока в другой. 

Достоинством  дымовых газов и топочных газов  как теплоносителя являются возможность  достижения высокой температуры  при атмосферном давлении, недостатками – громоздкость аппаратуры, обусловленная  низкой теплоотдачей от газов к стенке, сложность регулирования рабочего процесса в теплообменном аппарате, пожарная безопасность и сравнительно быстрый износ поверхностей теплообмена  от золы, а также при чистке аппаратов. Существенным недостатком дымовых  газов является также возможность  использования их даже на небольшие  расстояния требует значительных расходов электроэнергии, громоздкость каналов  и связана с большими тепловыми  потерями.

Тепловые расчеты  теплообменников могут быть конструктивными  и проверочными. Конструктивные тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов, и целью расчета  является определение поверхности  теплообмена.

 

 

 

              

 

 

1. Литозбор  по использованию вторичного тепла

 

В  соответствии  с  официальным  определением,  вторичные  энергоресурсы – это энергетический потенциал (запас энергии в виде физической теплоты, потенциальной энергии избыточного давления, химической энергии и др.) продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, которые не могут быть использованы  в  самом  агрегате, но могут  частично или полностью применяться  для  энергоснабжения других потребителей [1].

По виду содержащегося  в них энергетического потенциала ВЭР подразделяются на три основных группы: горючие, тепловые и избыточного  давления.

Горючие ВЭР  – это отходы одного производства, которые могут быть утилизированы  непосредственно в виде топлива  в других производствах. К ним  относятся, например, технологические  газы черной и цветной металлургии, жидкие и твердые топливные отходы химической и нефтегазоперерабатывающей  промышленности,  щепа,  опилки,  стружка,  щелоки  деревообрабатывающей  и  целлюлозно-бумажной отраслей.

Тепловые  ВЭР –  это  физическая  теплота  отходящих  газов,  основной  и  побочной (нецелевой) продукции производства: нагретых металла, шлаков и зол; горячей воды и пара, отработанных в технологических установках, системах охлаждения и пр.

Следует отметить, что  тепловая  энергия отходов,  выходящая из  технологического агрегата и используемая для подогрева  вещественных потоков, поступающих  в этот же агрегат (процессы регенерации  и рекуперации), ко вторичным энергоресурсам не относятся.

ВЭР избыточного  давления – это потенциальная  энергия покидающих установку газов, воды, пара, имеющих повышенное давление, которое может быть еще применено  перед выбросом в окружающую среду. Основное направление утилизации таких  ВЭР – получение электрической  или механической энергии.

Многие горючие  ВЭР, например черной металлургии, имеют  низкую теплоту сгорания и химически  агрессивны. Это создает значительные трудности при их утилизации. Они  же имеют место и при сжигании высококалорийных, но одновременно  легко  воспламеняемых,  взрывоопасных  и  токсичных ВЭР (водород,  сухие  абгазы и др.).

Для утилизации горючих вторичных энергетических ресурсов часто необходимо специальное  оборудование, однако основной путь их использования – применение в  агрегатах индустриальных технологий.

Тепловые  ВЭР –  наиболее  распространенный  вид  энергетических  отходов.

Их утилизация проводится практически повсеместно. В то же время привлекаются в  основном  высокопотенциальные (высокотемпературные)  тепловые ВЭР (см.  далее). Значительно  меньше востребованы среднетемпературные  энергетические отходы, низкотемпературные применяются еще реже.

Основное  оборудование  для  использования  тепловых  ВЭР –  котлы-

утилизаторы (к/у),  системы  испарительного  охлаждения  промышленных  печей, различного рода теплообменники, в  том числе контактные нагреватели.

ВЭР  избыточного  давления  образуются  в  ряде  металлургических,  химических, нефтеперерабатывающих  производств. Ими могут обладать жидкие и газообразные отходы. Однако их применение пока не носит массового  характера (избыточное давление доменного  газа используют, например, в газовых  бескомпрессорных турбинах).

По температуре, с которой тепловые ВЭР покидают технологические агрегаты, их делят  на высоко-, средне- и низкопотенциальные.

Четкой градации ВЭР по этому признаку нет. Можно  принять, что к высокопотенциальным  относятся  ВЭР,  температура  которых  превышает  наименьшую температуру  газов  в  автогенном  процессе  сжигания  топлива (не менее 600°С). К  низкопотенциальным принадлежат ВЭР, представляющие собой жидкости с  температурой менее 100°С и газы с  температурой ниже 300°С [2]. В этом случае среднепотенциальные  ВЭР  по  температуре  будут  занимать  промежуточное  положение между  высоко- и низкопотенциальными энергетическими  отходами.

В целом основными источниками тепловых ВЭР в различных отраслях промышленности  выступают технологические агрегаты,  как правило,  недостаточно совершенные с энергетической стороны. Особенно неблагоприятны с точки зрения использования теплоты сгорания топлива нагревательные и термические печи (их тепловой КПД равен 12-18%), вагранки чугунолитейных цехов (теплопотери с газами  превышают 50-60%),  паровые котлы низкого давления (КПД порядка 50%), паровые молоты кузнечных цехов (КПД не более 2-5%) и др.

 

 

 

.

2. Тепловой  расчет  рекуперативного теплообменника

 

Для расчета теплообменника принимаю трубы, диаметром 14/16, расположенные  в коридорном порядке с шагом 55 мм, диаметр ребра 50 мм, ширина ребра 1,5 мм, шагом ребра 3мм.

 

 Определение массовых секундных расходов теплоносителей (воды).

На   основе уравнения  теплового баланса (при отсутствии потерь тепла и фазовых переходов  теплоносителей):

где - коэффициент тепловых потерь, 0,97.                

Где G_в, G_вз - массовый секундный расход теплоносителей,  в котором для газа: 

 

кг/с

 

     Определение температурных условий работы теплообменника.

Находим среднюю температуру жидкости, воздуха по всей длине теплообменника:

Среднелогорифмический температурный напор между теплоносителями:

По полученным данным расчета из таблиц записываем теплофизические свойства теплоносителей:

          

где 1 – для воды, 2 для воздуха.

 

   Определение коэффициента теплопередачи и конструктивных размеров теплообменника.  

                

Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к  стенке трубки определяют с учетом числа трубок, по которым она протекает, ориентировочно это число может  быть найдено по формуле:

 

Принимаем количество трубок n=4.

Скорость воды в трубках  принимаем 0,5 м/с, воздуха в межтрубном пространстве 5 м/с.  Т.к. число трубок идеально, то уточнять скорость воды не надо.

Определяем предварительно критерий Рейнольдса:

Вычисляем  значение  коэффициента  теплоотдачи  из  уравнения:

Имеем:                   

 

Находим коэффициент теплоотдачи  от оребренной поверхности трубок к  нагреваемому воздуху, для чего предварительно определяем проходное (живое) сечение  межтрубного пространства, а также коэффициент и КПД оребрения:   

 

 

Площадь живого сечения одного межреберного канала в поперечном ряду пучка:

 

Длина трубы:

 

Для начала найдем коэффициент  оребрения:

 

 

Длина обтекания ребристой  трубы:

 

В первом приближении коэффициент  теплоотдачи для многорядных  пучков равен:

 

Рассчитываем  КПД ребра: