Министерство Образования Российской Федерации Оренбургский Государственный Университет Контрольная работа по курсу: Основы инженерно-технологические процессы Выполнил студент Биккинин Р.Т. Специальность ЭиУ Курс 2 Группа ЭС2-3 Шифр студента 98-Э-250 Руководитель Асеева В.В. подпись дата
Оценка при защите Подпись дата Уфа – 2000 г. Из чего исходят при выборе конструкции теплообменника? В чем заключается конструктивный расчет теплообменника? Теплообменниками называются аппараты, в которых происходить теплообмен, между рабочими средами не зависимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, концентраторы, пастеризаторы, испарители, деаэраторы, экономайзеры и д.р.)
Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых пе¬редача тепла является основным процессом, и реакторы, в кото¬рых тепловой процесс играет вспомогательную роль. Классификация теплообменников возможна по различным признакам. По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно
соприка¬саются или перемешиваются, и поверхностные теплообменни¬ки – рекуператоры, в которых тепло передается через поверх¬ность нагрева – твердую (металлическую) стенку, разделяю¬щую эти среды. По основному назначению различаются подогреватели, испа¬рители, холодильники, конденсаторы. В зависимости от вида рабочих сред различаются теплооб¬менники: а) жидкостно-жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами; б) парожидкостные – при теплообмене между паром и жид¬костью (паровые подогреватели,
конденсаторы); в) газожидкостные – при теплообмене между газом и жид¬костью (холодильники для воздуха) и др. По тепловому режиму различаются теплообменники перио¬дического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом. В теплообменниках периодического действия тепловой обра¬ботке подвергается определенная порция (загрузка) продукта; вследствие изменения свойств продукта и его количества пара¬метры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппа¬рата во времени. При непрерывном процессе параметры его также изменяют¬ся, но вдоль проточной части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс ха¬рактеризуется постоянством теплового режима и расхода рабо¬чих сред, протекающих через теплообменник. В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смеситель¬ных аппаратах пар обычно барботируют в жидкость (впускают под уровень жидкости);
при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностных аппара¬тах пар конденсируется на поверхности нагрева и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков. Водяной пар как теплоноситель обладает множеством преиму¬ществ: легкостью транспортирования по трубам и регулирова¬ния температуры, высокой интенсивностью теплоотдачи и др. Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного испарения, когда выпариваемая
из продукт вода направляется в виде греющего пара в другие выпарные аппараты и подогреватели. Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые но ходу технологи¬ческого процесса нагреваются до высокой температуры. В срав¬нении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отли¬чается переменной, снижающейся температурой теплоносителя. Однако регулирование процесса и транспорт жидкостей так же
удобны, как и при паровом обогреве. Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В услови¬ях технологической аппаратуры пищевых производств при паро¬вом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150-160 С, что соответствует давлению (5-7) 105 Па. В отдельных случаях (в консервной промышленности) при¬меняется масляный обогрев, который позволяет при атмосфер¬ном давлении достигнуть температур до 200°С. Широко применяется обогрев горячими газами и воздухом (до 300—1000°С) в печах, сушильных установках. Газовый обо¬грев отличается рядом недостатков: трудностью регулирования и транспортирования теплоносителя, малой интенсивностью теп¬лообмена, загрязнением поверхности аппаратуры (при исполь¬зовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он явля¬ется единственно возможным (например, в воздушных сушил¬ках). В холодильной технике используется ряд хладагентов: воз¬дух, вода, рассолы, аммиак, углекислота, фреон
и др. При любом использовании теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные процессы подчинены основному— технологическому процессу производства, ради которого созда¬ются теплообменные аппараты и установки. Поэтому решение задач оптимизации теплообмена подчинено условиям рациональ¬ного технологического процесса. Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций. Ниже рассматри¬ваются некоторые конструкции теплообменных аппаратов, при¬меняющихся в пищевой промышленности.
Выбор конструкции теплообменных аппаратов Конкретная задача нагревания или охлаждения данного про¬дукта может быть решена с помощью различных теплообмен¬ников. Конструкцию теплообменника следует выбирать, исходя из следующих основных требований, предъявляемых к теплообменным аппаратам. Важнейшим требованием является соответствие аппарата технологическому процессу обработки данного продукта; это до¬стигается при таких условиях: поддержание необходимой темпе¬ратуры
процесса, обеспечение возможности регулирования тем¬пературного режима; соответствие рабочих скоростей продукта минимально необходимой продолжительности пребывания про¬дукта в аппарате; выбор материала аппарата в соответствии с химическими свойствами продукта; соответствие аппарата давлениям рабочих сред. Вторым требованием является высокая эффективность (про¬изводительность) и экономичность работы аппарата, связанные с повышением интенсивности теплообмена и одновременно с соблюдением оптимальных гидравлических сопротивлений аппа¬рата. Эти требования обычно выполняются при соблюдении сле¬дующих условий: достаточные скорости однофазных рабочих сред для осуществления турбулентного режима; благоприятное относительное движение рабочих сред (обычно лучше противо¬ток); обеспечение оптимальных условий для отвода конденсата и неконденсирующихся газов (при паровом обогреве); достиже¬ние соизмеримых термических сопротивлений по обеим сторонам стенки поверхности нагрева; предотвращение возможности за¬грязнения и легкая чистка
поверхности нагрева, микробиологи¬ческая чистота и др. Существенными требованиями являются также компакт¬ность, малая масса, простота конструкции, удобство монтажа и ремонта аппарата. С этой точки зрения оказывают влияние сле¬дующие факторы; конфигурация поверхности нагрева; способ размещения и крепления трубок в трубных решетках; наличие и тип перегородок, уплотнений; устройство камер, коробок, днищ; габаритные размеры аппарата и др.
Ряд факторов определяет надежность работы аппарата и удобство его эксплуатации: компенсация температурных дефор¬маций, прочность и плотность разъемных соединений, доступ для осмотра и чистки, удобство контроля за работой аппарата, удобство соединения аппарата с трубопроводами и т. д. Эти основные требования должны быть положены в основу конструирования и выбора теплообменных аппаратов. При этом самое большое значение имеет обеспечение заданного техноло¬гического процесса в аппарате.
Для ориентировки при выборе теплообменников приведем следующие соображения. Из парожидкостных подогревателей наиболее рациональным является многоходовой по трубному пространству – трубчатый теплообменник жесткой конструк¬ции (к подвижным трубным решеткам прибегают в крайнем случае). Этот же теплообменник с успехом применим в качестве газового или жидкостного при больших расходах рабочих тел и небольшом числе ходов в межтрубном пространстве. При малых расходах жидкостей или газов лучше применять элементные аппараты без подвижных трубных решеток. Ребристые аппараты следует применять, если условия тепло¬отдачи между рабочими средами и стенкой с обеих сторон по¬верхности нагрева существенно отличаются (в газожидкостных теплообменниках); оребрение целесообразно со стороны наи¬меньшего коэффициента теплоотдачи. Основные способы увеличения интенсивности теплообмена в подогревателях: а) уменьшение толщины гидродинамического
пограничного слоя в результате повышения скорости движения рабочих тел или другого вида воздействия; это достигается, например, раз- бивкой пучка трубок на ходы и установкой межтрубных перего¬родок; б) улучшение условий отвода неконденсирующихся газов и конденсата при паровом обогреве; в) создание благоприятных условий для обтекания рабочими телами поверхности нагрева, при которых вся поверхность ак¬тивно участвует в теплообмене; г) обеспечение оптимальных значений прочих определяющих факторов: температур, дополнительных
термических сопротивле¬нии и т. д. Путем анализа частных термических сопротивлений можно выбрать наилучший способ повышения интенсивности теплооб¬мена в зависимости от типа теплообменника и характера рабо¬чих тел. Так, например, в жидкостных теплообменниках попе¬речные перегородки имеет смысл устанавливать только при не¬скольких ходах в трубном пространстве. Перегородки не всегда необходимы; при вертикальном расположении трубок и нагреве паром последний подается в межтрубное пространство; попереч¬ные перегородки будут мешать
стеканию конденсата. При теп¬лообмене газа с газом или жидкости с жидкостью количество протекающей через межтрубное пространство жидкости может оказаться настолько большим, что скорость ее достигнет тех же значений, что и внутри трубок; следовательно, установка пе¬регородок теряет смысл. Перегородки бесцельны также в случае сильно загрязненных жидкостей, при которых вследствие нарас¬тания слоя загрязнений на трубках решающее влияние на коэф¬фициент теплопередачи оказывает величина Rn. Интенсификация теплообмена является одним из основных направлений развития и усовершенствования тепловой аппара¬туры пищевых производств. При этом широко используются по¬ложительные эффекты в интенсификации теплообмена, обнару¬женные и исследованные в других областях химической техники и энергетики. За последние годы выполнен ряд работ по про¬мышленному испытанию активных «режимных» методов интен¬сификации теплообмена в аппаратах химических и пищевых производств (И.
М. Федоткин, КТИПП). К ним относятся изме¬нение режимных характеристик течения, дополнительная турбу-лизация потока за счет пульсации, вдувания воздуха и др. На¬мечены пути комплексной интенсификации теплообмена, дости¬гаемой при совместном воздействии различных эффектов. Ведет¬ся ускоренная разработка новых типов поверхностей нагрева компактных теплообменников, эффективность которых оценива¬ется промышленными данными о связи теплоотдачи с гидродина¬мическим сопротивлением.
Найдены способы передачи значи¬тельных тепловых потоков между рабочими средами с помощью тепловых труб, аналогичных по способу действия греющим трубкам хлебопекарных печей (трубкам Перкинса). Данные о конкретном применении новых типов теплообменников содер¬жатся в рекомендуемой литературе. Основы расчета поверхностных теплообменников Расчет поверхностных теплообменников содержит тепловой, конструктивный, гидравлический, прочностный и технико-эконо¬мический расчеты, которые обычно выполняются
в нескольких вариантах. Оценка выбранного варианта производится по одно¬му из признаков оптимальности: коэффициенту полезного дейст¬вия, технико-экономическому критерию оптимальности и др. Тепловой расчет поверхностного теплообменника состоит в решении общего уравнения теплопередачи Q = qF совместно с уравнением теплового баланса Q = M1i1=M2i2, для конкрет¬ных условий работы теплообменника: данных рабочих сред, кон¬структивных размеров элементов теплопередающей поверхности, заданных пределов изменения температур и схеме относительно¬го движения теплоносителей (см. гл. XII). Решением является совокупность правил (алгоритм), однозначно приводящих от ис¬ходных данных к результату—значению площади поверхности теплообмена в проектном (прямом) расчете либо к значению температур потоков на выходе из аппарата при проверочном расчете.
Вследствие влияния многочисленных факторов и различия в исхо,1цы. данных общее решение, пригодное для любого тепло¬обменника, отсутствует. Однако существует несколько простых методов приближенного расчета, отличающихся различными допущениями, легко реализуемых при ручном и машинном сче¬те, среди них наиболее доступны методы расчета Грасгофа, Колбэрна, А. П. Клименко и Г. Е. Каневца (Институт газа АН УССР). Рассмотрим в качестве примера методику теплового и конст¬руктивного
расчета наиболее распространенного парожидкостного трубчатого подогревателя непрерывного действия по спосо¬бу Грасгофа. В проектных тепловых расчетах подогревателей определяют: а) среднюю разность температур и средние температуры ра¬бочих тел; б) тепловую нагрузку и расход рабочих тел; в) коэффициент теплопередачи; г) поверхность нагрева.