Спиральный теплообменник

 
 

 

 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 
 

      Процессы  теплообмена играют важную роль в  современной технике. Они применяются  всюду, где возникает необходимость  нагрева или охлаждения среды  для ее обработки и для утилизации тепла. Особенно широко процессы теплообмена используют в химической, нефтеперерабатывающей, энергетической, металлургической и пищевой промышленности. В химической промышленности теплообменное оборудование составляет по весу и стоимости  15 – 18 % от всего оборудования, а в нефтеперерабатывающей - до 50 %.

      Теплообменными  аппаратами называют устройства, предназначенные  для передачи тепла от одного теплоносителя  к другому, а также осуществления  различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, кипения, конденсации.

      Теплообменные аппараты классифицируют по различным  признакам. Например, по способу передачи тепла их можно разделить на две  группы: поверхностные и смешения. Требования к промышленным теплообменным  аппаратам в зависимости от конкретных условий применения весьма разнообразны. Основными требованиями являются:

      - обеспечение наиболее высокого  коэффициента теплопередачи при  возможно меньшем гидравлическом  сопротивлении; 

      -  компактность и наименьший расход  материалов;

      - надежность и герметичность в  сочетании с разборностью  и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки ее от загрязнений;

      - унификация узлов и деталей;  технологичность механизированного  изготовления широких рядов поверхностей  теплообмена для различного диапазона  рабочих температур, давлений.

      При создании новых, более эффективных  теплообменных аппаратов стремятся:

      а) уменьшить удельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемой  при работе энергии по сравнению  с теми же показателями существующих теплообменников. Удельными затратами для теплообменных аппаратов называются затраты, отнесенные к тепловой производительности в заданных условиях;

      б) повысить интенсивность и эффективность  работы аппарата. Интенсивностью процесса или удельной тепловой производительностью  теплообменного аппарата называется количество тепла  передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме. [3, с 10]     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Литературный  обзор

 

1.1 Описание  сущности и теоретических основ  процесса 

         Перенос энергии в форме тепла,  происходящей между телами, имеющую  различную температуру, называется  теплообменом. Движущей силой любого  процесса теплообмена является  разность температур более нагретого  и менее нагретого тел, при  наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен между телами представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами; в результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее нагретого – возрастает.

          Тела, участвующие в теплообмене,  называются теплоносителями.

          Теплопередача – наука о процессах   распространения тепла. Законы  теплопередачи служат в основе тепловых процессов – нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривания – и имеют большое значение для проведения многих массообменных             (процессы перегонки, сушки), а также химических  процессов, протекающих с подводом или отводом тепла.   Различают три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: теплопроводимость,  конвекцию и тепловое    излучение.        

           Теплопроводность - представляет собой  перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может быть либо движением самих молекул (газы, капельные жидкости), либо колебанием атомов (в кристаллической решетке твердых тел), или диффузией свободных электронов (в металлах). В твердых телах теплопроводность является обычно основным видом распространения тепла.

      Конвенцией  -  называется  перенос    тепла    вследствие    движения  и      перемешивания  макроскопических объемов газа или  жидкости.   

     Перенос  тепла  возможен  в  условиях  естественной,  или  свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условиях вынужденной конвекции при принудительном движении всего объема жидкости, например в случае, перемешивания, ее мешалкой.

     Тепловое  излучение – это процесс распространения  электромагнитных колебаний с различной  длиной волн, обусловленных тепловым движением атомов или молекул  излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.

     В реальных условиях тепло, передается не каким – либо одним из указанных выше способов, а комбинированным путем. Например, при теплообмене между твердой стенкой и газовой средой тепло передается одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Перенос тепла от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

     Еще более сложным является процесс  передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность  или твердую стенку. Этот процесс  носит название теплопередачи.

     В процессе теплопередачи переносу тепла конвекцией сопутствуют теплопроводимость и теплообмен излучением. Однако для конкретных условий преобладающим обычно является один из видов распространения тепла. 

     В непрерывно действующих аппаратах  температуры в различных точках не изменяются во времени и протекающие процессы теплообмена являются установившимися (стационарными). В периодически действующих аппаратах, где температуры меняются во времени (при нагревании или охлаждении), осуществляются неустановившиеся, или нестационарные, процессы теплообмена.

     Расчет  теплообменной аппаратуры включает:

     а)  Определение теплового потока (тепловой нагрузки аппарата), тоесть, количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время (в непрерывно действующих аппаратах за 1 сек или за 1 час, в периодически действующих – за одну операцию) от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

     б) Определение поверхности теплообмена  F аппарата обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизма передачи тепла - теплопроводностью, конвекцией, излучением и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.[4, с 261] 
 

1.1.1 Тепловой  баланс 

     При теплообмене теплота, отдаваемая более  нагретым теплоносителем (Q₁), затрачивается на нагрев более холодного теплоносителя (Q₂). Пренебрегая потерями теплоты, уравнение теплового баланса можно записать в виде:  
 

                                                           ,                                       (1.1) 
 

где  Q₁– нагретый теплоноситель,   Вт;

        Q₂ – холодный теплоноситель, Вт;

        Q - тепловая нагрузка аппарата, Вт. 

      Пусть расход более нагретого теплоносителя  G₁, его энтальпия на входе в аппарат I _1н и на выходе из аппарата I _1к , а для более холодного теплоносителя - G₂, его начальная энтальпия    I _2н и конечная энтальпия I _2к. Тогда уравнение теплового баланса примет вид: 
 

                                      

,                                    (1.2) 
 

где G₁ – массовый расход нагретого теплоносителя, кг/с;

       G₂  – массовый расход холодного теплоносителя, кг/с;

     I _1н - энтальпия на входе в аппарат, Дж/кг;

        I _1к - энтальпия на выходе из аппарата, Дж/кг;

        I _2н - его начальная энтальпия, Дж/кг;

        I _2к - конечная энтальпия, Дж/кг.  
 
 
 
 

Если  теплообмен протекает без изменения  агрегатного состояния теплоносителей, то энтальпии их равны произведению удельной теплоемкости  с на температуру t: 
 

       ,                                          (1.3) 
 

где  c – удельная теплоемкость, Дж /(кг∙К); 

        t – температура теплоносителя, ⁰С. 

      Удельная  теплоемкость  - это количество теплоты, сообщаемое единице вещества для  изменения его температуры на 1 К.

      Тогда уравнение теплового баланса: 

                                      

,                                       (1.4) 
 

где с₁ и с₂ – средние удельные теплоемкости нагретого и холодного теплоносителя,

                      Дж /(кг∙К);  

   t_н и t_к – начальная и конечная температуры теплоносителя. 

     Если  теплообмен осуществляется при изменении  агрегатного состояния теплоносителя (конденсация пара, испарение жидкости), то в тепловом балансе должны быть учтены тепловые эффекты, сопровождающие процесс.

     Например, при конденсации насыщенного  пара, являющегося греющим агентом, величина I _1н в уравнении теплового баланса  представляет собой энтальпию удаляемого парового конденсата.

     В случае использования перегретого  пара  и охлаждения конденсата  тепловая нагрузка Q будет представлять собой сумму теплоты Q_пер, отдаваемой при охлаждении  пара от t_п до температуры насыщения  t_нас,  теплоты конденсации Q_конд и теплоты, отдаваемой при охлаждении  конденсата Q_охл , а уравнение теплового баланса примет вид: 
 

         

,       (1.5) 
 

где  с_п и c_к - удельные теплоемкости пара и конденсата, Дж /(кг∙К); 

       r - удельная теплота конденсации (испарения), Дж / кг;

       t _охл – температура охлаждения конденсата, К;

       I _1н - энтальпия удаляемого парового конденсата;

      Q_пер – теплота отдаваемая при охлаждении пара;

      Q_конд - теплота конденсации;

      Q_охл – теплота отдаваемая при охлаждении конденсата. 
 
 
 
 
 
 
 

1.1.2 Основное  уравнение теплопередачи 

     В большинстве практических случаев  взаимодействие теплоносителей происходит через некоторую поверхность  раздела, которая в общем случае может рассматриваться как многослойная твердая стенка. Например, в трубчатых теплообменниках теплообмен происходит через стенку трубы и два слоя загрязнений с обеих сторон стенки.

     Этот  вид теплообмена называется теплопередачей. Количество передаваемой теплоты определяется основным уравнением  теплопередачи:   

                                                      

,                                                        (1.6)