Процессы нагревания и охлаждения. Теплообменники

1. Процессы нагревания и охлаждения. Теплообменники

План (4 часа)
1. СПОСОБЫ НАГРЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
3. КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

2. 1 Способы нагревания и охлаждения

• теплообменные аппараты (теплообменники),
применяются для осуществления теплообмена между
двумя теплоносителями с целью нагревания или
охлаждения одного из них.
• Если процесс проводится для сообщения тепла
холодному теплоносителю, то участвующий в
теплообмене горячий теплоноситель будем называть
нагревающим агентом.
• Если же процесс состоит в отводе тепла от горячего
теплоносителя то холодный теплоноситель, которому
сообщается отводимое тепло, будем называть
охлаждающим агентом.
• Нагревание водяным паром - водяной пар является
наиболее распространенным горячим теплоносителем
для нагревания до температур 130 – 170 оС.
2

3. Способы нагревания и охлаждения

• Преимущества водяного пара как нагревающего
агента:
• 1) высокий коэффициент теплоотдачи,
• 2) большое количество тепла, выделяемое при
конденсации единицей количества пара,
• 3) возможность транспортировки по трубопроводам
на значительные расстояния,
• 4) равномерность обогрева, так как конденсация
пара происходит при постоянной температуре.
• Нагревание парами высококипящих жидкостей. Для
нагревания до температур выше 150 – 170°С вместо
водяного пара высокого давления применяют пары
высококипящих органических жидкостей или ртути.
3

4. Способы нагревания и охлаждения

• При нагревании горячими жидкостями чаще всего
применяется циркуляционный способ обогрева.
• Жидкий нагревающий агент циркулирует между печью
или другим аппаратом, где он нагревается, и
теплообменником, в котором он отдает тепло.
• Из высококипящих органических жидкостей для
создания высоких температур применяют минеральные
масла (до 250°С), тетрахлордифенил, нафталин,
глицерин, кремнийорганические соединения и др.
4

5. Способы нагревания и охлаждения

• Нагревание горячими газами - горячие топочные газы,
образующиеся при сжигании топлива, применяют для
нагревания до сравнительно высоких температур (от
400 до 700 -1400 оС).
• Кроме топочных газов, полученных в специальной
топке, часто используют отработанные газы (от печей,
котлов и т. д.) с температурой 300 – 500 оС.
• Нагревание электрическим током - электрическая
энергия может быть использована для нагревания
электрической дугой, нагревания сопротивлением и
диэлектрического нагревания
5

6. Способы нагревания и охлаждения

• ОХЛАЖДЕНИЕ - в качестве охлаждающих агентов
используют воздух и воду, а для достижения низких
низкотемпературные агенты.
• Воздух применяется для естественного и
искусственного охлаждения, например, с помощью
вентилятора.
• При естественном охлаждении нагретый
теплоноситель охлаждается за счет потерь тепла
через стенки аппарата в окружающую среду.
• Вода является наиболее распространенным
охлаждающим агентом.
• Её достоинства - высокая теплоемкость, большой
коэффициент теплоотдачи и доступность.
6

7. Способы нагревания и охлаждения

• Низкотемпературные агенты используют для
создания температур ниже 5 - 20 оС, обычно
не достижимых при охлаждении водой.
• В качестве таких агентов применяют
– лед,
– охлаждающие смеси (смеси льда с различными
солями),
– холодильные рассолы,
– пары жидкостей, кипящих при низких
температурах.
– фреоны и их смеси.
7

8. 2 КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

• Теплообменные аппараты (т/а) — это устройства, в
которых тепло переходит от одной среды к другой.
• Теплообмен между теплоносителями является одним
из наиболее важных и часто используемых в технике
процессов.
• В теплообменных аппаратах происходят различные
тепловые процессы: изменение температуры,
испарение, кипение, конденсация, и сложные
комбинированные процессы.
• Количество тел, участвующих в этих процессах
может быть 2 и более.
• Тела, отдающие и воспринимающие тепло, принято
называть теплоносителями.
8

9. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

• В зависимости от назначения т/а называются:
подогревателями, охладителями, конденсаторами,
испарителями и т.д.
• По принципу действия теплообменные аппараты
делятся на поверхностные и смесительные.
• Поверхностные аппараты могут быть рекуперативными
и регенеративными.
• Поверхностные аппараты – каждый из теплоносителей
ограничен твердыми стенками, частично или
полностью участвующими в теплообмене.
• Часть поверхности, посредством которой передается
тепло, называется поверхностью нагрева.
9

10. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

• 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.
• Примером таких аппаратов являются парогенераторы,
подогреватели, конденсаторы, выпарные аппараты и
др.
10

11. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

• Регенераторы — такие теплообменные аппараты, в
которых одна и та же поверхность нагрева через
определенные промежутки времени омывается то
горячей, то холодной жидкостью.
• Сначала поверхность регенератора отбирает тепло
от горячей жидкости и нагревается, затем
поверхность регенератора отдает энергию холодной
жидкости
• Таким образом, в регенераторах теплообмен всегда
происходит в нестационарных условиях, тогда как
рекуперативные теплообменные аппараты большей
частью работают в стационарном режиме.
11

12. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

• Типичным примером регенеративных аппаратов
являются воздухоподогреватели мартеновских и
доменных печей
• Так как в регенеративных и рекуперативных
аппаратах процесс передачи тепла неизбежно связан
с поверхностью твердого тела, то их еще называют
поверхностными.
• В смесительных аппаратах теплопередача
осуществляется при непосредственном
соприкосновении и смешении горячей и холодной
жидкостей.
• Типичным примером таких теплообменников
являются градирни тепловых электрических станций.
12

13. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

• В градирнях вода охлаждается атмосферным
воздухом.
• Воздух непосредственно соприкасается с водой и
перемешивается с паром, возникающим из-за
частичного испарения воды
• В этом процессе объединяются тепло - и массообмен.
• В теплообменниках с внутренними источниками
энергии применяются не два, как обычно, а один
теплоноситель, который отводит тепло, выделенное в
самом аппарате.
• Примером таких аппаратов могут служить ядерные
реакторы , электронагреватели и другие устройства.
13

14. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

• В зависимости от агрегатного состояния
теплоносителей различают аппараты для
теплообмена:
• 1) между газами (подогреватели газов топочными
газами, газовые теплообменники);
• 2) между паром и газом (паровые подогреватели для
воздуха, пароперегреватели);
• 3) между газом и жидкостью (холодильники для газов);
• 4) между паром и жидкостью ((паровые подогреватели,
конденсаторы);
• 5) между жидкостями (жидкостные холодильники,
теплообменники).
14

15. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

15

16. 3 КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Трубчатые теплообменники
• Кожухотрубные теплообменники состоят из пучка труб,
концы которых закреплены в специальных трубных
решетках путем развальцовки, сварки, пайки.
• Пучок труб расположен внутри общего кожуха, причем
один из теплоносителей (I) движется по трубам, а
другой (II) — в пространстве между кожухом и трубами
(межтрубное пространство).
16

17. Кожухотрубные теплообменные аппараты

а) одноходовой теплообменник, в котором теплоноситель движется
параллельно по всем трубам.
б) многоходовой теплообменник работающий при смешанном токе
Теплоносителей - применяют для повышения скорости их движения в
трубах.
в) теплообменник пленочного типа. Жидкость направляется к стенам труб
специальными устройствами.
17

18. Трубчатые теплообменники

• Достоинства кожухотрубных теплообменников:
• 1) компактность;
• 2) небольшой расход металла;
• 3) легкость очистки труб изнутри (за исключением
теплообменников с U-образными трубами).
• Недостатками таких теплообменников являются:
• 1) трудность пропускания теплоносителей с большими
скоростями.
• 2) трудность очистки межтрубного пространства и малая
доступность его для осмотра и ремонта;
• 3) трудность изготовления из материалов, не
допускающих развальцовку.
18

19. Теплообменники «труба в трубе»

• Теплообменники типа «труба в трубе» включают
несколько расположенных друг над другом элементов,
причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной
трубы большего диаметра и концентрически
расположенной внутри нее трубы.
• Внутренние трубы элементов соединены друг с другом
последовательно; так же связаны между собой и
наружные трубы.
• Для возможности очистки внутренние трубы соединяют
при помощи съемных калачей.
• Благодаря небольшому поперечному сечению в
теплообменниках легко достигаются высокие скорости
теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном
пространстве.
19

20. Теплообменники «труба в трубе»

При значительных количествах теплоносителей
теплообменник составляют из нескольких
параллельных секций, присоединяемых к общим
коллекторам.
Преимущества теплообменников «труба в трубе»:
- высокий коэффициент теплопередачи вследствие
большой скорости обоих теплоносителей;
- простота изготовления.
Недостатки этих теплообменников:
- громоздкость;
- высокая стоимость ввиду большого расхода металла.
20

21. Теплообменник типа «труба в трубе»

21

22. Теплообменник типа «труба в трубе»

22

23. Оросительный теплообменник

Оросительные теплообменники состоят из
змеевиков, орошаемых снаружи жидким
теплоносителем (обычно водой), и применяются
главным образом качестве холодильников.
Змеевики выполняют из прямых горизонтальных
труб, расположенных друг над другом и
последовательно соединенных между собой сваркои
или на фланцах при помощи калачей.
Орошающая вода подается на верхнюю трубу,
стекает с нее на нижележащую трубу и, пройдя
последовательно по поверхности всех труб, стекает в
поддон, расположенный под холодильником.
23

24. Оросительный теплообменник

24

25. Оросительный теплообменник

Вода, орошающая трубы, частично испаряется
(обычно испаряется 1 -2 % от общего количества
поступающей воды).
При этом часть отнимаемого от горячего
теплоносителя тепла затрачивается на испарение
воды.
Вследствие сильного испарения орошающей воды
оросительные холодильники обычно устанавливают
на открытом воздухе, снабжая их ограждением в
виде жалюзи во избежание уноса воды ветром.
25

26. Оросительный теплообменник

Достоинства оросительных теплообменников:
- простота устройства и дешевизна;
- легкость осмотра и наружной очистки труб (при
соединении труб на фланцах очистку нетрудно
производить
Недостатки этих теплообменников:
- громоздкость,
- сильное испарение воды,
- чувствительность к колебаниям подачи воды;
- при недостатке воды нижние трубы не смачиваются
и почти не участвуют в теплообмене.
26

27. Пластинчатый теплообменник

Пластинчатые теплообменники собраны из пакета
штампованных гофрированных пластин.
Каналы между пластинами сгруппированы в две
системы: по одной системе каналов движется
горячий теплоноситель, по другой — холодный.
Эти теплообменники весьма компактны, что
обеспечивает (при соответствующем выборе
расстояний между пластинами) пропускание обоих
теплоносителей с значительными скоростями и
приводит к достижению высоких коэффициентов
теплопередачи.
27

28. Пластинчатый теплообменник

1 – пластина;
2 – уплотнения;
3 – неподвижная плита;
4 – прижимающая плита;
5 – шпилька (винт);
6 – верхняя направляющая;
7- нижняя направляющая;
8 – задняя стойка
28

29. Пластинчатый теплообменник

29

30.

30

31. Погружной змеевиковый теплообменник

31

32. Спиральные теплообменники

Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных
каналов прямоугольного сечения, по которым движутся
теплоносители.
Каналы образуются тонкими металлическими листами,
которые служат поверхностью теплообмена. Внутренние
концы спиралей соединены разделительной
перегородкой.
Преимущества спиральных теплообменников:
1) компактность;2) возможность пропускания обоих
теплоносителей с высокими скоростями, что
обеспечивает большой коэффициент теплопередачи;
3) при тех же скоростях гидравлическое сопротивление
спиральных теплообменников меньше сопротивления
многоходовых кожухотрубных.
Недостатки: сложность изготовления и ремонта
32

33. Спиральный теплообменник

33

34. Теплообменники с оребренными поверхностями теплообмена

Если коэффициент теплоотдачи для одного из
теплоносителей значительно ниже, чем для второго,
то поверхность теплообмена со стороны
теплоносителя с низким целесообразно увеличить
по сравнению с поверхностью теплообмена со
стороны другого теплоносителя.
Это достигается в теплообменниках с оребренными
поверхностями теплообмена
В таких аппаратах поверхность теплообмена имеет
на одной стороне различной формы ребра.
В трубчатых теплообменниках обычно используются
поперечные или продольные ребра.
34

35. Теплообменники с оребренными поверхностями теплообмена

1 - коробка; 2 - труба; 3 – ребра
При оребрении пластинчатых теплообменников
получаются так называемые пластинчаторебристые теплообменники.
35

36. Теплообменник с рубашкой

1 – корпус; 2 - рубашка
• Это аппараты периодического
действия, которые включают в себя
внутреннюю емкость для сбора и
хранения продукта, а также его
тепловой обработки.
• Передача теплоты происходит при
омывании внешних стенок корпуса
аппарата теплоносителем.
• Для лучшего теплообмена внутри
ёмкости помещают мешалку.
• Иногда вместо сплошной рубашки к
корпусу аппарата приваривают
змеевик.

37. Смесительные теплообменники

В смесительных теплообменниках передача тепла от
горячего теплоносителя к холодному теплоносителю
происходит путем их непосредственного
соприкосновения.
В смесительных теплообменниках, в которых
происходит соприкосновение газа и воды, наряду с
теплообменом протекает процесс массообмена,
заключающийся либо в испарении воды в газ, либо,
наоборот, — в конденсации влаги из газа.
Испарение воды (увлажнение газа) происходит при
соприкосновении с водой сравнительно сухого газа.
При соприкосновении же с водой газа с большим
содержанием водяных паров происходит
конденсация этих паров (осушка газа).
37

38. Смесительные теплообменники

Одним из основных факторов,
определяющих работу
смесительных аппаратов,
является поверхность
соприкосновения
теплоносителей, которая
должна быть возможно
большей.
Для получения значительной
поверхности соприкосновения в
аппарате либо помещается
насадка, либо устраиваются
полки, причем жидкость
постепенно перетекает с одной
полки на другую, либо жидкость
распыляется на мелкие капли.
38

39. 4 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут
быть проектными и поверочными.
Проектные (конструктивные) тепловые расчеты
выполняются при проектирований новых аппаратов
и целью расчета является определение поверхности
теплообмена.
Поверочные тепловые расчеты выполняются в
случае, если известна поверхность нагрева
теплообменного аппарата и требуется определить
количество переданного тепла и конечные
температуры рабочих жидкостей.
Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится
к совместному решению уравнений теплового
баланса и теплопередачи.
Эти два уравнения лежат в основе любого теплового
расчета.
39

40. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Уравнения теплового баланса и теплопередачи, будучи
едиными по существу, различны в деталях, в
зависимости от типа рассматриваемого теплообменника
(рекуперативный, регенеративный или, смесительный).
Уравнение теплового баланса.
Изменение энтальпии теплоносителя вследствие
теплообмена определяется соотношением
(1)
где G — расход массы, кг/сёк; i — удельная энтальпия, дж/кг.
Для конечных изменений энтальпии, если полагать, что
расход массы
(2)
40

41. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Здесь i' и i" — начальная и конечная энтальпии теплоносителя.
Если тепло первичного (горячего) теплоносителя воспринимается
вторичным (холодным), то уравнение теплового баланса без учета
потерь тепла запишется как
(3)
или для конечного изменения энтальпии
(4)
Здесь и в дальнейшем индекс 1 означает, что данная величина
относится к горячей жидкости, а индекс 2 к холодной.
Обозначение (') соответствует данной величине на входе в
теплообменник, (")—на выходе.
В тепловых расчетах пользуются понятием полной теплоемкости
массового расхода теплоносителя в единицу времени,
определяемой выражением
41

42. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В тепловых расчетах пользуются понятием полной
теплоемкости массового расхода теплоносителя в
единицу времени, определяемой выражением
C= G*CР, Вт/град
(5)
Величину C называют также водяным эквивалентом и
часто обозначают W.
Уравнение теплопередачи служит для определения
поверхности теплообмена
Q = k (t1 – t2) F , Вт
(6)
При конструктивном расчете теплообменных устройств,
тепловая производительность Q задается и требуется
определить величину поверхности теплообмена.
Для определения F из уравнения (6) требуется знать
величину коэффициента теплопередачи и средний
температурный напор.
42

43. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

При рассмотрении т/а с непрерывно изменяющейся
температурой теплоносителей следует различать аппараты: 1)
прямого тока;
2) противоточные;
3) перекрестного тока;
4) со сложным направлением движения теплоносителей.
а — прямоток; б - противоток; в — перекрестный ток;
г — смешанная схема; д — многократный перекрестный ток
43

44. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Характер изменения температур теплоносителей вдоль
поверхности будет определяться схемой движения и
соотношением теплоемкостей массовых расходов
теплоносителей С1 и С2 (водяных эквивалентов).
44

45. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Если усреднение температурного напора
проводится по всей поверхности теплообмена, то
формулу для определения среднего
температурного напора часто записывают в таком
виде:
где
tб
tб t м
t
tб
ln
tm
и
tб
- большая и меньшая разность температур
обоих теплоносителей
45

46. Благодарю за внимание

46