Теплообменные аппараты Лекция 8

Теплообменные аппараты – это устройства, в которых теплота передается от одной среды к другой. Для пищевых производств характерно то, что одной из сред часто является обрабатываемый пищевой продукт. В качестве другой среды при нагреве применяются различные теплоносители (водяной пар, горячая вода или воздух, продукты сгорания топлива, органические жидкости и др.). В ряде случаев теплота сообщается продукту при контакте с твердыми телами или генерируется непосредственно в продукте. При охлаждении продуктов применяются хладоносители (холодная вода, растворы солей, охлажденный воздух, другие жидкости и газы).

1. Классификация теплообменных аппаратов Теплообменные аппараты весьма разнообразны по типам, конструкции, условиям теплообмена и другим признакам. Их принято разделять на четыре группы: ; - рекуперативные теплообменные аппараты ; - - регенеративные теплообменные аппараты ; - смесительные (контактные) теплообменные ; аппараты ; - теплообменные аппараты с внутренними источниками теплоты.

Рекуперативные теплообменные аппараты. В них теплота передается от одной среды к другой через твердую разделительную стенку, то есть, реализуется процесс теплопередачи. Рекуперативные теплообменные аппараты весьма разнообразны по конструкции и находят очень широкое применение в различных отраслях.

Регенеративные теплообменные аппараты. В них одна и та же поверхность поочередно омывается то горячей, то холодной средой. В первый период поверхность аккумулирует теплоту, во второй – отдает ее холодной среде. Аппараты этой группы применяются значительно реже, например, в металлургическом производстве – воздухонагреватели доменных и мартеновских печей, а также в коксовальном, стеклоплавильном и других производствах. Для первых двух типов теплообменных аппаратов характерно наличие некоторой твердой поверхности, посредством которой осуществляется теплообмен между средами. Поэтому они имеют общее название – поверхностные.

Смесительные (контактные) теплообменные аппараты. В данном случае теплота передается при непосредственном соприкосновении горячей и холодной сред (среды смешиваются). Нередко одна из сред (фаз) может находиться в раздробленном состоянии внутри другой (в виде пузырей, капель, взвешенных твердых частиц). Это позволяет существенно интенсифицировать теплообмен за счет увеличения поверхности контакта фаз.

Теплообменные аппараты с внутренними источниками теплоты. В этом случае нагреваемая среда находится в тепловом взаимодействии с твердым телом (телами), внутри которого (которых) действуют внутренние источники теплоты, благодаря чему среда нагревается. Внутренние источники теплоты могут быть вызваны прохождением электрического тока, химическими реакциями, внутриатомными процессами. В некоторых случаях источники теплоты могут действовать непосредственно внутри нагреваемой среды (продукта), например, благодаря прямому действию на продукт электромагнитного поля (сверхвысокочастотный или инфракрасный нагрев), действию электрического тока (электроконтактный нагрев) и др.

2. Рекуперативные теплообменные аппараты Существуют следующие типы рекуперативных теплообменных аппаратов: – кожухотрубные; – элементные; – с рубашками; – погружные (змеевиковые); – пластинчатые; – с оребренными поверхностями; – спиральные; – оросительные.

Кожухотрубные теплообменные аппараты представляют собой цилиндрический корпус (кожух), внутри которого в трубных решетках размещается пучок труб. В межтрубном пространстве движется одна среда, внутри труб – другая. Поверхность труб разделяет среды и образует поверхность теплообмена. Подача и отвод среды из межтрубного пространства осуществляется через патрубки на цилиндрическом кожухе. Подача среды в трубы и отвод ее из труб осуществляется через патрубки в верхней и нижней крышке аппарата. Кожухотрубные аппараты могут быть одно- и многоходовые. В одноходовых аппаратах среда проходит параллельно по всем трубам пучка и покидает аппарат. В многоходовых аппаратах пучок труб разделен на отдельные секции перегородками, расположенными между крышками и трубными решетками. Таким образом, среда последовательно проходит отдельные секции, совершая несколько ходов во взаимно противоположных направлениях. Для этой же цели могут применяться U-образные трубы.

В межтрубном пространстве кожухотрубных аппаратов могут быть установлены перегородки, благодаря которым движущаяся там среда многократно меняет направление движения. Это в конечном счете улучшает условия теплообмена. Кожухотрубные аппараты компактны (имеют большую поверхность теплообмена при сравнительно малом объеме), относительно просты в изготовлении, допускают высокое давление внутри труб. Они находят широкое распространение в различных областях, включая пищевые производства.

Элементные теплообменные аппараты состоят из отдельных одинаковых элементов соединяемых последовательно или параллельно. Изменяя кол-во элементов, можно изменять поверхность теплообмена. Наиболее распространенными среди элементных теплообменных аппаратов являются аппараты типа «труба в трубе». Элемент такого теплообменного аппарата представляет собой трубу меньшего диаметра, находящуюся в трубе большего диаметра. Внутри трубы меньшего диаметра и в межтрубном пространстве движутся соответствующие среды. Поверхность трубы меньшего диаметра образует поверхность теплообмена. Достоинствами таких аппаратов являются простота конструкции, возможность создания высоких давлений обеих сред; недостатком – громоздкость (значительные размеры и масса при относительно малой поверхности теплообмена).

Теплообменные аппараты с рубашками. Рабочая камера таких аппаратов окружена оболочкой (рубашкой) таким образом, что между стенками рабочей камеры и рубашкой образуется замкнутое пространство. В это пространство подается тепло- или хладоноситель. Стенки рабочей камеры играют роль поверхности теплообмена. Небольшая скорость движения тепло- или хладоносителя в рубашке ухудшает теплообмен. Улучшить ситуацию можно применением высокоинтенсивных процессов теплообмена (кипение, конденсация) и соответствующих веществ в качестве тепло- и хладоносителей (водяной пар, вода). Для интенсификации теплообмена внутри рабочей камеры могут применяться различные перемешивающие устройства. Аппараты просты в конструктивном отношении, но имеют сравнительно малую поверхность теплообмена по отношению к занимаемому объему.

Погружные (змеевиковые) теплообменные аппараты представляют собой рабочую камеру с погруженным в нее змеевиком, внутри которого движется тепло- или хладоноситель. Аппараты конструктивно просты, допускают высокое давление внутри змеевика, но имеют сравнительно малую поверхность теплообмена по отношению к занимаемому объему.

Пластинчатые теплообменные аппараты собираются из большого количества прямоугольных пластин, плотно прижимаемых друг к другу. По периметру пластин имеются уплотнения, а форма пластин такова, что между соседними пластинами образуются каналы. Движение сред в этих каналах организовано так, что с противоположных сторон каждой пластины движутся разные среды. Таким образом, поверхность каждой пластины является теплообменной поверхностью, а суммарная поверхность теплообмена равна поверхности всех пластин. Пластинчатые аппараты очень компактны (в малом объеме сосредоточена большая поверхность теплообмена), требуют минимального расхода металла при изготовлении.

Спиральные теплообменные аппараты состоят из двух листов, свернутых в виде спирали и образующих два смежных, спиральных, прямоугольных в поперечном сечении канала, по которым движутся среды. Поверхность теплообмена в данном случае образована поверхностью спиральных листов. Так же, как и пластинчатые, эти аппараты компактны и обладают низкой металлоемкостью. Их применяют для нагрева или охлаждения жидкостей и газов, а также для конденсации паров в различных технологических процессах.

Аппараты с оребренными поверхностями используются в тех случаях, когда интенсивность теплообмена с разных сторон теплообменной поверхности неодинакова. Например: с одной стороны жидкость, с другой – газ (воздух). В этом случае теплоотдача к газу вялая, малоинтенсивная. Термическое сопротивление теплопередаче сосредоточено со стороны газа. Оребрение увеличивает поверхность теплообмена со стороны газа, благодаря чему снижается соответствующее термическое сопротивление. Интенсивность теплообмена возрастает. Для этой же цели применяют принудительное движение газа (воздуха) с помощью вентиляторов.

Оросительные теплообменные аппараты представляют собой ряд горизонтальных труб, расположенных одна над другой и последовательно соединенных между собой. Из расположенного сверху оросительного устройства на верхнюю трубу подается жидкость (вода), которая стекает на трубы, расположенные ниже. Внутри труб движется охлаждаемая или нагреваемая среда. В этих аппаратах снижен расход охлаждающей воды за счет ее частичного испарения, они просты, но громоздки и чувствительны к температуре окружающей среды. Применяются для охлаждения агрессивных и термолабильных жидкостей.

3. Основы расчета рекуперативных теплообменных аппаратов В основе теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов лежат уравнения теплового баланса и теплопередачи. Если пренебречь тепловыми потерями в окружающую среду, то сущность уравнения теплового баланса можно сформулировать так: количество теплоты, отданное горячей средой, равно количеству теплоты, воспринятому холодной средой. Если осуществляется стационарный процесс, то вместо количеств теплоты можно использовать тепловые потоки, которые в данном случае не меняются с течением времени.

Тепловые потоки (Q) могут быть выражены через характеристики сред: массовые расходы – m ; удельные теплоемкости – c ; конечные и начальные температуры – t. Q = m 1 * c 1 * ( t H1 – t K1 ) Q = m 2 * c 2 * ( t K2 – t H2 ) Индекс «1» относится к горячей, «2» к холодной среде. Уравнение теплопередачи позволяет выразить тепловой поток через параметры теплопередачи: поверхность теплообмена – S ; коэффициент теплопередачи – k ; средний температурный напор (средняя разность температур между средами) – Δt. Q = k * S * Δt

Различают проектный и проверочный расчеты теплообменных аппаратов. Проектный расчет проводится для вновь создаваемых аппаратов. Его цель – определить поверхность теплообмена и другие конструктивные характеристики теплообменного аппарата. Проверочный расчет проводится для уже имеющихся аппаратов. Его цель – проверка возможности использования теплообменного аппарата в конкретных условиях для передачи заданного количества теплоты. Основные расчетные уравнения и в проектном и проверочном расчетах сохраняются. Отличия состоят лишь в последовательности (алгоритме) расчета.

Коэффициент теплопередачи может изменяться вдоль поверхности теплообмена. Однако во многих случаях можно принять допущение о его постоянстве или, по крайней мере, о постоянстве коэффициента теплопередачи на отдельных участках аппарата и использовать его среднее значение – k ср : ( k i * S i ) k cp =, S где k i – коэффициенты теплопередачи на отдельных участках аппарата с поверхностями теплообмена S i.

Средний температурный напор можно вычислить по известным начальным и конечным температурам сред: t max - t min t = n ( t max / t min ) Сюда входят максимальная и минимальная разности температур сред, которые имеют место на входе и выходе из теплообменного аппарата и вычисляются по начальным и конечным температурам сред. Рассчитанный таким образом температурный напор называется среднелогарифмическим.

Если соотношение между максимальной и минимальной разностями температур сред невелико (меньше двух), то температурный напор можно приближенно рассчитать как среднеарифметическое максимальной и минимальной разности температур. Расчет максимальной и минимальной разности температур зависит от схемы движения сред в теплообменном аппарате и соотношения их теплоемкостей. Наиболее распространенными схемами движения являются противоток (среды движутся в противоположных направлениях) и прямоток (среды движутся в одном направлении). В случае прямотока максимальная разность температур всегда на входе сред в аппарат, минимальная – на выходе. В случае противотока максимальная разность температур наблюдается со стороны входа среды с меньшей теплоемкостью, а минимальная разность температур – с противоположной стороны. Под теплоемкостью в данном случае понимается произведение соответствующей удельной теплоемкости и массового расхода среды.

Помимо прямотока и противотока, бывают перекрестный ток (среды движутся во взаимно перпендикулярных направлениях) и смешанный ток (комбинация прямотока, противотока, перекрестного тока). В этих случаях, в зависимости от конкретной схемы движения сред, в расчет среднего температурного напора ( Δt` ) вводится соответствующая поправка ε Δt : Δt` = Δt * ε Δt Величина поправки определяется с помощью соответствующих графиков.

Сравнение прямотока и противотока показывает, что во многих случаях противоток эффективнее. Применение противотока позволяет передать большее количество теплоты, чем при прямотоке. Исключение составляют те случаи, когда температура одной из сред изменяется незначительно по сравнению с температурой другой среды (теплоемкость одной среды много больше другой), а также когда изменение температуры одной из сред много меньше среднего температурного напора. В этих случаях противоток и прямоток равноценны.

В реальных теплообменных аппаратах имеют место потери теплоты в окружающую среду. Это приводит к тому, что температура горячей среды снижается несколько больше, а температура холодной среды повышается несколько меньше, чем при отсутствии потерь. Внешне, формально, это воспринимается как некоторое снижение теплоемкости горячей и некоторое повышение теплоемкости холодной среды. То есть, корректируя значения теплоемкостей сред, можно учесть потери теплоты. Если потери теплоты составляют р% от общего количества теплоты, то можно воспользоваться следующими расчетными теплоемкостями: C 1 ` = C 1 * ( 1 - p / 100 ) C 2 ` = C 2 * ( 1 - p / 100 )

Здесь, как и ранее, индексы «1» и «2» относятся соответственно к горячей и холодной средам, а под теплоемкостями понимается произведение массовых расходов на соответствующие удельные теплоемкости. Помимо теплового расчета теплообменных аппаратов, проводится конструкторский и гидравлический расчеты. Целью конструкторского расчета является определение основных размеров теплообменного аппарата (длины труб, диаметра, высоты и др.). Целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений трубопроводов и каналов аппарата.

4. Регенеративные теплообменные аппараты Регенеративные теплообменные аппараты применяются в доменном, мартеновском, коксовальном, стеклоплавильном и других производствах. Здесь имеет место высокая температура уходящих газов, полученных при сгорании топлива, и требуется нагрев воздуха до высокой температуры. В качестве аккумулирующей теплоту поверхности (насадки) применяют силикатный или топочный кирпич, а сама насадка имеет специальные каналы, расположенные в коридорном или шахматном порядке. В качестве насадки могут применяться и металлические листы.

В регенеративных теплообменных аппаратах имеет место сложная зависимость температуры поверхности и газов как по длине поверхности, так и по времени. Точный расчет в этом случае довольно сложен. Для облегчения расчета вводится понятие среднего за цикл температурного напора Δt = t 1 – t 2, и коэффициента теплопередачи k = [ 1/ ( 1 * 1 ) + 1/ ( 1 * 1 ) ] -1 ε k Дж/(м 2 К),

где t 1 и t 2 – средние за цикл температуры теплоносителей; α 1 и α 2 – коэффициенты теплоотдачи от горячей среды к стенке и к холодной среде от стенки соответственно; 1 и 2 – длительности теплообмена между горячей средой и насадкой и холодной средой и насадкой соответственно; ε k – поправочный коэффициент, учитывающий, что средние температуры насадки за периоды нагрева и охлаждения не равны между собой (если ε k равно 1, то регенеративный аппарат называется идеальным; для практических расчетов можно принимать ε k, равным 0,8).

Введя понятие средних значений за цикл температурного напора и коэффициента теплопередачи, можно определить количество теплоты, переданной за цикл от горячей среды к холодной: Q = k * Δt (Дж/м 2 ). При движении газов в коридорной насадке коэффициент теплоотдачи можно определить по формуле: w 0,8 α = 8,8, d 0,33 где w – скорость газа в каналах; d – диаметр канала.

5. Смесительные (контактные) теплообменные аппараты Смесительные теплообменные аппараты применяются в металлургической, химической, пищевой и других отраслях промышленности. В этих аппаратах осуществляется нагрев и охлаждение жидкостей, газов, а также твердых тел при непосредственном контакте.

Важные преимущества смесительных теплообменных аппаратов по сравнению с поверхностными – это высокая интенсивность теплообмена, повышение температурного уровня технологических процессов, простота конструкции, снижение металлоемкости, коррозионного износа, отсутствие отложений (загрязнений) на поверхности теплообмена. Существенным недостатком смесительных аппаратов является возможность загрязнения одной среды другой при смешивании.

Среды в смесительных аппаратах взаимодействуют через границу раздела фаз, которая должна быть возможно более развитой. Для увеличения поверхности контакта используют насадки, перегородки, тарелки, распылители жидкости и другие устройства. Во многих случаях поверхность раздела между средами можно выделить лишь условно ввиду сложности гидродинамической обстановки. Иногда сделать это просто невозможно, например, при взаимодействии однородных сред (нагрев холодной воды горячей водой).

Смесительные теплообменные аппараты очень разнообразны. Они классифицируются по различным признакам. Одним из наиболее распространенных признаков классификации является число и тип взаимодействующих фаз. В соответствии с этим признаком различают следующие аппараты: 1) двухфазные: газ (пар) – жидкость; жидкость – жидкость; газ (пар) – твердые частицы; жидкость – твердые частицы; твердые частицы – твердые частицы; 2) трехфазные: газ (пар) – жидкость – твердые частицы.

Среди других признаков классификации можно выделить следующие: - число ступеней контакта; - организация процесса; - принцип образования межфазной поверхности; - взаимное направление потоков сред; - конструктивный признак; - изменение параметров по объему аппарата или с течением времени и др.

Процессы теплообмена в смесительных аппаратах очень сложны с точки зрения их математического описания. Причины этого: сложная гидродинамическая обстановка, возникающая при смешивании сред; осложнение теплообмена массообменом (например, при фазовых превращениях – испарение жидкости в газовую фазу или конденсация пара, каплеобразование и переход капель в жидкость и др.). Ввиду разнообразия смесительных аппаратов, а также сложности протекающих в них процессов невозможно говорить о некоторой общей математической модели и методике их расчета. Методы расчета этих аппаратов весьма разнообразны. При этом довольно часто они основываются на экспериментальных исследованиях, характерных для условий работы того или иного аппарата. Экспериментальные данные в этом случае, как правило, обобщаются методами теории подобия.

6. Теплообменные аппараты с внутренними источниками теплоты Теплообменные аппараты с внутренними источниками теплоты очень разнообразны. Вопрос об их классификации представляется дискуссионным. Можно предложить следующий вариант: – теплообменные аппараты, в которых продукт (текучая среда или иная фаза) контактирует с твердым телом (электронагревателем), внутри которого происходит выделение теплоты;

– теплообменные аппараты с электронагревателем, взаимодействующим с некоторым промежуточным теплоносителем, который затем прямо (при непосредственном контакте с продуктом) или косвенно (через твердую стенку) передает теплоту продукту; – теплообменные аппараты, в которых теплота выделяется непосредственно в продукте (прямое воздействие электромагнитного поля сверхвысокочастотного или инфракрасного диапазона на продукт, прохождение электрического тока через продукт). В данном случае существенно интенсифицируется процесс нагрева продукта; – аппараты, в которых продукт подвергается комбинированному воздействию. С одной стороны, теплота выделяется непосредственно в продукте вследствие поглощения им электромагнитной энергии, с другой продукт соприкасается с горячей средой или твердыми телами, находящимися внутри рабочей камеры.

Как следует из предложенной классификации, процессы в теплообменных аппаратах данного типа весьма сложны и разнообразны. Естественно, что и методы расчета таких аппаратов должны быть не менее разнообразны, то есть не приходится говорить о некоторой общей методике их расчета. В данном случае может идти речь лишь о некоторых общих принципах или задачах расчета: -составление энергетического (теплового) баланса; -исследование кинетических закономерностей; -поиск ограничений, связанных с технологическими требованиями и недопустимыми температурными режимами.