Конструкции наиболее распространенных типов рекуперативных ТОА - трубчатых, кожухотрубных, пластинчатых, спиральных, матричных. Их основные элементы и узлы

Лекция 2.

Классификация тепломассообменных процессов в ТОА

Типы взаимодействий между потоками

А. Теплообмен. Под теплообменом понимается взаимодействие между "■ средами, вызываемое существованием, между ними разницы температур. Такое взаимодействие является наиболее общим случаем для теплообменных аппара­тов, и ему уделено основное внимание в Справочнике.

Теплообмен между потоками теплоносителей обычно происходит без не­посредственного контакта между ними — между потоками размещается твердая разделяющая среда, например стенка металлической трубы или пластина, или даже упругая мембрана. Теплота передается от одного теплоносителя к другому через твердую среду. Вследствие этого часто возникают местные перегревы хо­лодного теплоносителя и чрезмерное охлаждение горячей жидкости. В некото­рых случаях это может также привести к изменению фазового состояния одно­го или обоих теплоносителей.

Основные процессы:

1. нагревание	3. испарение	5. выпаривание	7. плавление	9.ректификация	11. дистилляция
2. охлаждение	4. конденсация	6. сублимация	8. сушка	10.разделение

Основные процессы и их теплофизическая сущность, основные принципы расчета.

Введение.

2.1.1. Теплообменник «труба в трубе».

Теплообменник простейшего типа состоит из трубы, внутри которой расположена другая труба (рис. 2.1). Такое устройство может работать либо в режиме противотока, либо в режиме прямотока, когда горячая или холодная жидкость течет внутри кольцевого пространства, а другая жидкость течет во внутрен­ней трубе.

Рис. 2.1. Простой противоточный теплообменник типа «труба в трубе».

2.1.2. Теплообменник «кожухотрубный».

Наиболее распространенным типом теплообменника, который широко используется во всех отраслях промыш­ленности, является кожухотрубный теплообменник (рис. 2.2). В теплообменнике такого типа одна жидкость течет внутри труб, тогда как другая жидкость прокачивается в межтрубном пространстве внутри кожуха в поперечном направлении. При­чина выбора схемы движения потока жидкости поперек, а не вдоль труб заключается в том, что более высокие коэффициенты теплоотдачи достигаются при поперечном обтекании труб, а не при продольном обтекании труб. Для создания перекрестного обтекания труб в межтрубном пространстве внутри кожуха устанавливают перегородки (рис. 2.2). Эти перегородки установлены таким образом, что в каждой образованной ими секции поток обтекает трубы в поперечном направлении сначала в первой секции вниз, за­тем во второй секции вверх и т. д.

Кожухотрубчатый теплообменный аппарат состоит из кожуха и пучка труб, закрепленных в решетках для создания двух проточных каналов.

Первый канал находится в межтрубном пространстве и предназначен для нейтральных сред, а второй, полученный из проходного сечения труб, предна­значен для растворов и жидкостей, способных загрязнять внутренние поверхно­сти труб. Крышки распределительных камер и кожух, замыкающий межтрубное пространство, снабжены штуцерами для подвода и отвода теплоносителей.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты применяют для нагрева и охлаждения жидкостей и газов, а также для испарения и конденсации теплоно­сителей в различных технологических процессах.

В зависимости от устройства коллекторов, расположенных на двух концах теплообменника, можно обеспечить один или более ходов труб. В двухходовом аппарате входной коллектор разделен таким образом, что жидкость течет через половину труб в одном направлении, затем поворачивает и возвращается обратно через другую по­ловину труб к началу своего движения (рис. 2.2). Три или четыре хода труб можно получить путем установки дополнитель­ных перегородок внутри коллектора. В промышленных уста­новках применяются разнообразные типы перегородок, устанавливаемых в межтрубном пространстве, однако наиболее распространенным типом являются перегородки в виде дисков и колец (рис. 2.3,б).

Если сравнить с классификацией Сполдинга (п.E. Перекрестный ток с противотоком, часть 1, Раздел1.1, п.1.1.2.), то на рис.2.2. в в межтрубном пространстве имеется не один, а девять ходов из-за наличия 8-и сегментных перегородок.

Рис. 2.2. Кожухотрубный теплообменник с сегментными перегородками.
(в трубном пучке два хода, в межтрубном пространстве один девять ходов).

Рис. 2.3. Три типа перегородок, используемых в кожухотрубных теплообменниках.
а – перегородка с отверстиями; б – перегородка типа диск-кольцо; в – сегментная

2.1.3. Теплообменник «кожухотрубный» с перекрестным током.

При нагревании или охлаждении газа часто удобно использовать теплообменник с перекрестным током (рис. 2.4). В теплообменнике такого типа жидкость прокачивается внутри труб, тогда как газообразный теплоноситель продувается поперек трубного пучка. Течение внешнего теплоносителя может осуществляться путем вынужденной или свободной конвекции. В теплообменнике такого типа газ, проходящий поперек трубного пучка, рассматривается как смешивающийся, тогда как жидкость, протекающая внутри трубы, рассматривается как несмешивающаяся. Внешний поток газа считается смешиваю­щимся, поскольку он может почти свободно перемещаться в межтрубном пространстве в процессе переноса тепла, тогда как жидкость, протекающая внутри труб, не может смешиваться ни с каким другим потоком в процессе переноса тепла.

Другой тип теплообменника с перекрестным током, который широко используется в космической технике и для отопления жилых помещений, показан на рис. 2.5. В этом аппарате газовый поток, обтекающий оребренный трубный пучок, не смешивается, поскольку он протекает через отдельные каналы в процессе переноса тепла. Как показано на профиле температуры (рис. 2.5,а), когда теплоноситель не перемешивается, в нем существует градиент температуры как вдоль, так и поперек на­правления потока. С другой стороны, если теплоноситель хо­рошо перемешивается, его температура стремится выровняться в направлении, нормальном к движению потока, и поэтому в нем устанавливается градиент температуры только в направ­лении потока. При проектировании теплообменников важно определить, будут ли теплоносители перемешиваться и какие из них будут перемешиваться. Также важно выровнять темпера­турный напор путем достижения приблизительно одинаковых коэффициентов теплоотдачи снаружи и внутри труб. Если этого не сделать, одно из термических сопротивлений окажется слиш­ком высоким, что приведет к неоправданно высокому значению полного температурного напора для заданного теплового по­тока и соответственно к увеличению размеров теплообменного аппарата и, следовательно, к низким экономическим пока­зателям.

Кожухотрубный теплообменник (рис. 2.2) имеет на каждом конце фиксированные трубные доски, к которым приварива­ются или развальцовываются трубы. Теплообменник такой кон­струкции имеет самую низкую стоимость, но может использо­ваться лишь при малых разностях температур между горячим и холодным теплоносителями, поскольку в его конструкции не предусмотрены мероприятия по предотвращению термических напряжении, обусловленных неодинаковым расширением труб пучок нельзя извлечь из теплообменника для очистки поверх­ностей. Модифицированная конструкция теплообменника, не имеющая указанных недостатков, показана на рис. 2.6. В этом аппарате одна трубная доска жестко зафиксирована, а другая прикреплена болтами к плавающему коллектору, что позволяет трубному пучку перемещаться относительно кожуха. Плаваю­щая трубная доска зажата между плавающим коллектором и фланцем таким образом, что позволяет извлекать трубный пу­чок для очистки поверхностей. Теплообменник, показанный на рис. 2.5, имеет один ход в межтрубном пространстве и два хода труб.

Для некоторых специальных типов теплообменников, таких, как регенеративные теплообменники для авиационных и авто­мобильных газовых турбин, определяющими являются пока­затели плотности теплового потока на единицу веса или еди­ницу объема. Компактные легкие теплообменники для этих це­лей были использованы Кейсом и Лондоном [1]. Полное опи­сание и расчет компактных теплообменников, в особенности оребренных с целью увеличения эффективности таких устройств, можно найти в работах [2—4].