Элементы методики расчета теплообменных аппаратов

Классификация теплообменных аппаратов

Теплоиспользующие аппараты, применяемые в пищевых производст­вах для проведения теплообменных процессов, называются теплообменни­ками. Теплообменники отличаются разнообразием конструкций, которое объясняется назначением аппаратов, условиями проведения процессов.

По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные (градирни, скрубберы, конденсаторы смешения и т.д.).

В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменниках одна и та же теплообменная поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносите­лями. При омывании поверхности горячим.теплоносителем она нагре­вается за счет его теплоты, при омывании поверхности холодным теп­лоносителем она охлаждается.

Таким образом, теплообменная поверхность аккумулирует теплоту горячего теплоносителя, а затем отдает ее холодному теплоносителю.

В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непо­средственном взаимодействии теплоносителей.

Рекуперативные теплообмен­ники в зависимости от конструкции разделяются на кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», змеевиковые, пластинчатые, спиральные, ороси­тельные и аппараты с рубашками. Особую группу составляют трубчатые выпарные аппараты. Кожухотрубча­тые теплообменники являются наи­более широко распространенной кон­струкцией в пищевых производствах. Кожухотрубчатый вертикаль­ный одноходовой теплообменник с неподвижными трубчатыми решет­ками состоит из цилиндрического корпуса, который с двух сторон ог­раничен приваренными к нему труб­чатыми решетками с закрепленными в них греющими трубами. Пучок труб делит весь объем корпуса теп­лообменника на трубчатое простран­ство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубчатое. К корпусу

присоединены с помощью болтового соединения два днища Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки. Один поток теплоносителя, например жидкость, направляется в трубчатое простран­ство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубчатоё пространство теплообменника, омывает снаружи грею­щие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок. Те­плообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб.

Теплообменники типа «труба в трубе» состоят из ряда наружных труб большего диаметра и расположенных внутри них труб меньшего диаметра. Внутренние и внешние трубы элементов соединены друг с другом последовательно с помощью колен и патрубков. Один из тепло­носителей движется по внутренней трубе, а другой - по кольцевому ка­налу, образованному внутренней и внешней трубами. Теплообмен осу­ществляется через стенку внутренней трубы.

В этих теплообменниках достигаются высокие скорости теплоноси­телей как в трубах, так и в межтрубчатом пространстве. При необходи­мости создания больших площадей поверхностей теплопередачи тепло­обменник составляют из нескольких секций, получая батарею.

Холодная жидкость

а

t

Горячая Нагретая жидкость /ни о кость Д

Теплообменник типа «труба в трубе»: / — наружная труеа; 2 — внутренняя труба,.3 — колено 4 — патрубок; /, // — теплоносители

Достоинствами теплообменников «труба в трубе» являются высо­кий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления.

Недостатки этих теплообменников заключаются в громоздкости, вы­сокой металлоемкости, трудности очистки межтрубчатого пространства.

Теплообменники «труба в трубе» применяются при небольших рас­ходах теплоносителей для теплообмена между двумя жидкостями и ме­жду жидкостью и конденсирующимся паром.

Погружные змеевиковые теплообменники представляют собой трубу, согнутую в виде змеевика и погруженную в аппарат с жидкой средой. Теплоноситель движется внутри змеевика. Змеевиковые тепло­обменники изготавливаются с плоским змеевиком или со змеевиком, со­гнутым по винтовой линии.

Погружной теплообменник: / — змеевик;.? — корпус

j 3 желоб

Достоинством змеевиковых теплообменников является простота из­готовления. В то же время такие теплообменники громоздки и трудно поддаются очистке. Погружные теплообменники применяются для ох­лаждения и нагрева конденсата, а также для конденсации паров.

Оросительные теплообменники применяются для охлаждения
жидкостей, газов и конденсации паров. Состоят они из нескольких рас­
положенных одна над другой труб, соединенных коленами. По трубам
газ протекает охлаждаемый теплоноситель. Охлаж-

дающая вода поступает в распределительный желоб с зубчатыми краями, из которого равно­мерно перетекает на верхнюю трубу теплооб- "> менника и на расположенные ниже трубы. Часть охлаждающей воды испаряется с поверхности труб. Под нижней трубой находится желоб для сбора воды. Коэффициент теплопередачи в та­ких теплообменниках невелик. Оросительные теплообменники просты по устройству, но ме­таллоемки. Обычно они устанавливаются на от­крытом воздухе.

Пластинчатые теплообменники монти­руются на раме, состоящей из верхнего и ниж­него несущих брусов, которые соединяют стой- у5 ку с неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной пли­тами располагается пакет стальных штампован-лируюшнм зернистым «атерк- ных гофрированных пластин, в которых имеют-ft ТТГШЩ.ИШШЦ „ой ^{ся каналы} Для прохода теплоносителей. Уплот-•ei ммор; 4 гаэмувк.: i - нение пластин достигается с помощью заглуб-

тнмягграмсмртная линии; К —

рапрыматсйь гам; 7 - -«вара- ленных прокладок, которые могут выдерживать

тор

высокие рабочие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия.

Регенеративные теплообменники состоят из двух секций, в одной из которых теплота передается от теплоносителя промежуточному мате­риалу, в другой - от промежуточного материала технологическому газу. Примером регенеративной теплообменной установки является установ­ка непрерывного действия с циркулирующим зернистым материалом, который выполняет функцию переносчика теплоты от горячих топоч­ных газов к холодным технологическим. Установка состоит из двух теп­лообменников, каждый из которых представляет собой шахту с движу­щимся сверху вниз сплошным потоком зернистого материала. В нижней части каждого теплообменника имеется газораспределительное устрой­ство для равномерного распределения газов по сечению теплообменни­ка. Выгрузка зернистого материала из теплообменника происходит не­прерывно с помощью шлюзового затвора. Охлажденный зернистый ма­териал из второго теплообменника поступает в пневмотранспортную линию, по которой воздухом подается в бункер-сепаратор, где частицы осаждаются и вновь поступают в первый теплообменник.

Диаметр корпуса цилиндрического кожухотрубного теплообменника D=(l,3..A,5)(b-l)d„+4d_n, где b - число труб, расположенных по диагонали наибольшего шести­угольника; Ь=2а-\ (здесь а - количество труб, расположенных по стороне наибольшего шестиугольника); d_H- наружный диаметр трубы.

Общее количество и длина труб в теплообменнике

п=Ъа(а-\)+\. Длина труб в при известном диаметре определяется в зависимости от площади поверхности теплообмена:

L=F/(nd_ipn).

Расход греющего пара

D=Q/(i"-V), где Q - количество теплоты, переданной потребителям; /"/'-энтальпия пара и конденсата соответственно.

Гидравлическое сопротивление теплообменника AP=(Wd+Z,E)V²p/2, где Я - коэффициент трения; / - длина трубы; d - диаметр трубы;

£е' - сумма коэффициентов местных сопротивлений; V- скорость среды; р - плотность среды.