5  Теплообменная аппаратура

 

          Теплообменные аппараты предназначены для нагревания, охлаждения, испарения, конденсации технологических сред. Большинство процессов химической технологии связано с необходимостью подвода или отвода тепла, поэтому теплообменная аппаратура составляет 15-18% парка оборудования предприятий химической промышленности.

          Теплообменные аппараты классифицируют по следующим признакам:

          1.По конструкции теплообменной поверхности: изготовленные из труб (кожухотрубчатые, "труба в трубе", оросительные, погружные змеевиковые, воздушного охлаждения); изготовленные из листового материала (пластинчатые, спиральные, сотовые); изготовленные из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла);

          2.По назначению: подогреватели, холодильники, испарители, конденсаторы;

          3.По направлению движения теплоносителей:  прямоточные, противоточные, перекрестного тока.

          Общие рекомендации по выбору конструкции теплообменника и схемы движения теплоносителей:

          - при высоких давлениях теплоносителей предпочтительнее кожухотрубчатые теплообменники, причем в трубное пространство направляется теплоноситель с более высоким давлением;

          - коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках следует направлять по трубам, т.к. легче заменить трубу, чем корпус;

          - загрязненный, дающий отложения теплоноситель следует направлять с той стороны поверхности теплообмена, которая более доступна для очистки (в змеевиках - наружная, в кожухотрубчатых - внутренняя);

          - для улучшения теплообмена при неизменном агрегатном состоянии теплоносителей целесообразно увеличивать скорость того из них, которому соответствует меньший коэффициент теплоотдачи;

          - при конденсации паров необходимо обеспечивать хороший отвод конденсата с теплообменной поверхности.

 

          5.1  Основные закономерности процесса теплопередачи

    

          В подавляющем большинстве теплообменных аппаратов тепло передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку конвекцией и теплопроводностью (рекуперативные теплообменники). Количество тепла, передаваемого в единицу времени (тепловая нагрузка аппарата) определяется из уравнения теплового баланса: Q = Q₁×h_п = Q₂, где  h_п - коэффициент полезного использования тепла в аппарате; Q₁, Q₂ (Вт) - количество тепла, отдаваемого одним теплоносителем и воспринимаемого другим (без учета потерь тепла или холода в окружающую среду через поверхность аппарата, коммуникации и крепления). При неизменном агрегатном состоянии теплоносителя Q_j = G_j×c_j×(t_jб - t_jм), а при его изменении (кипение, испарение) Q_j = G_j× (i_jп - i_jк),  jÎ(1,2). Здесь G_j - расход теплоносителя (кг/с), t_jб ,t_jм - его большая и меньшая температуры (^оС), c_j - его удельная теплоемкость (Дж/(кг*К)) при средней температуре, i_jп ,i_jк - теплосодержание пара  и конденсата (Дж/кг) при температуре кипения (конденсации).

          Поверхность теплообмена, необходимая для обеспечения тепловой нагрузки Q, определяется по формуле: F = Q /(K*Dt_ср), где K - усредненный коэффициент теплопередачи (Вт/(м²*К)),  Dt_ср - средняя разность температур теплоносителей.  При их прямоточном и противоточном движении  Dt_ср = (Dt_б - Dt_м)/ln(Dt_б/Dt_м), где  Dt_б, Dt_м - большая и меньшая разность температур теплоносителей на противоположных концах теплообменной поверхности. При смешанном и перекрестном движении полученное таким образом значение Dt_ср умножается на поправочный коэффициент e_t, значение которого определяется по эмпирическим графическим зависимостям.

 

Для плоской  стенки и труб при отношении их наружного диаметра к внутреннему d_н/d £ 2 коэффициент теплопередачи определяется по формуле K=(1/a₁ + SR_i +1/a₂)^-1,

где a₁, a₂ - коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному (Вт/(м²*K)), SR_i  - сумма термических сопротивлений разделяющей стенки, куда входят сопротивления ее слоев  d_{ст i}  / l_{ст i} и слоев загрязнений R_{з i} = d_{з i}  / l_{з i} с обеих сторон стенки (м²×K/Вт). Здесь  d_{ст i}, d_{з i} - толщина i - го слоя стенки и загрязнения (м),

l_{ст i}, l_{з i} - коэффициенты теплопроводности их материалов (Вт/(м*К)). Значения d_{з i}, l_{з i} обычно неизвестны, поэтому значения R_{з i} либо берутся из справочников, либо их нали-

чие учитывается умножением значения K, рассчитанного без учета загрязнений, на коэффициент j (для аппаратов, не требующих частой очистки j=0.7¸0.8; при активном выпадении осадков из теплоносителей j=0.4 ¸0.5).

          Значения коэффициентов теплоотдачи a₁, a₂ определяются из критериальных уравнений, форма которых в каждом конкретном случае зависит от условий теплоотдачи. В эти уравнения чаще всего входят следующие критерии: Нуссельта Nu = a×l/ l, где

l - определяющий геометрический размер (м), l - коэффициент теплопроводности теплоносителя (Вт/(м*K)); Рейнольдса Re = w×l×r/m, где w - скорость течения теплоносителя (м/с), r (кг/м³), m (Па×с) - его плотность и динамическая вязкость; Прандтля Pr = m×c/ l;

Грасгофа Gr = g×l³×b×Dt/n², где b - температурный коэффициент объемного расширения теплоносителя (1/K), Dt - разность его температур у стенки и в ядре потока, n - кинематическая вязкость (м²/с).

          Наиболее часто используемые формы уравнения теплоотдачи:

          1.Теплоотдача при свободном движении теплоносителя (охлаждение кожухов аппаратов, трубопроводов окружающим воздухом):

                                                        Nu = А×(Gr×Pr)ⁿ,

где  при Gr×Pr < 500                 А = 1.18,   n = 0.125;

       при 500 £ Gr×Pr < 2×10⁷      А = 0.54,   n = 0.25;

       при Gr×Pr > 2×10⁷                А = 0.135, n = 0.33.

Определяющая температура - средняя температура пограничного слоя t = (t_ст + t_ср)/2, где t_ст, t_ср - температура стенки и средняя температура теплоносителя. Определяющий размер - диаметр трубы или высота стенки. В этом случае необходим учет лучистой составляющей теплового потока, характеризуемый коэффициентом теплоотдачи лучеиспусканием

                                   a_л = 5.67×10^-8×e×j×(T_ст⁴ - T_ср⁴)/( t_ст - t_ср),

где e - степень черноты поверхности (для масляной краски, окисленной стали

e = 0.75¸0.9), j - коэффициент, зависящий от геометрии поверхности и условий лучеиспускания, T_ст, T_ср - абсолютные температуры. Общий коэффициент теплоотдачи a_о = a + a_л.

          2.Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя в трубах и каналах (при отношении длины канала к его эквивалентному диаметру l/d_э > 50):

турбулентный режим - Nu = 0.021×Re^0.8×Pr^0.43×(Pr/Pr_ст)^0.25 (Re >10000);

переходный режим - Nu = 0.08×Re^0.9×Pr^0.43×(Pr/Pr_ст)^0.25 (Re = 2300¸10000);

ламинарный режим - Nu = 0.17×Re^0.33×Pr^0.43×Gr^0.1×(Pr/Pr_ст)^0.25 (Re < 2300).

Определяющие параметры - t_ср и d_э = 4×S/P, где S, P - площадь поперечного сечения и пе-риметр канала. При движении теплоносителя в изогнутых трубах (в змеевике) дополнительная турбулизация потока учитывается умножением правых частей уравнений на коэффициент e_R = 1+3.54×d_н/D, где d_н, D - наружный диаметр трубы и диаметр ее навивки.

          3.Теплоотдача при поперечном (строго перпендикулярном) омывании теплоносителем пучка труб:

          при Re >1000 - Nu = А×Reⁿ×Pr^0.33×(Pr/Pr_ст)^0.25, где А = 0.23, n = 0.65 для шахматного расположения труб, А = 0.41, n = 0.6 - для коридорного; 

         при Re <1000 - Nu = 0.59×Re^0.47×Pr^0.33×(Pr/Pr_ст)^0.25.

          При расчете теплоотдачи в реальных кожухотрубчатых теплообменниках с перегородками в межтрубном пространстве правые части этих уравнений умножаются на коэффициент изменения угла атаки e_f  ~ 0.6. Определяющие параметры - t_ср, d_н, скорость в самом узком сечении пучка.

          4.Теплоотдача при пленочной конденсации паров. В этом случае значение коэффициента теплоотдачи определяется по формуле , где r - теплота конденсации пара при заданном  давлении (Дж/кг);  r_к, l_к, m_к - плотность, коэффициент теплопроводности и динамическая вязкость конденсата при температуре конденсации t_к; Dt_к = t_к - t_ст; l - определяющий размер. Для вертикального трубчатого конденсатора  l = H (высота труб), С = 1.15; для горизонтального при подаче пара в межтрубное пространство l = d_н, С = 0.72.

          5.Теплоотдача при кипении жидкостей:

          при вынужденном движении жидкости в трубах a = b³×l²× Dt_кип² /(n×s×T_кип), где

b = 0.075 + 0.75×[r_п/(r_ж - r_п)],  r_ж, r_п - плотности жидкости и пара;  Dt_кип = t_ст - t_кип, t_кип- температура кипения жидкости при заданном давлении; T_кип = t_кип + 273^оС;  n, s - кинематическая вязкость и коэффициент поверхностного натяжения жидкости (Н/м);

          при пузырьковом кипении на наружной поверхности пучков труб a=600×j×p^1.33×Dt_кип^2.33,  где j - экспериментально определяемый коэффициент (для воды j=1), р - давление в аппарате (МПа).

          Расчет теплоотдачи для случая однослойной стенки сводится к решению системы, содержащей уравнения теплоотдачи (по обеим сторонам стенки) и уравнения теплового баланса: a₁×(t₁ - t_ст1) = a₂×(t_ст2 - t₂),

                a₁×(t₁ - t_ст1)  [или a₂×(t_ст2 - t₂)] = (t_ст1 - t_ст2)×l_ст/d_ст,

где t_ст1, t_ст2, t₁, t₂ - температуры стенки со стороны теплоносителей и средние температуры теплоносителей. Система дополняется соответствующими критериальными уравнениями. Решение этой системы - значения a₁,a₂, t_ст1, t_ст2.

            Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи, Вт/(м²*K):

-           турбулентное течение воды в трубах               1000     - 5500

-           турбулентное течение воды снаружи труб        3000     - 10000

-           турбулентное движение газов в трубах            50        - 150

-           турбулентное движение газов снаружи труб     100       - 300

-           ламинарное течение воды в трубах                 300       - 430

-           ламинарное движение газов в трубах              10        - 20

-           свободная конвекция воды                              300       - 900

-           свободная конвекция газов                             3          - 10

-           кипение воды                                                  2000     - 24000

-           конденсация водяного пара                             900       - 15000

-           кипение органических жидкостей                     300       - 3500

-           конденсация паров органических жидкостей    230       - 3000