Классификация теплообменников конструкция кожохотрубчатых теплообменников.

Классификация теплообменников конструкция кожохотрубчатых теплообменников.

Классификация и конструкция теплообменников.

Различаются по назначению, принципу действия, конструктивным и др признакам.

По назначению:

- подогреватели

- испарители

- паропреобразователи

- конденсаторы

- холодильники

- радиаторы и.т.д.

требования к теплообменникам:

- возможность проведения технологического процесса;

- высокий коэффициент теплопередачи;

- низкое ;

- устойчивость поверхности теплообмена против коррозии;

- доступность поверхности теплообмена для чистки.

По принципу действия:

- поверхностные (рекуперативные, регенеративные)

- контактные (смесительные).

- В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменниках греющий и нагреваемыйтеплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагрева. Сначала поверхность аккумулирует теплоту, а потом отдает и охлаждается.

4.2.2.1. Рекуперативные теплообменники.

Кожухотрубчатые теплообменники:

Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу (I), охлаждаемый – сверху вниз противотоком. Кожухотрубчатые теплообменники – самые распростране

I

II

II

Рис.4.15. Кожухотрубчаиый теплообменник:

1 – кожух, 2 – трубные решетки, 3 – трубы,

4 – крышка, 5 – днище, I,II – теплоносители.

I III

II II

II II

2-х 4-х

рис.4.16. многоходовые (по трубному пространству)

кожухотрубные теплообменники.

Многоходовые теплообменники применяются для увеличения скорости движения теплоносителя. При этом увеличивается и коэффициент теплопередачи.

IIII

II

Рис.4.17 многоходовой (по межтрубному пространству)

Кожухотрубный теплообменник.

Если разность Т труб и кожуха больше 50⁰С, то они удлиняются неодинаково. Тогда возникают большие напряжения в трубных решетках. В наших случаях используются теплообменники с линзовым компенсатором, плавающей головкой, U – образные.

I IIII

II IIIIII

IIII

I

линзовый компенсатор плавающая головка U–образный

рис.4.18. Кожухотрубный теплообменник

с компенсацией температурных удлинений.

Теплообменник «труба в трубе» для малых тепловых нагрузок.

Пленочноедвиж жид

Движ тонкой пленки жид по тв поверхности встречается во многих гидромех, тепло - и массообменных апп. При этом с внешней стороны пленкавзвует с газ фазой, обеспечивая большую поверхность их контакта. Взвие пленки с газ фазой подразделяют на слабое, при кот поток импульса ч/з границу раздела фаз газ - жид значительно меньше потока импульса от пленки к тв поверхности, и сильное, при кот эти потоки соизмеримы. В случае слабого взвия влиянием газ потока ( ) пренебрегают и рассматривают движпленки лишь под действием силы тяжести (свободное течение пленки). В случае сильного взвия необходимо решать сопряженную задачу движения жид и газ фаз, т.е. учитывать импульсопередачу из газ фазы в жид. В нач рассмотрим движение пленки жидкости в условиях слабого взаимодействия с газом.

Поскольку толщина пленки d, как правило, значительно меньше радиуса кривизны твердой поверхности, по которой она стекает, то поверхность, обычно, рассматривают как плоскую, что позволяет использовать прямоугольную систему координат.

Решение задачи гидродинамики, состоящее в нахождении поля скорости и толщины пленки, зависит от режима ее движения, о котором можно судить по величине критерия Рейнольдса. В качестве характерного размера выберем толщину пленкиd, тогда (75)

Практическое нахождение критерия Рейнольдса по (75) вызывает затруднение, т.к. средняя скорость движения и толщина пленкиd, как правило неизвестны. Обычно легче поддаются определению массовый G и объемный расходы жидкости и смоченный периметр поверхности П_спо которой она стекает

(76) (77)

Введем понятие линейной плотности орошения Г, характеризующей массовый расход жидкости, приходящейся на единицу длины смоченного периметра, тогда (78) (79)

Следует иметь в виду, что часто при описании пленочного течения используют другой характерный размер - эквивалентный диаметр d_э = 4d, соответственно . Обычно выделяют четыре режима свободного течения пленки: 1. ламинарный безволновойRe_d< 3; 2. ламинарный волновой 3 <Re_d<300; 3. режим развития турбулентности 300 <Re_d< 600; 4. развитый турбулентный Re_d> 600. Вначале рассмотрим простейший ламинарный безволновой режим свободного течения пленки.

36………..Образование и движение газовых пузырей и капель

Диспергирование капельных жидкостей в газовых средах и в объемах других не смешивающихся жидкостей. Возможны два режима диспергирования при истечении: капельный и струйный. В первом случае капли образуются непосредственно при истечении жидкости из отверстия или сопла. Во втором случае струя распадается на капли на некотором расстоянии от выходного сечения диспергирующего устройства. Другим способом диспергирования жидкостей, обеспечивающим большую однородность размера капель, является отрыв пленки жидкости от вращающихся дисков или цилиндров под действием центробежной силы. Ещё один способ диспергирования одной жидкости в другой при их взаимной нерастворимости заключается в перемешивании с помощью механических.

Размеры пузыря, отрывающегося от отверстия. При небольших скоростях истечения легкая фаза вытекает в виде последовательно отрывающихся пузырей (капель). В общем случае на образующийся пузырь воздействует подъемная сила и конвекционные токи жидкости, стремящиеся оторвать пузырь от кромки отверстия. Сила, прижимающая пузырь к кромке отверстия, пропорциональна коэффициенту поверхности натяжения и периметру отверстия pd₁s.

При слабых конвекционных токах в момент отрыва имеем:

(93)

где d₀ - диаметр пузыря в момент отрыва, d₁- диаметр отверстия, r¢, r¢¢- плотности тяжелой и легкой фазы, соответственно.

Из уравнения (93) определяем d₀: (94)

При увеличении объемного расхода газа через отверстие частота отрыва единичных пузырей возрастает и достигает критического значения, при котором начинается цепочное движение пузырей. Критическое значение расхода может быть найдено из следующих соображений. Всплывающие со скоростью W_n пузыри выстраиваются в вертикальную цепочку, среднее сечение которой соответствует гипотетическому цилиндру эквивалентного объема

При цепочном движении размер пузырей увеличивается с возрастанием расхода газа (95)

Движению капель и пузырей, в отличие от движения твердых сфер, присущ ряд характерных особенностей. На жидкой границе раздела фаз касательная составляющая скорости отлична от нуля, вследствие чего внутри движущейся капли (пузыря) возникает циркуляция среды, способствующая лучшему обтеканию капли по сравнению с обтеканием твердой сферы. Это означает, что для капли отрыв пограничного слоя наблюдается при более высоких значениях Re, чем для твердой сферы, и скорость осаждения капли (пузыря) выше скорости осаждения твердой сферы того же диаметра. Вместе с тем, ввиду подвижности границы раздела фаз, капли (пузыри) могут деформироваться и колебаться при своем движении.

Скорость движения капли и пузырька при R< 1. Для капли, движущейся в жидкости под действием подъемной силы скорость ее установившегося движения (падение или всплытие) определяется по формуле:

(96)

где m¢¢ - динамической вязкости сплошной фазы и m¢¢ - динамической вязкости дисперсной фазы.

Движение капель и пузырей при R> 1. Увеличение диаметра пузырей и капель приводит к их деформации, они уже не могут считаться сферическими, траектории движений отличаются от вертикалей, и соотношения для определения скорости их движения не удается получить теоретически. При достаточно больших скоростях движения капель относительно сплошной фазы они могут разделяться (дробление), а при соударениях сливаться (коалесценция).

Массовый барботаж. Выше рассматривалось образование и всплытие пузырей от единичного отверстия. На практике широко используется массовыйбарботаж - прохождение газа в жидкость через множество отверстий, например, в тарельчатых колоннах. При малых расходах газа в режиме всплытия отдельных пузырьков к ним применимы закономерности полученные ранее. Однако при увеличении расхода газа, когда происходит стесненное движение пузырей, данные закономерности нарушаются. При дальнейшем увеличении расхода газа образуется слой пены. Еще большее увеличение расхода газа приводит к разрушению слоя пены и газ проходит сквозь жидкость в виде струй.

Для характеристики газожидкостного слоя при массовомбарботаже используются такие величины как газосодержание , высота слоя h_с, высота светлого слоя жидкости h₀. Газосодержание характеризует объемную долю газа в газожидкостном слое. Высота светлого слоя жидкости характеризует количество жидкости в газожидкостном слое и представляет собой гипотетическую высоту слоя при его нулевом газосодержании

(97)

Расчет величин и h₀ проводится, как правило, по эмпирическим соотношениям.

60…………………… Проблема масштабного перехода при проектировании промышленных аппаратов

Проектирование и внедрение аппаратов большой единичной мощности (например, массообменных колонн до 10 м в диаметре и высотой до 100 м) выявило существенное снижение их эффективности по сравнению с лабораторными моделями (масштабный эффект). Это объясняется рядом причин: возникновением гидродинамических неоднородностей - неравномерностью распределения потоков по сечению аппарата; изменением значений коэффициентов турбулентного переноса; невозможностью достижения одновременного подобия полей скоростей, температур и концентраций (приближенное моделирование); использованием критериев подобия, полученных на основе одномерного рассмотрения аппарата, в то время как поля физических величин могут быть существенно неоднородными в трех измерениях.

В связи с этим возникает проблема масштабного перехода от лабораторной модели к промышленному аппарату. Традиционно она решается следующим образом:

1) изготовление и исследование лабораторной модели, получение математического описания на основе теории подобия или математического моделирования, в последнем случае лабораторные исследования необходимы для идентификации модели;

2) с использованием полученного описания проектирование пилотной установки (больших масштабов), ее изготовление и исследование, коррекция математического описания;

3) проектирование, изготовление и исследование полупромышленной установки с целью коррекции описания;

4) проектирование и изготовление промышленной установки.

Попыткой решения проблемы масштабного перехода в немалой степени объясняется и разработка метода сопряженного физического и математического моделирования.

Основным принципом сопряженного физического и математического моделирования является иерархичность (многоуровневость) пространственно-временных масштабов явлений, протекающих в промышленном аппарате, и, как следствие этого, "слабость" взаимодействия между явлениями различных масштабов. "Слабость" проявляется в отсутствии влияния взаимодействия на структуру математического описания явления, оно может учитываться лишь через изменение некоторых параметров.

В методе сопряженного физического и математического моделирования аппарат представляется в виде системы, состоящей из характерных зон (областей). Математическое описание каждой зоны устанавливается при ее физическом моделировании на лабораторном макете, при этом оно содержит параметры, учитывающие взаимодействие между зонами.

Можно выделить основные этапы сопряженного физического и математического моделирования:

1) выделение характерных зон аппарата;

2) экспериментальное изучение отдельных зон на физических моделях;

3) составление математических моделей зон; их идентификация по данным физического эксперимента;

4) синтез математической модели аппарата в целом, ее идентификация на основе удовлетворения исчерпывающему описанию;

5) проверка адекватности модели, при необходимости - коррекция;

6) использование модели для проектирования и оптимизации промышленного аппарата.

Преимуществами данного метода являются: возможность физического моделирования отдельных характерных зон аппарата, (простота экспериментальных установок, соблюдение подобия); детальное, подробное описание явлений в промышленном аппарате; удобство использования для оптимизации конструкций аппарата; переход к одноуровневой схеме проектирования промышленных аппаратов (лабораторная модель - промышленный аппарат).

К недостаткам метода можно отнести сложность математического аппарата, достаточно большой объем вычислений. Однако их роль существенно снижается за счет использования современных компьютеров и создания вычислительных комплексов, объединенных в систему автоматизированного проектирования.

41…………Осевые (пропеллерные) насосы. Эти насосы применяют для перемещения больших количеств жидкости при небольших напорах, в частности, в оросительных и конденсационных установках, а также для создания циркуляции жидкости в различных аппаратах.

По расположению вала осевые насосы бывают горизонтальные и вертикальные. Объемная производительность осевых насосов достигает 30 м³/спри напоре 20 м. ст. перекачиваемой жидкости, к.п.д. достигает 90%. Высота всасывания их мала и редко достигает 3 м. ст. перекачиваемой жидкости.

Вихревые насосы. Движение жидкости на лопастях в этом насосе происходит как от центра к периферии, так и от периферии к центру. Это и является особенностью вихревых насосов. Однако работа вихревых насосов так же основана на действии центробежной силы. За оборот рабочего колеса одно и тоже количество жидкости несколько раз отбрасывается от центра к периферии за счет центробежной силы, от чего ее напор последовательно увеличивается. В результате такого действия напор, создаваемый вихревым насосом, в 4 -5 раз больше напора создаваемого центробежным насосом такого же размера при одинаковой окружной скорости рабочего колеса.

Вихревые насосы могут всасывать и перекачивать жидкости и их эмульсии с воздухом и парами этих жидкостей

Недостатком вихревых насосов, в отличие от центробежных, является значительно большая зависимость создаваемого напора от производительности насоса. С увеличением подачи напор резко падает, что приводит к уменьшению мощности. Поэтому пуск вихревых насосов производят при открытой задвижке

Классификация теплообменников конструкция кожохотрубчатых теплообменников.