Лекція №6 Теплообмінні апарати виробництва та технологічні способи отримання тепла.

Теплообмін між гарячим і холодним середовищем через роздільну тверду стінку є одним з найважливіших і часто використовуваних у техніці процесів. Наприклад, утворення пари заданих параметрів у котлоагрегатах ґрунтується на процесі передавання теплоти від одного теплоносія до іншого. У багатьох теплообмінних пристроях, які застосовуються в різних галузях промисловості, основним робочим процесом є процес теплообміну між теплоносіями. Такий теплообмін називають теплопередачею.

Теплопередача в реальних ТС виконується одночасної декількома видами теплообміну. Широкого використання знайшов вид теплопередачі на основі теплообміну теплопровідністю та конвекцією.

Теплообмінним апаратом називають пристрій, призначений для нагрівання чи охолодження теплоносія. В ягості теплоносія застосовують рідину або газ. Теплоносії бувають гріючими і нагрівними. Так, наприклад, гарячий газ у топці котла є гріючим теплоносієм, а вода в котлі — нагрівним; вода в опалювальному радіаторі — гріючий теплоносій, а повітря, що розносить теплоту по приміщенню,— нагрівний.

За принципом дії теплообмінні апарати поділяють на рекуперативні, регенеративні і з внутрішнім тепловиділенням.

У рекуперативних теплообмінних апаратах теплота від гріючого теплоносія до нагрівного передається через роздільну (звичайно металеву) стінку. До них належать: парогенератори, пароперегрівники, водопідігрівники, повітряпідігрівники й різні випарні апарати. Рекуперативні теплообмінні апарати поділяють на прямоточні, протитечійні, перехресної течії та змішаної течії.

У прямоточному теплообмінному апараті холодний і гарячий теплоносії проходять паралельно в одному напрямку (рис. 5.1, а).У протитечійному апараті теплоносії проходять паралельно, але в протилежних напрямах (5.1, б).

Рекуперативні апарати прості за будовою, компактні і забезпечують сталість температур теплоносіїв у часі. В основному апарати виготовлено з металу. Теплотехнічно протитечійні апарати більш вигідні, ніж прямоточні. Критерієм для оцінки їхньої ефективності є середній температурний напір t_ср тобто середня різниця температур гріючої і нагрівної рідини. У протитечійній схемі майже завжди, t_ср більший, ніж у прямоточній, тому вони більш компактні та металоємні.

У регенеративних теплообмінних апаратах та ж сама поверхня нагрівання (чи охолодження) по черзі омивається гарячим та холодним теплоносієм через певні проміжки часу. Спочатку по каналах регенератора пропускають гарячий теплоносій — продукти згоряння доменних і мартенівських печей, вагранок тощо. Поверхня нагрівання регенератора, відбираючи теплоту від гарячих газів, нагрівається, а потім віддає цю теплоту холодному теплоносію.

Регенеративні теплообмінники застосовують у металургійних, скловарних та інших аналогічних печах, куди треба подавати підігріте повітря.

У змішувальних теплообмінниках теплообмін здійснюється при безпосередньому стиканні і змішуванні гарячого й холодного теплоносіїв. Змішувальними теплообмінними апаратами є градирні, скрубери тощо.

Апарати з внутрішнім тепловиділенням дістали таку назву тому, що всередині самого апарата відбувається якийсь технологічний процес з виділенням теплоти. Для того щоб охолодити стінки апарата, застосовують теплоносій (не два, як звичайно, а один), який забирає теплоту від стінок і таким чином охолоджує їх. До таких апаратів належать ядерні реактори, електронагрівники та інші пристрої, в яких технологічний процес відбувається з виділенням теплоти і підвищенням температури.

Н а ступінь теплопередачі впливає стан поверхонь, через які відбувається теплообмін. Забруднення поверхонь стінок пилом, сажею, накипом, призводить до зниження коефіцієнту теплопровідності до 0,1... 0,2 Вт/(м • К) та аварійних ситуацій.

Розглянемо спрощену модель рекуперативного теплообмінника. Теплопередача відбувається на основі теплообміну теплопровідністю та конвекцією через одношарову стінку (рис. 5.2), товщина якої дорівнює . Теплопровідність матеріалу стінки дорівнює . Температури середовищ, що омивають стінку зліва й справа, відомі і дорівнюють t1 і t2. Припустимо, що _{t1 > t2}. Тоді температури поверхонь стінки будуть відповідно tст1 > tст2. Треба визначити густину теплового потоку q, що проходить крізь стінку від гріючого середовища до нагрівного.

У стаціонарному режимі роботи ТС, теплота, віддана стінці першим теплоносієм (гарячим), передається через неї другому теплоносію (холодному). Теплообмін відбувається в 3 фази: конвекція-теплопровідність-конвекція. Оскільки площа контакту в усіх фазах однакова, то густина теплового потоку відповідно також буде однаковою в процесі теплообміну.

.

Повний температурний напір дорівнює:

,

звідки знайдемо значення густини теплового потоку:

_{Знаменник останнього виразу представляє собою коефіцієнт теплопередачі Кт.}

_{Враховуючи втрати через стан забруднення поверхон (Кз) зпапишемо вираз для кількості теплоти, що передається нагрівному теплоносію}

Шляхи отримання тепла в теплообмінних аппаратах.

Для отримання та передачі необхідної кількості тепла в теплообмінниках використовують ряд технологічних способів. Наведемо декілька основних, що знайшли широке використання у виробничих процесах.

Н агрівання парою. Водяна пара є одним з найпоширеніших теплоносіїв з температурою 150-170гр. Перевагами використання пари є велика теплоємність та тепловіддача, зручність транспортування та легкість у регулюванні температурного режиму. Використовують насичену пару (6-10ат.) та відпрацьовану (2-3ат.). Нагрів парою може виконуватись у рекуперативних (регенеративних) теплообмінниках – глуха пара, та змішувальних – гостра пара. Для отримання температури >170гр використовують пару високо киплячих рідин та ртуті (t до 500гр.). Важливим контрольованим параметром парової ТС є тиск з ростом якого пара перегрівається та може бути вибухонебезпечною.

Нагрівання гарячою рідиною. Нагрівання, як правило виконується в рекуператорах із вільним або вимушеним обертанням теплоносія.

1 – піч (топка), 2 – теплообмінник, 3 – насос.

В якості рідини використовують зазвичай воду при тиску до 225ат з температурою до 350гр або розплавлені легкоплавкі метали і сплави(олово, свинець вісмут) з температурою до 1000гр.

Н агрівання гарячими газами. Гарячими газами виступають топкові гази високої температури, що змішуються з повітрям та пропускаються через теплообмінники. Відпрацьований газ виводиться в повітря у вигляді диму. При даному способі нагрівання можливе отримання температури теплоносія до 1000гр. Недоліками є низька теплоємність, не транспортабельність топкових газів, забруднення оточуючого середовища.

Н агрів електричним струмом. Розрізняють наступні типи нагріву даного виду: нагрів за рахунок електроопору, електричною дугою та діелектричний нагрів.

При нагріві опором застосовуються теплові елементи які передають тепло конвекцією або випромінюванням. Температура нагріву ТС може складати 1000-1100 гр. Регулювання температури виконується силою струму або кількістю увімкнених теплових елементів.

П ри нагріванні дугою використовують дугові печі з температурою нагріву до 2000 гр. Розрізняють нагрівання відкритою дугою, коли утворена поміж електродами електрична плазма безпосередньо опромінює ТС, та закритою – нагрів за рахунок теплопровідності.

Д иектричне нагрівання – утворення тепла за рахунок нагрівання діелектриків у змінному електричному полі. Діелектрик підключають до джерела СВЧ, що викликає поляризацію вільних заряджених частинок та виникненню струму зміщення, протікання якого супроводжується виділенням теплоти. При частотах. До 300Мгц я якості діелектрика використовують конденсатори , при більших – об’ємні резонатори (мікрохвильова піч). Перевагами даного методу є швидкість та легка керованість процесу, можливість нагрівання матеріалів з низькою теплопровідністю.

Контроль

Питання за лекцією: Плановский А.Н., Ромм В.М. Процесы и аппараты химической технологии. – М.: ”Химия”, 1967 г.

1. Означення та класифікація теплообмінних апаратів;

2. Рекуперативні теплообмінні апарати, із різновиди, критерій оцінки;

3. Регенеративні теплообмінні апарати, принцип дії та приклади застосування;

4. Змішувальні теплообмінні апарати та апарати з внутрішнім тепловиділенням, приклади теплообмінних апаратів;

5. Спрощена модель рекуперативного теплообмінного апарата. Структурна схема та математичні співвідношення;

6. Способи отримання тепла у виробництві;

7. Нагрівання парою, гарячою рідиною та газами. Принцип та спрощене функціональне представлення апаратів;

8. Нагрівання електричним струмом. Способи нагрівання. Принцип та спрощене функціональне представлення апаратів.

Самостійна робота:

Горбис Э.Р., Календерьян В.А. Теплообменники с проточными дисперсными теплоносителями. – М.: “Энергия”, 1975 г. Друскин Л.И. Сжигание газа в промышленных печах и котлах. М., 1962 г.(Lec3T2.doc)

Питання на самостійний розгляд:

1. Топкові пристрої. Означення та призначення. Класифікація за способом спалення енергоносія.

2. Шаровий спосіб спалення енергоносія. Принцип, ілюстрація процесу, переваги та недоліки.

3. Факельний спосіб спалення енергоносія. Принцип, ілюстрація процесу, переваги та недоліки.

4. Вихровий спосіб спалення енергоносія. Принцип, ілюстрація процесу, переваги та недоліки.

5. Котельні установки. Означення та основні технічні підсистеми (елементи), що їх складають.

6. Класифікація котельних установок та основні робочі їх характеристики.

7. Газотрубні котли. Будова, основні види та характерні ознаки.

8. Водотрубні котли. Будова, основні види та характерні ознаки.

9. Параметри регулювання паросилових установок.