Процессы образования пара и его конденсации на тепловой диаграмме

Нагреваемая жидкость (теплоноситель) подается в теплообменник Т и движется внутри трубчатой поверхности нагрева, а пар, поступающий из парогенерирующего пучка, конденсируется на наружных поверхностях трубок. В результате теплопередачи между конденсирующимся на трубках паром и движущейся внутри трубок жидкостью происходит нагревание этой жидкости. Конденсат, образовавшийся в результате конденсации пара при заданном давлении Р и имеющий температуру насыщения , через конденсатоотводчик КО, конденсатный бак КБ с помощью насоса Н подается во входной коллектор К, из которого поступает в трубки парогенерирующего пучка П. Здесь происходит процесс парообразования за счет теплоотдачи от продуктов сгорания, омывающих трубки пучка. Продукты сгорания при этом снижают свою температуру от до . Параметры продуктов сгорания (газов) обозначены подстрочным индексом «г». Из выходного коллектора К'' пар поступает в парожидкостный теплообменник.

Термодинамические процессы образования пара в парогенерирующем пучке и конденсации его в парожидкостном теплообменнике изображены на диаграмме TS (рис. 2.3.2).

Рис. 2.3.2. Процессы генерации пара и его конденсации:

1 – 2_х – образование влажного пара; 1 – 2_пл – образование перегретого пара;

2_х – 1 – конденсация влажного пара; 2_пп – 1 – конденсация перегретого пара

2.3.1. Введение. Общая классификация и характеристика рекуперативных трубчатых теплообменников. Анализ достоинств и недостатков рассчитываемого типа парожидкостного кожухотрубчатого теплообменника

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) принято называть устройства, предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, кипение, конденсация, расплавление, затвердевание и, наконец, более сложные, комбинированные процессы. Количество тел, участвующих в этих процессах, может быть больше двух, а именно: тепло может передаваться от одного тела к нескольким другим телам или, наоборот, от нескольких тел к одному. Эти тела, отдающие или воспринимающие тепло, принято называть теплоносителями.

Теплообменные аппараты имеют большое распространение во всех отраслях промышленности и широко применяются в теплосиловых установках. В зависимости от назначения теплообменные аппараты называются подогревателями, конденсаторами, испарителями, паропреобразователями и т.д. [6, с. 10].

По способу передачи тепла различают три группы теплообменных аппаратов:

1) рекуперативные, в которых горячая и холодная среда протекает одновременно и теплота передается через разделяющую их стенку (котлы, подогреватели, испарители, конденсаторы и др.);

2) регенеративные, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячим, то холодным теплоносителем. В период контакта стенки с горячим теплоносителем стена нагревается, а в период подачи холодной среды охлаждается, нагревая среду за счет аккумулированной теплоты. К таким аппаратам относятся воздухоподогреватели газотурбинных установок, мартеновских и доменных печей;

3) смесительные, предназначенные для осуществления тепло- и массообменных процессов при непосредственном соприкосновении теплоносителей. К таким теплообменным аппаратам относятся оросительные полые, насадочные и барботажные аппараты [7, с. 100–101].

Наибольшее применение в промышленности нашли рекуперативные теплообменники, которые очень разнообразны по конструкции и форме поверхности, а в последние годы они получили новое интенсивное развитие на основе новых методов сварки, штамповки и прокатки.

Поскольку в данной курсовой работе предусмотрен расчет парожидкостного кожухотрубчатого теплообменника рассмотрим характеристику рекуперативных трубчатых теплообменников и более подробно остановимся на характеристиках кожухотрубчатого теплообменника [1, с. 30].

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время являются самыми распространенными аппаратами в промышленности. Они представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, а, следовательно, и интенсивности теплообмена теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между различными жидкостями, между паром и жидкостями или между жидкостями и газами [6, с. 13].

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров.

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких листов (обычно стальных). Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не выполняется по конструктивным соображениям тоньше 4 мм. К кромкам кожуха приварены фланцы для соединения с крышками. Трубчатку кожухотрубчатых аппаратов изготовляют из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб наружным диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы. Трубные решетки (доски) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные решетки либо приваривают к кожуху, либо зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки, либо соединяют болтами только с фланцами свободной камеры. Материалом трубных решеток служит обычно листовая сталь марки Ст.4 толщиной, зависящей от расчетного давления, но не менее 20 мм. Крышки кожухотрубчатых аппаратов имеют плоскую, коническую, сферическую, а чаще всего эллиптическую форму.

Кожухотрубчатые теплообменники выполняют жесткой, нежесткой и полужесткой конструкций; одно- и многоходовыми; прямо-, противо- и поперечноточными; горизонтальными, вертикальными и наклонными [1, с. 19–20].

Особенность кожухотрубчатых теплообменников состоит в том, что проходное сечение межтрубного пространства велико по сравнению с проходным сечением трубок и может быть больше последнего в 2,5–3 раза. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей (если теплообмен происходит без изменения их агрегатного состояния) часто получаются пониженные скорости теплоносителя и малые значения коэффициентов теплоотдачи на стороне межтрубного пространства, что значительно снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Для выравнивания проходных сечений иногда применяют усадку концов трубок при

На схеме указанной ниже приведена классификация рекуперативных теплообменных аппаратов, на которой особое внимание уделено кожухотрубчатым теплообменным аппаратам закреплении в трубной решетке.

Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так как они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении. Для удобства монтажа и эксплуатации максимальную длину трубок для них следует брать не больше 5 м.

Во избежание резкого снижения теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке в корпусе теплообменника должны быть предусмотрены краны для выпуска воздуха как из нижней части аппарата над поверхностью конденсата, так и из верхней его части.

В настоящее время разработаны образцы кожухотрубчатых теплообменников с продольно-оребренными трубами и с поперечно-накатными низкими ребрами на трубах. Эти конструкции обеспечивают высокую тепловую эффективность аппарата при рабочих средах с различными физическими свойствами.

Регулирование производительности парожидкостного теплообменника возможно путем изменения давления (дросселированием греющего пара), изменения расхода нагреваемого теплоносителя и изменения (повышения) уровня конденсата в аппарате, т.е. уменьшения активной поверхности теплообмена [6, с. 13–15].

В парожидкостных теплообменниках пар конденсируется обычно в межтрубном пространстве, а жидкость проходит в трубах. Разность температур стенок корпуса и труб бывает значительной. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые, сальниковые или сильфонные компенсаторы. Напряжения в металле, обусловленные тепловыми удлинениями, устраняют также изготовлением однокамерных теплообменников с гнутыми U- и W-образными трубами. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут быть признаны лучшими из-за трудности изготовления труб с гибами разного радиуса, сложности замены и неудобства очистки гнутых труб.

Компенсационные устройства (мембранные, сильфонные, с гнутыми трубами) сложны в изготовлении или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые, сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной решетки и свободным перемещением второй решетки вместе с внутренней крышкой трубной системы. Некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра кожуха и из-за необходимости изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников с плавающей головкой (или камерой).

Теплообменники с поперечным током отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности труб вследствие того, что теплоноситель движется поперек трубного пучка и имеет относительно повышенную скорость [1, с. 21].

Что касается парогенерирующих пучков, то их выполняют в виде пакета гладких или ребристых труб с оребрением по газовой стороне. В целях интенсификации теплообмена парогенерирующий пучок труб выполняют из трубок малого диаметра при толщине стенки .

Трубки парогенерирующего пучка обычно располагают в шахматном порядке, что обеспечивает большую эффективность теплообмена примерно на 25 % по сравнению с теплообменом при коридорном расположении труб и соответственное уменьшение габаритов парогенерирующего пучка.

Концы змеевиков парогенерирующего пучка объединяют коллекторами, вынесенными из области газового обогрева [8, с. 402, 403].

Обычно при расположении коллекторов на боковых стенах парогенерирующий пучок состоит из двух параллельно включенных половин с двусторонним движением воды. При этом змеевики каждой половины располагаются от боковой стенки до средней плоскости с восходящим движением среды по пакету. Более плотная компоновка поверхности пакетов в пучках достигается, когда змеевики одного пакета расположены между змеевиками другого (или других) [9, с. 99].