Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно. Для теплообменников наибольшее значение имеет конвективный теплообмен или теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и одновременном действии теплопроводности и конвекции. Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного материала, а в смесительных аппаратах тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.

Смесительные теплообменники по конструкции проще поверхностных: тепло в них используется полнее. Но они пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В регенеративных теплообменниках теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется. Рассмотрим рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия, наиболее распространенные в промышленности.

1. Теоретические основы процессов теплообмена

Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен, между рабочими средами не зависимо от их технологического или энергетического назначения (подогреватели, выпарные аппараты, концентраторы, пастеризаторы, испарители, деаэраторы, экономайзеры и д.р.)

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, в которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

Классификация теплообменников возможна по различным признакам.

По способу передачи тепла различаются теплообменники смешения, в которых рабочие среды непосредственно соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники - рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева - твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

а) жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

б) парожидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

в) газожидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха) и др.

По тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом.

В теплообменниках периодического действия тепловой обработке подвергается определенная порция (загрузка) продукта; вследствие изменения свойства продукта и его количества, параметры процесса непрерывно варьируют в рабочем объеме аппарата во времени.

При непрерывном процессе параметры его также изменяются, но вдоль проточной части аппарата, оставаясь постоянными во времени в данном сечении потока. Непрерывный процесс характеризуется постоянством теплового режима и расхода рабочих сред, протекающих через теплообменник.

В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смесительных аппаратах пар обычно барботируют в жидкость (впускают под уровень жидкости); при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностных аппаратах пар конденсируется на поверхности нагрева, и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков. Водяной пар как теплоноситель обладает множеством преимуществ: легкостью транспортирования по трубам и регулирования температуры, высокой интенсивностью теплоотдачи и др. Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного испарения, когда выпариваемая из продукта вода направляется в виде греющего пара в другие выпарные аппараты и подогреватели.

Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые по ходу технологического процесса нагреваются до высокой температуры. В сравнении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отличается переменной, снижающейся температурой теплоносителя. Однако регулирование процесса и транспорт жидкостей так же удобны, как и при паровом обогреве.

Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В условиях технологической аппаратуры пищевых производств при паровом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150-160 °С, что соответствует давлению (5-7) 105 Па.

В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, который позволяет при атмосферном давлении достигнуть температур до 200°С.

Широко применяется обогрев горячими газами и воздухом (до 300-1000°С) в печах, сушильных установках. Газовый обогрев отличается рядом недостатков: трудностью регулирования и транспортирования теплоносителя, малой интенсивностью теплообмена, загрязнением поверхности аппаратуры (при использовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он является единственно возможным (например, в воздушных сушилках).

В холодильной технике используется ряд хладагентов: воздух, вода, рассолы, аммиак, углекислота, фреон и др.

При любом использовании теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные процессы подчинены основному - технологическому процессу производства, ради которого создаются теплообменные аппараты и установки. Поэтому решение задач оптимизации теплообмена подчинено условиям рационального технологического процесса.

Для нагревания и охлаждения жидких сред разработаны теплообменники разнообразных конструкций. Ниже рассматриваются некоторые конструкции теплообменных аппаратов, применяющихся в пищевой промышленности.

Конкретная задача нагревания или охлаждения данного продукта может быть решена с помощью различных теплообменников. Конструкцию теплообменника следует выбирать, исходя из следующих основных требований, предъявляемых к теплообменным аппаратам.

Важнейшим требованием является соответствие аппарата технологическому процессу обработки данного продукта; это достигается при таких условиях: поддержание необходимой температуры процесса, обеспечение возможности регулирования температурного режима; соответствие рабочих скоростей продукта минимально необходимой продолжительности пребывания продукта в аппарате; выбор материала аппарата в соответствии с химическими свойствами продукта; соответствие аппарата давлениям рабочих сред.

Вторым требованием является высокая эффективность и экономичность работы аппарата, связанные с повышением интенсивности теплообмена и одновременно с соблюдением оптимальных гидравлических сопротивлений аппарата.

Эти основные требования должны быть положены в основу конструирования и выбора теплообменных аппаратов. При этом самое большое значение имеет обеспечение заданного технологического процесса в аппарате.

2. Теплофизические свойства теплоносителей

По следующим зависимостям определяем теплофизические свойства теплоносителей.

Для греющего теплоносителя:

Температура насыщения водяного пара, С:

Плотность пара, кг/м³:

.

Энтальпия греющего насыщенного пара, кДж/(кгК):

.

Энтальпия конденсата пара, кДж/(кгК):

.

Для нагреваемого теплоносителя:

Средняя температура воздуха, ⁰C:

Плотность воздуха, кг/м³:



Средняя теплоемкость воздуха, кДж/(кгК):

при 50<= < 70 значений С_р =1,005;

при 70<= <= 90 значений С_р =1,009.

Коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с:

Коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мК):

Критерий Прандтля воздуха:

.

Плотность воздуха на входе, кг/м³ :

Плотность воздуха на выходе, кг/м³ :

2.1 Недостающие параметры

Тепловая нагрузка теплообменного аппарата, кВт:

Расход греющего теплоносителя, кг/с:

Средний логарифмический температурный напор, С:

2.2 Оптимизируемые параметры

Число рядов по ходу воздуха - z, шт.;

Число труб в одном ряду - n, шт.;

Поперечный шаг - S₁, мм;

Диагональный шаг - S'₂, мм.

2.3 Тепловой и компоновочный расчет теплообменного аппарата

Задаёмся длиной теплообменной трубки, м:

Ширина пучка, м

Общее число труб в теплообменнике, шт

если z - чётное, то ;

если z - нечётное, то .

Продольный шаг, мм

Внутренний диаметр теплообменной трубки, мм:

Площадь входного сечения трубок, м²

Скорость пара в трубках, м/с

Коэффициент теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя, Вт/(м²•К)



Площадь сжатого сечения пучка, м²

Скорость движения нагреваемого теплоносителя в трубках, м/с

Число Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя

Поправка на число рядов

Поправка на компоновку

если , то ;

если , то .

Число Нуссельта для нагреваемого теплоносителя при



Принимаем, что

Тогда

Коэффициент теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя, Вт/(м²•К)

Расчетный коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К):

Расчетная поверхность теплообмена, м²:

Активная длина труб, м:

2.4 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Коэффициент формы

Число Эйлера при поперечном обтекании гладкотрубных пучков

если ,

если ,

Потери давления при прокачке нагреваемого теплоносителя, Па:

Скорость потока на входе, м/с:

Скорость потока на выходе, м/с

Потери давления на ускорение или торможение потока, Па

Потери давления на прокачку нагреваемого теплоносителя, Па

3. Конструкции теплообменных аппаратов

3.1 Теплообменные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева

Простейший из трубчатых теплообменников типа «труба в трубе» состоит из двух коаксиально закреплённых труб. Первый теплоноситель перемещается по внутренней трубе 1. Второй теплоноситель проходит в кольцевом пространстве, образованном трубой 1 и соосной с ней наружной трубой 2. Таким образом, поверхность, через которую передаётся теплота, образована той частью поверхности внутренней трубы, которая заключена во внешней трубе. Для увеличения поверхности теплообмена в одном аппарате элементы, образованные двумя трубами, соединяют последовательно с помощью изогнутых соединительных труб 3. Межтрубное пространство элементов сообщается через соединительные патрубки 4.

Теплообменники типа «труба в трубе» просты по конструкции и поддаются механической чистке, замена отдельных элементов несложная. Главное преимущество этих аппаратов состоит в том, что можно обеспечить оптимальные скорости движения теплоносителей, подбирая соответствующие диаметры труб.

Рис. 3.1

Существенный недостаток аппаратов «труба в трубе» - значительные габариты, т.е. небольшая поверхность теплообмена в единице объёма аппарата.

В кожухотрубном теплообменном аппарате реализована та же идея, что и в аппарате «труба в трубе», но вместо одной трубы в наружную трубу большого диаметра помещён пучок труб. Кожухотрубные теплообменники характеризуются компактностью. В 1м³ объёма аппарата поверхность теплопередачи может достигать 200м?.

Поверхность теплообмена змеевиковых теплообменников образована трубчатым змеевиком, внутри которого пропускается горячий или холодный теплоноситель. Число витков змеевика ограничено значительными гидравлическими сопротивлениями, поэтому поверхность теплообмена змеевиковых аппаратов невелика, и используют их в аппаратах малой производительности.

3.2 Теплообменные аппараты с плоской поверхностью нагрева

Рис. 3.2

Поверхность теплообмена пластинчатого теплообменника состоит из гофрированных пластин с четырьмя отверстиями по углам. Проложив между пластинами 2 и 3 специальные фасонные прокладки и прижимая пластины друг к другу, можно образовать канал синусоидального профиля, по которому жидкость может перетекать из верхнего левого отверстия в нижнее левое. Эти два отверстия объединены общей большой прокладкой, в то время как два других отверстия окружены малыми (кольцевыми) прокладками, и из них жидкость не может ни выходить, ни входить в канал. Если к двум сжатым пластинам 2 и 3 прижать пластину 4, объединив прокладкой нижнее правое отверстие с верхним правым, то будет образовано два канала.

В первом, между пластинами 2 и 3, один теплоноситель перетекает сверху вниз, а во втором канале, между пластинами 3 и 4, другой теплоноситель проходит снизу вверх. Продолжая, прибавлять пластины и прокладки, справа и слева от образованного пакета, можно увеличивать число параллельных каналов и поверхность теплообмена. Ширина синусоидального канала лежит в пределах от одного до нескольких миллиметров, и жидкость быстро прогревается по всей толщине слоя. Этому способствует искусственная турбулентность потока на поворотах в канале, вызывающая увеличение коэффициента теплоотдачи.

Пластинчатые теплообменники, занимая малый объём, обладают большой (до 1 500 м2/м3) поверхностью теплообмена и большими значениями коэффициента теплопередачи, вплоть до3 800 Вт/м2 при малом гидравлическом сопротивлении. Ещё одним преимуществом аппаратов этого типа является возможность быстрой сборки и разборки при ревизии и механической чистке поверхности. Кроме того, поверхность теплообмена может легко изменяться, т. к. зависит от числа используемых пластин. Главное же преимущество пластинчатых теплообменников заключается в возможности объединения в одном аппарате нескольких пакетов пластин, в каждом из которых движется своя пара теплоносителей. Это обстоятельство позволяет экономить тепловую энергию на предприятии.

Например, при пастеризации соков (молока) в последний (третий) пакет поступают предварительно подогретый сок и горячий теплоноситель при температуре около 100°С. Пастеризация происходит при температуре около 70°С, и нагретый до этой температуры пастеризованный сок переходит в первый пакет, где используется в качестве горячего теплоносителя для предварительного подогрева сока, поступающего в аппарат. Во втором пакете в качестве горячего теплоносителя используется теплоноситель из третьего пакета, температура которого выше 80°С. В этом примере сок нагревается как бы на трёх ступенях, а горячий теплоноситель подаётся только в третий пакет.

В действительности в производстве в одном аппарате совмещают подогрев и охлаждение многих жидкостей. Пластинчатые теплообменники применяют также при обогреве паром низкого давления. В этом случае ширина канала для прохода пара составляет 5…10 мм. Пластинчатые теплообменные аппараты нельзя использовать при высоком давлении теплоносителей из-за опасности разгерметизации уплотнений между пластинами.

3.3 Конструкция спиральных теплообменников

В общем случае этот тип теплообменников применяется для взаимодействия сред "жидкость-жидкость". Например, греющая жидкость поступает в аппарат через патрубок С, протекает по спирали и покидает аппарат через осевой патрубок D, а нагреваемая жидкость поступает в аппарат через осевой патрубок А и покидает его после протекания через спираль в противотоке греющей среде через патрубок В (рис. 3.3). Для организации параллельного движения потоков, нагреваемая среда должна поступать через патрубок В и покидать аппарат через патрубок А.

Это самая распространенная конструкция. Герметизацию спиралей называют при этом переменной, поскольку плоские крышки герметизируют каналы каждая со своей стороны. Доступ к обоим каналам в каждом случае возможен после демонтажа соответствующей крышки.

На рис.3.3 изображены спиральные теплообменники с перекрёстным движением сред. Эта конструкция применяется в конденсаторах, в основном при пониженном давлении, при этом значительный объем потока пара пускают через большие поперечные сечения спиралей (вдоль осей спиралей). За счет этого достигается быстрое охлаждение пара при избежании большой потери давления. Охлаждающая жидкость движется по закрытому спиральному каналу. Пар подается через спираль вдоль оси спирали и охлаждается.

Рис. 3.3. Спиральные теплообменники с противотоком или параллельным движением сред

Рис. 3.4. Спиральные теплообменники с перекрестным движением сред

В некоторых случаях требуется приведение теплообменника в горизонтальное положение (рис. 3.5), в особенности, при использовании жидкостей, содержащих твердые частицы, волокна и т.п. во избежание их скапливания в нижней части теплообменника под действием силы тяжести.

При горизонтальном расположении, внутри кожуха спиральные теплообменники в который поступает пар, устанавливается горизонтальная перегородка приблизительно на 2/3 ширины спирали. В результате поступающий через верхнюю половину спирали пар вынужден выходить через ее нижнюю половину. Охлаждающая жидкость поступает через боковой патрубок и покидает спиральный теплообменник через осевой патрубок.

Рис. 3.5. Горизонтальный спиральный теплообменник

3.4 Конструкция кожухотрубчатых теплообменников

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами - как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено, прежде всего, надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением

диапазон давления от вакуума до высоких значений

в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов

удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата

размеры от малых до предельно больших (5000 м²)

возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению

использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.

возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта

Однако такое широкое разнообразие условий применения кожухотрубных теплообменников и их конструкций никоим образом не должно исключать поиск других, альтернативных решений, таких, как применение пластинчатых, спиральных или компактных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются приемлемыми и их применение может привести к экономически более выгодным решениям.

Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Классическая схема кожухотрубчатого теплообменника показана на рисунке:

Рис. 3.6

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор паровой турбины мощностью 150 МВт состоят из 17 тысяч труб с общей поверхностью теплообмена около 9000 м².

Схемы кожухотрубчатых аппаратов наиболее распространенных типов представлены на рисунке:

Рис. 3.7

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.

Трубчатка кожухотрубчатых теплообменников выполняется из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена.

Трубные доски (решетки) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные доски приваривают к кожуху (рис. а, в), зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки (рис. б, г) или соединяют болтами только с фланцем свободной камеры (рис. д, е). Материалом досок служит обычно листовая сталь толщиной не менее 20 мм.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой (рис. а, к), нежесткой (рис. г, д, е, з, и) и полужесткой (рис. б, в, ж) конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные.

На рисунке а) изображен одноходовой теплообменник с прямыми трубками жесткой конструкции. Кожух и трубки связаны трубными решетками и поэтому нет возможности компенсации тепловых удлинений. Такие аппараты просты по устройству, но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50^оС). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи. На рисунке 3.7,б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.

теплообменник гидравлический калорифер

4. Характеристика калорифера и его классификация

Рис. 4.1

Калорифер -- один из самых важных элементов климатического оборудования, обеспечивающего требуемые температурные параметры в помещениях различного назначения. Именно в функцию этих устройств входит нагрев воздуха в системах отопления, вентиляции и кондиционирования и именно от их работоспособности в полной мере зависит комфортность пребывания в здании и помещениях этого здания. Калорифер, благодаря своей высокой производительности, широко используется для обогрева помещений, отличающихся значительными внутренними объемами офисные центры, торговые и складские помещения, спортивно - развлекательные комплексы, станции технического обслуживания, гаражные помещения и производственные цеха.

Мобильность, которой обладают многие модели калориферов, позволяют использовать их и в строительстве для обогрева закрытых помещений, находящихся в состоянии возведения или ремонта. Активное использование этих устройств при проведении строительных работ объясняется еще и тем, что классический калорифер -- это устройство с небольшими размерами и массой, простое в управлении и неприхотливое в эксплуатации. Высокая производительность, которой обладает калорифер, объясняется его способностью создавать большой перепад температур (70 - 110 град.), что также дает возможность использовать его в системах приточной вентиляции. В таких случаях калорифер успешно справляется со своими функциями даже при температуре воздуха за пределами помещения, достигающей значений - 25 град. Универсальность, которой обладает калорифер, заключается еще и в том, что в теплое время года его можно использовать как высокопроизводительный вентилятор для обеспечения циркуляции воздуха в вентилируемых помещения.

Следует отметить, что калорифер в качестве элемента системы вентиляции и отопления может работать при температурах воздуха за пределами помещений, значение которых варьируются от - 25 до + 40 градусов, а влажность составляет от 25 до 98 %. Высокая производительность, которой обладает такое устройство, позволяет использовать его для оснащения сушильных камер. В таких случаях наиболее распространенными теплоносителями, поступающими в калорифер, являются горячая вода или перегретый пар, температура которых может иметь значения 180 - 190 градусов, а величина рабочего давления доходить до 1,2 МПа.

Калорифер -- это достаточно простое техническое устройство, он состоит из элементов, которые отдают тепло проходящему воздуху, трубных решеток, крышек, оснащенных патрубками для подачи и отвода теплоносителя, а также боковых щитков, закрывающих его корпус.

Основным классифицирующим параметром калориферов является тип теплоносителя, который в нем используется. Так, в зависимости от этого критерия, калорифер может быть водяным -- КСк, в качестве теплоносителя в котором используется горячая вода или паровым -- КПСк, в котором используется перегретый сухой пар.

Обогреваемые паром калориферы имеют сварную неразъемную конструкцию и состоят из следующих элементов:

- теплообменной поверхности из пучка гладких труб;

- входного распределительного и выходного сборного коллекторов, образованных трубной решеткой и крышкой;

- двух патрубков, отводящего и подводящего теплоноситель;

- двух боковых съемных щитков с передним и задним фланцами для подсоединения теплообменника к смежным секциям или воздуховодам.

Схема калорифера показана на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Устройство парового калорифера: 1 - трубный пучок; 2 - коллектор; 3 - патрубок; 4 - боковой щиток

По движению теплоносителя калориферы выполняются одно- или многоходовыми, для чего под крышками последних устанавливаются перегородки. Рассматриваемый мной калорифер одноходовой, поэтому под крышками перегородки отсутствуют. В паровых калориферах расположение трубок всегда вертикальное. Трубные решетки изготовляются из тонколистовой стали толщиной 3...16 мм, а боковые стенки корпуса из тонколистовой стали толщиной 2 мм.

Трубы в пучке располагаются относительно потока воздуха в шахматном порядке. Шахматная компоновка более компактна, чем коридорная, и отличается от последней повышенными значениями коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления пучка.

Рассчитанный мной калорифер изготовлен из труб диаметром 25/21 мм. В реальных условиях эксплуатации теплоаэродинамические характеристики калорифера могут изменяться в худшую сторону по следующим причинам:

- плохое качество изготовления;

- погрешность в методике подбора типа, номера и модели калорифера;

- коррозия и загрязнение поверхности теплообмена;

- неравномерность полей скоростей и температур по фронту пучка;

- влияние схемы подключения калориферов по воде.

Рассчитанный паровой калорифер включает в свой состав конденсатоотводчик. Охлаждающий воздух подается в теплообменные секции вентилятора, установленного на оси двигателя. Чаще в данных аппаратах применяются вентиляторы диаметром 0,8; 2,8; 5,0; и 7,0 м с числом лопастей от 3 до 8.

Калорифер, кроме этого, может иметь различный вид теплоотдающей поверхности, в зависимости от которого он может быть гладкотрубчатым и ребристым. Конструкции, в которых на трубы нанесено специальное оребрение, благодаря большей площади теплоотдающей поверхности, являются более эффективными, чем устройства с гладкими поверхностями.

Еще одним параметром, по которому классифицируются калориферы, является их конструктивное исполнение. Так, различают спирально-накатные конструкции, биметаллические, присоединяемые к системе теплоносителя при помощи сварки или специальных фланцев и болтовых соединений.

Классификация калориферов в зависимости от их внутреннего исполнения.

Движение носителя тепла внутри калорифера может быть организовано по двум основным принципам, что обеспечивается конструктивным исполнением этого устройства. Водяные калориферы КСк являются многоходовыми устройствами. Движение горячей воды в таких устройствах проходит по специальным коллекторам с перегородками. Перегородки устанавливаются в поперечной плоскости, что позволяет придавать движению горячей воды в коллекторах последовательный характер. Использование таких конструктивных решений позволяет придавать движению теплоносителя высокую скорость, что самым непосредственным образом влияет на повышение интенсивности теплоотдачи. Многоходовые устройства, благодаря своим свойствам, обладают большей эффективностью по сравнению с одноходовыми конструкциями. Как правило, многоходовые устройства устанавливаются в системах, имеющих горизонтальное расположение теплоотдающих элементов.

Паровой калорифер КПСк является одноходовым устройством, устанавливаемым в системах, имеющих вертикальное расположение теплоотдающих элементов. Устройства с таким принципом прохождения теплоносителя имеют патрубки с обеих сторон, которые обеспечивают его подвод и отвод. Теплоноситель из распределительной коробки поступает одновременно во все трубки одноходового устройства и проходит по ним всего один раз, отдавая по пути свое тепло проходящему воздушному потоку.

Калорифер, в зависимости от мощности, может содержать различное число рядов труб в своей конструкции. Так, различают средние устройства, содержащие три ряда труб, и большие калориферы, в конструкции которых содержится четыре ряда труб.

Отдельную категорию составляют так называемые электрические калориферы, конструкция которых оснащена специальным электрическими теном. Такие устройства, обладающие небольшими габаритными размерами и массой, являются полностью автономными, они не требуют наличия централизованной сети горячей воды или пара и нуждаются только в подаче электрического питания. Самым большим недостатком таких устройств, который значительно ограничивает их применение, является их невысокая мощность, что позволяет использовать их только для помещений с небольшими размерами. Кроме этого, такие устройства расходуют достаточно большое количество электрической энергии, что в отдельных случаях может быть очень критичным.

5. Принципы работы калорифера

Теплоиспользующие элементы калориферов, как правила, представляет собой стальные трубы, снабженные оребренной наружной поверхностью. Это помогает увеличить площадь, а соответственно и эффективность теплоотдачи. По оребренным трубам внутри проходит охлаждающий или нагревающий теплоноситель, а снаружи - потоки воздуха. Нагреваемого или охлаждаемого при контакте с трубами. Принцип действия такой схемы основан на том, что теплоноситель, как правило, имеет больший коэффициент теплоотдачи по отношению к воздушным потокам. Реберная структура калорифер представляет собой насаженные на трубки металлические пластины, либо навитую в виде на трубки ленту или тонкую проволоку.

Энергоэффективность калорифера зависит от того ,насколько высок коэффициент теплоотдачи калорифера при определенных энергетических затратах, тем выше эффективность. Тем не менее, при подборе такого устройства как калорифер, следует принимать во внимание не только фактор энергоэффективности, но и другим требованиям, которым должен соответствовать калорифер, чтобы эффективно работать в проектируемой вентиляционной системе, например, вес и габариты прибора. Следует учесть, что после установки калорифера следует исключить химически активные вещества и слипающиеся примеси из проходящего воздуха путем установки дополнительных фильтров.

Калорифер способен значительно нагреть проходящий через него воздух - поднять его температуру на70 и даже на 100?С , поэтому его можно использовать для подогрева нагнетаемого воздуха даже при минимальных температурах до -25?С. При использовании водяных калориферов не следует забывать об установке узла обвязки, о котором пойдет речь далее.

Калорифер может устанавливаться по двум различным схемам воздухообмена - по принципу смешения приточного и рециркуляцинного воздуха, а также с замкнутой рециркуляцией воздуха. Наиболее эффективная работа калорифера в системах естественной вентиляции достигается при его установки в подвальных помещениях ( то есть, у точки воздухозабора). Для систем искусственной или принудительной вентиляции это требование неактуально, так как воздух прогоняется через калорифер посредством канальных вентиляторов.

6. Расчет калорифера

Расход воздуха L=1024 кг/ч

Меньшая разность температур ?t_м?10?С

Выбираем температуры, учитывая ?t_м

Начальная температура t₀=25?C

Конечная температура t₁=100?С

Давление насыщенного пара [8,таб.39] p=1,946 мм РТ ст при t=10?C

Удельная теплоемкость [интернет] c=1,005 кДж/кг*К

Запишем уравнение теплопередачи калорифера:

Q=kF?t_ср (1)

k-коэффициент теплопередачи, Вт/м²К

F-поверхность теплообмена, м²

?t_ср-средняя разность температур, К

Q-расход теплоты, Вт

Коэффициент теплопередачи рассчитываем по формуле:

k=b(??)ⁿ (2)

b,n-справочные величины, зависящие от массовой скорости и конструкции калорифера b=10 и n=0,42 [6,87c.таб.4.10]

??-массовая скорость воздуха, ??=2-14 кг/м²с [9] и равна и выбранная величина равняется 4кг/м²с

по формуле (2) определяем коэффициент теплопередачи:

k=10(4)^0,42=17,9 Вт/м²К

Следует, что

?t_м=t_гр.п - t₁ (3)

так как ?tм=10?C и t1=100?C, то можно по формуле (3) рассчитать tгр.п.:

t_гр.п.=110+10=110?С

так же из графика можно найти ?t_б по формуле:

?t_б=t_гр.п. -t₀ (4)

Подставим численные значения в формулу (4):

?t_б=110-25=85?С

Средняя разность температур рассчитывается по формуле:

?t_ср=?t_б - ?t_м/lg(?t_б/?t_м) (5)

подставляем данные в формулу (5) и вычисляем среднюю разность температур:

?t_ср=85-10/lg(85\10)=75\0,9=83,3 ?C

Расход теплоты рассчитываем по формуле:

Q=Lc_b(t₁-t₀) (6)

L-расход воздуха в калорифере, кг/с

с_в-удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг К

t₁-конечная температура калорифера, К

t₀-начальная температура в калорифере, К

Для того, чтобы рассчитать расход теплоты переводим расход воздуха в кг\с:

L=1024\3600=0,28 кг/с

Рассчитываем расход теплоты по формуле (6):

Q=0,28·1,005·10³·(100-25)=23919 Вт или 24кВт

Исходя из формулы (1) поверхность теплообмена равна:

F=Q\k·?t_ср (7)

Вставляем численные значения в формулу (7) и определяем поверхность теплообмена:

F=23919/(17,9·83,3)=23919/1491=16 м²

Благодаря поверхности теплообмена, можно выбрать калорифер [2,c.85]. Для нашей задачи подходит калорифер модели КФБ-3.

7. Охрана труда и техника безопасности

1. К работам по размещению и монтажу калорифера допускается только квалифицированный персонал, имеющий право на производство работ в соответствии с главой 3.4 "Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей" (ПТЭ и ПТБ).

2. Калориферы устанавливаются в помещениях с невзрывоопасной окружающей средой, не содержащей токопроводящей и иной пыли, других твердых примесей, липких веществ, волокнистых материалов (в концентрациях не более 0,01 г/м3), агрессивных газов и паров в концентрациях, снижающих параметры калорифера в недопустимых пределах, разрушающих металл и изоляцию. Климатическое исполнение калорифера соответствует категории УХЛ3.1 ГОСТ 15150: температура воздуха +40°С...-10°С, влажность воздуха не выше 65% при +20°С.

3. Питание калорифера производится от трехфазной сети ~380В, 50Гц через защитные устройства и устройства аварийного отключения с соответствующими токами срабатывания (предохранители, УЗО, автоматические выключатели), применяемые потребителем в зависимости от условий эксплуатации. Для подключения необходимо снять верхнюю крышку корпуса калорифера, отвернув саморезы.

4. Перед монтажом калорифера следует проверить его с целью выявления и исправления повреждений, вмятин и других дефектов, образовавшихся при транспортировке. Особое внимание следует обратить на сопротивление изоляции секций электронагревателей, которое должно быть не менее 0,5 Мом. При снижении величины сопротивления изоляции вследствие пребывания калорифера во влажной среде, его необходимо просушить при температуре 100°С...120°С в течение 4...6 часов, либо включить на пониженное напряжение сети. При подключении следует проверить затяжку всех доступных контактных соединений и при необходимости подтянуть.

Меры безопасности

1. Защита от токов короткого замыкания должна обеспечиваться устройствами внешней цепи электропитания согласно ПУЭ.

2. Запрещается:

· ставить около калорифера легковоспламеняющиеся вещества;

· работать с неподключенным заземлением;

· одновременное выключение нагревателей и вентилятора (без продувки);

· при подключенном к сети калорифере касаться его внутренних частей;

· перекрывать входную и выходную решётки калорифера;

· использовать калорифер с повреждённым кабелем питания, а также при наличии неисправностей, вызванных падением или другими повреждениями;

· использовать калорифер при снятых защитных решётках, снятой крышке;

· допускать попадание воды в калорифер;

· оставлять включенный калорифер без присмотра.

Эксплуатация калорифера

1. Эксплуатация калорифера должна осуществляться согласно требований "Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей" (ПТЭ и ПТБ).

2. Включение калорифера:

Включить вентилятор правым выключатель SA1 .

Включить I ступень нагрева (2/3 мощности нагрева) левым выключателем SA2 .

Включить II ступень нагрева (1/3 мощности нагрева) средним выключателем SA3 .

Ручкой терморегулятора установить необходимую температуру нагрева помещения.

3. При достижении в помещении выставленной температуры, терморегулятор выключает нагрев полностью, оставляя включенным вентилятор. При понижении температуры в помещении вновь включается нагрев. Данный цикл повторяется периодически, обеспечивая автоматическое поддержание достигнутой температуры.

4. Для выключения калорифера необходимо:

выключить выключатели нагрева SA2 , SA3 и через 3...5 минут выключатель вентилятора SA1 - для охлаждения всех нагретых элементов калорифера;

в калорифере КЭВ-20 включенное состояние вентилятора дорполнительно поддерживается термостатом SK3 (при выключенном выключателе SA1 ), при этом вентилятор будет вращаться до снижения температуры корпуса ниже 50°С, а ТЭНы будут отключены.

5. Если при отключении калорифера КЭВ-20 выключателем SA1 продувка не включилась (недостаточен разогрев термостата SK3 и т. д.) проведите продувку в ручном режиме, включив вентилятор на 3...5 минут.

Работа на неисправном калорифере категорически запрещается.

Правила хранения и транспортирования и утилизации

1. Калорифер должен храниться в закрытых помещениях в условиях, исключающих возможность воздействия солнечных лучей, влаги, резких колебаний температуры.

Температура окружающего воздуха при хранении калорифера должна быть в пределах от +1°С до +40 °С. Относительная влажность воздуха при температуре +20°С должна быть не более 65%.

2. Транспортирование калорифера в заводской упаковке допускается производить любым видом транспорта на любые расстояния. Условия транспортирования в части воздействия климатических факторов - по группе условий хранения 4(Ж2) ГОСТ 15150-69; условия транспортирования в части воздействия механических факторов - по группе условий транспортирования Л ГОСТ 23216-78.

Список литературы

1. Лебедев П.Д., Щукин А.А. «Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое проектирование). Учеб. пособие для энергетических вузов. «Энергия», Москва, 1970.

2. Лебедев П.Д. «Теплообменные сушильные и холодильные установки». Учебник для студентов технических вузов. 2-е издание. «Энергия», Москва, 1972.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под. ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. - 496 с.

4. Ульянов Б.А., Бадеников В.Я., Ликучёв В.Г. Процессы и аппараты химической технологии. Учебное пособие - Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2005 г. - 903 с.

5. "Энциклопедия современной техники. Строительство." М., 1964

6. Стахеев И.В. «Основы проектирования процессов и аппаратов пищевых производств» Минск, 1972,1975.

7. Гребенюк С.М. и др., Расчеты и задачи по процессов и аппаратов пищевых производств. -Агропромиздат, 1996

8. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. 9-е изд., перераб. И доп. - Л.: Химия,1981.-560 с., ил.

Размещено на Allbest.ru