Тепломас обмен оборуд Бак ТТ электрон курс Л 2012

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

(МИИТ)

Кафедра «Теплоэнергетика и водоснабжение на железнодорожном транспорте»

Автор: Лосавио Н.Г., кандидат технических наук, доцент

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

ТЕПЛОМАССООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА

Направление/специальность:_						140100.62 Теплоэнергетика и
теплотехника_		_ _____
						(код, наименование специальности /направления)
Профиль/специализация: Промышленная теплоэнергетика
Квалификация (степень) выпускника: __ бакалавр _________________ __									____
Форма обучения: __
						заочная_________ ___________			______

Москва 2012 г.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И УСТАНОВОК

1.1.Понятия, определения и классификация промышленного оборудования

Энергетическое и энерготехнологическое хозяйство современного промышленного предприятия представляет собой сложный комплекс, включающий в себя установки для производства и преобразования различных видов энергии; коммуникации и трубопроводы для транспорта топлива, энергии, сырья и продуктов (линии электропередачи, кабели, тепловые сети, газо-, паро- и водопроводы, линии сжатого воздуха, гидро- и пневмотранспорта и т. д.); установки и системы отопления, вентиляции и кондиционирования; энергоиспользующие установки для, выработки технологической продукции; установки для обезвреживания и утилизации выбросов, использования вторичных и попутных энергоресурсов предприятия

ввиде физической и химической теплоты отходов, теплоты конденсата, отработавшего пара, отходящих газов, механической энергии сжатого воздуха и других газов. Наиболее сложными и разнообразными по номенклатуре применяемого энерготехнологического оборудования являются предприятия химической, нефтехимической, металлургической, пищевой, целлюлознобумажной промышленности, промышленности строительных материалов.

Рациональное использование топливно-энергетических и сырьевых ресурсов на действующих и строящихся промышленных предприятиях в современных условиях обеспечивается на основе принципов энергосберегающей, малоотходной и безотходной технологии и энерготехнологического комбинирования.

Вданной книге рассматриваются тепло- и массообменные процессы и установки, основанные на использовании теплоты средних и низких параметров. Также описаны холодильные установки и тепловые насосы, в которых используется теплота от средне- и низкотемпературных источников.

Все тепломассообменные процессы и установки разделяют на высо-

котемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные и криогенные. К

высокотемпературным относят огнетехнические процессы и установки, в частности промышленные печи. Им соответствуют рабочие температуры в пределах 400–2000°С. Рабочий диапазон среднетемпературных процессов и (установок, например выпарки, ректификации, сушки, находится, как правило,

впределах 150–700°С; низкотемпературных систем (отопительные, вентиляционные, кондиционеры, теплонасосные и холодильные установки) — от — 150 до +150°С. Процессы с более низкими температурами называют криогенными (например, разделение воздуха).

К наиболее распространенным процессам относят: нагревание, охлаждение, конденсацию, выпаривание, сушку, дистилляцию, ректификацию, плавление, кристаллизацию, затвердевание. Некоторые из них часто сопровождаются не только тепло-, но и массообменом (сорбцией, диффузией и др.).

Основными элементами тепломассообменных установок являются

теплообменные и тепломассообменные аппараты, камеры и другие устройства.

Теплообменный аппарат (теплообменник) — устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами.

Устройства, в которых между двумя или несколькими средами происходит массообмен, называют массообменными аппаратами.

Аппараты, в которых одновременно протекают тепло- и массообмен, называют тепломассообменными. Перенос теплоты в них может осуществляться конвекцией, кондукцией, лучеиспусканием, при наличии фазовых и химических превращений газообразных, жидких и твердых веществ. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел и веществ к менее нагретым,

называют теплоносителями.

1.2. Теплообменные и тепломассообменные аппараты

Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим признакам.

В зависимости от назначения теплообменные аппараты называют

подогревателями, испарителями, паропреобразователями, конденсаторами,

холодильниками, радиаторами и т. д. К тепломассообменным аппаратам и устройствам .относят, например, скрубберы, применяемые для осушки, увлажнения и очистки воздуха от пыли и вредных паров и газов,' ректификационные колонны, абсорберы абсорбционных холодильных установок, сушильные камеры, градирни для охлаждения воды и т. д. В отдельную группу выделяют химические реакторы, т. е. аппараты, в которых протекают химические реакции, сопровождающиеся тепломассообменными процессами.

По принципу действия различают поверхностные и контактные аппараты. В поверхностных теплообменниках теплота от среды с более высокой температурой передается твердой стенке (насадке), а от нее — более холодной среде. В контактных аппаратах теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителей и, как правило, сопровождается переносом массы. Из других контактных теплообменников выделяют смесительные, в которых происходит частичное или полное перемешивание потоков теплоносителей.

Поверхность твердой стенки или границы раздела контактирующих сред, через которую осуществляется теплообмен, называется поверхностью теплообмена или поверхностью нагрева, а если теплообмен сопровождается передачей массы, — поверхностью тепломассообмена.

Поверхность тепломассообмена в газожидкостных контактных аппаратах может быть создана с помощью насадки из твердых частиц, колец, реек, металлической стружки и т. д. При полном смачивании насадки площадь поверхности тепломассообмена принимают равной площади поверхности насадки. В безнасадочных газожидкостных контактных аппаратах поверхность тепломассообмена образуется в результате гидродинамического и теплового взаимодействий жидкости и таза, или Отара при распылении жидкости форсунками, струйном истечении жидкостей и газов из сопл и отверстий, барботаже газа или пара через слой жидкости. Поверхность капель, пузырей или струй является поверхностью тепло- и массообмена. При движении твердых частиц в жидкости или газе, так же как при продувке газом или фильтрации жидкости через слой частиц твердого материала, площадь поверхности тепломассообмена часто равна суммарной площади поверхности частиц.

Рис. 1.1. Принципиальные схемы рекуперативных и регенеративных поверхностных и контактных теплообменников:

и — рекуперативного непрерывного действия; б — рекуперативного периодического действия; в — регенеративного периодического действия; г — регенеративного непрерывного действия; д — теплотрубного; е — с промежуточным сыпучим теплоносителем; I' и I" — вход и выход греющего теплоносителя; II' и II" — вход и выход нагреваемого теплоносителя; 1,3 — неподвижная и вращающаяся насадки; 2 — шибер для переключения направления потоков; 4 — твердый сыпучий теплоноситель; 5 — устройство для его транспортировки

Поверхностные теплообменные аппараты делят на рекуперативные

и регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую стенку. В регенеративных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагрева (насадки) (рис. 1.1). Во время соприкосновения с греющим теплоносителем стенка (насадка) нагревается, т. е. аккумулирует теплоту, а во время соприкосновения с нагреваемым теплоносителем отдает ему теплоту и охлаждается.

Рекуперативные аппараты работают или в периодическом, или в стационарном тепловом режиме. Аппараты периодического действия представляют собой обычно сосуды большой вместимости, которые через определенные промежутки времени заполняют обрабатываемым материалом или одним из теплоносителей, нагревают или охлаждают его и затем удаляют (выгружают). В стационарном режиме работают, как правило, аппараты непрерывного действия. При этом и них поддерживают постоянные во времени расходы, концентраций, температуры сред на входе в аппарат и выходе из него. Изменение расходов теплоносителей и их параметров в аппаратах непрерывного действия имеет место при их включении и выключении из работы и при переходе с одного стационарного режима на другой.

Регенеративные теплообменные аппараты тоже могут работать в периодическом и непрерывном режимах. В аппаратах Периодического действия горячий и холодный теплоносители поочередно контактируют с неподвижной насадкой (рис. 1.1, в). В регенеративных теплообменниках непрерывного действия потоки теплоносителей разделены подвижной, например вращающейся, поверхностью нагрева (Насадкой), различные части которой попеременно контактируют то с греющим, то с нагреваемым теплоносителем (рис. 1.1,г).

Развитие техники и технологии привело к созданию теплообменников, в которых теплЪта передается от греющего теплоносителя к нагреваемому с помощью промежуточного теплоносителя (рис. 1.1 ,д, е). К аппаратам с промежуточным теплоносителем, в частности, относятся теплотрубные теплообменники (рис. 1.1,д), в которых теплота от нагретых сред и тел передается холодным в процессе циркуляции попеременно испаряющегося в области высоких температур и конденсирующегося в холодной области промежуточного теплоносителя, заключен ного в герметичные трубы, часть наружной поверхности которых помещена в нагретую среду или омывается ею, а другая их часть омывается охлаждающей средой. На рис. 1.1, е показаны теплообменные аппараты с промежуточным твердым сыпучим теплоносителем, не меняющим агрегатного состояния. Условия работы»промежуточного теплоносителя во многом совпадают с условиями работы вращающихся поверхностей нагрева регенеративных теплообменников непрерывного действия.

Если участвующие в тепломассообмене горячая и холодная среды перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направлении,

тепломассообменный аппарат называют прямоточным, при встречном движении теплоносителей и сред — противоточным, а при перекрестном движении — перекрестноточным. Перечисленные схемы движения теплоносителей и сред в аппаратах называют простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из потоков по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей и сред.

Путь, пройденный теплоносителем в тепломассообменом аппарате без изменения направления движения, называют ходом. Тепломассообменные аппараты, в которых какой-либо из потоков меняет направление 1, 2, 3, ..., n раз, называют соответственно двух-, трех-, четырех- (n+1) – ходовыми аппаратами по данному теплоносителю или среде.

Если обмен теплотой и массой в аппарате происходит между двумя потоками, то его называют двухпоточным, при трех потоках –

трехпоточным и т.д.

1.3. Теплоносители

Теплоносители классифицируют по назначению, агрегатному состоянию и диапазону рабочих температур и давлений.

По назначению выделяют греющий теплоноситель, охлаждающий теплоноситель, или хладоноситель, промежуточные тепло- и хладоносители,

хладагент (рабочее тело в холодильных циклах), сушильный агент и т. п. По агрегатному состоянию различают однофазные и многофазные (чаще двухфазные) теплоносители. К однофазным относятся низкотемпературная плазма, (пламя); газы, неконденсирующиеся пары, смеси газов и неконденсирующихся паров; не кипящие и не испаряющиеся при рабочем давлении жидкости, их смеси, растворы; твердые материалы (чаще сыпучие). К двухфазным и многофазным теплоносителям относятся кипящие, испаряющиеся и распыляемые газом жидкости, конденсирующиеся пары, парогазовые смеси при конденсации содержащихся в них паров; плавящиеся и затвердевающие, возгоняющиеся (сублимирующие) и десублимирующие твердые вещества, пены, газовзвеси, аэрозоли и другие Запыленные газовые потоки; эмульсии, суспензии, шламы, пасты и прочие реологически сложные системы.

Таблица 1.1. Характеристики некоторых высокотемпературных теплоносителей

Температура, °С

Теплоноситель Химическая плавления кипения формула

при атмосферном давлении

Минеральные масла	—	-20÷130	300—500
(трансформаторное и др.)
Нафталин	С10Н8	80,2	218
Дифенил		к 67	255
Дифениловый эфир	С12Н100	27	259
Дифенильная смесь (ВОТ)		12	258
Глицерин	С2Н808	— 18, 6	290
Кремний органические		—30 ÷—40	440
соединения (силиконы)
Нитритнитратная смесь	—	143	550
Натрий	—	97,8	883
Сплав натрия и калия	—	—11	784

По диапазону рабочих температур выделяют высокотемпературные,

среднетемпературные, низкотемпературные теплоносители и теплоносител, и применяемые при криогенных температурах. К высокотемпературным газообразным теплоносителям относят дымовые или топочные газы. Их температура может достигать 1500 °С. К высокотемпературным теплоносителям в виде капельных жидкостей принято относить вещества, температура кипения которых при атмосферномдавлении превышает 200°С. Это минеральные масла, кремнийорганические и дифенильные соединения, расплавы солей и жидкие металлы (табл. 1.1). К среднетемпературным теплоносителям в первую очередь относят водяной пар, воду и воздух. Пар используют при температурах до 650°С, воду — до 375 °С, воздух —до 100 °С (табл. 1.2). Низкотемпературными теплоносителями принято считать такие, температура кипения которых при давлении ОД МПа обычно не превышает 0°С. К ним в первую очередь относят холодильные агенты. На рис. 1.2 приведены зависимости температур кипения от давления для некоторых из них. Криогенными •теплоносителями называют сжиженные газы- (кислород, водород, азот, воздух и др.) и их пары. Область их применения лежит ниже —

150 °С.

Рис. 1.2. Зависимости температуры кипения хладагентов от давления

В табл. 1.2 и 1.3 приведены ориентировочные значения рабочих диапазонов давлений, температур и рекомендуемых скоростей движения наиболее распространенных теплоносителей в каналах теплообменных аппаратов. Требования, которым должны соответствовать теплоносители, сводятся к следующему: достаточно высокая температура кипения при атмосферном давлении, большая интенсивность теплообмена, термическая стойкость, низкая температура плавления, малая вязкость, большие удельная теплоемкость и теплота парообразования, слабые коррозионная активность и токсичность, невоспламеняемость, взрывобезопасность и невысокая стоимость.

Допустимые и оптимальные расстояния, на которые может быть осуществлен транспорт теплоты с помощью теплоносителей от ее источника к потребителю, скорость движения и температуры теплоносителя в аппаратах устанавливают в результате технико-экономических расчетов. При этом учитывают капитальные вложения, которые определяются затратами на изготовление элементов системы, проведение строительных работ и монтаж оборудования, а также эксплуатационные затраты, включающие стоимость энергии на прокачку теплоносителя, расходы на ремонт оборудования и зарплату обслуживающего персонала.

Приведенные в табл. 1.2, 1.3 ориентировочные значения рабочих диапазонов температур, давлений и скоростей, при которых целесообразно использовать те или иные теплоносители, получены с учетом их свойств на основе технико-экономических расчетов и опыта эксплуатации теплотехнологического и теплоэнергетического оборудования. Именно этим условиям соответствуют также приведенные в табл. 1.4. ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи при движении различных теплоносителей в каналах тепломассообменных аппаратов.

Таблица 1.2. Условные применения теплоносителей

Теплоноситель	Температура, 0С	Абсолютное
Сжиженные газы:
гелий	До -272	До 0,1
водород	До -257	До 1,0
азот, воздух, кислород	До -210	До 20,0
метан	От -160 до -100	До 4,0
этан, этилен, фреоны	От -150 до -70	До 4,0
Фреон-12, -22; аммиак; О2, СО2	От -70 до 0	До 1,5
Этиленгликоль	От -65 до 100	От 0,1 до 0,2
Антифризы	От -65 до 40	От 0,1 до 0,2

Рассол СаСl2	От -50 до 0	До 0,1
Фреон-11, -21, -113, -114	От -10 до 0	До 0,3
Воздух газообразный	От -70 до 100	От 0,1 до 1,0
Минеральные масла	От 0 до 215	До 0,1
Вода	От 0 до 374	От 0,1 до 22,5
Водяной пар	От 0 до 650	От 0,1 до 30,0
Дифенильные смеси	От 260 до 350	От 0,1 до 0,6
Силиконы (кремнийорганические	До 320	До 0,1
соединения)
Ртуть (применяется в исключительных	От 350 до 500	От 0,1 до 0,9
случаях)
Сплав свинца с сурьмой и оловом	До 400	До 0,1
Сплав смеси солей 40% NaNO2, 7%	От 150 до 530	До 0,1
NaNO3 и 53% КNO3
Дымовые газы	От 450 до 1000	До 0,1
Твердые теплоносители (шамот, алунд и	До 1500	До 0,1
др.)
Плазма низкотемпературная	До 3500	До 0,1

Таблица 1.3. Рекомендуемые скорости итеплоносителей при вынужденном течении в каналах и трубах теплообменников

	Среда			Скорость,	Среда	Скорость
				м/с		м/с
Маловязкие жидкости (вода,				0,5 – 3	Газы по давлением	До 15 – 30
бензин, керосин)					(до десятков МПа)
Вязкие	жидкости		(масла,	0,2 – 1
растворы солей)					Пар насыщенный	30 – 50
Запыленные		газы	при	6 – 10	Пар:
атмосферном давлении					перегретый	30 – 75
Незапыленные		газы	при	12 – 16	разреженный	100 – 20
атмосферном давлении

Таблица 1.4. Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи

Процесс	Коэффициент теплоотдачи,
	Вт/(м2·К )
Нагревание и охлаждение:
Газов	1		– 60
Перегретых паров	20		– 120
Масел	60	– 1700
Воды	200	– 10000
Кипение:
органических жидкостей	600	– 10000