Файл: Ответы к экзаменационным вопросам по предмету Основы энергетики.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 02.05.2024
Просмотров: 73
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
,
где ω –– скорость движения потока, м/с; d –– геометрический параметр, характеризующий размеры канала, м; υ (ню) –– кинематическая вязкость вещества, м2/с.
При
–– режим движения потока считается ламинарным;
При
–– режим движения потока считается турбулентным.
Как правило, движущаяся среда не имеет температурного напора, поэтому конвективный теплообмен сводится к обмену тепловой энергии между поверхностью твердого тела и окружающей ее средой. Поэтому, конвективный теплообмен принято называть теплоотдачей. Такие процессы имеют место быть в энергетических котлах, где внутри труб кипит вода, в теплообменниках при нагревании различных сред, в системах отопления, где воздух нагревается от приборов отопления и т.д. Теплота здесь переноситься движущимися частицами жидкости или газа. Поэтому, чем больше скорость движения жидкости или газа, тем лучше они перемешивается, тем интенсивнее происходит конвективный теплообмен. Кроме того, конвективный теплообмен включает также и теплопроводность, поскольку имеет место соприкосновение частиц жидкости друг с другом и поверхностью нагрева.
12. Теплообменники
Назначение теплообменников – передача тепла от нагретой среды к холодной. А применение не ограничивается какой-то одной сферой индустрии – оборудование используется повсеместно (в энергетике, металлургии, пищевой и химической промышленности, на тепловых пунктах, в системах отопления, вентилирования и кондиционирования и так далее).
Виды оборудования по передаче тепла
1. Поверхностные теплообменники
Теплообмен между разными средами осуществляется через стенки из специального теплопроводящего материала, т.е. контура здесь полностью герметичны. Оборудование поверхностного типа в свою очередь делится на:
рекуперативные (температурный обмен между теплоносителями осуществляется через тонкие стенки контуров, а поток среды имеет неизменное направление);
регенеративные (отличаются от рекуперативных изменяющимся направлением потока).
2. Смесительные теплообменники
Здесь передача тепла достигается путем смешивания двух сред и данный вид теплообменника применяется намного реже вышеуказанных.
Виды оборудования по применению
кожухотрубные теплообменники –
состоят из пучка труб, соединенных в решетку при помощи пайки или сварки;
пластинчатые теплообменники – имеют площадь теплообмена, состоящую из пластин, соединенных термостойкими уплотнителями;
витые теплообменники – собираются из концентрических змеевиков, а рабочая среда в них движется по изогнутым трубам и по межтрубному пространству;
спиральные теплообменники – представляют собой тонкие стальные листы, свернутые в спираль;
водяные, воздушные и т.д.
Видов очень много, поэтому перечислять их все просто не имеет смысла. Самым популярным из вышеперечисленного оборудования считается пластинчатый теплообменник, вот его особенности и рассмотрим детальнее.
1. Пластинчатые разборные теплообменники (состоят из отдельных пластин, разграниченных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и крепежных болтов)
2. Пластинчатые паяные теплообменники (состоит из набора металлических гофрированных пластин, изготовленных из нержавеющей стали, которые соединены между собой посредством пайки в вакууме с использованием медного или никелевого припоя)
3. Пластинчатые сварные теплообменники предназначены для использования в условиях экстремально высоких температурах и давлениях на установках, параметры которых не позволяют использовать уплотнения. Эти теплообменники отличаются высокой эффективностью, малыми габаритами и требуют минимального обслуживания. Материал пластин – нержавеющая сталь, титан, никелевые сплавы.
Рабочие среды – высокотемпературный пар, газы и жидкости, в том числе агрессивные, а также их смеси. Сварные ТО отличаются от РПТО опять же методом герметизации пластин, в сварных аппаратах пластины свариваются сталью, образованные сварные кассеты компонуются внутри стальных плит. Применяются в тех. процессах с агрессивными средами, газовыми средами, на больших давлениях.
4. Пластинчатые полусварные теплообменники. Аналогично, как и в сварных аппаратах, пластины свариваются в кассеты, но метод соединения кассет между друг другом посредством паронитовых соединений. Область применения – тех. процессы с агрессивными средами. Пластинчатый полусварной теплообменник сделан в виде конструкции из небольшого количества сварных модулей. А они в свою очередь соединены при помощи лазерной сварки в виде пары пластин. Вся эта конструкция собрана между торцевыми плитами при помощи болтов. Между каждым сварным модулем проложен резиновый уплотнитель.
Такие теплообменники применяются в особых случаях, когда в качестве теплоносителя будет использовано вещество с очень высокой температурой, давлением, любым другим опасным параметром или просто опасное вещество. В этом случае оно будет перемещаться в заваренных каналах по теплообменным пластинам.
5. Кожухотрубные теплообменники (их основными элементами являются пучки труб, собранные в трубные решетки и помещенные в корпус, патрубки и концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой, пайкой)
6. Спиральные теплообменники (поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделителю (керну) и свернутыми в виде спирали) В спиральном теплообменнике, в отличии от РПТО используются всего две пластины, свернутые вокруг керна в спираль и «упакованные» в сваренные кожух.
Используются спиральные аппараты в тех. процессах, с агрессивными средами и высокими давлениями (P.S. на данный момент из брендов на нашем рынке остался один производитель – Alfa Laval. GEA и Sondex отказались от дальнейшего выпуска данных аппаратов. Исключительная компактность и эффект самоочистки делают спиральные теплообменники Альфа Лаваль в высшей степени универсальным оборудованием – они применимы, как в работе с жидкими неоднородными средами, склонными к образованию отложений на теплопередающих поверхностях, так и при наличии конденсации пара или газа в условиях высокого вакуума.
Конструкция теплообменника
Оборудование состоит из двух основных плит – неподвижной и подвижной. В обеих пластинах сделано несколько отверстий, предназначенных для входа и выхода среды. Между двумя основными плитами установлено множество пластин, которые герметизируют с помощью резиновых прокладок. Направляющие сверху и снизу определяют положение оборудования. Пластины можно сжать до нужного размера, с помощью специальных гаек. Расположение пластин не случайно, пластины через одну повернуты на 180°, относительно соседних. Благодаря этому входящее отверстие канала уплотнено дважды.
Принцип работы
Главный элемент теплообмена – жидкость. Жидкости перемещаются в противотоке по каналам, созданным благодаря гофрированным пластинам, которые образуют каналы. Пристенный гофрированный слой, из-за высокой скорости потока начинает набирать турбулентность. Каждая среда продвигается по одной пластине, но с разных ее сторон, во избежание смешения. Все пластины теплообменника одинаковые
, и установить их так же просто, как и сварной теплообменник. Благодаря этому приспособление образует некий пакет, в котором находятся 4 коллектора, они предназначены для ввода и отвода различных сред. В теплообмене принимают участие все пластины за исключением крайних (первой и последней).
Имея даже самые низкие показатели гидравлического сопротивления, теплоотдачу можно увеличить при помощи тонкого потока и турбулентности. При этом и турбулентность, и тонкий поток очищают пластины от нежелательных и даже самых устойчивых налетов.
Задняя и передняя плита имеют отверстия, которые подключаются к трубопроводу, и производят нагревание сред. Трубы могут отличаться между собой методом присоединения (к примеру, есть тип с резьбой ГОСТа №6357 и с резьбой по ГОСТу №12815). Оба они зависят от типа устройства. Размещенные параллельно пластины теплообменника создают каналы. Проходя все каналы, среда осуществляет теплообмен и покидает оборудование. Это значит, что пластины самый важный элемент всего теплообменника. Их толщина составляет всего 0,5 мм, производят их из нержавеющей стали методом холодной штамповки. Между пластинами устанавливают устойчивую к температурам резину, которая делает каналы герметичными. Входящие и выходящие отверстия укрепляют специальной прокладкой и кольцами, спереди и сзади соответственно.
Выбор теплообменника происходит с учетом его рабочих требований. Чем они выше – тем больше потребуется пластин. Именно число пластин отвечает за общую эффективность.
Сферы применения
Пищевая промышленность. Производя спирт, пиво, растительное масло, сахар и молочные продукты, обязательно используют теплообменники. Здесь они предназначены для пастеризации продуктов, их охлаждения и возможного испарения. Для таких целей очень часто используют паяный вид пластинчатых теплообменников, хотя нередко также применяют разборной теплообменник.
Металлургия. Охлаждение на металлургии нужно как нигде. Это связано с тем, что печи, стаканы, различные гидравлические системы и другие устройства вырабатывают огромное количество тепла. Для снижения этого показателя используют пластинчатые теплообменники, которые выступают как охладители. В качестве охладителей могут использоваться паяные, сварные и даже спиральные теплообменники. Выбор устройства напрямую зависит от условий его эксплуатации.
Судостроение. За охлаждение главного двигателя судна и всей центральной системы также отвечает теплообменник. Здесь вместо обычной среды может быть использована морская вода или моторные масла различных уровней вязкости. Кроме этого на судне теплообменники могут применять для поддержания работы отопительной системы, для ГВС, но это касается исключительно крупных суден.
Нефтегазовая промышленность. Для крекинга, охлаждения и подогрева нефти также используются пластинчатые теплообменники. Зачастую такие теплообменники:
низкого давления
сетевые
химической подготовки воды
В таких теплообменниках принято использовать пластины из титана, толщиной в 7 миллиметров, с давление в 25 бар. Для такого оборудования применяют уплотнители NBR или Витон, если нужны прокладки устойчивые к высоким температурным условиям.
Коммунальное теплоснабжение. Подогрев воды, «теплый пол», горячее водоснабжение – для всего этого также используют пластинчатые теплообменники. Такое устройство способно работать при температуре до 150 градусов по Цельсию, с давлением до 16 кПа. В таких теплообменниках используют пластины из антикоррозийной стали, толщина которых может достигать 5 миллиметров. Имеется уплотнение из этиленпропилена.
Исходные данные и расчет теплообменника
1 - Температура на входе и выходе обоих контуров.
Пример: максимальная входная температура - 55°С, а LMTD - 10°С. Теплообменник будет дешевле и меньше в том случае, когда эта разница будет больше.
2 - Максимально допустимая рабочая температура, давление среды.
Цена будет ниже в случае плохих параметров.
3 - Массовый расход (m) рабочей среды в обоих контурах (кг/с, кг/ч).
Или пропускная способность теплообменника. Часто указывают лишь один параметр - объем расхода воды. Общий массовый расход можно вычислить если объем пропускной способности умножить на плотность. Например, плотность холодной воды в центральной системе примерно равна 0.99913.
4 - Тепловая мощность (Р, кВт).
Или тепловая нагрузка (количество тепла, отданное теплообменником) вычисляет по формуле: P = m * cp *δt
где m – расход среды
cp – удельная теплоемкость (для воды, нагретой до 20 градусов, равна 4,182 кДж/(кг *°C))
δt – температурная разность на входе и выходе одного контура (t1 - t2)
5 - Дополнительные характеристики.
чтобы выбрать состав пластин, необходимо узнать в какой рабочей среде будет использоваться теплообменник и ее вязкость;
средний температурный напор LMTD (рассчитывается по формуле ΔT1 - ΔT2/( In ΔT1/ ΔT2), где ΔT1 = T1(температура на входе горячего контура) - T4(выход горячего контура) и ΔT2 = T2 (вход холодного контура) - T3 (выход холодного контура);
уровень загрязненности среды (R) - редко используют, так как этот параметр нужен только в некоторых случаях.
где ω –– скорость движения потока, м/с; d –– геометрический параметр, характеризующий размеры канала, м; υ (ню) –– кинематическая вязкость вещества, м2/с.
При
–– режим движения потока считается ламинарным;При
–– режим движения потока считается турбулентным.Как правило, движущаяся среда не имеет температурного напора, поэтому конвективный теплообмен сводится к обмену тепловой энергии между поверхностью твердого тела и окружающей ее средой. Поэтому, конвективный теплообмен принято называть теплоотдачей. Такие процессы имеют место быть в энергетических котлах, где внутри труб кипит вода, в теплообменниках при нагревании различных сред, в системах отопления, где воздух нагревается от приборов отопления и т.д. Теплота здесь переноситься движущимися частицами жидкости или газа. Поэтому, чем больше скорость движения жидкости или газа, тем лучше они перемешивается, тем интенсивнее происходит конвективный теплообмен. Кроме того, конвективный теплообмен включает также и теплопроводность, поскольку имеет место соприкосновение частиц жидкости друг с другом и поверхностью нагрева.
12. Теплообменники
Назначение теплообменников – передача тепла от нагретой среды к холодной. А применение не ограничивается какой-то одной сферой индустрии – оборудование используется повсеместно (в энергетике, металлургии, пищевой и химической промышленности, на тепловых пунктах, в системах отопления, вентилирования и кондиционирования и так далее).
Виды оборудования по передаче тепла
1. Поверхностные теплообменники
Теплообмен между разными средами осуществляется через стенки из специального теплопроводящего материала, т.е. контура здесь полностью герметичны. Оборудование поверхностного типа в свою очередь делится на:
рекуперативные (температурный обмен между теплоносителями осуществляется через тонкие стенки контуров, а поток среды имеет неизменное направление);
регенеративные (отличаются от рекуперативных изменяющимся направлением потока).
2. Смесительные теплообменники
Здесь передача тепла достигается путем смешивания двух сред и данный вид теплообменника применяется намного реже вышеуказанных.
Виды оборудования по применению
кожухотрубные теплообменники –
состоят из пучка труб, соединенных в решетку при помощи пайки или сварки;
пластинчатые теплообменники – имеют площадь теплообмена, состоящую из пластин, соединенных термостойкими уплотнителями;
витые теплообменники – собираются из концентрических змеевиков, а рабочая среда в них движется по изогнутым трубам и по межтрубному пространству;
спиральные теплообменники – представляют собой тонкие стальные листы, свернутые в спираль;
водяные, воздушные и т.д.
Видов очень много, поэтому перечислять их все просто не имеет смысла. Самым популярным из вышеперечисленного оборудования считается пластинчатый теплообменник, вот его особенности и рассмотрим детальнее.
1. Пластинчатые разборные теплообменники (состоят из отдельных пластин, разграниченных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и крепежных болтов)
2. Пластинчатые паяные теплообменники (состоит из набора металлических гофрированных пластин, изготовленных из нержавеющей стали, которые соединены между собой посредством пайки в вакууме с использованием медного или никелевого припоя)
3. Пластинчатые сварные теплообменники предназначены для использования в условиях экстремально высоких температурах и давлениях на установках, параметры которых не позволяют использовать уплотнения. Эти теплообменники отличаются высокой эффективностью, малыми габаритами и требуют минимального обслуживания. Материал пластин – нержавеющая сталь, титан, никелевые сплавы.
Рабочие среды – высокотемпературный пар, газы и жидкости, в том числе агрессивные, а также их смеси. Сварные ТО отличаются от РПТО опять же методом герметизации пластин, в сварных аппаратах пластины свариваются сталью, образованные сварные кассеты компонуются внутри стальных плит. Применяются в тех. процессах с агрессивными средами, газовыми средами, на больших давлениях.
4. Пластинчатые полусварные теплообменники. Аналогично, как и в сварных аппаратах, пластины свариваются в кассеты, но метод соединения кассет между друг другом посредством паронитовых соединений. Область применения – тех. процессы с агрессивными средами. Пластинчатый полусварной теплообменник сделан в виде конструкции из небольшого количества сварных модулей. А они в свою очередь соединены при помощи лазерной сварки в виде пары пластин. Вся эта конструкция собрана между торцевыми плитами при помощи болтов. Между каждым сварным модулем проложен резиновый уплотнитель.
Такие теплообменники применяются в особых случаях, когда в качестве теплоносителя будет использовано вещество с очень высокой температурой, давлением, любым другим опасным параметром или просто опасное вещество. В этом случае оно будет перемещаться в заваренных каналах по теплообменным пластинам.
5. Кожухотрубные теплообменники (их основными элементами являются пучки труб, собранные в трубные решетки и помещенные в корпус, патрубки и концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой, пайкой)
6. Спиральные теплообменники (поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделителю (керну) и свернутыми в виде спирали) В спиральном теплообменнике, в отличии от РПТО используются всего две пластины, свернутые вокруг керна в спираль и «упакованные» в сваренные кожух.
Используются спиральные аппараты в тех. процессах, с агрессивными средами и высокими давлениями (P.S. на данный момент из брендов на нашем рынке остался один производитель – Alfa Laval. GEA и Sondex отказались от дальнейшего выпуска данных аппаратов. Исключительная компактность и эффект самоочистки делают спиральные теплообменники Альфа Лаваль в высшей степени универсальным оборудованием – они применимы, как в работе с жидкими неоднородными средами, склонными к образованию отложений на теплопередающих поверхностях, так и при наличии конденсации пара или газа в условиях высокого вакуума.
Конструкция теплообменника
Оборудование состоит из двух основных плит – неподвижной и подвижной. В обеих пластинах сделано несколько отверстий, предназначенных для входа и выхода среды. Между двумя основными плитами установлено множество пластин, которые герметизируют с помощью резиновых прокладок. Направляющие сверху и снизу определяют положение оборудования. Пластины можно сжать до нужного размера, с помощью специальных гаек. Расположение пластин не случайно, пластины через одну повернуты на 180°, относительно соседних. Благодаря этому входящее отверстие канала уплотнено дважды.
Принцип работы
Главный элемент теплообмена – жидкость. Жидкости перемещаются в противотоке по каналам, созданным благодаря гофрированным пластинам, которые образуют каналы. Пристенный гофрированный слой, из-за высокой скорости потока начинает набирать турбулентность. Каждая среда продвигается по одной пластине, но с разных ее сторон, во избежание смешения. Все пластины теплообменника одинаковые
, и установить их так же просто, как и сварной теплообменник. Благодаря этому приспособление образует некий пакет, в котором находятся 4 коллектора, они предназначены для ввода и отвода различных сред. В теплообмене принимают участие все пластины за исключением крайних (первой и последней).
Имея даже самые низкие показатели гидравлического сопротивления, теплоотдачу можно увеличить при помощи тонкого потока и турбулентности. При этом и турбулентность, и тонкий поток очищают пластины от нежелательных и даже самых устойчивых налетов.
Задняя и передняя плита имеют отверстия, которые подключаются к трубопроводу, и производят нагревание сред. Трубы могут отличаться между собой методом присоединения (к примеру, есть тип с резьбой ГОСТа №6357 и с резьбой по ГОСТу №12815). Оба они зависят от типа устройства. Размещенные параллельно пластины теплообменника создают каналы. Проходя все каналы, среда осуществляет теплообмен и покидает оборудование. Это значит, что пластины самый важный элемент всего теплообменника. Их толщина составляет всего 0,5 мм, производят их из нержавеющей стали методом холодной штамповки. Между пластинами устанавливают устойчивую к температурам резину, которая делает каналы герметичными. Входящие и выходящие отверстия укрепляют специальной прокладкой и кольцами, спереди и сзади соответственно.
Выбор теплообменника происходит с учетом его рабочих требований. Чем они выше – тем больше потребуется пластин. Именно число пластин отвечает за общую эффективность.
Сферы применения
Пищевая промышленность. Производя спирт, пиво, растительное масло, сахар и молочные продукты, обязательно используют теплообменники. Здесь они предназначены для пастеризации продуктов, их охлаждения и возможного испарения. Для таких целей очень часто используют паяный вид пластинчатых теплообменников, хотя нередко также применяют разборной теплообменник.
Металлургия. Охлаждение на металлургии нужно как нигде. Это связано с тем, что печи, стаканы, различные гидравлические системы и другие устройства вырабатывают огромное количество тепла. Для снижения этого показателя используют пластинчатые теплообменники, которые выступают как охладители. В качестве охладителей могут использоваться паяные, сварные и даже спиральные теплообменники. Выбор устройства напрямую зависит от условий его эксплуатации.
Судостроение. За охлаждение главного двигателя судна и всей центральной системы также отвечает теплообменник. Здесь вместо обычной среды может быть использована морская вода или моторные масла различных уровней вязкости. Кроме этого на судне теплообменники могут применять для поддержания работы отопительной системы, для ГВС, но это касается исключительно крупных суден.
Нефтегазовая промышленность. Для крекинга, охлаждения и подогрева нефти также используются пластинчатые теплообменники. Зачастую такие теплообменники:
низкого давления
сетевые
химической подготовки воды
В таких теплообменниках принято использовать пластины из титана, толщиной в 7 миллиметров, с давление в 25 бар. Для такого оборудования применяют уплотнители NBR или Витон, если нужны прокладки устойчивые к высоким температурным условиям.
Коммунальное теплоснабжение. Подогрев воды, «теплый пол», горячее водоснабжение – для всего этого также используют пластинчатые теплообменники. Такое устройство способно работать при температуре до 150 градусов по Цельсию, с давлением до 16 кПа. В таких теплообменниках используют пластины из антикоррозийной стали, толщина которых может достигать 5 миллиметров. Имеется уплотнение из этиленпропилена.
Исходные данные и расчет теплообменника
1 - Температура на входе и выходе обоих контуров.
Пример: максимальная входная температура - 55°С, а LMTD - 10°С. Теплообменник будет дешевле и меньше в том случае, когда эта разница будет больше.
2 - Максимально допустимая рабочая температура, давление среды.
Цена будет ниже в случае плохих параметров.
3 - Массовый расход (m) рабочей среды в обоих контурах (кг/с, кг/ч).
Или пропускная способность теплообменника. Часто указывают лишь один параметр - объем расхода воды. Общий массовый расход можно вычислить если объем пропускной способности умножить на плотность. Например, плотность холодной воды в центральной системе примерно равна 0.99913.
4 - Тепловая мощность (Р, кВт).
Или тепловая нагрузка (количество тепла, отданное теплообменником) вычисляет по формуле: P = m * cp *δt
где m – расход среды
cp – удельная теплоемкость (для воды, нагретой до 20 градусов, равна 4,182 кДж/(кг *°C))
δt – температурная разность на входе и выходе одного контура (t1 - t2)
5 - Дополнительные характеристики.
чтобы выбрать состав пластин, необходимо узнать в какой рабочей среде будет использоваться теплообменник и ее вязкость;
средний температурный напор LMTD (рассчитывается по формуле ΔT1 - ΔT2/( In ΔT1/ ΔT2), где ΔT1 = T1(температура на входе горячего контура) - T4(выход горячего контура) и ΔT2 = T2 (вход холодного контура) - T3 (выход холодного контура);
уровень загрязненности среды (R) - редко используют, так как этот параметр нужен только в некоторых случаях.