Потери в теплообменниках

Потери в теплообменниках 


Теория теплообмена

Законы физики всегда позволяют тепловой энергии перемещаться в системе до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Вследствие разности температур тепло покидает более нагретое тело или самую горячую жидкость и передается холодной среде.
На этом принципе стремления к выравниванию температур и основана работа теплообменников. В пластинчатом теплообменнике тепло очень легко проходит через поверхность раздела горячей и холодной среды. Поэтому можно нагревать или охлаждать жидкости (газы), имеющие минимальные уровни энергии. Теория теплообмена или передачи тепла от одной среды или жидкости к другой построена на нескольких основных положениях.
• Тепло всегда будет передаваться от горячей среды к холодной.
• Между одной и другой средой всегда должна иметь место разность температур.
Количество тепла, отданного горячей средой, равно количеству тепла, полученного холодной средой за вычетом потерь во внешнюю среду.


Теплообменники

Теплообменник представляет собой устройство, которое непрерывно передает тепло от одной среды к другой.

Существует два типа теплообменников.

 Теплообменник прямого действия, где обе среды, между которыми происходит теплообмен, находятся в непосредственном контакте.

Примером теплообменника такого типа является башенный охладитель или градирня, где стекающая вода охлаждается через непосредственный контакт с окружающим воздухом.

• Теплообменник непрямого действия, в котором теплообмен происходит через стенку, разделяющую две среды.


Виды теплопередачи



Тепло может передаваться тремя способами:
Излучение. При теплообмене излучением энергия передается посредством электромагнитного излучения. Здесь примером может служить нагревание поверхности земли солнцем.
Теплопроводность (кондукция). Передача тепла в твердом теле.
Конвекция. При конвективном теплообмене энергия передается благодаря контакту одной части среды с другой.


Существует два типа конвекции:
a) естественная (свободная) конвекция, при которой движение среды целиком
зависит от разностей ее плотностей и температур, выравнивающихся во время процесса теплообмена;
b) принудительная (вынужденная) конвекция, при которой движение среды целиком или частично зависит от результатов внешнего воздействия на эту среду; здесь примером может служить работа насоса, перекачивающего жидкость.

Типы теплообменников

 

Существует несколько основных типов теплообменников непрямого действия: 

- пластинчатые

- кожухотрубные

- спиральные и т.д. 


В большинстве применений наиболее эффективным из них считается пластинчатый теплообменник. Обычно применение теплообменника этого типа предполагает лучшее решение проблем, связанных с теплопередачей, в самых широких диапазонах рабочих давлений и температур при ограничениях, накладываемых на эти параметры используемым производственным оборудованием.


Метод расчета


Чтобы решить задачу теплообмена, необходимо знать значение нескольких параметров. Зная их, можно определить другие данные. Самыми важными представляются шесть параметров, которые приводятся ниже.

• Количество тепла, которое должно быть передано (тепловая нагрузка или мощность).

• Температура на входе и выходе на стороне первого и второго контура теплообменника.

• Максимально допустимые потери напора на стороне и первого, и второго контура.

• Максимальная рабочая температура.

• Максимальное рабочее давление.

• Расход среды на стороне первого и второго контура.


Если расход среды, удельная теплоемкость и разность температур на одной стороне контура известны, можно рассчитать величину тепловой нагрузки.


В пластинчатых теплообменниках



Тепловая нагрузка

Если не учитывать потери тепла в окружающее пространство, которыми можно пренебречь, правомерно утверждать, что количество тепла, отданное одной стороной пластинчатого теплообменника (тепловая нагрузка) равно количеству тепла, полученному другой его стороной.

Тепловая нагрузка (P) выражается в кВт или в ккал/ч.


Средний логарифмический температурный напор

Средний логарифмический температурный напор (LMTD) является эффективной движущей силой теплообмена.


Термическая длина
Термическая длина канала или тета-параметр (Θ) является безразмерной величиной, которая характеризует соотношение между разностью температур δt на одной стороне теплообменника и его LMTD.
Плотность
Плотностью (ρ) является масса единицы объема среды и выражается в кг/м3 или г/дм3.

Расход
Этот параметр может выражаться с использованием двух различных терминов: массы или объема. Если имеется в виду массовый расход, тогда он выражается в кг/с или в кг/ч, если объемный расход, то используются такие единицы, как м3/ч или л/мин. Чтобы перевести
объемный расход в массовый, нужно величину объемного расхода умножить на плотность среды.

Потери напора
Размер пластинчатого теплообменника непосредственно зависит от величины потери напора (∆p). Если есть возможность увеличит допустимые потери напора, то можно будет использовать более компактный и, следовательно, менее дорогой теплообменник. За ориентир для пластинчатых теплообменников для рабочих жидкостей вода/вода можно считать допустимой потери напора в диапазоне от 20 до 100 кПа.

Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость (ср) представляет собой количество энергии, которое необходимо для повышения температуры 1 кг какого-либо вещества на 1 °C при данной температуре. Так, удельная теплоемкость воды при температуре 20 °C равна
4,182 кДж/(кг х °C) или 1,0 ккал/(кг х °C).

Вязкость
Вязкость является мерой текучести жидкости. Чем ниже вязкость, тем выше текучесть жидкости. Вязкость выражается в сантипуазах (сП) или в сантистоксах (сСт).

Коэффициент теплопередачи
Коэффициент теплопередачи (k) является мерой сопротивления тепловому потоку, вызываемого такими факторами, как материал пластин, количество отложений на ее поверхности, свойства жидкостей и тип используемого теплообменника.
Коэффициент теплопередачи выражается в Вт/(м2 x °C) или в ккал/(ч x м2 x °C).

P = m x cр x δt
где:
P = Тепловая нагрузка, кВт
m = Массовый расход, кг/с
cp = Удельная теплоемкость, кДж/(кг x °C)
δt = Разность температур на входе и
выходе одной стороны, °C


Перепад давления кожухотрубного теплообменника


Кожухотрубные теплообменники не менее популярны и широко используются в перерабатывающей промышленности, благодаря своей универсальности. Они состоят из металлических трубок, проходящих через другую металлическую оболочку, которая называется "корпусом".

Таким образом , в кожухотрубном теплообменнике у нас есть два отсека со стороны оболочки и со стороны трубки для размещения одной из горячих или холодных жидкостей по обе стороны теплообменника. Распределение жидкости с обеих сторон определяется на основе нескольких факторов, таких как коррозионная или загрязняющая  природа жидкости.

 

Падение давления со стороны корпуса

Это очень распространено, чтобы использовать дефлекторы в стороне оболочки  и трубки теплообменника. Они заставляют жидкость со стороны оболочки идти по трубам. Это вызывает условия "перекрестного потока" и способствует общей передаче тепла.

Но в то же время боковая жидкость оболочки должна преодолевать дополнительные препятствия в виде трубного пучка. Это вызывает турбулентность и потерю избыточного давления со стороны оболочки теплообменника.

Иногда предпочтительнее турбулентность. Например, принято размещать более вязкую жидкость на стороне оболочки. Полученная турбулентность способствует улучшению коэффициента теплопередачи со стороны вязкой жидкости.


Падение давления трубки бортовое

В отличие от стороны оболочки, поток на стороне трубки гораздо лучше обтекается, что приводит к минимальному падению давления.

Общий поток вдоль трубы делится на несколько меньших труб. Следовательно, падение давления на стороне трубки может быть дополнительно компенсировано путем изменения размера трубки или увеличения / уменьшения количества трубок. Из - за более низкого перепада давления со стороны трубы он предпочтителен для обслуживания там, где у нас есть небольшой допустимый перепад давления поперек теплообменника.



Факторы, влияющие на падение давления в теплообменнике


Перепад давления на кожухотрубном теплообменнике  в основном зависит от структуры теплообменника и расположения кожуха и трубки.

При проектировании нового кожухотрубного теплообменника вы можете использовать расчеты перепада давления , чтобы убедиться, что выбранная конструкция удовлетворяет вашим технологическим требованиям допустимого перепада давления на теплообменнике. В противном случае вы можете изменить конструктивные параметры, чтобы снизить перепад давления, и попробовать еще раз.

Вот некоторые факторы, которые вы можете настроить для управления перепадом давления в теплообменнике.

  • Если вы хотите снизить перепад давления со стороны корпуса, попробуйте увеличить расстояние между перегородками. Но следите за тем, как он изменяет общую скорость теплопередачи. Увеличение расстояния между перегородками приведет к снижению скорости теплопередачи. 

  •  Если у вас очень ограниченный допустимый перепад давления для одной жидкости, подумайте о том, чтобы поместить эту жидкость на сторону трубки. Если другая жидкость (со стороны корпуса) не загрязнена и не вызывает коррозии, это может сработать очень хорошо.

  • Если у вас есть перепад давления на стороне трубки, попробуйте увеличить размер трубки, добавив больше трубок.


Каждый параметр может повлиять на выбор теплообменника. Выбор материалов же обычно не влияет на эффективность теплообменника, от них зависит только его прочность и стойкость к коррозии.


Применяя пластинчатый теплообменник, мы получаем преимущества в виде небольших разностей температур и малой толщины пластин, которая обычно равна от 0,3 до 0,6 мм.

Коэффициенты теплоотдачи (α и α ) и коэффициент загрязнения (Rf), как правило, очень малы, что объясняется высокой степенью турбулентности течения среды в обоих контурах теплообменника. Этим же обстоятельством можно объяснить и высокое значение расчетного коэффициента теплопередачи (k), которое при благоприятных условиях может достигать величины 8 000 Вт/(м2 х °C).


В случае применения обычных кожухотрубных теплообменников величина коэффициента теплопередачи (k) не превысит значение 2 500 Вт/(м2 х °C).

Важными факторами минимизации стоимости теплообменника являются два параметра:

1.  Потери напора

Чем выше допустимая величина потерь напора, тем меньше размеры теплообменника.

2.  LMTD

Чем выше разность температур жидкостей в первом и втором контуре, тем меньше размеры теплообменника.


Если остались вопросы по теплообменникам, напишите нашим менеджерам и они сделают расчет под ваши параметры


Подписывайтесь на наш Телеграм, там всегда много полезного.


 

    

Категория: Новости

Тэги:

Похожие страницы