Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором один теплоноситель - горячая среда, передает теплоту другому теплоносителю - холодной среде. По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные.

Особенно широкое развитие во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей среды к холодной передается через разделительную стенку.

Теплообменные аппараты могут иметь самые разнообразные назначения - паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т.д. Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам. Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.

В теплообменных аппаратах движение тел осуществляется по трем основным схемам.

Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называют прямотоком. Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое движение называют противотоком. Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется перекрестным потоком. Кроме этих основных схем движения, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы.

Кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным аппаратом вследствие компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок, концы которых закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища), что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетах чаще всего развальцовкой, сваркой или реже для предупреждения термических напряжений с помощью сальников.

Преимущества проведения процессов теплообмена по принципу противотока, что обычно и выполняется в кожухотрубных теплообменных аппаратах. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую на встречу ей, или наоборот. Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство, а какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий:

· среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, а следовательно, и для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;

· внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;

· среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;

· среду с очень высокой или наоборот с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

Работу кожухотрубных теплообменников можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.

I.

Задание и исходные данные

Выполнить тепловой, конструктивный и гидравлический расчеты рекуперативного прямотрубного одноходового теплообменника по первичному и вторичному теплоносителям при противоточной схеме течения двух газообразных теплоносителей (первичный - азот, вторичный - воздух).

Исходные данные:

Начальная температура азота: Т11= 775+273 = 1048 К

Конечная температура азота: Т12= 575+273 = 848 К

Начальная температура воздуха: Т21=22+273 = 299 К

Конечная температура воздуха: Т22=450+273 = 748 К

Расход первичного теплоносителя (азота): G1 = 14 кг/c

Скорость азота в трубках теплообменника: щ1 = 10 м/с

Внутренний диаметр стальных трубок: d = 0,032 м

Абсолютное давление азота: P1=0,4МПа = 400000Па

Абсолютное давление воздуха: Р2=0,2 МПа = 200000Па

Теплоемкость азота при входе: С11= 1,032+0,00008955(Т11-273) = 1,101 кДж/кг оС

Теплоемкость азота при выходе: С12= 1,032+0,00008955(Т12-273) = 1,083 кДж/кг оС

Теплоемкость воздуха при входе: С21=0,9956+0,000093(Т21-273) = 0,998 кДж/кг оС

Теплоемкость воздуха при выходе:С22=0,9956+0,000093(Т22-273) = 1,04 кДж/кг оС

2. РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Тепловой расчет

А. Определение тепловой производительности аппарата, расхода воздуха и температурного напора: