Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты

Тема: Теплообменные аппараты

План

1. Общие сведения о теплообменных аппаратах

. Классификация теплообменных аппаратов

3. Конструкции основных поверхностных теплообменников

. Расчет теплообменных аппаратов (проектный и поверочный)

1. Общие сведения о теплообменных аппаратах

Аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов, называют теплообменными. Эти аппараты имеют разнообразное конструктивное оформление, которое зависит от характера протекающих в них процессов и условий проведения этих процессов.

Теплообменник - одно из немногих технических устройств, хорошо известных даже весьма далеким от техники людям. В самом деле, в каждой квартире под подоконником установлены радиаторы отопления - массивные, ощетинившиеся ребрами чугунные трубы или более современные, более изящные их аналоги. Это теплообменные аппараты, в которых теплоноситель - горячая вода - отдает через металлическую стенку теплоту воздуху наших квартир.

Радиаторы отопления - самые распространенные и самые известные, но, пожалуй, не самые ответственные теплообменники. В конце концов, если они по какой-то причине и откажут, день-другой вполне можно перебиться: включить электрические обогреватели или, в крайнем случае, потеплее одеться. А в промышленности редкое производство может обойтись без надежно работающих теплообменников.

Теплообменники относятся к энергопотребляющему оборудованию и могут использоваться как отдельно, так и в технологическом процессе. По конструкции теплообменники очень разнообразны в зависимости от условий производства и технико-экономических требований.

Только в химической индустрии теплообменные устройства составляют свыше трети массы и стоимости всего оборудования. Химические реакции идут при определенной температуре; от температуры зависит скорость процессов, активность катализаторов, полнота превращений, чистота продуктов. В одном случае потоки необходимо нагревать, в другом - охлаждать, в третьем - утилизировать неиспользованное тепло. И везде требуются теплообменники - разных размеров, разных конструкций. Они требуются не только в нефтехимии и нефтепереработке, но и в тепловой и атомной энергетике, в металлургии, пищевой промышленности. И хотя в теплообменниках не происходят превращения веществ, эти аппараты на каждом производстве относят к основным - к тем, что составляют фундамент технологии.

В химической технологии теплообменники используются в процессах нагревания и охлаждения, при конденсации паров и кипении жидкостей, в процессах ректификации, абсорбции, кристаллизации, в экзо- и эндотермических реакциях, при выпаривании и др.

Есть ещё одна область техники, где теплообмен имеет решающее значение. Это транспорт. Любое транспортное средство - автомобиль, трактор, морское судно, самолёт, космический корабль - немыслимо без радиаторов и другой теплообменной аппаратуры.

2. Классификация теплообменных аппаратов

В связи с разнообразием теплообменных аппаратов строгая их классификация отсутствует. Теплообменники можно классифицировать по следующим признакам.

По назначению теплообменники подразделятся на нагреватели, холодильники, конденсаторы, испарители, деаэраторы, пароперегреватели, дистилляторы и т.п.

По схеме движения теплоносителей различают аппараты прямоточные, противоточные, с перекрестным током теплоносителей, с комбинированным током, с многократно перекрестным током.

В прямоточных аппаратах оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении; в противоточных - параллельно в противоположных направлениях; в аппаратах с перекрестным током -перпендикулярно; в аппаратах с комбинированным током - прямоточно и противоточно; в аппаратах с многократным перекрестным током -комбинированное движение сочетается с перекрестным.

По числу ходов теплоносителя теплообменники могут быть одноходовыми и многоходовыми.

Теплообменники непрерывного действия более предпочтительны, так как лучше обеспечивают технологические процессы.

По роду теплообменных поверхностей теплообменники могут быть трубчатыми или пластинчатыми, т. е. поверхность нагрева в теплообменниках может быть в виде труб или пластин разной формы. Наибольшее распространение получили трубчатые теплообменники, причем трубы могут быть прямыми, U-образными, в виде спирали, змеевика и пр.

Оребренные трубы применяются, когда коэффициент теплоотдачи одного из теплоносителей, например газа, во много раз меньше коэффициента теплоотдачи другого теплоносителя.

По принципу действия и способу передачи теплоты теплообменники можно подразделить на рекуперативные, регенеративные, смесительные.  

Смесительные теплообменники - смесители - являются наиболее простыми компактными аппаратами, в которых теплота передается от горячего теплоносителя к холодному при их непосредственном соприкосновении и смешивании, например при нагреве холодной воды горячей водой или водяным паром или при нагреве легко разделяющихся веществ (газ-жидкость, вода-масло и т.п.). Для увеличения поверхности контакта теплоносителей используется их разбрызгивание, перемешивание и т. п.

В рекуперативных аппаратах - рекуператорах - теплоносители разделены стенкой и тепло передается от одного теплоносителя к другому через эту разделяющую их стенку, т. е. в этих аппаратах осуществляется теплопередача.

В регенеративных аппаратах - регенераторах - одна и та же поверхность твердого тела омывается попеременно различными теплоносителями. При омывании твердого тела одним из теплоносителей оно нагревается за счет его тепла. При омывании твердого тела другим теплоносителем оно охлаждается, передавая тепло последнему. Таким образом, в регенераторах, кроме теплоносителей, обменивающихся теплом, необходимо наличие твердых тел, которые воспринимают тепло от одного теплоносителя и аккумулируют его, а затем отдают другому теплоносителю.

Далее теплообменные аппараты подробно будут рассмотрены по принципу действия и способу передачи теплоты.

3. Конструкции основных поверхностных теплообменников

Существенным отличием рекуперативных теплообменных аппаратов от других является наличие стенки из теплопроводного материала, которая разделяет потоки теплоносителей. Именно эта стенка служит в них поверхностью теплообмена, через которую теплоносители обмениваются теплом.

В зависимости от конструктивного выполнения поверхности теплообмена рекуператоры разделяют на рекуператоры "труба в трубе", кожухотрубчатые, двухтрубчатые, змеевиковые, спиральные, оросительные, специальные.

Остановимся на рассмотрении некоторых из перечисленных рекуперативных теплообменных аппаратов.

Наиболее эффективные условия теплообмена обеспечиваются в аппаратах типа "труба в трубе" (рис. 1). В них одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая - в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубой (рубашкой). В таких теплообменных аппаратах обеспечиваются высокая скорость теплоносителей и, следовательно, высокая интенсивность теплообмена.

Такого типа элементы могут соединяться в секции, а аппарат может состоять из нескольких секций. Основной недостаток таких аппаратов - большая металлоемкость и большие габаритные размеры. Поэтому аппараты данного типа применяются в тех случаях, когда требуется относительно небольшая поверхность теплообмена.

Рис. 1. Теплообменник "труба в трубе": 1- внутренние трубы; 2- наружные трубы; 3- соединительные колена (калачи); 4- соединительные патрубки; I и II - теплоносители.

Теплообменники типа "труба в трубе" используются в установках с малой теплопроизводительностью для теплообмена между двумя жидкостями, между жидкостью и конденсирующимся паром, в качестве холодильников для газов при высоких давлениях.

Наибольшее распространение в технологии получили кожухотрубчатые теплообменники (рис. 2), представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично присоединенными к нему по концам трубными досками (трубными решетками). Пучок труб крепится в трубной решетке различными способами. Самым распространенным способом крепления является развальцовка. Если допускается жесткое соединение труб с решеткой, то трубы закрепляются сваркой. Медные и латунные трубы присоединяются к трубной решетке с помощью пайки. Соединение труб и решетки посредством сальников позволяет трубам свободно перемещаться в продольном направлении и облегчает быструю замену труб, но является сложным и недостаточно надежным способом крепления.

К трубным доскам крепятся крышки. Крышка и днище должны иметь толщину не меньше толщины кожуха и могут быть эллиптической, полушаровой, сферической, конической или плоской формы. Крышки и днища крепятся к кожуху, как правило, с помощью фланцевых соединений, иногда применяется сварка. Для ввода и вывода теплоносителей из аппарата используются штуцера - трубки длиной не менее 150 мм, приваренные к отверстиям в кожухе и крышках. На штуцер приваривается фланец для соединения аппарата с трубопроводами. Крышки и трубы образуют трубное пространство. В пространство между кожухом и наружной поверхностью труб (межтрубное пространство) подаётся другая жидкость. При значительной длине труб и относительно небольшом диаметре кожуха может быть обеспечена структура потоков, близкая к противотоку. Однако вследствие турбулизирующего действия труб в межтрубном пространстве некоторое перемешивание жидкости в нем неизбежно.

теплообменный конструктивный поверхностный носитель

Рис. 2. Кожухотрубчатый теплообменник: 1- кожух; 2- трубные решетки; 3- трубы; 4- крышка; 5- днище; 6- болт; 7- прокладка; I и II - теплоносители

Роль этого неблагоприятного фактора тем значительнее, чем короче трубы. Однако в коротких трубах больше относительный вклад концевых эффектов и выше коэффициенты теплоотдачи. Применение теплообменников с длинными трубами приводит к значительным термическим напряжениям вследствие неравномерного расширения кожуха и труб. При чередовании нагрузок, связанном с пуском и остановками оборудования, нарушается герметичность развальцовки. Поэтому в длинных теплообменниках развальцовке предпочитают крепление труб с помощью сварки.

Для повышения коэффициента теплоотдачи со стороны жидкости, движущейся в трубном пространстве, применяются многоходовые трубчатые теплообменники. В этих аппаратах с помощью перегородок в крышках, уплотняемых с помощью прокладок по трубной доске, трубы делятся на секции, которые последовательно проходит жидкость. Число труб в секциях обычно одинаково. Необходимость увеличения ходов теплоносителя диктуется следующим. Интенсивность теплоотдачи α зависит от скорости v движения теплоносителя (при турбулентном режиме α ~ v°'^s). Одним из способов увеличения α, а следовательно, коэффициента теплопередачи является повышение скорости движения теплоносителя.

В теплообменнике один теплоноситель подается в трубы, а другой - в межтрубное пространство.

Расход G (м³/с) теплоносителя в трубах

 = S_cnv = 0,785d_Bnv,

где S_c - площадь поперечного сечения одной трубы, м²; п - число труб; v - скорость теплоносителя в трубе, м/с.

Если расход теплоносителя постоянен (G=const), то увеличение скорости v приводит к уменьшению числа труб п в аппарате. Площадь поверхности (м²) нагрева труб

S_n = ndln.

Из этого выражения следует, что уменьшение количества труб п требует для сохранения той же поверхности нагрева увеличения длины труб l.

При малом количестве труб в аппарате необходимую длину l целесообразнее создать в самом аппарате, заставляя теплоноситель проходить за один проход через половину или меньшее число труб пучка.

Необходимая длина труб равна сумме последовательных ходов теплоносителя. Аппараты, в которых теплоноситель делает несколько ходов в трубах, называются многоходовыми.

В межтрубном пространстве теплоноситель делает, как правило, один ход, увеличение скорости движения здесь достигается за счет перегородок. Для повышения коэффициента теплоотдачи со стороны жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, в нем устанавливаются сегментные перегородки.

Многоходовые теплообменники работают по схемам (числу ходов в межтрубном и трубном пространствах): 1 - 2, 1-4, реже 1-3, 1-6, 1-8, 2-2, 2-4 и т.д.

Основным недостатком кожухотрубчатых теплообменников является то, что из-за разности температур между кожухом и трубами в них возникают зачастую температурные напряжения, которые могут привести к разрушению аппарата.

При большой разности температур труб и кожуха могут возникнуть термические напряжения из-за различия их температурных интервалов, что приводит к деформации труб и нарушению плотности закрепления труб в трубных решетках. Для уменьшения термических напряжений используются различные компенсирующие устройства: линзы (работают как гармошка), плавающая головка, U-образные трубы (рис. 3). Все эти устройства позволяют трубам свободно перемещаться в кожухе без деформаций.

Применение линзовых компенсирующих устройств ограничено давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При давлениях 1,6...8 МПа используются U-образные трубы или плавающая головка. Плавающую головку образует не закрепленная на кожухе трубная решетка вместе с внутренней крышкой.

Рис. 3. Схемы компенсирующих устройств кожухотрубных теплообменников: 1 - кожух; 2 - пучок труб; 3 - линза; 4 - плавающая головка; 5 - U-образные трубы; 6 - сальниковый компенсатор; а - теплообменник с линзовым компенсатором; б - теплообменник с плавающей головкой открытого типа; в - теплообменник с плавающей головкой закрытого типа; г - теплообменник с U-образными трубами; д - теплообменник с сальниковым компенсатором; I, II - потоки теплоносителей

Наиболее простыми в конструктивном плане являются змеевиковые теплообменники. В них теплообменный элемент - змеевик - представляет собой трубу, согнутую каким-либо образом. Например, змеевик может быть сделан в виде спирали или в виде винтовой линии. Змеевик в таких теплообменных аппаратах погружен в жидкость-теплоноситель, которая нагревается или охлаждается теплоносителем, движущимся по змеевику.

Спиральные теплообменники. Поверхность теплообмена в спиральных теплообменниках обычно образуется двумя согнутыми в виде спиралей металлическими листами. Внутренние концы обеих спиралей присоединены к перегородке. Эти рекуператоры достаточно компактны и отличаются высокими скоростями движения теплоносителей.

Благодаря отсутствию резких изменений скоростей теплоносителей гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников меньше, чем кожухотрубчатых. Из недостатков спиральных теплообменников необходимо отметить сложность их изготовления и практическую невозможность работы при давлениях выше 10 ат.

Оросительные теплообменники применяют главным образом при охлаждении жидкостей и газов или для конденсации паров. Этот теплообменник состоит из ряда расположенных одна над другой труб, соединенных коленами. Снаружи трубы орошаются водой. ПО трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Орошаемая вода подается на верхнюю трубу, с которой стекает на расположенные ниже трубы. В нижней части аппарата имеется корыто для сбора воды. Эти теплообменники просты по устройству, но довольно громоздки. Недостатком также является то, что теплообмен от труб к орошаемой воде характеризуется невысокими значениями коэффициентов теплоотдачи.

К специальным теплообменникам относятся теплообменные аппараты, в которых нагревание или охлаждение теплоносителей происходит в каких-либо специфических условиях. Конструкции таких аппаратов многочисленны, и на них мы останавливаться не будем.

4. Расчет теплообменных аппаратов (проектный и поверочный)

Различают проектный и поверочный расчеты теплообменников.

Целью проектного расчета является определение необходимой поверхности теплообмена и режима работы теплообменника для обеспечения заданного переноса теплоты от одного теплоносителя к другому. Задачей поверочного расчета является определение количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей в данном теплообменнике с известной поверхностью теплообмена при заданных условиях его работы. Эти расчеты основываются на использовании уравнений теплопередачи и тепловых балансов.

При проектном расчете теплообменного аппарата обычно заданы расход одного из теплоносителей, его начальная и конечная температуры, а также начальная температура другого теплоносителя.

1. Тепловая нагрузка аппарата:

=G₁(I_t1-I_t2) ·η=G₂(I_t3-I_t4)

где Q-тепловая нагрузка аппарата, ккал/ч

G_1,G₂- количества горячего и холодного теплоносителя, кг/ч

I_t1,I_t2- энтальпия горячего теплоносителя при температурах входа и выхода из аппарата, ккал/кг

η -КПД теплообменника, практически равен 0,95- 0,97

I_t3,I_t4- энтальпия холодного теплоносителя при температурах входа и выхода из аппарата, ккал/кг

. Поверхность теплообменника определяется из основного уравнения теплопередачи:

=KFt_ср F=Q/Kt_ср

где F- поверхность теплообменника, м²

К-коэффициент теплопередачи, ккал/м²·ч ·град

t_ср- средняя логарифмическая разность температур

. Необходимое число типовых теплообменников вычисляется по формуле:

=F/F₁

где F - расчетная поверхность теплообменника, м².

F₁ - поверхность теплообмена одного стандартного теплообменника, м².

. Средняя разность температур в случае противотока и прямотока выражается:

_ср=(Δt_в- Δt_н)/(2,3lg Δt_в/Δt_н)

где Δt_в- высшая разность температур между потоками у концов теплообменного аппарата

Δt_н- низшая разность температур между потоками у концов теплообменного аппарата

Также, если отношение наибольшей разности температур к наименьшей меньше или равно двум, то среднюю разность температур определяют:

_ср= (Δt_в+Δt_н)/2

6. При перекрестном и смешенном токе t_ср равно:

_ср=ε t_{ср.прот.}

где ε - поправочный коэффициент, учитывающий отличие перекрестного и смешенного тока от противотока; t_{ср. прот.} - разность температур противотока.

Поверочный расчет теплообменника с известной поверхностью теплопередачи заключается, как правило, в определении количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей при их заданных начальных значениях и заданных расходах. Необходимость в таком расчете может возникнуть, например, если в результате проектного расчета был выбран нормализованный аппарат со значительным запасом поверхности, а также при проектировании сложных последовательно-параллельных схем соединения стандартных теплообменников. Поверочные расчеты могут понадобиться также для выявления возможностей имеющегося аппарата при переходе к проектным режимам работы.