Лекция № 15. Расчет и конструирование теплообменных аппаратов.

Процессы нагревания и охлаждения осуществляются в теплообменных аппаратах, называемых теп­лообменниками. Аппараты, применяемые для конденсации, почти не отличаются от других тепло­об­менных аппаратов и называются конденсаторами.

Теплообменные аппараты

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

1. поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, и тепло передается через по­верх­ность этой стенки;

2. регенеративные, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее на­гретыми твердыми телами - насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теп­лоносителем;

3. смесительные теплообменники, в которых теплообмен происходит при непосредственном со­при­косновении теплоносителей.

В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей различают аппараты для теплообмена:

1. между газами (подогреватели газов топочными газами, газовые теплообменники и др.);

2. между паром и газом (паровые подогреватели для воздуха, пароперегреватели и др.);

3. между газом и жидкостью (холодильники для газов);

4. между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы и др.);

5. между жидкостями (жидкостные холодильники, теплообменники и др.).

Поверхностные теплообменники наиболее распространены, их конструкции весьма раз­нооб­раз­ны; они бывают:

1. трубчатые (кожухотрубчатые, "труба в трубе", оросительные, погружные);

2. пластинчатые;

3. спиральные;

4. с поверхностью, образованной стенками аппарата;

5. с оребренной поверхностью теплообмена.

Теплообменными аппаратами называют устройства для пере­дачи теплоты от горячих сред (теплоносителей) к холодным. О назначении конкретных аппаратов говорят их названия: подо­греватель, холодильник, испаритель, конденсатор, кристаллиза­тор, дистиллятор и т.д. — в общем, теплообменник (в некоторых процессах - холодообменник). Соответственно назначению различные теплообменники имеют свои особенности; нас здесь более всего интересуют общие моменты в их работе и методах расчета.

По способам организации контакта горячего и холодного теплоносителей различают следующие типы теплообменников.

Рекуператоры (поверхностные теплообменники). В них теп­лоносители, имеющие различные температуры, разделены теплообменной поверхностью. Можно сказать, что теплоносители здесь разъединены в пространстве, но объединены во времени. Теплообмен в рекуператорах может осуществляться как в пе­риодическом (нестационарном) режиме, так и в непрерывном (стационарном). Рекуперативные теплообменники представлены в химической технологии наиболее широко.

К простейшим рекуператорам относятся аппараты с рубаш­ками и змеевиками (чаще всего это малопроизводительные ап­параты периодического действия). К весьма простым аппаратам непрерывного действия относятся теплообменники типа "труба в трубе", где один из теплоносителей движется по внутренней трубе, а другой - в кольцевом пространстве (между внутрен­ней и наружной трубами).

Наиболее распространены в химической технологии кожухо­трубные теплообменники (рисунок 60). Здесь важно четко разли­чать трубное пространство (в нем движется один теплоноситель) и межтрубное (другой теплоноситель). Трубное пространство отделено от межтрубного стенками труб и трубными решетка­ми, в которых эти трубы закреплены. Трубное и межтрубное пространства не сообщаются друг с другом.

Кожухотрубные теплообменники могут быть вертикальными и горизонтальными. Один из простейших вариантов - однохо­довой (по трубному и межтрубному пространствам). С целью повышения скорости по­тока теплоносителя, а также при необходимости применения более коротких труб используют многоходовые теплообменни­ки. При большой разнице темпе­ратур корпуса и труб из-за различия в их температурных удли­нениях могут возникнуть термические напряжения, приводящие к нарушению плотности закрепления труб в трубных решетках. Для уменьшения этих напряжений применяют различные ком­пенсирующие устройства.

Рисунок 60 - Кожухотрубные теплообменники.

Основные конструктивные элементы: 1 — корпус, 2 — крышки, 3 — трубные решетки, 4 — теплообменные трубки (Т - трубное пространство, М — межтрубное пространство; I и II— горячий и холодный теплоноси­тели).

При необходимости интенсификации теплопередачи и создания компактных теплообменников весьма широко применя­ют ребристые поверхности. На рисунке 61 показаны оребренные трубы, используемые при продольном (61 б - прямоток, противоток) и поперечном (61 в — перекрестный ток) движении теплоносителей.

Рисунок 61 - Оребренные трубы: а – внутреннее продольное ребро; б – наружные продольные ребра; в - наружные поперечные ребра.

Цель здесь - развитие теплопередающей поверхности в зоне движения одного из теплоносителей - того, со стороны которого интенсивность теплоотдачи ниже и подлежит увеличению. Чаще всего применяют наружное оребрение труб, так как внутреннее (61 а) — сложнее в изготовлении, к тому же достигнутое здесь увеличение теплообменной поверх­ности сравнительно невелико.

При наружном оребрении внутрь трубы направляют поток теплоносителя, характеризующегося в рабочих условиях более высокой интенсивностью теплоотдачи к стенкам трубы.

Регенераторы. В рабочей зоне теплообменника размещают какую-либо насадку, играющую роль промежуточного аккуму­лятора теплоты (рисунок 62). Горячий и холодный теплоносители попеременно контактируют с насадкой, то нагревая ее, то охлаждая, при этом сами, соответственно, охлаждаясь и нагре­ваясь от нее. Можно сказать, что теплоносители здесь объединены в пространстве, но разъединены во времени. В качестве на­садки используют материалы, химически инертные по отношению к теплоносителям. Форма и материал элементов насадки определяются целями и особенностями теплообмена в регене­раторе: в ряде высокотемпературных процессов это обычно массивные, регулярно уложенные (с зазорами) кирпичи; засыпанные навалом керамические кольца (в случае агрессивных сред); иногда — тонкая гофри­рованная лента из высокотеплопроводного материала (например, алюминия), свер­нутая спиралью в рулоны (в холодильных процессах), и др.

Рисунок 62 - Регенератор:

I и II – горячий и холодный теплоноситель;

Н- насадка.

Процесс теплообмена в регенераторе в принципе нестацио­нарен. Дабы не нарушать непрерывности технологического процесса в аппаратах до и после регенератора, устанавливают несколько (минимум — два) регенераторов параллельно с по­переменным переключением потоков горячего и холодного теплоносителей; одни из них работают в данный момент в ре­жиме нагрева насадки, другие — в режиме ее охлаждения; спустя некоторый промежуток времени регенераторы переклю­чают, изменяя режим работы на противоположный.

Контактные (смесительные) теплообменники. Здесь теплоперенос происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей (рабочих тел): они объединены в пространстве и во времени. Теплообмен возможен как в непрерывном, так и в периодическом режиме либо в некоторых промежуточных ре­жимах. В качестве рабочих тел могут быть взяты газы или вза­имно растворимые жидкости, если, конечно, в дальнейшем не требуется их раздельное использование. Чаще всего необходи­мо последующее раздельное использование теплоносителей; тогда могут быть выбраны только рабочие тела, легко отделяе­мые друг от друга: газ и жидкость, газ и твердые частицы и т.п. В качестве примера контактного теплообменника на рисунке 63 показан пневможелоб - аппарат с псевдоожиженным слоем твердого материала. Горячий исходный твердый материал по­дается в аппарат (последний слабо наклонен к горизонту). Ожижающий агент (он же — холодный теплоноситель) - воздух. В ходе процесса твердый материал охлаждается, перемещаясь под уклон; воздух нагревается и выводится из аппарата сверху.

Контактные теплообменники нередко используются также в системах жидкость-газ, пар: барботаж газа (пара) через слой жидкости; теплообмен в скрубберах на насадке, орошаемой сверху жидкостью при подаче газа снизу; впрыск диспергированной жидкости в газовую среду (кстати, в среду другой жид­кости — тоже, тогда это системы жидкость—жидкость).

Рисунок 63 - Смесительный теплообменник с псевдоожиженным слоем:

1-теплообменный аппарат (пневможелоб), 2 — газораспределительная решетка, 3 — промежуточный сборник твердого материала;

I — твердый материал, II — газ (воздух);

ЛГ — линия горизонта, ПС — псевдоожиженный слой

Теплообменники изготавливают из самых различных металлов (углеродистых и легированных ста­лей, меди, титана, тантала и др.), а также из неметаллических материалов (графита, тефлона и др.) Конст­рукции теплообменников должны отличаться простотой, удобством монтажа и ремонта. Кожу­хо­трубчатые теплообменники применяются при большом объеме пропускаемого по трубам тепло­но­си­те­ля, например, в качестве газовых теплообменников и при теплообмене между газом и жидкостью, а так­же в качестве конденсаторов паров органических жидкостей. Теплообменники "труба в трубе" при­ме­няются при небольших количествах теплоносителя для теплообмена между двумя жидкостями, меж­ду жидкостью и конденсирующимся паром, а также в качестве холодильников для газов при вы­со­ких давлениях. Оросительные теплообменники используются как холодильники, в частности для теп­ло­носителей, оказывающих коррозионное действие на аппаратуру. Погружные теплообменники при­ме­няются в качестве холодильников для газов при высоких давлениях и для жидкостей, а также как кон­денсаторы и подогреватели для жидкостей. Пластинчатые теплообменники используют для теп­ло­об­мена между газами при низком давлении. Спиральные теплообменники предпочтительнее при теп­ло­обмене между жидкостями и между жидкостью и конденсирующимся паром. Теплообменники с по­верх­ностью, образованной стенками аппарата и с оребренной поверхностью теплообмена при­меня­ют­ся для теплообмена между газом и жидкостью или паром, а также между двумя газами.

Теплообменные аппараты всех типов должны работать при оптимальном тепловом режиме, со­от­вет­ствующем сочетанию заданной производительности и других показателей, определяемых техно­ло­ги­ческими условиями, с минимальным расходом тепла.

Конструкция теплообменника «труба в трубе» приведена на рисунке 64.

Рисунок 64 - Конструкция теплообменника «труба в трубе».

Литература: 1 осн. [44-86].

Контрольные вопросы:

1. Приведите конструкционную классификацию теплообменных аппаратов.

2.Приведите примеры применения теплообменников в металлургической промышленности.

3. Конструкция кожухотрубных теплообменников.

4. Конструкция теплообменника «труба в трубе»

5. Конструкции смесительного теплообменника с псевдоожиженным слоем и регенераторов.