4.2. Виды и классификация теплообменных аппаратов

Классификация. Теплообменными аппаратами(теплообменниками) называются устройства, предназна­ченные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями.

Необходимость передачи теплоты от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники: энергетике, химической, металлургической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.

В котельном агрегате теплота, выделяющаяся при горении топлива, передается воде и пару, т. е. котельный агрегат представляет собой совокупность теплообменных аппаратов. В атомной силовой установке выделяемая ядерным реактором теплота воспринимается первичным теплоносителем, который сам становится радио­активным. В двигателе используется вторичный теплоноситель, ко­торый получает тепло от первичного в теплообменном аппарате. Процесс регенерации в газотурбинной установке осуществляется путем передачи теплоты в теплообменнике от отработанных про­дуктов сгорания сжатому воздуху.

Широкое распространение теплообменных аппаратов обусло­вило многообразие их конструктивного оформления.

Тепловые процессы, происходящие в теплообменных аппара­тах, могут быть самыми разнообразными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и более сложные процессы, являющиеся комбинацией перечислен­ных. В процессе теплообмена может участвовать несколько тепло­носителей: теплота от одного из них может передаваться несколь­ким и от нескольких — одному.

Теплообменные аппараты классифицируются следующим об­разом:

по назначению — подогреватели, конденсаторы, охладители, испарители, паропреобразователи и т.п.;

принципу действия — рекуперативные, регенеративные и сме­шивающие.

Рекуперативными называются такие теплообменные аппараты, в которых теплообмен между теплоносителями происхо­дит через разделительную стенку. При теплообмене в аппаратах такого типа тепловой поток в каждой точке поверхности раздели­тельной стенки сохраняет постоянное направление.

Температура нагрева теплоносителя составляет 400... 500°С для конструкций из углеродистой стали и 700...800°С для конструк­ций из легированных сталей.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационар­ный характер. На рис. 4.1 показан пример рекуперативного тепло­обменника, в котором один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителям, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Регенеративными называются такие теплообменные, аппараты, в которых два или большее число теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева.

Во время соприкосновения с разными теплоносителями поверх­ность нагрева или получает теплоту и аккумулирует ее, а затем отдает, или, наоборот, сначала отдает аккумулированную тепло­ту и охлаждается, а затем нагревается. В разные периоды времени теплообмена (нагрев или охлаждение поверхности нагрева) на­правление теплового потока в каждой точке поверхности нагрева изменяется на противоположное.

В качестве примера на рис. 4.2 представлена схема регенератив­ного воздухоподогревателя котельного агрегата с медленно враща­ющимся (2...5 об/мин) ротором — аккумулятором теплоты. Ротор имеет набивку из тонких гофрированных стальных листов (см. рис. 4.2, б), заключенных в закрытый кожух 3. К кожуху присоединя­ются воздушный и газовый короба. Во время работы теплообмен-

ника ротор его вращается, поэтому нагретые элементы набив­ки непрерывно переходят из полости горячего газа в полость холодного воздуха, а охладившиеся элементы — наоборот.

Одним из оригинальных уст­ройств, использующих в каче­стве промежуточного теплоноси­теля пар и его конденсат, явля­ется герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром (рис. 4.3). Такое устройство, называемое тепловой трубой, способно пере­давать большие тепловые мощности. На горячем конце тепловой трубы за счет подвода теплоты испаряется жидкость, а на холод­ном — конденсируется пар, отдавая выделившуюся теплоту. Кон­денсат возвращается в зону испарения либо самотеком, если хо­лодный конец можно разместить выше горячего, либо за счет ис­пользования специальных фитилей, по которым жидкость дви­жется под действием капиллярных сил в любом направлении, даже против сил тяжести (как спирт в спиртовке).

Тепловые трубы с самотечным возвратом конденсата извест­ны давно. Широкое распространение тепловых труб с фитилями началось недавно в связи с необходимостью отвода больших теп­ловых потоков от мощных, но малогабаритных полупроводни­ковых устройств. Практически незаменимы тепловые трубы с фитилями в космосе. Для охлаждения механических, электри­ческих или радиотехнических устройств в земных условиях широко используется есте­ственная конвекция. В космосе естественной конвекции не может быть, поскольку отсут­ствует сила тяжести и нужны иные способы отвода теплоты. Тепловые трубы с фитилями могут работать и в невесомости. Они малогабаритны, не требу­ют затрат энергии на перекач­ку теплоносителей и при соот­ветствующем подборе рабочего агента работают в широкой интервале температур.

Смешивающими называются такие теплообменные аппараты, в которых тепло- и массообмен происходят при непосредственном контакте и смешивании теплоносителей. Поэтому смешивающие теплообменники иногда называют контактными. Наиболее важным фактором в рабочем процессе смешива­ющего теплообменного аппарата является поверхность соприкос­новения теплоносителей. В качестве примера на рис. 4.4 показана схема смешивающего теплообменника (деаэратора) для подо­грева воды паром при термическом удалении растворенных га­зов (воздуха).

Основные теплоносители. В качестве теплоносителей в зависи­мости от назначения производственных процессов могут приме­няться самые разнообразные газообразные, жидкие и твердые ве­щества.

С точки зрения технической и экономической целесообразнос­ти их применения теплоносители должны обладать следующими качествами.

1. Иметь достаточно большую теплоту парообразования, плот­ность и теплоемкость, малую вязкость. При таких характеристиках теплоносителей обеспечивается достаточная интенсивность теп­лообмена и уменьшаются их массовые и объемные количества, необходимые для заданной тепловой нагрузки теплообменного аппарата.

2. Иметь необходимую термостойкость и не оказывать небла­гоприятное воздействие на материалы аппаратуры. Теплоносите­ли должны быть химически стойкими и неагрессивными даже при достаточно длительном воздействии высоких температур. Жела­тельно, чтобы теплоносители не давали в процессе работы отло­жений на поверхность теплообмена, так как отложения понижа­ют коэффициент теплопередачи и теплопроизводительность обо­рудования.

3. Быть недорогими и достаточно доступными в отечественных ресурсах.

При выборе теплоносителей необходимо в каждом отдельном случае детально учитывать их термодинамические и физико-хи­мические свойства, а также технико-экономические показатели.

В производственных аппаратах и системах отопления и горяче­го водоснабжения наиболее широкое распространение получили следующие теплоносители.

Водяной пар как греющий теплоноситель получил боль­шое распространение благодаря следующим своим достоинствам.

1- Высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации во­дяного пара позволяют получать относительно небольшие поверх­ности теплообмена.

2. Большое изменение энтальпии при конденсации водяного пара позволяет расходовать малое массовое количество его для передачи сравнительно больших количеств теплоты.

3. Постоянная температура конденсации при заданном давлении дает возможность наиболее просто поддерживать постоянные режим и регулировать процесс в аппаратах.

Наиболее часто употребляемое давление греющего пара в теплообменниках составляет от 0,2 до 1,2 МПа.

Горячая вода получила большое распространение в качестве греющего теплоносителя, особенно в отопительных и вентиляционных установках. Подогрев воды осуществляется в специ­альных водогрейных котлах, производственных технологических агрегатах (например в печах) или водонагревательных установках ТЭЦ и котельных. Горячую воду как теплоноситель можно транс­портировать по трубопроводам на значительные расстояния (на несколько километров). При этом понижение температуры воды в хорошо изолированных трубопроводах составляет не более 1°С на 1 км. Достоинством воды как теплоносителя является сравнитель­но высокий коэффициент теплоотдачи. Как правило, в системах производственного и коммунального отопления используется го­рячая вода с температурой 70... 150 (200) "С.

Дымовые и топочные газы как греющая среда при­меняются обычно на месте их получения для непосредственного обогрева промышленных изделий и материалов, если физико-химические характеристики последних не изменяются при за­грязнении сажей и золой. Если по условиям эксплуатации загряз­нение обрабатываемого материала недопустимо, дымовые газы направляются в рекуперативный теплообменник, где отдают свою теплоту воздуху, а последний нагревает обрабатываемый мате­риал.

Достоинством топочных газов является возможность нагрева ими материала до весьма высоких температур, которые требуются иногда по технологическим условиям производства.

Однако дымовые и топочные газы как греющая среда имеют ряд недостатков.

1. Малая плотность газов влечет за собой необходимость получения больших объемов для обеспечения достаточной теплопроизводительности, а последнее приводит к созданию громоздких трубопроводов.

2. Вследствие малой удельной теплоемкости газов их необходи­мо подавать в аппараты в большом количестве с высокой темпе­ратурой. Последнее обстоятельство вынуждает применять огнеупор­ные материалы для трубопроводов.

3. Из-за низкого коэффициента теплоотдачи со стороны газов теплоиспользующая аппаратура должна иметь большие поверхно­сти нагрева и поэтому получается весьма громоздкой.

Высокотемпературные теплоносители. В настоящее время в промышленности для высокотемпературного обогрева, кроме дымовых газов, применяют минеральные масла, органичческие соединения, расплавленные металлы и соли. Характерис­тика некоторых высокотемпературных теплоносителей приведена втабл. 4.1.

Низкотемпературные теплоносители представля­ют собой вещества, кипящие при температурах ниже 0 "С. Типич­ными представителями их являются: аммиак NH₃, диоксид углерода СО₂, сернистый ангидрид SО₂ и большой ряд галоидных про­изводных насыщенных углеводородов, применяющихся в каче­стве хладоагентов в холодильной технике.

.