Тема 3. Обладнання

ДЛЯ ТЕПЛООБМІННИХ ПРОЦЕСІВ

ПЛАН

1. Класифікація теплообмінних апаратів.

2. Теплообмінники, що виготовляються з гладких труб: кожухотрубчасті, труба в трубі, елементні, змієвикові, виті теплообмінники. Компенсатори. Трубні дошки та способи закріплення труб.

3. Теплообмінні апарати з оребреними трубами.

4. Теплообмінники, які виготовляються з листів: пластинчасті, пластинчасто-ребристі, спіральні теплообмінники.

5. Регенеративні та контактні теплообмінники.

6. Теплообмінники інших типів: графітові та занурені. Конструкції, рекомендації по застосуванню.

7. Теплоносії та їх фізичні властивості. Конструктивний розрахунок.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Основна література

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – 8-е изд., перераб. и дополн. – М.: Химия, 1971.

2. Машины и аппараты химических производств. П/р И.И.Чернобыльского. Изд. 3-е, перераб. – М.: Машиностроение. – 1975. – 454 с.

3. Врагов А.П. Теплообмінні процеси та обладнання хімічних та нафтопереробних виробництв. – Суми: Вид-во СумДУ, 2005. – 208 с.

Додаткова література

4. Шаповалов Ю.Н., Шеин В.С. Машины и аппараты общехимического назначения. – Воронеж: Изд. ВГУ. - 1981. – 304 с.

5. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. – М.-Л.:Энергия. – 1966. – 288 с.

Ключові слова

Теплообмінники, кожухотрубчасті, Компенсатори, Трубні дошки, Пластинчасті, пластинчасто-ребристі, спіральні теплообмінники, Теплоносії

1. Класифікація теплообмінних апаратів

Процеси теплообміну і теплопередачі грають важливу роль в природі, що оточує нас, в побуті і в різних галузях техніки. У побуті нас оточує велика кількість теплообмінних приладів, машин і пристроїв, що забезпечують комфортні умови життя сучасного суспільства.

Практично немає такої галузі промислового виробництва, в якій не використовувалися б теплообмінні процеси і апарати для перенесення теплоти: горнохімічна, машинобудівна, металургійна, харчова, будівельна, нафтопереробна, нафтохімічна, хімічна і багато інших галузей промисловості у виробництві багатьох видів промислової продукції, мінеральних добрив, товарів різного призначення.

У хімічній і суміжних галузях промисловості процеси теплообміну грають виключно важливу роль. Наприклад, багато хімічних реакцій супроводжуються тепловим ефектом, або для їх здійснення потрібна певна кількість тепла. У першому випадку виникає необхідність відводити надлишкове тепло, у другому випадку необхідно заздалегідь підігріти реагуючі середовища.

В деяких випадках тепло необхідно підводити або віднімати для того, щоб викликати зміну фізичного стану матеріалу, що переробляється (випарювання, конденсація, плавка, сублімація та ін.), або інтенсифікувати проведення процесів хімічної технології (сушку, випаровування, дистиляцію та ін.).

Пристрої, призначені для передачі тепла від одного теплоносія до іншого через поверхню, що розділяє теплоносії, називаються теплообмінниками.

Теплообмінники хімічних виробництв відрізняються великою різноманітністю конструкцій і мають бути розраховані і сконструйовані з врахуванням вимог технології хімічного виробництва.

У теплообмінних апаратах теплопередача від одного середовища до іншого через стінку, що їх розділяє, обумовлена рядом чинників і є складним процесом, який прийнято розділяти на три елементарні види теплообміну: теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання.

Теплообмінні апарати класифікуються за наступними признаками:

1. По функціональному признаку, тобто по способу передачі тепла: підрозділяються на поверхневі і контактні (змішувальні) теплообмінники.

У поверхневих теплообмінниках теплоносії обмінюються теплом через поверхню теплообміну.

Поверхневі теплообмінники бувають двох типів:

- рекуперативні,

- регенеративні або насадкові.

У рекуперативних теплообмінниках теплоносії обмінюються теплом через непроникну тверду стінку, що їх розділяє. Цей вид теплообмінного обладнання є основним у хімічній та нафтопереробній промисловості.

У регенеративних теплообмінниках теплообмінна поверхня по черзі омивається спочатку гарячим, а потім холодним теплоносієм. Тобто регенеративні теплообмінники працюють циклічно. При контакті гарячого теплоносія з теплообмінною поверхнею відбувається її розігрів і в апараті накопичується певний запас тепла. Через певний проміжок часу автоматично відбувається переключення потоків, і до апарату потрапляє холодний теплоносій, який контактує з нагрітою поверхнею насадки. При цьому він сам нагрівається і одночасно охолоджує поверхню теплообміну.

Регенеративні теплообмінники використовуються у газороздільних установках, а також у металургійній промисловості.

У контактних теплообмінниках теплоперенесення відбувається в результаті безпосереднього контакту потоків гарячого і холодного теплоносіїв. У контактних теплообмінниках теплоносії взаємодіють у різних фазових станах (газ – рідина, пар – рідина, газ – тверде тіло та ін.), а процеси теплообміну можуть протікати як без змінення агрегатного стану середовищ, так і з їх зміненням.

2. За цільовим технологічним призначенням (основної задачі теплообмінних апаратів) розрізняють такі рекуперативні теплообмінники: підігрівачі; власне теплообмінники; холодильники, холодильники–конденсатори, конденсатори; випарники, нагрівачі, дефлегматори, перегрівники пари, і т.і.

Технологічне призначення кожухотрубчастих теплообмінників відображено у їхніх умовних позначеннях: В – випарники, К – конденсатори, Т – теплообмінники, Х – холодильники.

Холодильники призначені для охолодження робочих середовищ.

У холодильниках-конденсаторах одночасно з охолодженням відбувається часткова або повна конденсація робочого середовища.

У підігрівачах основною задачею процесу є нагрівання холодного теплоносія до необхідної температури.

У конденсаторах основною задачею процесу є конденсація пари (газу). При цьому відбуваються процеси фазового переходу гарячого теплоносія з газової фази у рідку за рахунок передачі тепла від гарячого теплоносія до холодного і нагрівання останнього.

У випарниках основною задачею процесу є випарювання робочого середовища (холодного теплоносія) і переведення його з рідкого стану у пароподібний (газоподібний) стан за рахунок передачі тепла від гарячого теплоносія до киплячого холодного теплоносія.

У випарниках-конденсаторах по обидві сторони поверхні теплопередачі теплоносії змінюють свій агрегатний стан. При цьому один теплоносій віддає тепло і конденсується, а другий теплоносій з іншого боку поверхні нагрівається і випаровується.

Таким чином, у теплообмінних апаратах нагрів і охолодження теплоносіїв є однаково важливими задачами для технологічного процесу.

3. В залежності від агрегатного стану теплоносіїв розрізняють такі теплообмінні апарати:

- без змінення агрегатного стану обох теплоносіїв; до них відносяться холодильники і підігрівачі для систем газ-рідина і рідина-рідина;

- із зміненням агрегатного стану одного з теплоносіїв; до них відносяться холодильники-конденсатори, підігрівачі-випарники, підігрівачі-конденсатори;

- із зміненням агрегатного стану обох теплоносіїв, це насамперед випарники-конденсатори.

4. По способу утворення теплообмінної поверхні розрізняють апарати, виготовлені:

- з труб (трубчасті, кожухотрубчасті, виті і ін.);

- з листів (пластинчасті, спіральні і ін.)

5. По орієнтації теплообмінної поверхні розрізняють:

- вертикальні (В);

- горизонтальні (Г);

- похилі теплообмінні апарати.

6. По способу компенсації температурного подовження теплообмінні апарати бувають:

- без компенсації (жорстка конструкція);

- з компенсацією пружним елементом (напівжорстка конструкція);

- з компенсацією в результаті вільного подовження (не жорстка конструкція).

Наявність конструктивних пристроїв для компенсації температурних деформацій відображено в умовних позначеннях типу теплообмінника такими індексами:

- ТН – теплообмінник з нерухомими трубними дошками;

- ВУ – випарник з U-образними трубками;

- ТП – теплообмінник з плаваючою голівкою;

- ХК – холодильник з температурним компенсатором на корпусі.

Тепер розглянемо окремі види теплообмінників, що найбільш часто використовуються.