КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

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

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

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.

В основу классификации теплообменных аппаратов могут быть положены различные признаки. Обычно применяют классификацию теплообменных аппаратов по функциональным признакам:

1) по принципу действия: поверхностные и смешивающие;

2) по характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности;

3) по роду теплового режима;

4) по роду теплоносителя;

5) в зависимости от изменения агрегатного состояния теплоносителей.

Независимо от принципа действия теплообменные аппараты, применяющиеся в различных областях техники, как правило, имеют свои специфические названия. Эти названия определяются технологическим назначением и конструктивными особенностями. Однако с теплотехнической точки зрения все аппараты имеют одно назначение – передачу теплоты от одного теплоносителя к другому или между поверхностью твердого тела и движущимся теплоносителем, что определяет те об­щие положения, которые лежат в основе теплового расчета любoгo теплообменного аппарата.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные (рекуперативные и регенеративные) и смешивающие.

В аппаратах поверхностного типа теплоносители ограничены твердыми стенками, частично или полностью участвующими процессе теплообмена между ними. Поверхностью на­грева называется часть поверхности этих стенок, через которую передается теплота.

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.

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 различными 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 теплообмена (нагрев или охлаждение поверхности нагрева) направление теплового потока в каждой точке поверхности нагрева изменяется на про­тивоположное.

По роду теплового режима теплообменные аппаратымогут быть со стационарными и нестацио­нарными процессами теплообмена. В большинстве рекуперативных теплообменников теплота пе­редается непрерывно через стенку от теплоносителя к другому теплоносителю. Такие теплообменники называются теплооб­менниками непрерывного действия. На рис. 1.1 показан пример рекуперативного теплообменника, в котором один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омы­вает их наружные поверхности. Теплообменники, в которыхпе­риодически изменяются подача и отвод теплоносителей, назы­ваются теплообменниками периодического действия.

Рис. 1.1. Трубчатый теплооб­менник

Большинство регенеративных теплообменников работает по принципу периодического действия. Разные теплоносители по­ступают в них в различные периоды времени. Теплообменники такого типа могут работать и непрерывно. В этом случае вра­щающаяся насадка (или стенка) попеременно соприкасается с потоками разных теплоносителей и непрерывно переносит теп­лоту из одного потока в другой.

На рис. 1.2 показан теплообменник с барабанным ротором. Ротор 1 разделен на секции 2,в каждой из которых размещается пакет из проволочной сетки. Эквивалентный диаметр отверстия в проволочкой насадке составляет десятые доли миллиметра.

Рис. 1.2. Теплообменник с ба­рабанным ротором

Объем теплообменника с помощью стенок и уплотняющих устройств 3 разделен на две полости, через одну из которых протекает горячий теплоноситель (газ), через другую – холодный. Уплотнения имеются также и на торцевой части ротора. Во время работы теплообменника вследствие вращения ротора нагретые элементы насадки непрерывно переходят из полости горячего в полость холодного газа, а охладившиеся элементы – наоборот. Частота вращения ротора составляет обычно 6–15 об/мин. Теплообменники такого типа обладают высокой компактностью, но при разных давлениях теплоносителей перетекание газа из одной полости в другую в местах уплотнения существенно снижает их эффективность. Поэтому при неодинаковых давлениях теплоносителей эффективность теплообменника такой схемы во многом зависит от качества уплотнения между его полостями.

Смешивающими называются такие теплообменные аппараты, в которых тепло- и массообмен происходит при непосредственном контакте и смешении теплоносителей. Поэтому смешивающие теплообменники иногда называют контактными. Наиболее важным фактором в рабочем процессе смешивающего теплообменного аппарата является поверхность соприкосновения теплоносителей. Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей размещают насадку. Подр­обно конструкции теплообменных аппаратов такого типа будут рассмотрены в соответствующей главе.

В зависимости от изменения агрегатного состояния теплоносителей теплообменные аппараты бывают: без изменения агрегатного состояния; с изменением агрегатно­го состояния одного теплоносителя; с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

В теплообменных аппаратах могут протекать различные процессы теплообмена: нагрев; охлаждение; кипение; конденсация и т.д. В зависимости от этих процессов теплообменные аппараты делят на подогреватели, охла­дители, испарители, конденсаторы и т.д.

По характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхноститеплообменные аппараты делят на три типа: с естественной циркуляцией; с прину­дительной циркуляцией; с движением жидкости под действием сил грави­тации. К теплообменным аппаратам с естественной циркуляцией относятся испарители, выпарные аппараты, водогрейные и паровые котлы, у которых теплоноситель дви­жется благодаря разности плотностей жидкости и образующейся парожидкостной смеси в опускных и подъемных трубах циркуляционного контура. К теплообменным аппаратам с принудительной циркуляцией относятся, например, рекуператив­ные теплообменники, а к аппаратам с дви­жением жидкости под действием сил гравитации – конденсаторы, ороси­тельные теплообменники.

По роду теплоносителейтеплообменные аппараты классифицируют следующим образом: жидкость – жидкость; пар – жидкость; газ – жидкость; пар – пар; пар – газ; газ – газ.

ТЕПЛОНОСИТЕЛИ

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

Сточки 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. Необходимо также, чтобы теплоноси­тели имели высокие температуры при малых давлениях, что способствует установке относительно небольших поверхностей теплообмена.

2. Иметь необходимую термостойкость и не оказывать неблагоприятного воздействия 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. Дорогостоящие или малодоступные вещества уве­личивают капитальные затраты и эксплуатационные расходы, что иногда приводит к явной нецелесообразности применения их с экономической точки зрения.

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

Водяной пар как греющий теплоноситель получил боль­шое распространение вследствие ряда своих достоинств:

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 его массовое количество для передачи сравнительно больших количеств теплоты.

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

Основным недостатком водяного пара является значительное повышение давления в зависимости от температуры насыщения. Так, например, при давлении 0,09807 МПа температура пара со­ставляет 99,1 °С, а температура насыщенного пара 350 °С может быть получена только при давлении 15,5 МПа. Поэтому обо­грев паром применяется в процессах нагревания, происходящих при умеренных температурах (порядка 60 –150 °С).

Наиболее часто употребляемое давление греющего пара в теплообменниках составляет от 0,2 до 1,2 МПа. Теплообмен­ники с паровым обогревом для высоких температур получаются очень тяжелыми и громоздкими по условиям обеспечения проч­ности, имеют толстые фланцы и стенки, весьма дороги и по­этому применяются редко.

Горячая вода получила широкое распространение в ка­честве греющего теплоносителя, особенно в отопительных 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.

Однако горячая вода, поступающая от тепловых сетей, как греющий теплоноситель производственных теплообменников используется редко, поскольку в течение отопительного сезона при естественном регулировании отпуска теплоты температура ее непостоянна и изменяется от 70 до 150 °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. Но это достоинство не всегда может быть использовано, потому что вследствие трудности регулировки возможны перегрев мате­риала и ухудшение его качества. С другой стороны, по условиям техники безопасности не всегда можно пользоваться огневым обогревом. Высокая температура топочных газов приводит к большим тепловым потерям. Газы, покидающие топку с тем­пературой выше 1000 °С, доходят до потребителя с температурой не выше 700 °С, так как осуществить удовлетворительную термоизоляцию при таком высоком уровне температур доста­точно трудно.

Можно отметить еще ряд недостатков дымовых и топочных газов как греющей среды, а именно:

1. Малая плотность газов влечет за собой необходимость получения больших объемов для обеспечения достаточной теплопроизводительности, что 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. Прокладка таких газопроводов, а также создание запорных и регулирующих приспособлений по тракту течения газа представляют большие трудности.

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

Высокотемпературные теплоносители (кроме дымовых газов), нашедшие применение в промышленности для высокотемпературного обогрева включают в себя минеральные масла, органические соединения, расплавленные металлы и соли. Они должны обладать следующими свойствами:

- высокой температурой кипения при атмосферном давлении;

- высокой интенсивностью теплообмена;

- низкой температурой отверде­вания;

- термической стойкостью;

- безвредностью для мате­риалов трубопроводов и теплоотдающих поверхностей;

- невос­пламеняемостью, взрывобезопасностью, отсутствием токсич­ности;

- экономичностью.

При использовании высокотемпературных теплоносителей в температурных режимах ниже точки кипения теплообменники могут работать при атмосферном давлении.

Низкотемпературные теплоносители представ­ляют собой вещества, кипящие при температурах ниже 0 °С. Ти­пичными представителями их являются аммиак NН₃, двуокись углерода СО₂, сернистый ангидрид SO₂ и большой ряд фреонов – галоидных производных насыщенных углеводородов, при­меняющихся в качестве хладоагентов в холодильной технике.

Электрическая энергия, хотя и является не теплоно­сителем в обычном смысле этого слова, а скорее способом обо­грева, также нашла широкое применение для нагревания ве­ществ в технологических процессах. Применяются три способа электрообогрева: электродуговой, диэлектрическое нагревание и нагревание сопротивлением. Последний способ получил широкое рас­пространение и имеет большую перспективу в районах, где от­сутствует топливо, но имеется достаточное количество дешевой электроэнергии, получаемой от гидро- и атомных электростанций.

Достоинства электрического обогрева: простота и легкость подводки и устройства, удобство контроля, регулировки и об­служивания, возможность получить почти любую температуру и,наконец, чистота и гигиенические условия в работе. При переходе электрической энергии в тепловую часто удается использовать почти 100 % подведенной энергии. Однако следует иметь в виду, что на базе теплового производства электроэнергии электрообогрев всегда будет иметь более низкий к. п. д., чем тепловые способы нагрева.