Теплообменники, подогреватели пароводяные кожухотрубные, конденсаторы

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются аппараты, предназначенные для обмена теплом между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние в ряде случаев называются теплоносителями.

Необходимость передачи тепла от одного теплоносителя к другому происходит во многих отраслях техники: в энергетике, в химической, металлургической, нефтяной, пищевой и других промышленных отрослях.

Тепловые процессы, происходящие в теплообменниках, могут быть самыми разнообразными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и другие сложные процессы, включающие в себя несколько из перечисленных. В процессе обмена теплом могут участвовать несколько теплоносителей: тепло от одного из них может передаваться нескольким и от нескольких одному.

Типы теплообменников:

1)  по назначению: подогреватели, конденсаторы, охладители, испарители, паропреобразователи и т. п.;

2)  по принципу действия: поверхностные и смесительные.

Независимо от принципа действия теплообменники, применяющиеся в различных областях техники, как правило, имеют свои особенные названия. Эти названия определяются технологическими и конструктивными особенностями. Однако с технической точки зрения все теплообменники имеют одно назначение — передачу тепла от одного теплоносителя к другому или между поверхностью твердого тела и движущимся теплоносителем. Последнее определяет те общие черты, которые лежат в основе теплового расчета теплообменника.

В теплообменниках поверхностного типа теплоносители ограничены жесткими стенками, частично или полностью участвующими в процесс теплообмена между ними. Поверхностью нагрева называют часть поверхности таких стенок, через которую передается тепло.

Рекуперативными называются такие теплообменники, в которых теплообмен между теплоносителями осуществляется через разделительную стенку. При теплообмене в устройствах такого типа тепловой поток в каждой точке поверхности такой стенки сохраняет постоянное направление.

Регенеративными называются такие теплообменники, в которых два или большее число теплоносителей попеременно взаимодействуют с одной и той же поверхностью нагрева. Во время взаимодействиями с различными теплоносителями поверхность нагрева или получает тепло или накапливает его, а затем отдает, или, наоборот, сначала отдает накопленное тепло, охлаждается, а затем нагревается. В различные периоды теплообмена (нагрев или охлаждение поверхности нагрева) направление теплового потока в каждой точке поверхности нагрева обменивается на противоположное.

В большинстве рекуперативных теплообменников тепло передается безостановочно через стенку от теплоносителя к другому теплоносителю.

Такие аппараты называются теплообменниками непрерывного действия. Теплообменники, в которых периодически изменяются подача и отвод теплоносителей, называются теплообменниками периодического действия. Большое количество регенеративных теплообменников работает по принципу периодического действия. Разные теплоносители поступают в них в различные отрывки времени. Теплообменники такого устройства могу работать также и непрерывно. При этом вращающаяся насадка (или стенка) попеременно взаимодействует с потоками разных теплоносителей и непрерывно переносит тепло из одного потока в другой.

Ротор 1 разделён на секции 2, в каждой из которых находится пакет из проволочной сетки. Эквивалентный диаметр отверстия в проволочной насадке составляет десятые доли миллиметра.

Объем теплообменника при помощи стенок и уплотняющих устройств 3 рассечен на две полости, через одну из которых протекает горячий теплоноситель (газ), через другую — холодный. Уплотнения находятся также и на торцевой части ротора. Во время работы теплообменника вследствие движения ротора нагретые элементы насадки безостановочно переходят из полости горячего в полость холодного газа, а охладившиеся элементы — наоборот. Скорость движения ротора составляет обычно 6-15 об/мин. Теплообменники такого вида обладают наибольшей компактностью, но при различных давлениях теплоносителей перетекание газа из одной полости в другую в местах уплотнения значительно снижает их эффективность. Поэтому при неодинаковых давлениях теплоносителей эффективность теплообменника такой схемы во многом зависит от качества уплотнения между его полостями.

Смешивающими называются такие теплообменники,  в которых теплообмен происходит при непосредственном взаимодействии и смешении теплоносителей. Поэтому такие 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 далее.

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

С точки зрения технической и экономической эффективности их применения теплоносители должны обладать следующими качествами:

1) Сочетать в себе достаточно большую теплоту парообразования, плотность и теплоемкость, малую вязкость. При таких характеристиках теплоносителей обеспечивается достаточная интенсивность теплообмена, и уменьшаются их массовые и объемные количества, требуемые для заданной тепловой нагрузки теплообменника. Необходимо также, чтобы теплоносители имели высокие температуры при малых давлениях, что способствует установке относительно небольших поверхностей теплообмена.

2) Должны быть термостойкими и не оказывать негативного воздействия на материалы аппаратуры. Теплоносители требуются 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 теплоотдачи и теплопроизводительность аппарата.

3) Быть недорогими и довольно доступными в российских ресурсах. Дорогостоящие или малодоступные материалы увеличивают капитальные затраты и эксплуатационные расходы, что часто приводит к низкой эффективности их применения с экономической точки зрения.

При выборе теплоносителей нужно в каждом конкретном случае детально учитывать их термодинамические и физико-химические свойства, а также технико-экономические показатели. Водяной пар как греющий теплоноситель более распространен  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 использовать малое его весовое количество для передачи сравнительно больших количеств тепла.

3) Постоянная температура конденсации при заданном давлении дает возможность намного

проще поддерживать постоянный режим и регулировать процесс в теплообменниках.

Основным минусом водяного пара выступает значительное повышение давления в зависимости от температуры насыщения. Обогрев паром используется в процессах нагревания, происходящих при умеренных температурах (около 60-150 °С).

Наиболее часто используемое давление греющего пара в теплообменниках составляет от 0,2 до 1,2 МПа. Для высоких температур теплообменники с паровым обогревом получаются давольно тяжелыми и громоздкими по условиям обеспечения прочности, имеют толстые фланцы и стенки, по высокой цене и поэтому используются редко.

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

отопительных вентиляционных аппаратах. Подогрев воды происходит в особых водогрейных котлах, производственных технологических агрегатах (к примеру, в печах) или водонагревательных установках ТЭЦ и котельных. Горячую воду как теплоноситель есть возможность транспортировать по трубопроводам на большие расстояния (на несколько километров). Однако горячая вода, поступающая от тепловых сетей, как нагревающий теплоноситель производственных теплообменников применяется редко, поскольку в течение отопительного сезона при качественном регулировании отпуска тепла температура ее непостоянна и изменяется от 70 до 150 °С.

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

Огромным плюсом 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 применимо, потому что вследствие трудности регулировки возможны перегрев материала и ухудшение его качества; с другой стороны, по условиям техники безопасности не всегда является возможным пользоваться огневым обогревом. Высокая температура топочных газов приводит к большим тепловым потерям. Газы, покидающие топку с температурой выше 1000 °С, поступают к потребителю с температурой не выше 700 °С, так как осуществить удовлетворительную термоизоляцию при таком высоком уровне температур достаточно тяжело.

Недостатки дымовых и топочных газов как греющей среды:

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

2) Вследствие малой удельной теплоемкости газов их требуется подавать в аппараты в большом количестве с высокой температурой; последнее обстоятельство вынуждает использовать огнеупорные материалы для трубопроводов. Прокладка таких газопроводов, а также создание запорных и регулирующих приспособлений по тракту течения газа приносят большие трудности.

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

Классификация поверхностных теплообменных аппаратов по отдельным группам. Кожухотрубчатые (кожухотрубные) теплообменники (подогреватели) представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, соединенных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами и крышками с патрубками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Перегородки предназначены для увеличения скорости и, соответственно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей. Теплообменники кожухотрубные предназначаются для теплообмена: между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газами. Они применяются в случаях, когда требуется большая поверхность теплообмена.

Используются типовые конструкции кожухотрубчатых теплообменников (подогревателей пароводяных, подогревателей водоводяных).

При нагреве жидкости паром в большинстве случаев пар вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. В кожухотрубчатых теплообменниках (пароводяных подогревателях) проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Таким образом при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, скорости теплоносителя в межтрубном пространстве более низкие и коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров.

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника (пароводяного подогревателя) представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Кожухи отличаются главным образом методом соединения с трубной решеткой и крышками. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром теплообменника, но не делается тоньше 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха привариваются фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха привариваются патрубки и опоры аппарата.

Трубки кожухотрубчатых аппаратов производят прямыми или изогнутыми (U-образными) диаметром от 12 до 57 мм. Материал трубок выбирается в зависимости от среды, омывающей ее поверхность. Используются трубки из стали, латуни и из специальных сплавов.

Крышки кожухотрубчатых теплоообменников изготавливаются в форме плоских плит, конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллипсов.

Секционные теплообменники представляют собой разновидность трубчатых теплообменников, состоят из нескольких поочередно соединенных секций, каждая из которых представляет собой кожухотрубный теплообменник с малым числом труб и кожухом небольшого диаметра (рис. 1.3).

В секционных теплообменниках при одинаковых расходах жидкостей скорости движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве практически равновелики, что обеспечивает повышенные коэффициенты теплопередачи в сравнении с обычными трубчатыми теплообменниками.

Простейшим из этого вида теплообменников является теплообменник «труба в трубе» (паровик): в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра (трубная система). Все элементы теплообменника соединены сваркой.

Недостатки секционных теплообменников: высокая цена единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов теплообменника — трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т. д.; значительные гидравлические сопротивления вследствие различных поворотов и переходов вызывают повышенный расход электроэнергии на привод прокачивающего теплоноситель насоса.

Кожухи серийных секционных теплообменников производят из труб длиной до 4 м, внутренним диаметром от 50 до 305 мм. Количество труб в секции от 4 до 151, поверхность нагрева от 0,75 до 26 м2, трубы латунные диаметром 16/14 мм.

Спиральные теплообменники выполнены из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, по которым движутся теплоносители 1 и 2.

Каналы образуются металлическими листами, которые служат поверхностью теплообмена. Внутренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой. Для обеспечения жесткости конструкции и фиксации расстояния между спиралями приваривают бобышки. Спирали производят так, что торцы листов лежат в одной плоскости. С торцов спирали закрывают крышками и стягивают болтами. Для лучшей герметизации и во избежание перетекания теплоносителей между крышками и листами по всему сечению аппарата помещают прокладку из резины, паранита, асбеста или мягкого металла. Спиральные теплообменники могут выполняться горизонтальными и вертикальными; в большинстве случаев их устанавливают блоками по два, четыре и восемь аппаратов.

Горизонтальные спиральные теплообменники используются для теплообмена между двумя жидкостями. Для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью применяют вертикальные спиральные теплообменники; такие аппараты используют в качестве конденсаторов и паровых подогревателей для жидкости.

Положительные черты спиральных теплообменников: компактность (большая поверхность теплообмена в единице объема, чем у многоходовых трубчатых теплообменников) при одинаковых коэффициентах теплопередачи и меньшее гидравлическое сопротивление для прохода носителей.

Недостатки: сложность производства и ремонта, а также пригодность работы под избыточным давлением не свыше 1,0 МПа.

Пластинчатые теплообменники имеют плоские поверхности теплообмена. В основном такие теплообменники используют для теплоносителей, величины коэффициентов теплоотдачи которых одинаковы.

Недостатками изготовлявшихся до недавнего времени пластинчатых теплообменников была малая герметичность и незначительные перепады давлений между теплоносителями.

В настоящее время чаще производятся компактные разборные пластинчатые теплообменники, состоящие из штампованных металлических листов с внешними выступами, расположенными в коридорном или шахматном порядке; данные конструкции используются для теплообмена между жидкостями и газами и работают при перепадах давлений до 12 МПа.

Пленочные конденсаторы поверхностного типа используются в холодильных и прочих промышленных установках. В вертикальных конденсаторах пары аммиака (или другого вещества) поступают в межтрубное пространство и конденсируются на внешней поверхности вертикальных труб, имеющих длину 3-6 м;

Охлаждающая вода поступает в бак, дном которого является верхняя трубная решетка, и из него стекает по внутренней поверхности трубе (в виде пленки).

Основной положительной стороной пленочных конденсаторов является более интенсивный теплообмен и пониженный расход охлаждающей воды.

Ребристые теплообменники используются тогда, когда коэффициент теплоотдачи для одного из теплоносителей на много ниже, чем для второго. Поверхность теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи увеличивают по сравнению с поверхностью теплообмена со стороны другого теплоносителя. В таких устройствах поверхность теплообмена имеет на одной стороне ребра различной формы.

Оросительные теплообменники состоят из змеевиков, омываемых снаружи жидким теплоносителем (обычно водой) и используются главным образом в качестве холодильников или конденсаторов. Змеевики изготавливают из прямых горизонтальных труб, находящихся друг над другом и последовательно соединенных между собой сваркой или на фланцах. Орошающая вода подается на верхнюю трубу, стекает с нее на нижележащую трубу и, пройдя последовательно по поверхности всех труб, стекает в поддон, расположенный под холодильником. Около 1-2% всего количества орошающей воды, как правило, испаряется. Вследствие сильного испарения орошающей воды оросительные холодильники обычно устанавливают на открытом воздухе.

испаритель, кожухотрубный, конденасторы, конденсатоотводчик, охладители, пароводяной подогреватель, пластинчатый теплообменник, пленочный конденсатор, поверхностный теплообменник, подогреватель, ребристый теплообменник, смесительный теплообменник, спиральный теплообменник, теплообменник, труба в трубе, трубная система