Теплообменные аппараты

 

В масштабе страны на долю теплоты приходится примерно 70…80% всей расходуемой энергии. Разнообразные процессы, связанные с потреблением теплоты без ее превращения в другие виды энергии, можно по назначению расходуемой теплоты отнести к двум основным категориям:

1) потребление теплоты для коммунально-бытовых нужд, т. е. для обеспечения комфортных условий труда и быта в жилых, общественных и производственных помещениях;

2) потребление теплоты для технологических нужд, т. е. для обеспечения выпуска промышленной или сельскохозяйственной продукции заданного качества.

Первая категория в масштабе народного хозяйства является преобладающей. По литературным данным, на долю коммунально-бытовых нужд приходится около 70%, а на долю технологических нужд – только 30% всего теплового потребления страны.

Первая категория в масштабе народного хозяйства является преобладающей.

Теплообменный (или теплоиспользующий) аппарат является одним из наиболее распространенных и важных элементом энергетических, коммунально-бытовых и технологических установок. Любые преобразования энергии из одного вида в другой, а также передача энергии от одного аппарата либо машины к другому сопровождаются переходом некоторой части всех других видов энергии в тепловую. Поэтому практически во всех машинах и аппаратах теплообмен имеет важное значение.

На теплоиспользующие аппараты приходится значительная доля капиталовложений в энергетические, коммунально-бытовые и технологические установки. При строительстве тепловых элекростанций (если учесть, что паровые котлы также являются теплообменниками) капиталовложения в теплообменные аппараты составляют до 70% капиталовложений на оборудование станций. На современных нефтеперерабатывающих заводах капиталовложения в теплообменные аппараты достигают 40…50%.

На теплоиспользующие аппараты приходится также значительная доля эксплуатационных расходов энергетических, коммунально-бытовых и технологических установок.). Амортизационные отчисления, расходы на уход, осмотр и ремонт теплоиспользующих аппаратов и установок часто выше, чем для оборудования других категорий.

Для осуществления различных технологических процессов применяются теплообменные процессы: нагрев, охлаждение, конденсация, испарение и т. д.

Теплообменным называется процесс переноса энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу.

Теплообменные процессы протекают при взаимодействии не менее чем двух сред с различными температурами, причем теплота переходит от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой без затраты работы. Движущиеся среды, участвующие в переносе теплоты, называются теплоносителями.   

Для осуществления различных теплообменных процессов применяются теплообменные аппараты (теплообменники).

В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно. Для теплообменников наибольшее значение имеет конвективный теплообмен или теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и одновременном действии теплопроводности и конвекции.

Теплообменные аппараты различают по назначению, по способу передачи теплоты, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим признакам.

В зависимости от назначения теплообменные аппараты называют подогревателями, испарителями, конденсаторами, пароперегревателями, холодильниками и так далее.

Наиболее распространена классификация теплообменников по способу передачи теплоты от одного теплоносителя другому, согласно которой они подразделяются на поверхностные и смесительные (контактные) аппараты.

В поверхностных теплообменниках теплота от среды с более высокой температурой передается твердой стенке (или насадке), а от нее – более холодной среде.

В смесительных (контактных) теплообменниках теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителей и, как правило, сопровождается переносом массы. Смесительные теплообменники по конструкции проще поверхностных: тепло в них используется полнее. Но они пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

Поверхность твердой стенки или граница раздела контактирующих сред, через которую осуществляется теплообмен, называется поверхностью теплообменаили поверхностью нагрева.

Поверхностные теплообменные аппараты делят на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагрева (насадки). Во время соприкосновения с греющим теплоносителем стенка (насадка) нагревается, т.е. аккумулирует теплоту, а во время соприкосновения с нагреваемым теплоносителем – отдает ему теплоту и охлаждается.

Поверхностные теплообменники могут работать в периодическом и непрерывном режимах.

Если участвующие в теплообмене горячая и холодная среды перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направлении, теплообменный аппарат называют прямоточным,при встречном движении теплоносителей – противоточным, при перекрестном – перекрестноточным. Перечисленные схемы движения теплоносителей называются простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из теплоносителей по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей.

Путь, пройденный теплоносителем в аппарате без изменения направления движения, называютходом. Аппараты, в которых какой-либо из потоков меняет направление 1, 2, 3 раза, называют соответственно одно-, двух-, трехходовымиаппаратами по данному теплоносителю.

Если теплообмен в аппарате происходит между двумя потоками, то такой аппарат называют двухпоточным, при трех потоках – трехпоточным.

Выбор теплоносителей для осуществления теплообмена в аппаратах определяется рядом условий: назначением и характером теплового процесса, конструкцией теплообменного аппарата, теплофизическими, химическими и эксплуатационными свойствами теплоносителей, экономическими соображениями и так далее.

По агрегатномусостоянию теплоносители делятся на твердые, жидкие и газообразные. По диапазону рабочих температур выделяют высоко-, средне-, низкотемпературные теплоносители и теплоносители, применяемые при очень низких (криогенных) температурах.

Твердые теплоносители в виде шариков диаметром 8…12 мм, или более мелких зернистых фракций из стали, чугуна, кремнезема, каолина, шамота, окислов алюминия, магния, циркония применяются в высокотемпературных установках нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслей промышленности для нагрева газов, перегрева водяного пара и паров органических жидкостей до температур 1000…2000°C. Т.е. твердые теплоносители относятся к высокотемпературным теплоносителям.

Жидкие теплоносители очень разнообразны. К ним относятся обычная и тяжелая вода, минеральные масла, органические жидкости, кремнийорганические соединения (силиконы), расплавы металлов, солей и других веществ. Это средне- и высокотемпературные теплоносители. Капельные жидкости относят к высокотемпературным теплоносителям, если их температура кипения при атмосферном давлении превышает 200 ^оС (минеральные масла, кремнийорганические соединения, расплавы металлов).

К низкотемпературным теплоносителям относят такие жидкости, температура кипения которых при атмосферном давлении обычно не превышает 0 °С. Их называют хладоносителями и хладагентами(водные растворы солей щелочных металлов, аммиак, углеводороды).

К газообразым теплоносителям относятся воздух, дымовые газы, азот, углекислый газ, двуокись серы, водород, гелий, пары воды и других веществ. К высокотемпературным теплоносителям можно отнести дымовые или топочные газы с температурой 400…1500 °С.

При температуре, превышающей2000 °C, применяются ионизированные газы. Это так называемая низкотемпературная плазма.

Вещества, температура кипения которых ниже минус 150°С, называют криогенными теплоносителями (жидкие азот,кислород, водород,гелий).

Свойства теплоносителей многообразны и имеют большое значение при проектировании оборудования и организации теплотехнического процесса. Поэтому при выборе теплоносителей следует учитывать наиболее важные из них, теплофизических свойств.

К теплофизическим свойствам теплоносителей относятся: плотность, теплоемкость, теплопроводность, теплота парообразования, температура кипения, температура плавления.

Теплоносители, обладающие большой плотностьюρ, как правило, дают возможность переносить теплоту в больших количествах при малых собственных температурных перепадах. Для них не требуются большие проходные сечения в аппаратах и трубопроводах, невелики емкости для их хранения. С этой точки зрения газы наименее пригодны как теплоносители.

Теплоносители с большой теплоемкостью с аккумулируют большое количество теплоты в малом количестве массы, чем достигаются снижение расхода теплоносителя, экономия энергии на его транспортировку, уменьшение затрат на трубопроводы и емкости. Вода, обладающая большой теплоемкостью,выгодно отличается в этом отношении от других жидкостей, металлов и газов.

Коэффициент теплопроводности теплоносителей существенно влияет на коэффициент теплоотдачи в теплообменном аппарате. Чем выше l теплоносителя, тем больше коэффициент теплоотдачи a на стороне этого теплоносителя. Поэтому жидкие металлы, обладающие очень высокой теплопроводностью, превосходят по теплоотдаче жидкости и газы.

Теплота парообразования (испарения) r имеет важное значение при теплообмене с фазовыми превращениями – кипением или конденсацией; ее величина определяет расход теплоносителя. Кроме того, постоянство температуры при фазовом превращении способствует стабильности процесса в аппарате.

Температура кипения теплоносителя определяет его давление в процессе передачи теплоты. Предпочтителен такой теплоноситель, у которого высокая температура кипения и с повышением температуры кипения давление насыщения паров возрастает не резко. Малые давления паров в аппарате позволяют иметь тонкостенные аппараты и трубопроводы, что облегчает и удешевляет теплообменник, упрощает поддержание герметичности.

Температура плавления теплоносителя должна быть низкой, чтобы в условиях окружающей среды теплоноситель не затвердевал и при остановке теплообменника оставался в жидком состоянии. Если же температура плавления выше 20 °С (парафин), то возможно застывание его до твердого состояния при остановке всей технологической системы. Эксплуатация таких систем возможна лишь при сооружении специальных обогревающих устройств для аппаратов, трубопроводов и коммуникаций.

Кроме вышеперечисленных свойств, вещества, применяемые как теплоносители, должны бытьхимически стойкимив широком интервале температур, не должны разлагаться, вступать в химическое взаимодействие с конструкционными материалами, не должны изменять свои свойства в контакте с воздухом и водяным паром, не должны образовывать взрыво- и пожароопасную смесь при контакте с другими веществами. В случае химической нестойкости теплоносителя снижается интенсивность теплообмена, и повышается гидравлическое сопротивление аппарата, т.к. на стенках откладываются продукты распада.