Промышленные теплоносителей, их свойства, область применения

Основные виды и классификация теплообменных и тепломассообменных аппаратов

Понятия, определения и классификация промышленного оборудования.

О дисциплине

Заключение

Обобщить изученные вопросы. Подвести итоги лекции. Ответить на вопросы.

Выдать задание для самостоятельного изучения – изучить материал лекции по конспекту, рекомендуемую литературу.

Задание для самостоятельного обучения:

Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - 3-е издание. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.

Кандидат технических наук,

доцент Е.Е.Костылева

На изучение курса «Тепло-массообменное оборудование предприятий» в течение шестого семестра отводится 146 часов, из них 48 лекций, 16 часов лабораторных занятий, консультация и экзамен. В седьмом семестре предусмотрен курсовой проект в размере 70 часов. На СРС отводится 12 часов.

В рамках курса будут изучены основные виды промышленных тепло- и массообменных процессов и установок, рассмотрены классификация, типы и конструкции теплообменного оборудования, освоена методика расчета теплообменных аппаратов поверхностного типа, изучено строение, принцип работы и устройство, а также основы процессов протекающих в выпарных, сушильных, перегонных, ректификационных, сорбционных установках. Рассмотрено стандартное и вспомогательное оборудование тепломассообменного оборудования.

Теплообменный аппарат (теплообменник) – устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами. Перенос теплоты в них может осуществляться конвекцией, кондукцией, лучеиспусканием, при наличии фазовых и химических превращений газообразных, жидких и твердых веществ. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел и веществ к менее нагретым, называют теплоносителями.

Теплообменный аппарат является одним из наиболее распространенных и важных элементов 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 теплообменные аппараты приходится значительная доля капиталовложений в энергетические, коммунально-бытовые и технологические установки. При строительстве тепловых электростанций (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 газобензино­вых заводах - 40 %.

На теплообменники 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.

Теплообменные аппараты, как и другие элементы энергетических, коммунально-бытовых и технологических установок, работают в условиях переменного режима. Однако эксплуатационные, статические и динамические характеристики теплообменных аппаратов зависят не только от изменения расходных режимов и технологических параметров потоков, но и от таких факторов, как накопление загрязнений, накипи, сажи, смол на стенках труб, появление коррозии и др.

Расчет, проектирование, конструирование и эксплуатация теплоиспользующего оборудования должны производиться с учетом большой сложности происходящих в нем процессов, а также значительного влияния параметров процесса теплообмена на технико-экономические показатели соответствующих установок.

Теплообменные аппараты имеют многообразное назначение. Вместе с тем они должны отвечать определенным общим требованиям, которые являются исходными при проектирова­нии аппаратов. К этим требованиям относятся обеспечение высокой тепловой производительности, заданных технологических условий процесса и высокого качества готового продукта (для промышленных технологических установок). Выполнение каждого из этих требований достигается определенными приемами и методами.

Высокая тепловая производительность теплоиспользующего аппарата определяется многими факторами, в первую очередь, интенсивным теплообменом, высокой теплопроводностью материала, малым заносом поверхностей теплообмена, своевременной продувкой и промывкой внутренних полостей аппарата, поддержанием оптимального режима работы. Экономичность работы аппарата может быть достигнута малыми затратами энергии на прокачивание теплоносителей, минимальным уносом технологи­ческого продукта с продувочными газами и промывочными вода­ми, увеличением межремонтных периодов, максимальной меха­низацией и автоматизацией обслуживания. Заданные технологические условия процесса (температура, давление, химический состав и концентрация среды, время технологической обработки) и высокое качество продукции обеспечиваются выбором оп­тимальных температур теплоносителей, правильным расчетом поверхности теплообмена, подбором надлежащих конструкцион­ных материалов, не вступающих в химическое взаимодействие со средой, выбором наивыгоднейших скоростей теплоносителей, строгой цикличностью или непрерывностью процесса и удобством его регулирования.

Как отмечалось ранее, теплообменниками называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой ра­бочими средами - теплоносителями.

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

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 смесительные.

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. 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 теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Рис. 1. Простейший рекуперативный теплообменник: I, II - теплоносители

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. 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. 2, б), заключенных в закрытый кожух 3. К кожуху присоединя­ются воздушный и газовый короба. Во время работы теплообмен­ника ротор его вращается, по­этому нагретые элементы набив­ки непрерывно переходят из полости горячего газа в полость холодного воздуха, а охладивши­еся элементы - наоборот.

Рис.2. Регенеративный воздухоподогреватель:

а - общий вид; б - отдельные пластины различной формы; в - секция с пласти­нами; 1 - газовые патрубки; 2, 5 - радиальное и периферийное уплотнения; 3 - неподвижный наружный кожух; 4 -набивка; 6 - вал ротора; 7 - верхний и нижний подшипники; 8 - воздушные патрубки; 9 - электродвигатель

Одним из оригинальных устройств, использующих в качестве промежуточного теплоносителя пар и его конденсат, является герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром (рис. 3). Такое устройство, называемое тепловой трубой, способно пере­давать большие тепловые мощности.

Рис. 3. Схема работы тепловой тру­бы с возвратом конденсата

под дей­ствием гравитационных сил

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 широком интервале температур.

Смешивающимии 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 показана схема смешивающего теплообменника (деаэратора) для подо­грева воды паром при термическом удалении растворенных га­зов (воздуха).

Рис. 4. Смешивающий теплооб­менник для подогрева воды паром при термическом удалении раство­ренных газов

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 постоянный 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, органи­ческие соединения, расплавленные металлы и соли.

Низкотемпературные теплоносители представля­ют собой вещества, кипящие при температурах ниже 0 °С. Типич­ными представителями их являются: аммиак NH₃, диоксид угле­рода С0₂, сернистый ангидрид S0₂ и большой ряд галоидных про­изводных насыщенных углеводородов, применяющихся в каче­стве хладоагентов в холодильной технике.