процессы и аппараты - теплообменники

ВВЕДЕНИЕ Теплообменные аппараты (теплооб­менники) представляют собой устрой­ства, предназначенные для передачи тепла от одной рабочей среды (тепло­носителя) к другой. Теплоносители могут быть газообразными, жидкими и твердыми.Теплообменники имеют различные назначения: в них мо­гут протекать процессы нагревания, охлаждения, кипения, конденсации, расплавления, затвердевания, а также сложные термохимические процессы - выпаривание, ректификация, полиме­ризация, вулканизация и многие дру­гие. По характеру обмена теплом те­плообменные аппараты разделяются на поверхностные и смесительные.

В поверхностных аппаратах имеется поверхность нагрева, через ко­торую тепло передается от одного те­плоносителя к другому.Если тепло­обмен между различными теплоноси­телями происходит через раздели­тельные стенки и тепловой поток в них имеет всегда одно направление, тепло­обменник называется рекуперативным. Аппараты с переменным по направле­нию теплообменом между чередующи­мися теплоносителями, один из кото­рых отдает тепло поверхности, а дру­гой воспринимает это тепло, назы­ваются регенеративными.

В смесительных аппаратах теплообмен осуществляется путем непосредственного контакта и смеше­ния теплоносителей: при этом теплообмен происходит одновременно с массообменом, т. е. с изменением теплосодержания среды изменяется и ее массосодержание.Для случаев теплообмена между газами, у которых коэффициент теплоотдачи очень низок, и водой или водяным паром, у которых этот коэффициент больше в десятки и сотни раз, получили распространение ребристые те­плообменники . Ребра увеличива­ют поверхность теплообмена со стороны те­плоносителя, имеющего меньший коэффициент теплоотдачи, способствуя повышению количе­ства тепла, передаваемого 1 пог. м трубы.

Благодаря компактности и высокому ко­эффициенту теплоотдачи в последние годы по­лучили распространение спиральные теплооб­менники, у которых поверхность теплообмена образуется двумя металлическими листами, сворачиваемыми в спирали.

Между листами оставляют постоянные зазоры, служащие ка­налами для протекания теплоносителя. Недо­статком таких теплообменников является не­большое давление, допускаемое внутри аппа­рата (рис.1,з). Трубчатые теплообменные аппараты для воздуха и газов имеют малую удельную по­верхность нагрева, составляющую 40—60 м2/м3 объема аппарата.Значительно большую удель­ную поверхность нагрева имеют пластинчатые газо- и воздухоподогреватели 200—300 м2/м3. Пластины этих аппаратов изготовляют штам­повкой, сваривают попарно и соединяют в сек­ции. Пластинчатые теплообменники просты по конструкции и относительно недороги.

На рис.1,и представлена схема работы пластин­чатого теплообменника. а)Кожехотрубный теплообменник с плавающей камерой б)Варочный котел с масляной ванной и огневым обогревом в)Автоклав с паровой рубашкой г)Змеевиковый теплообменник д)спиральный теплообменник ЗМЕЕВИКОВЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Одним из простейших теплообменников яв­ляется эмеевиковый аппарат, представляющий собой сосуд со спиральной трубой, витки ко­торой располагаются по винтовой линии.

По змеевику движется теплоноситель или охлаж­дающая жидкость (рис.2,a). При паровом обогреве пар вводится обычно в змеевики сверху, чтобы конденсат мог свободно стекать. При большой общей поверхности теплооб­мена, для того чтобы в трубках не скапливал­ся конденсат, змеевики по длине разделают на несколько секций.При охлаждении охлаждающую жидкость вводят в змеевик снизу при скорости до 1,5 – 2 м/с. При паровом обогреве скорость пара при входе в змеевики принимают до 50 м/с. Поверхность теплообмена в змеевиковых аппаратах выполняют из стальных, медных, латунных, алюминиевых или свинцовых труб, а также из кислотоупорных материалов - стекла, керамики или пластмасс.

Змеевиковые поверхности теплообмена вы­полняют из труб внутренним диаметром не более 65 мм. Во избежание прогиба и дефор­мации труб большого диаметра с большим чис­лом витков каждый виток укрепляют при пoмощи болтов на стойках из стального проката (рис.2,в). Условия теплоотдачи на внутренней по­верхности труб змеевиковых аппаратов обычно удовлетворительны.

Однако теплоотдача на наружной поверхности труб большей частью низка вследствие малых скоростей среды.По­этому змеевиковые теплообменники обычно применяют в аппаратах небольшой емкости. Калужский турбинный завод выпустил «винтовые» теплообменники (рис.3) для использования в качестве регенеративных по­догревателей низкого и высокого давлении и холодильников эжекторов к турбинам мощно­стью до 6 000 кВт. В этих аппаратах нагревае­мая вода поднимается по нескольким парал­лельно включенным концентрически установ­ленным змеевикам, а греющий пар направ­ляется сверху вниз по спиральному каналу, образованному поперечными по отношению к вертикальной оси аппарата перегородками, вставленными между витками змеевиков. Та­кая конструкция допускает большие скорости теплоносителей как в змеевиках, так и в межтрубном пространстве, что обеспечивает высо­кие коэффициенты теплопередачи.

Подогреваемая вода поступает через па­трубок 15, опускается то трубе 7 в нижние коллекторы 3 и движется по змеевикам вверх.

Из змеевиков вода поступает в верхние коллекторы 17 и по кольцевому сечению между трубами 7 и 8 выходит в патрубок 14. Греющий пар поступает через патрубок, вваренный в крышку 13, и по спи­ральным каналам движется сверху вниз. Змеевиковые теплообменики ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ При теплообмене между газами трубчатые аппараты характеризуются низким коэффициентом теплопередачи и малым коэффициентом удельной поверхности нагрева (40-80 м2/м3). Для таких теплоносителей с близкими по значению коэффициентами теплоот­дачи нашли применение пластинчатые теплообменники.

Эти аппараты состоят из ряда параллельных пластин, кана­лы между которыми сгруппированы так, что по одной части каналов дви­жется горячий теплоноситель, а по другой - холодный. Движение может быть противоточным и перекрестным.Пластинчатые теплообменники ком­пактны, их удельная поверхность на­грева велика (до 200-300 м2/м3), но прочность пластин невысока, поэтому они применимы только при малых дав­лениях.

В последние годы начато изготовление пластинчатых теплообменников из штампован­ных гофрированных пластин, изготовляемых из нержавеющей стали толщиной 1,0-1,5 мм. Со­храняя преимущества обычных пластинчатых аппаратов, штампованные пластинчатые теплообменники допускают рабочее давление до 15 ати. На рис.5 представлен пластинчатый воздухоподогреватель.

Каналы аппарата образованы штам­пованными стальными листами: сечение одного из каналов - волнообразное, другого - перекрестного - оваль­ное. Торцы листов сварены попарно. Пакеты стягивают болтами, которые воспринимают давление теплоносителей (рис.5,б). а и б – пластинчатый подогреватель конструкции НЗЛ Рисунок 5 – Пластинчатые штампованные теплообменники СПИРАЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Спиральные теплообменники пред­назначаются для подогрева или ох­лаждения жидкостей и газов.

Они мо­гут работать как при противотоке, так и при перекрестном токе теплоносите­лей. Теплообменник состоит из корпу­са, верхней и нижней крышек и опор­ной рамы (рис.6). Поверхность теплообмена образована металличе­скими листами, свернутыми по спира­ли. Образующиеся между спиралями каналы прямоугольного сечения начи­наются в центре в форме полуцилин­дров и кончаются на периферии спе­циальными коробками со штуцерами.Для придания листам жесткости и для фиксирования расстояния между спиралями по обеим торцовым сторо­нам к листам приварены бобышки.

Торцы корпуса уплотнены и скрепле­ны болтовым соединением с крышка­ми при помощи фланцев, приварен­ных к наружным виткам спирали. Спиральные теплообменники - го­ризонтального типа противоточные; их применяют при теплообмене между двумя жидкостями.Теплообменники вертикального типа применяют для теплообмена между паром и жид­костью; они могут работать при про­тивотоке и перекрестном токе. Для уменьшения потерь тепла в окружаю­щую среду рекомендуется пропускать холодный теплоноситель по наружно­му каналу.

Спиральные теплообменники полу­чили широкое распространение бла­годаря ряду преимуществ перед труб­чатыми: удельная поверхность на еди­ницу объема в 2 раза больше, чем в трубчатых; малый вес; возможность достижения больших скоростей; высо­кий коэффициент теплопередачи; не­большие гидравлические сопротивления; малая подверженность загрязнению.Недостатки: трудность производ­ства ремонтных работ; пригодность для работы при давлении до 6 – 10 ати. Спиральные теплообменники слож­ны в изготовлении, затруднительна герметизация каналов с разными те­плоносителями.

РЕБРИСТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Ребристые поверхности теплообме­на применяют с целью увеличения те­плопередачи через металлические стен­ки в тех случаях, когда условия тепло­передачи по обеим сторонам стенки зна­чительно различаются.При нагревании, например, воздуха паром условия те­плоотдачи по обеим сторонам стенки весьма различны: коэффициент тепло­отдачи от греющего пара к стенке со­ставляет 5 000-10 000 ккал/м2∙ч& #8729;град, в то время как от стенки к нагревае­мому воздуху или газу он составляет всего 5-50 ккал/м2∙ч∙град. Улучше­ние условий теплопередачи достигает­ся искусственным увеличением теплопередающей поверхности с помощью ребер, размещаемых с той стороны, где величина коэффициента теплоотдачи мала. Ребристые теплообменники изготовляют разнообразных конструкций (рис.4). Наибо­лее распространены воздухонагревателн с по­перечными круглыми и прямоугольными ребрами (рис.4,c). Иногда ребра выполняют навивкой металлической ленты, поставленной на ребро (рис.4,б). В качестве рекуперато­ров промышленных печей применяют чугунные игольчатые теплообменники с иглами иа внешней и внутренней стороне (рис.4,д,). При продольном обтекании труб целесообразно рас­полагать ребра вдоль образующих труб (так называемые плавниковые трубы) (рис.4,в). В последние годы для охлаждения возду­ха или газа в замкнутом вентиляционном кон­туре электрических генераторов нашли приме­нение теплообменники с проволочным «биспиралыным» оребрением (рис.4,г). Искусствен­но созданная шероховатость и одновременно сильно развитая поверхность трубы способст­вуют повышению теплопередачи в теплообмен­никах с проволочным оребрением.

Многоребри­стая труба теплообменника для чистых газов и жидкостей показана рис.4,е. Оребрение осуществляется приваркой к гладкой поверх­ности трубы диаметром 25/23 мм волнистой ленты, образующей ребра с просветом в 10 мм. Существенное значение для эффек­тивности работы ребристых аппаратов имеет материал труб и ребер, а так­же контакт между ними. Для повы­шения теплопроводности часто приме­няют латунь, алюминий или медь. Хо­роший контакт между трубами и реб­рами достигается лужением или оцин­кованием.

Труба с оребренными прямоугольными шайбами Многоребристая труба Плавниковое оребрение труб ПРОКАТНО-СВАРНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Разработка новых технологических процес­сов обработки металлов, в частности сварки, совмещенной с прокаткой, позволила создать прокатно-сварные теплообменники из алюми­ниевых сплавов для холодильных установок и других отраслей техники.

Прокатно-сварной теплообменник имеет систему каналов, образованную между двумя ли­стами из алюминиевого сплава, сваренными посредством холодной или горячей прокатки (рис.7). Таким методом можно получить изделия со сложной системой каналов.

При толщине стенок канала в 0,75-1 мм теплооб­менники выдерживают гидравлическое давле­ние до 16 ати. Прокатно-сварные теплообменники выгод­но отличаются от других поверхностных теплообменных аппаратов невысокой стоимостью, простотой и дешевизной изготовления.

Замена алюминием меди и нержавеющей стали делает эта теплообменники особо перспективными. ШНЕКОВЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Шнековый теплообменник представляет со­бой закрытый короб, в котором установлены два полых шнека (рис.8). Обрабатываемый материал поступает через приемный люк в верхней крышке короба и удаляется через нижний люк. При вращении шнеков материал в коробе передвигается и тщательно перемеши- вается, а соприкасаясь с поверхностью полых шнеков, в которых течет теплоноситель, нагре­вается или охлаждается.

Через головку на валу шнека теплоноси­тель поступает в полый вал, проходит по его длине и поступает в пустотелые витки шнека.

Отдав тепло материалу, теплоноситель через ту же головку удаляется из аппарата для повтор­ного нагревания.Шнековые теплообменники применяют в таких химических процессах, когда необходимо особенно бережно обращаться с материалам при его нагревании и охлаждении.

Они нашли применение для охлаждения солярового масла и цемента, непрерывного кальцинирования не­обожженного гипса и нагревания смоляных композиций в различных производствах. Шнековые теплообменники занимают мало места, высокоэффективны и могут быть при­способлены к различным производственным условиям путем объединения нескольких аппа­ратов в один агрегат.

Поверхность нагрева шнека при длине 3 м составляет 2,6 м2. Шнековый теплообменник БЛОЧНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Для процессов теплообмена, протекающих в химически агрессивных средах, в ряде случаев используют теплообменники из неметаллических материалов. Обычно такие материалы (стекло, керамика, тефлон и др.) обладают более низкой, чем у металлов, теплопроводностью.Исключение составляет графит, который для устранении пористости предварительно про­питывают феноло-формальдегидными смолами.

Пропитанный графит яв­ляется химически стойким материалом в весьма агрессивных средах (например, в горячей соляной, разбавленной серной, фосфорной кислоте и др.) и отличается высокими коэффициентами теплопроводности, равными 92-116 вт/(м∙град), или 70 - 90 ккал/(м∙ч∙град). Типичными теплообменными аппаратами из графита являются блочные теплообменники (рис.9), состоящие из отдельных графитовых блоков 1, имеющих сквозные вертикальные каналы 2 круглого сечения и перпендикулярные им каналы 3. Теплоноситель I движется по вертикаль­ным каналам, а теплоноситель II - по горизонтальным каналам 3, проходя последовательно все блоки, как показано на рис.9. Гори­зонтальные каналы различных блоков сообщаются друг с другом через боковые переточные камеры 4. Графитовые блоки уплотняются между собой прокладками из резины или тефлона и стягиваются торцовыми крыш­ками 5 на болтах.

Кроме прямоугольных блоков применяют также цилиндрические блоки, в которых горизонтальные каналы располагаются радиально.

Рабочее давление в блочных теплообменниках не превышает 2,9x105 н/м2 1-графитовые блоки; 2- вертикальные круглые каналы; 3- горизонтальные круглые каналы; 4- боковые переточные камеры; 5- торцовые крышки.Рисунок – Блочный теплообменник из графита СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1.П.А.Антикайн, М.С.Аронович, А.М.Бакластов “Рекуперативные теплообменные аппараты” М Л, Госэнергоиздат, 1982, 230с. 2А.Г.Касаткин “Основные процессы и аппараты химической технологии” М.: ООО ТИД “Альянс”, 2004 753 c. 3 Баранов Д.А Кутепов А.М. Процессы и аппараты М.: Академия, 2004. – 302 с. 4 Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтегазопереработки М.: Химия, 1980 408 с.