Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Термодинамика и тепломассообмен

Теплообменный аппарат

Теплообменные аппараты

Теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры. По принципу действия теплообменники подразделяются на рекуператоры, где движущиеся теплоносители разделены стенкой, и регенераторы, в которых горячий и холодный теплоносители контактируют с одной и той же поверхностью поочерёдно.

1. Общие сведения

Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. 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.

Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на:

  • поверхностные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного материала, а в смесительных аппаратах тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.
  • смесительные. 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.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делятся на:

  • рекуперативные. В рекуперативных аппаратах теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление.
  • регенеративные. В регенеративных теплообменниках теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется.

Рассмотрим рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия, наиболее распространенные в промышленности. Основными видами рекуперативных поверхностных теплообменников являются:

  • Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе”;
  • Кожухотрубчатые теплообменники;
  • Пластинчатые теплообменники.

Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе”;

Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе”. Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена. Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания. Недостатки двухтрубного теплообменника — громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Кожухотрубчатые теплообменники;

Кожухотрубчатые теплообменники. Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой. Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как и трубном, так и межтрубном пространствах.

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как и трубном, так и межтрубном пространствах.

Гидродинамика в кожухе аппаратов, работающих со средами не меняющими своё агрегатное состояние.
Гидродинамика в кожухе аппаратов, работающих со средами не меняющими своё агрегатное состояние.
Гидродинамика в кожухе аппаратов, работающих со средами меняющими своё агрегатное состояние.
Гидродинамика в кожухе аппаратов, работающих со средами меняющими своё агрегатное состояние.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от неличины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткий, полужесткой и нежесткой конструкции.

Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U об-разных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа.

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных па корпусе.

А вот так их создают:

Такие аппараты предназначены для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред во многих технологических процессах.

Пластинчатые теплообменники.

Пластинчатые теплообменники представляют собой разборные теплообменные аппараты. Поверхность теплообмена состоит из тонких металлических штампованных пластин, изготовленных из коррозийностойких сталей 1.4401/AISI316; 1.4301/AISI304. Гофрированная поверхность пластин усиливает турбулизацию потоков рабочих сред, за счет чего повышается коэффициент теплопередачи и уменьшается количество отложений и загрязнении на рабочих поверхностях.

Для уплотнения межпластинных каналов исползуются прокладки из термостойкой резины. Уплотнительные прокладки крепятся на пластине таким образом, что после сборки и сжатия пластины в аппарате образуют две системы герметичных межпластинных каналов, по которым протекают жидкости, участвующие в теплообмене.

В процессе теплообмена жидкости движутся навстречу друг другу (в противотоке), и горячая жидкость передает тепло через стенку пластины. Теплопередача зависит от профиля пластины. Различные профили пластин определяют коэффициент передачи тепла. Все пластины в пакете одинаковы, только развернуты одна относительно другой на 180 градусов, такая установка пластин обеспечивает чередование горячих и холодных каналов.

Такой принцип построения теплообменника позволяет быстро модифицировать его, как в сторону увеличения количества пластин, тем самым увеличивая мощность теплообменника, так и легко отремонтировать в случае выхода из строя резинового уплотнения или теплообменной пластины.

Пластинчатые теплообменники выпускают в самой разной конфигурации