Теплообменный аппарат. Виды, устройство, классификация теплообменников

На сегодняшний день в той или иной сфере человеческой деятельности используются такое оборудование, как теплообменники. В настоящее время можно выделить немалое количество разновидностей таких устройств, основная задача которых заключается в передаче тепла от теплоносителя к холодной среде.

Такая модель, как теплообменник кожухотрубный , как правило, используется в газовой, нефтяной, химической промышленности. Кроме того, нередко их можно обнаружить и в большой теплоэнергетике, поскольку там эксплуатируются теплоносители с высокими параметрами. Необходимо также сказать о том, что такие модели теплообменных аппаратов достаточно часто применяются на пищевом, молочном и пивном производстве. Разносторонняя сфера использования данных агрегатов говорит о наличии такого замечательного достоинства, как высокий уровень мощности. К примеру, немалая часть аналогичных устройств используется только в бытовом применении и способно обеспечивать теплом только одну часть здания.

Следующее, на что необходимо обратить внимание, - это такая характеристика, как стойкость к гидравлическим ударам. Те или иные аппараты очень часто размещаются в сложной и тяжёлой эксплуатационной среде. При непредвиденных обстоятельствах некоторые приборы просто выходят из строя, в то время как кожухотрубные теплообменники способны исправно работать даже при гидроударах.

Немаловажным достоинством кожухотрубных теплообменных аппаратов является и способность прекрасно функционировать даже в загрязнённой рабочей среде. Многие модели теплообменников могут работать только с чистой средой. Описываемые устройства не предъявляют жёстких требований к чистоте среды, и это оказывается очень важным.

Несколько слов необходимо сказать о стоимости. К примеру, на пластинчатый теплообменник цена установлена очень высокая. Многих от покупки данного прибора останавливает именно этот фактор. Кожухотрубные устройства стоят намного дешевле. При этом их КПД будет ничуть не хуже тех аппаратов, в чьих конструкциях установлены пластины.

Однако и минусов у кожухотрубных теплообменников обнаруживается немало. Прежде всего, нужно сказать о том, что они достаточно сложно поддаются чистке. Во-первых, этот процесс отнимет много физических сил. Во-вторых, на чистку уйдёт много времени. При этом не исключается вероятность, что после этой процедуры трубки перестанут должным образом функционировать.

Ещё один существенный недостаток заключается в том, что такой агрегат занимает немало места, в отличие, например, от пластинчатых приборов.

Однако, несмотря на имеющиеся недостатки, кожухотрубные теплообменники всё равно очень активно используются в настоящее время.

Как известно, существует множество типов теплообменников (ТО). Они разделяются на поверхностные (рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой) и смесительные. ТО поверхностного типа в свою очередь делятся на кожухотрубные, типа «труба в трубе», витые, погружные, оросительные, спиральные, пластинчатые и кожухопластинчатые.

Кожухотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрический кожух (корпус) таким образом, что внутренность корпуса является межтрубным пространством. Теплообменные трубки завальцованы в концевых трубных досках, приваренных к корпусу теплообменника. В некоторых кромки трубок дополнительно обвариваются для гарантии герметичности соединения. Промежуточные трубные решетки предназначены как для поддержки трубок, так и для организации поперечного тока среды. К трубным доскам крепятся камеры с патрубками для отвода среды, текущей внутри трубок. В зависимости от наличия и количества в камерах перегородок, теплообменники могут быть одноходовыми, двух- или многоходовыми относительно движения среды, текущей в трубках. Также корпус снабжен патрубками для подвода пара и отвода конденсата. Трубки изготавливают из углеродистой или нержавеющей стали, меди, латуни или титана. Корпус обычно выполняется из углеродистой или нержавеющей стали. Когда теплообменник нагревается, происходит его удлинение. Существует несколько способов компенсации температурных расширений, например, применение «плавающей головки» или межсекционных компенсаторов. Кожухотрубные теплообменники обычно используются при давлении насыщенного пара выше 15 бари или при температуре выше 190°С, а также при перегретом паре.

Преимущества и недостатки
Кожухотрубные теплообменники характеризуются стойкостью к гидроударам, пониженными требованиями к чистоте сред, относительно низким коэффициентом теплопередачи и, как следствие, большими габаритами и площадями, требуемыми для обслуживания, а также высокой ценой из-за большой металлоемкости. Кроме того, ремонт таких теплообменников обычно связан с заглушкой поврежденных трубок, что ведет к уменьшению площади теплообмена. Поэтому обычно теплообменники выбираются с большим запа¬сом по поверхности, что также обуславливает их большие габа¬риты.
Попытка регулирования по конденсату на горизонтальных кожухотрубных теплообменниках вызывает сложности. Это про¬исходит по причине того, что при незначительном изменении уровня конденсата, площадь теплообмена меняется нелинейно и намного существеннее.
Тем не менее, современные кожухотрубные теплообменники по показателям эффективности, коэффициента теплопередачи и габаритам приближаются к пластинчатым и кожухопластинчатым теплообменникам.
Это достигается за счет применения так называемых турбу лизаторов потока - перегородок в трубках и межтрубном пространстве, а также рифленых трубок, в которых поток среды сильно турбулизирован, что ведет к повышению коэффициента теплопередачи, и, как следствие, к уменьшению габаритов. В последнее время для уменьшения использования производственной площади применяются вертикальные кожухотрубные теплообменники. Они позволяют организовать регулирование по конденсату, если это необходимо.

Применение
Кожухотрубные теплообменники чаще всего применяются в химической, нефтяной, газовой промышленности, а также большой теплоэнергетике, где используются теплоносители высоких параметров. Кроме этого их можно встретить на пивном, молочном и других пищевых производствах.

Опыт компании Spirax Sarco (http://www.spiraxsarco.com/ru) показывает, что грамотная обвязка теплообменного оборудования позволяет снизить паропотребление в ряде случаев на 40 % с одновременным обеспечением более высокой точности поддержания температурных режимов. Технико-экономические расчеты показывают, что в девяти из десяти случаев инвестиции по оптимизации тепловых пунктов полностью окупаются за один год.

Классификация. Теплообменными аппаратами(теплообменниками) называются устройства, предназна­ченные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями.

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

В котельном агрегате теплота, выделяющаяся при горении топлива, передается воде и пару, т. е. котельный агрегат представляет собой совокупность теплообменных аппаратов. В атомной силовой установке выделяемая ядерным реактором теплота воспринимается первичным теплоносителем, который сам становится радио­активным. В двигателе используется вторичный теплоноситель, ко­торый получает тепло от первичного в теплообменном аппарате. Процесс регенерации в газотурбинной установке осуществляется путем передачи теплоты в теплообменнике от отработанных про­дуктов сгорания сжатому воздуху.

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 сме­шивающие.

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. 4.1 показан пример рекуперативного тепло­обменника, в котором один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителям, называется рабочей поверхностью теплообменника.

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. 4.2 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. 4.2, б), заключенных в закрытый кожух 3. К кожуху присоединя­ются воздушный и газовый короба. Во время работы теплообмен-

ника ротор его вращается, поэтому нагретые элементы набив­ки непрерывно переходят из полости горячего газа в полость холодного воздуха, а охладившиеся элементы - наоборот.

Одним из оригинальных уст­ройств, использующих в каче­стве промежуточного теплоноси­теля пар и его конденсат, явля­ется герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром (рис. 4.3). Такое устройство, называемое тепловой трубой , способно пере­давать большие тепловые мощности. 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 широкой интервале температур.

Смешивающими 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. 4.4 показана схема смешивающего теплообменника (деаэратора) для подо­грева воды паром при термическом удалении растворенных га­зов (воздуха).

Основные теплоносители. 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.

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.

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.

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 постоянные 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.

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

Вследствие малой удельной теплоемкости газов их необходи­мо подавать в аппараты в большом количестве с высокой темпе­ратурой. Последнее обстоятельство вынуждает применять огнеупор­ные материалы для трубопроводов.

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, органичческие соединения, расплавленные металлы и соли. Характерис­тика некоторых высокотемпературных теплоносителей приведена втабл. 4.1.

Низкотемпературные теплоносители представля­ют собой вещества, кипящие при температурах ниже 0 "С. Типич­ными представителями их являются: аммиак NH 3 , диоксид углерода СО 2 , сернистый ангидрид SО 2 и большой ряд галоидных про­изводных насыщенных углеводородов, применяющихся в каче­стве хладоагентов в холодильной технике.

Ниже приведен список основных преимуществ разборных ПТО.

1. Компактность и высокая эффективность

КПД пластинчатого теплообменника для отопления и горячего водоснабжения 80-85%. При относительно небольших размерах, суммарная площадь поверхности всех пластин может достигать нескольких квадратных километров. 99,0-99,8% от общей площади — теплопередающая поверхность. Присоединительные порты находятся на одной стороне, это упрощает монтаж и подключение. Двухступенчатый теплообменник позволяет уменьшить площадь под ИТП (индивидуальный тепловой пункт). При проведении ремонтных работ требуется меньшая площадь, чем при использовании кожухотрубного теплообменного аппарата.

2. Низкие потери давления в ПТО

Конструкция пластинчатого теплообменника позволяет плавно менять общую ширину канала. Снижение максимальной величины допустимых гидравлических потерь достигается за счет увеличения количества каналов. Уменьшение гидравлического сопротивления снижает расход электроэнергии на насосах.

3. Экономичность, низкие трудозатраты и короткие сроки ремонта

Стоимость монтажа часто не превышает 2-4 % от стоимости оборудования. Разбор и промывку пластинчатого теплообменника специалист может провести за несколько часов. При небольших загрязнениях можно использовать безразборную промывку. Срок службы уплотнений ПТО, при правильной эксплуатации, достигает десяти лет, пластин — 15-20 лет. Стоимость замены всех уплотнений не превышает 15-20% от стоимости аппарата, при этом не обязательно менять сразу весь пакет.

4. Низкая загрязняемость

В теплообменных пластинах используются профили каналов, позволяющие добиться высокой турбулентности потока и как следствие — самоочищаемости. Это позволяет увеличить интервалы между сервисным обслуживанием.

5. Гибкость

Конструкция ПТО позволяет менять поверхность теплообмена для увеличения мощности. При росте потребностей, можно добавлять пластины без замены всего аппарата.

6. Индивидуальность

Программа завода изготовителя, позволяет специалисту произвести расчет и подобрать конфигурацию оборудования в соответствии с необходимыми температурными графиками и потерями давления по обоим контурам. Расчет по времени занимает 1-2 часа. Даже теплоноситель с заниженной температурой в системах теплоснабжения позволяет нагревать воду в ПТО до нужной температуры.

7. Устойчивость к вибрациям

Пластинчатые теплообменники высокоустойчивы к наведенной двухплоскостной вибрации, вызывающей повреждения трубчатого теплообменного аппарата.

Применение разборных теплообменных аппаратов позволяет достичь снижения затрат на 20-30% и более эффективно использовать источники энергии, повышая их КПД. Окупаемость ПТО в теплоэнергетике колеблется от 2 до 5 лет, а в некоторых случаях достигается за нескольких месяцев.

Расчет пластинчатого теплообменника

Чтобы узнать цену и купить пластинчатый теплообменник , нужно заполнить Опросный лист и отправить его по электронной почте info@сайт

Конструкция теплообменника обеспечивает передачу тепла между двумя средами. Для теплообменного процесса используются сварные, паяные и разборные типы пластинчатых теплообменников. Профилированные металлические пластины, собранные в пакеты, необходимой теплообменной площади посредством сборки(стяжки) через резиновые уплотнения или сваркой (пайкой), образуют каналы, по которым не смешиваясь двигаются греющая и нагреваемая среды, обмениваясь при этом теплом через стенку пластины.
Пластины выполнены как правило из нержавеющей стали. Этот материал хорошо противостоит коррозии и воздействию высоких температур, а также известен своей долговечностью и прочностью.

Достоинства и недостатки пластинчатого теплообменника

Достоинства относительная компактность, поэтому его установка не требует больших площадей. Гибкость применения заключается в возможности использования с различными типами сред. Легкость обслуживания и очистки – обусловлена тем, что пластины, из которого состоит теплообменный аппарат, являются съемными, при необходимости их можно легко очистить, удалить или заменить. Правда, на паянных и сварных аппаратах разборка не возможна, вследствие чего они очищаются исключительно промывкой.

Недостатки пластинчатых теплообменных аппаратов:

Во-первых , периодически нужны для замены дорогостоящие прокладки для пластин, вероятнее всего они будут импортного производства, как, впрочем, и сами пластины. Пластинчатые теплообменники и особенно, паянной и сварной конструкции, требуют растворы для промывки. И опять же, они тоже вероятно будут импортного производства. А значит должны учитываться серьёзные эксплуатационные расходы на поддержание оборудования, в исправном состоянии.

Во-вторых , существует значительная вероятность протечек. Она усугубляется тем, что при сборке пластин после ремонта или очистки необходимо соблюдать крутящие моменты затяжек болтов на стяжных шпильках посредством динамометрического ключа. Как правило, это не выполняется в производственных условиях, что влечет за собой повреждение уплотнительных прокладок во время сборки.

В-третьих , пластинчатые теплообменники не предназначены для эксплуатации в условиях высокой температуры и давления (выше 200 о С и 20 бар). Например, это очень частая производственная проблема при работе на паре. Поскольку очень часто не применяются необходимые редукционные клапаны для снижения давления подаваемого пара на теплообменник. Уплотнительные прокладки пластин прогорают от длительного воздействия избыточно высокой температуры.