Реферат: теплообменники описание видов и конструкции

Общие сведения

Теплообменный (или теплоиспользующий) 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 теплоиспользующие 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 %.

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.

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.

Виды пластинчатых теплообменных аппаратов и их применение

По способу соединения теплообменных пластин теплообменник может быть:

разборной;
паяный;
полусварной;
сварной.

Конструкция и принцип работы разборных пластинчатых ТО были описаны выше. Рассмотрим более подробно особенности конструкции и область применения паяных, полусварных и сварных теплообменников.

Паяный пластинчатый теплообменник

Агрегат широко используется для:

нагрева и охлаждения рабочих сред;
испарения;
конденсации;
утилизации и рекуперации тепловой энергии.

Теплообменные пластины ППТО изготавливаются из нержавеющей стали. Сборка пакета осуществляется аналогично с разборными теплообменниками, после чего производится пайка медным или никелевым припоем, в зависимости от агрессивности рабочей среды: для более агрессивных сред используется никель.

К наиболее существенным преимуществам паяных ПТО можно отнести:

высокую надежность;
возможность работы в широком температурном диапазоне;
легкость и небольшие габариты;
надежность конструкции;
простоту монтажа и технического обслуживания;
доступную стоимость.

Особенно хорошо паяные ПТО зарекомендовали себя в холодильных и замкнутых отопительных системах.

Полусварные пластинчатые теплообменники

Главной конструктивной особенностью полусварных теплообменников является попарное сваривание штампованных пластин, в результате чего формируется отдельный герметичный модуль. Сборка ПСПТО осуществляется также, как и разборного теплообменника, различие состоит в том, что вместо отдельных пластин используются готовые сварные модули.

Между первичными и вторичными модулями устанавливаются прокладки из термостойкой резины. Отсутствие внутренних прокладок позволяет существенно увеличить рабочее давление в системе и температуру рабочей среды.

Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам ПСПТО получили широкое распространение следующих областях:

в системах вентиляции и кондиционирования;
в химическом и фармацевтическом производстве;
в пищевой промышленности;
в системах рекуперации;
в отопительных системах;
в системах централизованной подачи горячей воды.

Среди наиболее значимых преимуществ данной конструкции можно выделить:

широкий диапазон рабочих температур;
отсутствие герметизирующих прокладок;
инертность к агрессивным рабочим средам;
простоту монтажа и технического обслуживания.

В отличии от сборных ПТО, полусварные агрегаты практически полностью исключают возможность неправильной сборки.

Сварные пластинчатые теплообменники

Отсутствие уплотнений является главной особенностью конструкции сварных теплообменных аппаратов. Гофрированные пластины сварены в один блок, в котором рабочая среда протекает по внутренним каналам, а нагреваемая – по внешним.

Применяются СПТО при работе с агрессивными средами при повышенных температурах и высоком давлении рабочих сред.

Конструктивные особенности сварных теплообменников обеспечивают следующие преимущества:

компактность;
высокий коэффициент теплопередачи;
незначительные теплопотери;
простоту технического обслуживания.

Отсутствие уплотнений в сварных ПТО обеспечивает полную герметичность рабочих каналов, что позволяет работать в экстремальных условиях.

Классификация теплообменного оборудования предприятий

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями. Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим знакам .

По назначению теплообменные аппараты делятся на подогреватели, испарители, конденсаторы, холодильники и т. д.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются такие аппараты, в которых тепло от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. Примером таких аппаратов являются паровые котлы, подогреватели, конденсаторы и др.

Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости тепло воспринимается стенками аппарата и в них аккумулируется, при протекании холодной жидкости это аккумулированное тепло ею воспринимается. Примером таких аппаратов являются регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей и др.

В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи тепла неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. В этом случае теплопередача протекает одновременно с материальным обменом. Примером таких теплообменников являются башенные охладители (градирни), скрубберы и др.

Если участвующие в тепломассообмене горячий и холодный теплоносители перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направлении, тепломассообменный аппарат называют прямоточным, при встречном движении теплоносителей и сред — противоточным, а при перекрестном движении — перекрестноточным. Перечисленные схемы движения теплоносителей и сред в аппаратах называют простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из потоков по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей и сред.

Основная функция теплообменника для котла

В теплообменнике происходит нагревание воды, которая циркулирует в системе и передает тепло радиаторам

На горелку котла подают газ и воздух для сжигания. Газ горит, выделяя тепло, продукты сгорания выводятся вовне. Источник тепла в этом случае – элемент неподвижный.

Теплоноситель – вода или антифриз – поступает в теплообменник. Это устройство, которое обеспечивает теплообмен между двумя средами с разной температурой. Последний размещается в камере сгорания над горелкой. Вода, двигаясь по теплообменнику, нагревается и подается в трубы отопления. Чаще всего устройство имеет вид набора пластин или трубок. Чем больше его рабочая поверхность, тем лучше и быстрее нагревается вода.

Одноходовой пластинчатый теплообменник

Пластинчатый теплообменник, в котором направление движения каждого из теплоносителей постоянно и не меняется по всей длине теплообменника, называется одноходовыми. Например, в классическом пластинчатом теплообменнике-испарителе кипящий фреон всегда движется по межпластинчатым каналам вверх. В классическом пластинчатом теплообменнике-конденсаторе конденсирующийся фреон всегда движется вниз. Соответственно хладоноситель (вода, рассол, гликоль и т.д.) в данных двух случаях всегда движется в направлении, противоположном направлению движения фреона.

Таким образом, главной отличительной особенностью одноходового пластинчатого теплообменника является 100%-ный противоток теплоносителей. В случаях, когда разница температур двух теплоносителей достаточно мала целесообразно применить многоходовой пластинчатый теплообменник.

Виды кожухотрубных теплообменников

Кожухотрубный подогреватель является довольно сложным, с конструктивной точки зрения, аппаратом и имеет несколько разновидностей, на которые стоит обратить внимание. Из-за особенностей конструкции (наличия рекуператора), кожухотрубные устройства относят к рекуперативному типу

Кожухотрубные теплообменники относятся к рекуперативному типу подобных устройств

Кроме этого, в зависимости от направления движения рабочих сред, кожухотрубные подогреватели подразделяют на следующие виды:

прямоточные;
перекрёстноточные;
противоточные.

Своё название кожухотрубная модель получила из-за того, что трубы, по которым циркулирует теплоноситель, размещаются внутри кожуха. Существует зависимость скорости движения рабочей среды от количества трубок, расположенных в кожухе. В свою очередь, чем выше скорость, тем выше показатель теплоотдачи устройства.

Рассмотрим основные материалы, из которых изготавливают такие обогреватели:

легированная сталь;
нержавеющая сталь;
высокопрочная сталь.

Трубки таких устройств могут быть выполнены из следующих материалов:

сталь;
медь;
латунь;
титан.

Использование таких материалов связано с тем, что теплообменники, как правило, эксплуатируются в тяжёлых условиях и контактируют с агрессивными веществами, которые способны вызывать коррозию.

Теплообменники изготавливают из материалов, имеющих высокую сопротивляемость коррозии, например, титана или нержавеющей стали

Кожухотрубные модели подразделяются также на типы. На сегодняшний день существует 4 типа этих устройств:

подогреватель, оснащённый температурным корпусным компенсатором;
подогреватель со статичными (неподвижными) трубками;
устройство с U-образными и W-образными трубками;
устройство c плавающей головкой.

Кожухотрубные подогреватели могут располагаться в пространстве горизонтально, вертикально или под определённым углом.

Расчет теплообменных аппаратов

При расчете поверхностных теплообменных аппаратов основным уравнением для расчета является уравнение

(41)

где Q — количество теплоты, переданной через стенку от греющей среды к нагреваемой за единицу времени, Вт; k — коэффициент теплопередачи, равный обратной величине термического сопротивления и определяемый по формуле (42):

(42)

где F — поверхность теплообменника, м2; t — температурный напор, град.

Ранее предполагалось, что температура греющей и нагреваемой сред не изменяется вдоль поверхности нагрева. Однако, хотя такой случай и встречается на практике (в испарителях), но чаще всего температура теплоносителей по поверхности нагрева изменяется. На рис. 39,а показана схема теплообменника, где теплоносители движутся противоточно навстречу друг другу. На рис. 39,б изображен теплообменник, в котором теплоносители движутся по схеме прямотока (параллельного тока); в этом случае величина t изменяется по поверхности нагрева сильнее, чем в предыдущем случае. Бывают и теплообменники с перекрестным током и с движением теплоносителей по сложным схемам (рис. 39,в).

Рис. 39. Схема теплообменников: а — противоток; б — прямоток; в — перекрестный ток

Рис. 40. Изменение температуры жидкости в теплообменном аппарате: а — прямоток; б — противоток

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

Диаметр теплообменников может быть в пределах 159-3000 мм, длиной-от 0,1 до десятков метров. Максимальный уровень давления – 160 кг/см2. Существуют следующие типы установок:

Со встроенными трубчатыми решетками. Конструктивно предусмотрена жесткая сцепка всех составляющих частей. Эти аппараты используются преимущественно в нефте- и химической промышленности. На их долю приходится три четверти рыночного предложения. Для данного вида характерны приваренные к внутренней стороне корпуса решетки труб и прочно скрепленные с ними трубки. Такая фиксация не дает составляющим компонентам сдвигаться внутри корпуса.
С температурным компенсатором. Кожухотрубный теплообменник путем продольного сжатия или с помощью особых упругих вставок в расширителях возмещает удлинение от тепла. Устройство является полужестким.
С плавающей головкой. Таким термином называется подвижная решетка, перемещаемая по системе совместно с крышкой. Агрегат стоит дороже, но он усовершенствован и надежен.
С изогнутой формой (U-образной). В конструкции два конца приварены к одной решетке с поворотом на 180 градусов и радиусом от 4 диаметров трубы, благодаря чему кожухотрубные теплообменники имеют свободно удлиняющиеся трубы.
С комбинированным наполнением. Оборудованы компенсатором и встроенной плавающей головкой.

Исходя из направления передвижения, агрегаты делятся на виды:

Одноточные.
Противоточные.
Перекресточные.

Аппараты бывают одноходовые и многоходовые. В первом варианте наполнитель перемещается по короткой траектории, пример – водонагреватель ВВП, применяемый в отопительных системах. Он подходит для зон, где не принципиальна величина теплообмена (разница температур окружающей среды и теплоносителя минимальна). Второй вид оснащен поперечными или продольными перегородками, обеспечивающими перенаправление потоков носителя. Многоходовые устройства используются в местах, где важна высокая скорость теплообмена.

Принцип работы кожухотрубного теплообменника

Исходя из названия, теплообменник – это устройство, создаваемое с целью передать вырабатываемое тепло на нагреваемый предмет. Теплоносителем в данном случае выступает конструкция, описанная выше. Работа кожухотрубного теплообменника заключается в том, что холодная и горячая рабочие среды двигаются по разным кожухам, и теплообмен происходит в пространстве между ними.

Рабочей средой внутри труб является жидкость, в то время как горячий пар проходит в расстоянии между труб, образуя конденсат. Поскольку стенки труб нагреваются больше, чем доска, к которой они прикреплены, эту разность необходимо компенсировать, иначе бы устройство имело значительные потери тепла. Для этого применяются так называемые компенсаторы трех типов: линзы, сальники или сильфоны.

Также, при работе с жидкостью под высоким давлением используют однокамерные теплообменники. Они имеют изгиб U, W-образного типа, необходимое чтобы избежать высоких напряжений в стали, вызываемых тепловым удлинением. Их производство достаточно дорогое, трубы в случае ремонта сложно заменить. Поэтому такие теплообменники пользуются меньшим спросом на рынке.

Спиральные теплообменники

Спиральный теплообменник был изобретен в двадцатых годах ХХ века шведским инженером Розенбладом для применения в целлюлознобумажной промышленности. Эти теплообменники впервые позволили обеспечить надежную теплопередачу между средами, содержащими твердые включения. В 70-х годах конструкция спиральных теплообменников была радикально изменена и улучшена, и приобрела большие преимущества по сравнению с конструкцией Розенблада.

Два или четыре длинных металлических листа укладывают спиралью вокруг центральной трубы, образуя два или четыре однопроточных канала. Чтобы обеспечить постоянную величину зазоров, к одной стороне листов привариваются разделительные шипы. Центральная труба при помощи специальной перегородки разделена на две камеры, которые образуют входной и выходной коллектора. Скрученные спирали помещаются в цилиндрический кожух. Внешние концы спиральных листов привариваются вдоль образующей обечайки. Для выхода каналов наружу в местах фиксации краев каналов в кожухе просверливаются отверстия, которые герметично закрываются входным и выходным коллекторами с присоединительными патрубками.

Движение потоков в спиральных теплообменниках происходит по криволинейным каналам, близким по форме к концентрическим окружностям. Направление векторов скоростей движения потоков постоянно претерпевают изменение. Геометрия каналов и разделительные шипы создают значительную турбулентность уже при низких скоростях потоков, при этом улучшается теплопередача и уменьшается загрязнение.

Это обеспечивает компактность конструкции спиральных теплообменников, которые могут быть интегрированы с любой технологической линией, что значительно сокращает затраты на установку.

Рис. 22. Спиральные теплообменники

Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами и крышками с патрубками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Перегородки предназначены для увеличения скорости и, следовательно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газами. Типовые конструкции кожухотрубчатых теплообменников применяются в случаях, когда требуется большая поверхность теплообмена.

Рис. 4. Типы кожухотрубчатых теплообменников

а — одноходовой; б — многоходовой; в — пленочный; г — с линзовым компенсатором; д — с плавающей головкой закрытого типа; е — с плавающей головкой открытого типа; ж — с сальниковым компенсатором; з — с U-образными трубками; 1 — кожух; 2 — выходная камера; 3 — трубная решетка; 4 — трубы; — входная камера; 6 — продольная перегородка; 7 — камера; 8 — перегородки в камере; 9 — линзовый компенсатор; 10 — плавающая головка; 11 — сальник; 12 — U-образные трубки; I, II — теплоносители

При нагреве жидкости паром в большинстве случаев пар вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2—3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, скорости теплоносителя в межтрубном пространстве более низкие и коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. На рис. 4 показаны различные типы кожухотрубчатых теплообменников.

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор современной паровой турбины мощностью 300 МВт имеет более 20 тыс. труб с общей площадью поверхности теплообмена около 15 тыс. м2.

Корпус (кожух) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются, главным образом, способом соединения с трубной решеткой и крышками. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не меньше 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха привариваются фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха привариваются патрубки и опоры аппарата.

Трубки кожухотрубчатых аппаратов изготовляют прямыми или изогнутыми (U-образными) диаметром от 12 до мм.

Материал трубок выбирается в зависимости от среды, омывающей ее поверхность. Применяются трубки из стали, латуни и специальных сплавов.

Трубные решетки служат для закрепления в них труб при помощи развальцовки, сварки, запайки или сальниковых соединений. Трубные решетки зажимаются болтами между фланцами кожуха и крышки или привариваются к кожуху, либо соединяются болтами только с фланцами свободной камеры.

Крышки кожухотрубчатых аппаратов имеют форму плоских плит, конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллипсов.

Среды теплового обмена

Самая простая классификация теплообменников основана на средах, которые они способны использовать в работе. Если рассматривать системы коммунальных услуг и повышения комфортабельности частного дома, то наиболее актуальными устройствами можно смело назвать парожидкостные системы, в которых роль носителя выполняет вода, которая, закипая, передает свою энергию в пар. На этом принципе работают системы парового отопления, горячего водоснабжения, водяных «теплых полов» и парогенераторов для бань.

Но, пароводяная система генерирует внутри себя повышение давления, ввиду чего не может быть использована в жестких условиях работы, требующих разогрева свыше 150-160 градусов по Цельсию.

Наиболее актуальными системами в производстве являются теплообменники, способные выдерживать высокие нагрузки и взаимодействие с агрессивными средами. Используются все три возможных типа:

Газожидкостные – в холодильниках и камерах, системах кондиционирования, где роль газа чаще всего выполняет фреон.
Парожидкостные теплообменники нашли широкое применение в пищевом производстве. На этом принципе работают пастеризаторы и консерваторы, где роль жидкости нередко выполняет растительное масло.
Жидкостно-жидкостные аппараты теплообмена используются преимущественно в химической промышленности при использовании кислот и прочих агрессивных компонентов.

Большое значение в конструкции теплообменника имеет и материал, из которого он изготовлен. В условиях жесткой эксплуатации, критических температур и высокого давления наиболее целесообразно использование конструкций из латуни и титана. В пищевом производстве актуальной окажется нержавеющая сталь, которая легко подвергается промыванию дезинфицирующими средствами. Критически важным требованием СанПина является и возможность разбора конструкции для тщательной ее промывки и получения смывов для последующего лабораторного анализа.

Вид и конструкцию теплообменника следует выбирать, исходя из нагрузки, которую вы намерены на него возложить, условий эксплуатации и технических требований

Не стоит забывать и о таком важном параметре, как возможность ремонта и эксплуатационного обслуживания. В обустройства частного дома самыми востребованными являются разборные пластинчатые конструкции из нержавейки, обеспечивающие надежную работу при относительно малых затратах на покупку и ремонт

Преимущества и недостатки кожухотрубных теплообменников

С конструктивной точки зрения, теплообменники такого типа похожи на первые модели, которые выпускались в начале ХХ века. Модернизация этих устройств затронула лишь отдельные элементы, однако, основа так и осталась неизменной. Современные материалы, которые используются для кожухотрубных нагревателей, позволяют улучшить их эксплуатационные свойства.

При производстве теплообменников используются современные материалы, в значительной мере улучшающие качества готовых устройств

Кожухотрубные теплообменники отличаются рядом положительных качеств, что позволяет им по сей день оставаться незаменимыми элементами различных производств:

резистентность к гидроударам в системе;
возможность работы с загрязнёнными средами;
низкие показатели теплоотдачи;
хорошая эффективность;
износостойкость;
ремонтопригодность;
устойчивость к высокому давлению;
резистентность к агрессивным химическим веществам;
безопасность эксплуатации;
надёжность и долговечность.

Подогреватели такого типа имеют и свои недостатки, среди которых:

довольно большие габариты;
высокая стоимость.

Устройство кожухотрубного теплообменника

Кожухотрубный теплообменник состоит из:

распределительной камеры,с патрубками входа и выхода среды;
кожух(корпус) теплообменника с патрубками входа и выхода среды;
теплообменные трубки;
трубные решетки;
задняя(разворотная) камера

Конструкция кожухотрубчатого теплообменника

Теплообменник дополнительно оснащается опорами, позволяющими расположить его горизонтально, и монтажными креплениями.

Принцип действия

Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника простой. Агрегат разделяет носители, внутри устройства не происходит смешивание продуктов. Тепло передается по трубкам, которые находятся между теплоносителями. Один из них помещен внутри труб, другой подается в межтрубный участок под давлением. Энергоносители могут различаться по своему агрегатному состоянию – газообразному, парообразному или жидкостному.

Виды кожухотрубчатых теплообменников

В зависимости от способа крепления труб к доске или решетке, выделяют:

Приваренные трубы;
Закрепленные в развальцованных нишах;
Соединенные болтами с фланцем;
Запаянные;
Имеющие сальники в конструкции крепежа.

По типу конструкции кожухотрубные теплообменники бывают (см. рисунок-схему выше):

Жесткие (буквы на рис. а, к), нежесткие (г, д, е, з, и) и наполовину жесткие (буквы на рис. б, в и ж);
По количеству ходов – одно- или многоходовые;
По направлению тока технической жидкости – прямого, поперечного или против направленного тока;
По расположению доски горизонтальные, вертикальные и расположенные в наклонной плоскости.