ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Процессы теплообмена происходят всюду, где приходится нагревать или охлаждать ту или иную среду с целью ее обработ­ки или для утилизации тепла. Для передачи тепла от среды с высокой температурой к среде с низкой используют теплооб­менные аппараты разнообразных конструкций.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты (их часто называют теплообменниками) можно разделить па две ос­новные группы: поверхностные теплообменники и теплообменни­ки смешения.

В поверхностных теплообменных аппаратах передача тепла от одной среды к другой происходит обычно через металличес­кую стенку, которую условно принято называть поверхностью теплообмена.

В теплообменниках смешения передача тепла происходит в процессе непосредственного соединения и перемешивания сред, что, очевидно, допустимо лишь при определенных условиях, зна­чительно ограничивающих применение аппаратов такого типа.

В химической промышленности теплообменное оборудование составляет в среднем по весу и стоимости 15—18% от всего обо­рудования.

В нефтеперерабатывающих и нефтехимических производствах теплообменники являются также одним из основных видов обо­рудования, и их доля по весу в этих производствах достигает до 50% от всей применяемой аппаратуры.

В химической, пищевой, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности применяют теплообменные аппараты для рабочих сред с различным агрегатным состоянием и струк­турой (газ, пар, капельная однофазная жидкость, суспензия, эмульсия и т. д.), причем для удовлетворения запросов произ­водства производительность аппаратов или расход среды долж­ны изменяться в широких пределах.

Учитывая большой диапазон температур и давлений рабо­чих сред, а также разнообразие их свойств при различных пара­метрах тепловой обработки, определим следующие основные требования, которым должны удовлетворять современные теп­лообменные аппараты.

1. Аппарат должен обеспечивать передачу требуемого коли­чества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур и при возможно большей интенсивности теплообмена.

2. При заданных термодинамических параметрах рабочих сред (давлениях, температурах, объемах) и при различном аг­регатном состоянии аппарат должен быть работоспособным и достаточно надежным в работе.

3. Аппарат должен работать стабильно при изменении в процессе теплообмена физических (а возможно и химических) свойств рабочей среды: ее вязкости, плотности, теплопроводно­сти, фазового состояния и т. д.

4. Поверхность теплообмена и другие элементы конструкции аппарата, омываемые рабочей средой, должны обладать доста­точной химической стойкостью к агрессивному воздействию ее.

5. Для сохранения продолжительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке загрязненной среды или среды, выделяющей отложения на стенках, в конструкции аппа­рата должна быть предусмотрена возможность осмотра поверх­ностей теплообмена и доступность их для периодической очистки.

6. Аппарат должен обладать достаточным запасом прочно­сти, гарантирующим его безопасное состояние при напряжени­ях, возникающих как в результате давления рабочей среды, так и вследствие темпертурных деформаций различных частей теп­лообменника.

7. При данной тепловой нагрузке и других рабочих парамет­рах аппарат должен иметь возможно меньшие габариты и воз­можно меньшую удельную металлоемкость.

Требования к теплообменному аппарату не только разнооб­разны, но отчасти и противоречивы. Например, теплообменник всегда желательно эксплуатировать с возможно большим коэф­фициентом теплопередачи. Это влечет за собой повышение ско­рости движения рабочей среды или введение турбулизаторов в поток среды, омывающей рабочую поверхность; при этом час­то недопустимо увеличение гидравлических потерь в теплооб­менниках. Кроме того, желательна возможность разборки рабо­чей части аппарата для осмотра и очистки поверхности теплооб­мена от загрязнений, но при этом остается требование надежной герметичности системы каналов, не допускающей даже незначи­тельную утечку рабочей среды из аппарата или проникновение одной среды в другую. Можно привести примеры и других про­тиворечивых требований к теплообменнику.

При создании новых, более эффективных теплообменных ап­паратов необходимо стремиться уменьшать удельные затраты материалов (в том числе дефицитных металлов), труда, средств и затрачиваемой при работе энергии по сравнению с теми же показателями теплообменников существующих образцов.

Под удельными затратами для теплообменных аппаратов понимают за­траты. отнесенные к тепловой производительности аппарата в заданных усло­виях

Необходимо также при создании новых конструкций стре­миться к повышению интенсивности работы аппарата.

Под интенсивностью процесса в теилообменном аппарате следует пони­мать количество тепла, передаваемое в единицу времени через единицу по­верхности теплообмена при заданном тепловом режиме. Этот же параметр можно определить как удельную тепловую производительность аппарата.

Процесс теплообмена является сложным физическим процес­сом, зависящим от многих факторов. При заданных значениях поверхности теплообмена аппарата и температурном напоре интенсивность процесса характеризуется коэффициентом тепло­передачи, который для плоской стенки определяется формулой

а і кі а2

где си — коэффициент теплоотдачи от горячей среды к стенке;

1

— — термическое сопротивление теплоотдаче от горячей среды «1

к стенке; б — толщина стенки (или слоя осадка); л — коэффи — цнент теплопроводности стенки (или слоя осадка); 2—————————————————————————

ki

суммарное термическое сопротивление стенки с учетом отложе­ний на ней; с&2 — коэффициент теплоотдачи от стенки к холодной I

среде; термическое сопротивление теплоотдаче от стенки

ос 2

к холодной среде.

Анализ уравнения показывает, что коэффициент теплопере­дачи зависит в основном от значения наибольшего из термичес­ких сопротивлений. Поэтому для интенсификации процесса не­обходимо прежде всего уменьшить термическое сопротивление с той стороны, с которой оно является наибольшим.

Коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэф­фициентов теплоотдачи и снижается с увеличением толщины стенки, уменьшением коэффициента ее теплопроводности, а так­же с увеличением толщины слоев отложений на ней.

Если своевременно не очищать поверхность теплообмена от загрязнений, то тепловая производительность аппарата быстро уменьшится и технологический режим нарушится. Восстановить режим можно путем увеличения расхода рабочей среды и тем­пературного напора, однако это всегда экономически невыгод­но, а часто практически невозможно.

Наименьшие затраты труда и средств на очистку поверхнос­тен теплообмена от загрязнений и наилучшие условия поддер­жания стабильной эффективности обеспечены в разборных кон­струкциях теплообменных аппаратов.

На интенсивность и эффективность процесса теплообмена влияют также форма поверхности теплообмена, эквивалентный диаметр каналов, шероховатость поверхности, компоновка ка­налов, обеспечивающая оптимальные скорости движения рабо­чих сред, средний температурный напор, наличие турбулизую — щих элементов в каналах, оребрение и другие конструктивные особенности.

Кроме конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена, существуют режимные методы, связанные с изме­нением гидродинамических параметров и режима течения жид­кости у поверхности теплообмена. Режимные методы включают подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульса­ций потока, вдувание газов в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложение электрических или магнит­ных полей на поток, предотвращение отложений загрязнении на поверхности теплообмена путем турбулизирующего воздействия на поток и т. д.

Для получения оптимальных условий процесса теплообмена конструктивные и режимные методы целесообразно использо­вать совместно, комплексно.

Уменьшение удельных затрат материалов, труда, средств и энергии возможно путем унификации узлов и деталей при изго­товлении теплообменных аппаратов широкого размерного ряда, повышения технологичности конструкции, позволяющей орга­низовать серийное механизированное производство теплообмен­ников с использованием наиболее эффективных технологических методов:

штамповки поверхностей теплообмена, сварки и т. д.

В стоимости теплообменных аппаратов основную долю со­ставляет стоимость материалов, из которых изготовлен аппарат. Особенно значительно возрастает стоимость аппаратов при из­готовлении поверхности теплообмена из титана, алюминия, не­ржавеющих сталей, цветных металлов и сплавов, неметалличе­ских материалов и других дорогостоящих материалов.

Повышение экономичности конструкции теплообменника воз­можно поэтому путем создания более компактных конструкций, снижения удельных весовых показателей и рационального ис­пользования различных марок материалов.

Кроме того, компактность конструкции приводит к экономии производственных площадей, занимаемых теплообменной аппа­ратурой, и повышает экономические показатели производства в целом.

В конечном итоге технико-экономическая эффективность той или иной конструкции теплообменного аппарата определяется стоимостью технологического процесса, осуществляемого в этих аппаратах при высоком качестве получаемого продукта.

При широком распространении теплообменных аппаратов в промышленности даже небольшое усовершенствование их кон­струкции дает ощутимый экономический эффект.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.

recuperatio.ru