Загальні відомості. Процеси теплообміну займають важливе місце в сучасній техніці

Процеси теплообміну займають важливе місце в сучасній техніці. Вони використовуються всюди, де є необхідність нагріву або охолодження середо­вища для його подальшої обробки та з метою утилізації тепла. Особливо ши­роко процеси теплообміну використовуються в хімічній, нафтопереробній, енергетичній, металургійній промисловості.

Теплообмінними апаратами (теплообмінниками) прийнято називати установки, які призначені для передачі тепла від одного тіла до іншого. В теп­лообмінних апаратах можуть здійснюватися різноманітні теплові процеси: змі­на температури, випаровування, кипіння, конденсація, плавлення, затвердіння і більш складні, комбіновані процеси. Кількість тіл, які приймають участь в цих процесах може бути більше двох, а саме: тепло може передаватися від одного тіла декільком іншим тілам або навпаки, від декількох тіл до одного. Ці тіла, які віддають або сприймають тепло називаються теплоносіями.

В залежності від призначення процесів в якості теплоносіїв можуть використовуватися самі різноманітні газоподібні, рідинні і тверді тіла.

Використання водяної пари, як гріючого теплоносія в теплообмінних апаратах найбільш поширене завдяки ряду переваг. Її можливо транспортувати по трубопроводам на значні відстані (до декількох сотень метрів). Інтенсивна тепловіддача від водяної пари, яка конденсується сприяє зменшенню поверхні теплообміну. Конденсація водяної пари супроводжується значним зменшенням її ентальпії; завдяки цьому для передачі порівняно великої кількості тепла необхідна невелика вагова кількість водяної пари. Постійність температури конденсації при заданому тиску полегшує підтримку постійного режиму і регулювання процесу в апаратах.

Основним недоліком водяної пари є неминуче підвищення тиску з рос­том температури. Наприклад, при тиску 0,981 Па температура насиченої пари складає 99,1°С, а температура насиченої пари 309,5 °С може бути отри­мана тільки при тиску 98,1 Па. Тому паровий обігрів використовується тіль­ки для процесів нагрівання до помірних температур (порядку 60-150 °С). Як правило тиск гріючої пари в теплообмінниках лежить в межах від до Па. Для високих температур ці теплообмінники дуже громіздкі (мають товсті стінки і фланці), дуже дорогі і тому використовуються дуже рідко.

Гаряча вода, як гріючий теплоносій, отримала широке використання, особливо в опалювальних і вентиляційних установках. Вона підготовлюється в спеціальних водогрійних котлах, промислових технологічних агрегатах (на­приклад в печах) або водонагрівальних установках ТЕЦ. Гарячу воду, як тепло­носій, можливо транспортувати по трубопроводам на значні відстані (на декіль­ка кілометрів). Зниження температури води в добре ізольованих трубопроводах складає не більше 1 °С на 1 км.

Перевагами води, як теплоносія є порівняно високий коефіцієнт тепло­обміну. Але гаряча вода з теплових мереж в промислових теплообмінниках використовується рідко, так як напротязі опалювального періоду температура її не постійна і змінюється від 70 до 150 °С, а в літній час теплові мережі не працюють.

Сучасні рекуперативні кожухотрубні теплообмінні апарати (рис. 1.1) яв­ляють собою апарати, виконані з пучків труб, які складені за допомогою труб­них решіток і обмежені кожухами і кришками зі штуцерами. Трубний і міжтрубний простір в апараті роз'єднанні, кожний з цих просторів може бути розділе­ний за допомогою перегородок на декілька ходів. Перегородки встановлю­ються з метою збільшення швидкості, а відповідно і інтенсивності теплообміну теплоносіїв. Теплообмінники цього типу призначені для теплообміну між різ­номанітними рідинами, між паром і рідинами або між рідинами і газами. Вони використовуються тоді, коли необхідна значна поверхня теплообміну.

Трубки теплообмінників виготовляються прямими (за виключенням теплообмінників з U-подібними трубками), тому вони легкодоступні для чищення і заміни у випадку протікання.

У більшості випадків пар (гріючий теплоносій) вводиться в міжтрубний простір, а рідина, яка нагрівається, протікає по трубам. Конденсат із міжтрубного простору виходить до трубопроводу відведення конденсату через штуцер, який розміщений в нижній частині кожуха. Для компенсації температурних розширень, які виникають між кожухом і трубками, передбачається можливість вільного подовження труб за рахунок різноманітних компенсаторів.

Особливість кожухотрубних теплообмінних апаратів полягає в тому, що прохідний переріз міжтрубного простору великий, порівняно з провідним пе­рерізом трубок і може бути більше останнього в 2,5-3 рази. Тому при однакових витратах теплоносіїв (якщо теплообмін здійснюється без зміни агрегатного стану) часто отримуються понижені швидкості теплоносіїв і малі значення кое­фіцієнтів тепловіддачі на стороні міжтрубного простору, що значно знижує ко­ефіцієнт теплопередачі в апараті. Для вирівнювання прохідних перерізів інко­ли використовують усадку кінців трубок при закріпленні в трубній решітці.

Для зменшення забруднення золою димові гази пропускають в середині трубок, а повітря - через міжтрубний простір.

Кожухотрубні апарати можуть бути вертикального і горизонтального виконання. Вертикальні апарати мають більше використання, так як вони займають менше місця і більш зручно розміщуються в робочому приміщенні. Для зручності монтажу і експлуатації максимальну довжину трубок для них необхідно брати не менше 5 м.

Для запобігання різкого зниження тепловіддачі від пару, який конденсу­ється до стінки в корпусі теплообмінника повинні бути передбачені крани для випуску повітря, як з нижньої частини над поверхнею конденсату, так і з верх­ньої частини.

Регулювання продуктивності теплообмінника можливо шляхом зміни ти­ску (дроселювання гріючого пару), зміни витрати теплоносіїв, зміни (підвищен­ня) рівня конденсату в апараті, тобто зменшення активної поверхні теплообміну. В останньому випадку для контролю рівня конденсату необхідно мати на корпусі оглядове вікно.

Рис. 1.1 Кожухотрубний теплообмінний апарат:

1 - кожух; 2- міжтрубний простір

Дата добавления: 2015-08-31