Теплообменная аппаратура

6.2. Теплообменная аппаратура

Основные  обозначения 

c — удельная теплоемкость, Дж/(кг × К)

F, f — площадь поверхности теплообмена, м²

G — массовый расход теплоносителя, кг/с

K — коэффициент теплопередачи, Вт/(м² × К)

r — термическое сопротивление, (м² × К)/Вт

r_к — теплота конденсации

q — удельный тепловой поток, Вт/м²

Q — тепловой поток, Вт

a — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² × К)

l — коэффициент теплопроводности, Вт/(м × К)

DT — перепад температур, К

Подстрочные индексы

ст, w — стенка

т — труба; термический

ср — средний

6.2.1. Классификация теплообменных аппаратов

(В.Ф.  Фролов)

Теплообменные аппараты (ТА), или теплообменники, широко используются для передачи теплоты от сред с  высокой температурой к средам с  более низкой температурой. В некоторых  отраслях промышленности суммарная  стоимость теплообменников достигает  пятидесяти и более процентов  от стоимости всего технологического оборудования.

Существует множество  конструкций ТА, и их классификация  может проводиться по разным признакам. По характеру развития теплового  режима во времени различают ТА, работающие в стационарном (неизменном во времени) и нестационарном (периодическом  или циклическом) режимах. В большинстве  случаев ТА работают в стационарном режиме (рекуперативные ТА), что обеспечивает постоянство всех параметров (главным  образом температур) на выходе из аппарата. В поверхностных ТА теплота от горячего теплоносителя к холодному  передается через разделяющую теплоносители  поверхность (обычно это поверхности  металлических труб). В контактных ТА обладающие физико-химическим свойством  взаимной нерастворимости теплоносители  имеют друг с другом непосредственный контакт. Различают ТА по виду обменивающихся теплотой теплоносителей: жидкость—жидкость; пар—жидкость; газ—жидкость; газ—газ. В зависимости от наличия фазовых  превращений и технологического назначения ТА различают нагреватели, охладители, конденсаторы, испарители (кипятильники). По характеру движения теплоносителей внутри рабочего объема ТА бывают с вынужденным (принудительным) движением и с естественной циркуляцией  теплоносителей. По способу организации  прохождения теплоносителей через  аппарат теплообменники разделяются  на одно- и многоходовые. Встречаются ТА, в которых обмениваются теплотой не два, а три и более теплоносителей. По конструктивным признакам различают ТА трубчатые, пластинчатые, спиральные, с оребренными теплообменными поверхностями и без оребрения, с наличием компенсации температурных расширений труб и кожуха и без такой компенсации, а также по некоторым другим конструктивным признакам. Различным аспектам теплообменной аппаратуры посвящена обширная литература [1, 3–5, 8, 11–14, 16, 17, 23, 34–44].

Наиболее распространенным в химической и других отраслях промышленности является рекуперативный кожухотрубчатый теплообменник, в котором два текучих теплоносителя (капельные жидкости, газы, пары или их смеси) обмениваются теплотой через цилиндрические поверхности металлических труб (рис. 6.2.1.1). Один из теплоносителей проходит внутри труб (по трубному пространству), а второй — по межтрубному пространству между наружной поверхностью всех труб и внутренней поверхностью кожуха. Величина теплообменной поверхности в таких ТА достигает 950 м², число труб — 2500 шт. при их длине до 8 м.

Рис. 6.2.1.1. Одноходовой кожухотрубчатый теплообменный аппарат:  
1 — трубы; 2 — кожух; 3 — трубные решетки; 4 — крышки

В некоторых производствах  находят применение регенеративные ТА, которые имеют только одно рабочее пространство, куда горячий (греющий) и холодный (нагреваемый) теплоносители поступают поочередно. Такой ТА содержит некоторую массу (кирпичную или металлическую, как в холодильной технике) большой общей теплоемкости, которая воспринимает теплоту от греющего теплоносителя и затем отдает ее нагреваемому теплоносителю. Преимуществами регенеративных ТА являются сокращение их общего рабочего объема, что существенно при теплообмене больших газовых объемов, и относительная простота конструкции. Однако поочередность выхода теплоносителей обусловливает и основной недостаток аппаратов регенеративного типа — непрерывное изменение температур теплоносителей на выходе из аппарата в пределах каждого цикла нагревание—охлаждение. Расчет регенеративных ТА значительно отличается от расчетов рекуперативных аппаратов непрерывного действия (см. ниже), поскольку здесь необходимо определять величины коэффициентов теплоотдачи от обоих теплоносителей к теплообменной поверхности при непрерывном изменении ее температуры, а также необходимо решать задачу нестационарной теплопроводности насадки с переменным критерием Био (см. 4.1.4), в котором коэффициенты теплоотдачи зависят от переменной температуры поверхности стенки. Кроме того, начальным распределением температуры внутри теплоаккумулирующей массы насадки для каждого цикла работы ТА здесь служит неравномерный профиль температуры, соответствующий окончанию предыдущего цикла, что существенно усложняет расчеты. В [1, 35] описываются, как правило, приближенные методы расчетов регенеративных ТА, основанные на тех или иных упрощающих допущениях. Регенеративные ТА применяются в тех производствах, где сам технологический процесс имеет периодический характер, например в металлургических и коксохимических процессах.

Весь дальнейший материал здесь посвящен рекуперативным ТА, широко используемым в химической и  многих других отраслях промышленности.

Выбор теплообменных  аппаратов осуществляется с учетом целого комплекса технико-экономических  и эксплуатационных требований. При  одной и той же площади поверхности  теплообменники разных типов могут  оказаться практически непригодными для проведения процесса теплопередачи  в силу их конструктивных особенностей. Поэтому наряду с пониманием принципа действия того или иного теплообменника инженеру необходимо знать и эксплуатационные особенности каждой конструкции  ТА.

Конструкции ТА весьма разнообразны. В них используются различные греющие или охлаждающие  теплоносители. Самым дешевым греющим  теплоносителем являются топочные газы — продукты сгорания органических топлив: твердых (угли, сланцы), жидких (нефтепродукты) или газообразных (природный газ). Окислителем топлив служит атмосферный воздух, поэтому химический состав топочных газов отличается от воздуха лишь тем, что кислород в них частично заменен на продукты окисления водородо- и углеродосодержащих компонентов используемого топлива — пары воды и диоксид углерода. По этой причине теплофизические свойства топочных газов мало отличаются от свойств воздуха [4]. Основное преимущество топочных газов по сравнению с другими теплоносителями — это их относительно высокая температура (до 1000 °С). Однако для нагревания топочными газами необходимы их значительные объемы, поскольку объемная теплоемкость газов приблизительно на три порядка меньше, чем у капельных жидкостей. Кроме того, коэффициенты теплоотдачи от газов составляют величины порядка 40–80 Вт/(м₂ ×  К), что приводит к необходимости использования больших теплообменных поверхностей, примеси золы и сажи в топочных газах загрязняют эти значительные по величине теплообменные поверхности.

Греющий, обычно насыщенный водяной пар является наиболее распространенным греющим агентом, единственный, но существенный недостаток которого состоит в необходимости повышать давление при увеличении его температуры. Так, температура 150 °С соответствует давлению 6 атм. Конденсирующийся пар не загрязняет теплообменные поверхности и обладает высокими значениями коэффициентов теплоотдачи (до 10000 Вт/(м² × К)). Аналогичными преимуществами и недостатком обладает в качестве греющего агента горячая вода.

Использование паров (или в жидкофазном состоянии) высококипящих теплоносителей (дифенильная смесь, минеральные масла, расплавы солей) позволяет получать высокие температуры (до 250–300 °С) без повышения давления сверх атмосферного.

Нагревание с помощью  электроэнергии обладает практически всеми преимуществами: высокой температурой нагрева, компактностью, легкостью регулирования, отсутствием загрязнений и проч. Единственный недостаток электрического нагрева — его высокая стоимость, превышающая стоимость всех других источников нагревания по меньшей мере в 2,5 раза, что связано с величиной КПД электростанций на органическом или ядерном топливе, не превышающей 40 %.

Охлаждение веществ  до температуры не ниже температуры  окружающей среды можно производить  природной водой или воздухом. Вода предпочтительнее, поскольку она обладает большей объемной теплоемкостью и значительно большими коэффициентами теплоотдачи (до 2000 Вт/(м² × К)). Вода загрязняет теплообменную поверхность растворенными в ней солями, воздух может загрязнять горячие поверхности пригорающей к ним пылью. Воздушные теплообменники должны обладать значительной теплообменной поверхностью.

При необходимости  охлаждения веществ до температур ниже температуры окружающей среды используются установки искусственного холода [48].

К теплообменным аппаратам  в конкретных условиях их эксплуатации могут предъявляться весьма разнообразные  требования: возможность соблюдения заданных температурных параметров, устойчивость материала ТА к химическим воздействиям со стороны теплоносителей, достаточная механическая прочность  при высоких давлениях, возможность  очистки теплообменных поверхностей от загрязнений, низкая стоимость самого ТА и его эксплуатации и т. п. Поэтому конструкции ТА имеют значительное разнообразие.

Наиболее распространенной и универсальной конструкцией ТА является кожухотрубчатый аппарат. Самый простой вариант такого аппарата (одноходового, без перегородок в межтрубном пространстве) представлен на рис. 6.2.1.1. Аппарат позволяет работать при высоких давлениях внутри труб, диаметр которых обычно не превышает 37 мм. Крышки ТА соединяются с трубными решетками через прокладки, что делает аппарат разъемным, а внутреннюю поверхность труб — доступной для механической очистки от возможных загрязнений. Концы труб крепятся в решетках развальцовкой или с помощью сварки.

Для интенсификации теплообмена  при малых скоростях теплоносителей скорость их движения увеличивают в  многоходовых ТА с поперечными перегородками в межтрубном пространстве (рис. 6.2.5.1). При неизменном расходе теплоносителя I скорость его перемещения в трубном пространстве пропорциональна числу ходов, а коэффициент теплоотдачи a при вынужденном движении зависит от скорости как w^0,8 и w^0,5 для турбулентного и ламинарного режимов течения соответственно. Для теплоносителя II в межтрубном пространстве наличие поперечных перегородок с сегментными вырезами также приводит к увеличению скорости его движения и к обтеканию наружной поверхности трубного пучка под углом около 60°, что интенсифицирует наружную теплоотдачу пропорционально , где w_в — скорость теплоносителя в вырезе перегородки. Еще одна чисто механическая функция перегородок состоит в создании дополнительных механических опор для длинных (до 8 метров) труб ТА при его горизонтальном расположении.

Рис. 6.2.5.1. Четырехходовой ТА с сегментными перегородками в межтрубном пространстве

Одновременно с  интенсификацией теплоотдачи увеличение скорости теплоносителей приводит к  быстрому (для турбулентных потоков  пропорционально квадрату скорости) возрастанию гидравлического сопротивления  ТА, что ограничивает число ходов (до восьми) и количество перегородок (до четырех на один метр длины ТА). Кроме того, наличие нескольких ходов  по трубному пространству и установка  перегородок в межтрубном пространстве не позволяют реализовать чистый противоток теплоносителей, что приводит к снижению средней движущей разности температур теплоносителей DТ_ср (см. формулу (6.2.2.5) и комментарий к ней).

С целью уменьшения тепловых потерь в окружающую среду  более горячий теплоноситель  обычно подается в трубное пространство, а холодный — в межтрубное. Естественная для ТА разность температур теплоносителей обусловливает разность температур труб и кожуха, абсолютное удлинение  которых оказывается неодинаковым, что вследствие жесткого крепления  концов труб и кожуха к трубным  решеткам (теплообменники типа ТН) приводит к механическим напряжениям в  ТА. При DT_ср > 40 ¸50 К такие напряжения могут стать опасными и их приходится компенсировать линзовым компенсатором (гофр) на кожухе ТА (рис. 6.2.5.2, а); такие теплообменники относят к типу ТК (теплообменники с компенсатором). Термические напряжения полностью отсутствуют в ТА с плавающей головкой (тип ТП, рис. 6.2.5.2, б) и в ТА с U-образными трубками (тип ТУ, рис. 6.2.5.2, в), в которых, кроме того, становятся доступными для механической очистки наружные поверхности труб (при разборке ТА), однако в U-образном ТА механическая очистка трубного пространства затруднительна.

Кожухотрубчатые ТА считаются  наиболее надежными и устойчивыми  в эксплуатации. Кроме того, расчетные  формулы для расчетов теплопередачи  и гидравлического сопротивления  таких аппаратов разработаны  и наиболее подробно представлены, например, в [1]. Кожухотрубчатые ТА используются как для однофазных теплоносителей (нагреватели, охладители), так и  для проведения процессов конденсации  и кипения (испарения). При этом конденсаторы обычно располагаются горизонтально, а конденсирующийся пар подается в межтрубное пространство. Кипятильники (испарители) чаще располагают вертикально, если кипение с интенсивным парообразованием происходит внутри труб. Вблизи входного штуцера в межтрубном пространстве конденсаторов предусмотрен отражательный  металлический диск, разбивающий  входной поток пара во избежание локальной эрозии труб. В испарителях предусматривается объем, сепарирующий образующийся пар от кипящей жидкости; расчет необходимой величины такого объема приведен в [1]. Сравнительная характеристика кожухотрубчатых ТА и подробные сведения об их конструктивных особенностях приводятся в [49].