Теплообменная аппаратура

Контактные  теплообменные аппараты имеют широкое распространение в химической промышленности и в энергетике. В отличие от ТА поверхностного типа, где теплоносители разделены металлической (иногда графитовой [56]) стенкой, в аппаратах контактного типа потоки теплоносителей непосредственно соприкасаются друг с другом. Такие аппараты используются для охлаждения газов или жидкостей, а также в качестве испарителей или конденсаторов.

По сравнению с  поверхностными ТА контактные аппараты обладают некоторыми преимуществами: меньшая металлоемкость, отсутствие коррозии и загрязнения несуществующей теплообменной поверхности и  связанная с этим возможность  использования загрязненных потоков  теплоносителей. Недостатки контактных аппаратов также связаны с  отсутствием теплообменной поверхности: частичное проникновение одного теплоносителя в массу другого  и, часто, — трудности определения  величины теплопередающей поверхности  контакта фаз.

Различают аппараты с  поверхностью контакта фаз, формируемой  твердой насадкой, и полые аппараты, в которых жидкая фаза диспергируется на мелкие капли в объеме газа или  образует мелкоячеистую пену, сквозь которую проходит газовый поток. В насадочном аппарате жидкая фаза под действием силы тяжести стекает  тонкой пленкой по всей развитой поверхности  насадки, а газовый поток проходит вверх в зазорах между элементами насадки (например кольцами Рашига). Поверхностью теплопередачи здесь является поверхность  жидкой пленки, а интенсивность теплопередачи  определяется по соотношениям для аппаратов  пленочного типа (см. 4.2.2).

Режимы движения потоков  жидкости и газа в насадочных аппаратах близки к режиму вытеснения, а средняя разность температур теплоносителей может определяться по логарифмической формуле (6.2.2.5).

В аппаратах распылительного и барботажного типа существуют дополнительные сложности из-за возможного продольного и поперечного перемешивания потоков.

В аппаратах контактного  типа процесс теплообмена практически  всегда сопровождается массообменом между  обменивающимися теплотой потоками, что также затрудняет анализ и  расчет происходящих процессов совместного  тепломассообмена.

Конструктивное оформление контактных аппаратов чаще всего  определяется спецификой процесса массообмена, поэтому соответствующие конструкции  контактных аппаратов приведены  в разделе, посвященном массообменной  аппаратуре (см. раздел 5 и подраздел 6.9 настоящего Справочника).

Многочисленные расчетные  соотношения для аппаратов с  непосредственным контактом потоков  теплоносителей приводятся в специальной  литературе [1, 13, 15, 17, 19], а для контактных аппаратов в системе газ—дисперсная твердая фаза в [20–33, 59].

Более широкий круг вопросов использования теплоты  представлен в справочнике [57–58], где содержатся все основные разделы  классической теплотехники, включающие помимо теплопереноса также техническую  термодинамику и описание устройств  по преобразованию теплоты в механическую работу.

Выбор типа теплообменника, наиболее пригодного для заданных условий, зависит от множества противоречивых требований, предъявляемых свойствами теплоносителей, условиями работы и т. п. К ним относятся коррозионная стойкость материала ТА, величина коэффициента теплоотдачи и потерь давления, величина механических напряжений в элементах ТА, легкость разборки ТА и очистки теплообменных поверхностей и др. Помимо этого, в каждом конкретном случае может выдвигаться целый ряд дополнительных требований.

Рассмотрим критерии выбора направления подачи теплоносителей на примере кожухотрубчатых теплообменников. В трубное пространство кожухотрубчатых теплообменников целесообразно подавать:

• теплоносители, подаваемые с меньшей объемной производительностью, так как для получения необходимых скоростей теплоносителя можно взять многоходовой теплообменник;
• загрязненные теплоносители, поскольку чистку трубного пространства производить легче, чем межтрубного, а осаждению взвешенных частиц будут препятствовать высокие скорости теплоносителя в трубах;
• агрессивный теплоноситель. В этом случае только трубный пучок и другие детали, соприкасающиеся с теплоносителем, должны быть изготовлены из коррозионностойкого материала, а кожух и все детали межтрубного пространства могут быть выполнены из более дешевого материала. Кроме того, защитное покрытие трубного пространства легко осуществимо и более доступно для осмотра и ремонта, чем межтрубное;
• теплоноситель с высоким давлением. Во-первых, при равной прочности толщина труб значительно меньше толщины кожуха; во-вторых, при большом абсолютном давлении потери давления в трубном пространстве уже не являются серьезным ограничением;
• теплоноситель с высокой (или с очень низкой) температурой, так как при этом уменьшаются потери тепла в окружающую атмосферу.

В межтрубное пространство кожухотрубчатых теплообменников следует подавать:

• насыщенный водяной пар, так как при этом облегчается удаление конденсата. Кроме того, водяной пар имеет очень высокий коэффициент теплоотдачи, поэтому уменьшается разность между температурами стенок трубок и кожуха, что снижает температурные напряжения в теплообменниках типа ТН. Наконец, при малых давлениях пара потери давления могут играть существенную роль;
• газы при атмосферном давлении. Коэффициент теплоотдачи при обтекании труб выше, чем при течении внутри них. Кроме того, в этом случае можно выбрать теплообменник с оребренными трубами, что позволяет повысить эффективность работы аппарата;
• замерзающий конденсат. Кожух реже забивается, особенно если увеличить шаг размещения труб.

Для облегчения выбора в табл. 6.2.5.9 даны сравнительные показатели некоторых типов теплообменников по технологическим, эксплуатационным и экономическим признакам.

Таблица 6.2.5.9

Сравнительные характеристики теплообменников  различных типов

Условные  обозначения: (+) — полное удовлетворение условий; (0) — частичное удовлетворение условий; (–) — несоответствие условию.   

Литература к главе 6.2.

1. Справочник по теплообменникам. В 2 т. Т. 1 / Пер. с англ.; Под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. М.: Энергоатомиздат, 1987. 560 с.: ил.; Т. 2 / Пер. с англ.; Под ред. О.Г. Мартыненко и др. М.: Энергоатомиздат, 1987. 352 с.: ил.
2. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидравлическое сопротивление: Справ. пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.: ил.
3. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: Справочник / А.Н. Бессонный, Г.А. Драйцер, В.Б. Кунтыш и др. СПб.: Недра, СПб. отд-е, 1996. 509 с.
4. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М.: ГЭИ, 1959. 216 с.
5. Романков П.Г., Фролов В.Ф. Теплообменные процессы химической технологии. Л.: Химия, 1982. 288 с.: ил.
6. Кодзоба Л.А. Решения нелинейных задач теплопроводности. Киев: Наукова думка, 1976. 136 с.
7. Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. Обзорная информация / АН СССР. Ин-т выс. темп-р. Научн. Информ. Центр по теплофизическим свойствам чистых веществ. М., 1990. № 1(81). 136 с.; № 2(82). 105 с.; № 3(83). 53 с.
8. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М., Курочкина М.И. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (Примеры и задачи). СПб.: Химия, 1993. 496 с.: ил.
9. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975. 486 с.
10. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977. 240 с.
11. Лесохин Е.И., Рашковский П.В. Теплообменники-конденсаторы в химической технологии: Моделирование, расчет, управление. Л.: Химия, 1990. 286 с.
12. Маньковский О.М., Толчинский А.Р., Александров М.В. Теплообменная аппаратура химических производств. Л.: Химия, 1976. 368 с.
13. Таубман Е.И., Горнев В.А., Мельцер В.Л. и др. Контактные теплообменники. М.: Химия, 1987. 257 с.
14. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками // Пер. с польск.; / Под ред. И.А. Щупляка. Л.: Химия, 1975. 384 с.
15. Брагинский Л.Н., Бегачев В.М., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. Л.: Химия, 1984. 336 с.
16. Рейхсфельд В.О., Шеин В.С., Ермаков В.И. Реакционная аппаратура и машины заводов основного органического синтеза и синтетического каучука. Л.: Химия, 1975. 392 с.
17. Воронцов Е.Г., Тананайко Ю.М. Теплообмен в жидких пленках. Киев: Техника, 1972. 196 с.
18. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газо-жидкостные реакторы. Л.: Машиностроение, 1976. 216 с.
19. Пенный режим и пенные аппараты / Под ред. И.П. Мухленова и Э.Я. Тарата. Л.: Химия, 1977. 304 с.
20. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. М.; Л.: Химия, 1968. 512 с.
21. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Гидравлические и тепловые основы работы. Л.: Химия, 1979. 176 с.
22. Дидушинский Я. Основы проектирования химических реакторов / Пер. с польск.; / Под ред. М.Г. Слинько и Г.С. Яблонского. М.: Химия, 1972. 376 с.
23. Горбис З.Р., Календерьян В.А. Теплообменники с проточными дисперсными теплоносителями. М.: Энергия, 1975. 296 с.
24. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сплошных потоков. М.: Энергия, 1970. 424 с.
25. Шрайбер А.А., Глянченко В.Д. Термическая обработка полидисперсных материалов в двухфазном потоке. Киев: Наукова думка, 1976. 156 с.
26. Бабуха Г.А., Шрайбер А.А. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в двухфазных потоках. Киев: Наукова думка, 1972. 176 с.
27. Расчеты аппаратов кипящего слоя: Справочник / Под ред. И.П. Мухленова, Б.С. Сажина, В.Ф. Фролова. Л.: Химия, 1986. 352 с.
28. Псевдоожижение / В.Г. Айнштейн, А.П. Баскаков, Б.В. Берг и др. М.: Химия, 1991. 400 с.
29. Псевдоожижение / Под ред. И. Девидсона и Д. Харрисона; Пер. с англ. М.: Химия, 1974. 728 с.
30. Баскаков А.П. и др. Процессы тепло- и массопереноса в кипящем слое. М.: Металлургия, 1978. 248 с.
31. Гельперин Н.И., Айнштейн В.Г., Кваша В.Н. Основы техники псевдоожижения. М.: Химия, 1967. 664 с.
32. Матур К., Эпстайн Н. Фонтанирующий слой. Л.: Химия, 1978. 288 с.
33. Рабинович М.И. Тепловые процессы в фонтанирующем слое. Киев: Наукова думка, 1977. 174 с.
34. Бажан П.И. и др. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Каневец, В.М. Селиверстов. М.: Машиностроение, 1989. 366 с.: ил.
35. Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе / Пер. с нем. И.Н. Дулькина. М.: Энергоиздат, 1981. 384 с.: ил.
36. Нестеров Д.В., Васильев Ю.Н. Вихревые теплообменники. М.: Недра, 1982. 159 с.
37. Трошенькин Б.А. Циркуляционные и пленочные испарители и водородные реакторы. Киев: Наукова думка, 1985. 176 с.
38. Стандартные кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего назначения: Каталог. 3-е изд. М.: Изд-во ЦИНТИхимнефтемаш, 1985. 176 с.
39. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с U-образными трубами M.: Внешторгиздат, 1971. 15 с.: ил.
40. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой: Каталог. М.: Внешторгиздат, 1968. 47 с. с черт.
41. Теплообменники «труба в трубе». Емкостная стальная сварная аппаратура: Каталог-справочник. М.: Центр. ин-т науч.-техн. информации, 1968. 25 с. с черт.
42. Теплообменники спиральные стальные: Каталог-справочник. М., 1968. 32 с. с черт. (Укр. н.-исслед. и конструкторский ин-т химич. машиностроения).
43. Пластинчатые теплообменники для химической и нефтехимической промышленности: Информационный справочник. М.: Центр. ин-т науч.-техн. информации, 1968. 49 с. с ил.
44. Теплообменники пластинчатые разборные стальные общего назначения: Каталог-справочник. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1967. 6 отдельных брошюр с ил.
45. Клименко А.П., Каневец Г.Е. Расчет теплообменных аппаратов на электронных вычислительных машинах. М.;Л.: Энергия, 1966. 270 с.
46. Кафаров В.В., Мешалкин В.Д., Гурьева Л.В. Оптимизация теплообменных процессов и систем. М.: Энергоатомиздат, 1988. 191 с.
47. Кафаров В.В., Бояринов А.И. Методы оптимизации в химической технологии. 2-е изд. М.: Химия, 1975. 575 с.
48. Орехов И.И., Обрезков В.Д. Холод в процессах химической технологии. Л.: Изд-во ЛГУ, 1980. 256 с.
49. Баклаотов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок. М.: Энергия, 1970. 568 с.
50. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. 2-е изд. / Пер. с англ. М.: Энергия, 1967. 223 с.
51. Воронин Г.И., Дубровский Е.В. Эффективные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973. 96 с.
52. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена / Пер. с англ. М.: Энергия, 1971. 496 с.
53. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. М.: Атомиздат, 1978. 256 с.
54. Васильев Л.Л. и др. Низкотемпературные трубы. Минск: Наука и техника, 1976. 136 с.
55. Тепловые трубы / Пер. с англ. и нем.; Под ред. Э.Э. Шпильрайна. М., 1972. 420 с.
56. Коневский Л.С., Синявский Б.С. Углеграфитовая теплообменная аппаратура. М.: Машиностроение, 1969. 100 с.
57. Теплотехнический справочник. Т. 1. М.: Энергия, 1975. 743 с.
58. Теплотехнический справочник. Т. 2. М.: Энергия, 1976. 896 с.
59. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи / И.В. Доманский, В.П. Исаков, Г.М. Островский и др.; Под