Теплообменный аппарат

Рисунок простейшего теплообменника типа "труба в трубе"

Теплообменные аппараты - устройства, в которых осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями либо между теплоносителями и твердыми телами (стенкой, насадкой). Используются во многих областях промышленности. По другому определению, теплообменный аппарат - устройство для передачи тепла от одного рабочего стола к другому [1].

Теплообменный аппарат - устройство для переноса теплоты от одного теплоносителя к другому или от теплоносителя к поверхности тела, его нагревают. К теплообменного аппарата относятся испарители экономайзеры, льдогенераторы, парогенераторы, воздухонагреватели, градирни и т.п.. Применяют теплообменные аппараты в теплоэнергетике, промышленности, сельском хозяйстве, системах вентиляции и отопления и т.д. [2].


1. Общие сведения о теплообменные аппараты

Устройства, в которых осуществляется процесс массообмена (т.е. имеет место взаимопроникновение веществ), называются массообменных аппаратов. В тепломассообменных аппаратах процессы массо-и теплообмена протекают одновременно.

По своему назначению теплообменные и тепломассообменных аппараты разнообразны и часто имеют специальные названия (подогреватель, испаритель и т.д.).

На ТЭС и АЭС одним из теплообменных аппаратов является подогреватель питающей воды. В любом случае нужно определить площадь поверхности теплообмена (при заданном диаметре труб нужно найти их число и длину). Для расчета необходимы данные о термические сопротивления переносу теплоты. При этом для определения коэффициентов теплоотдачи используется теория теплообмена. Тепловой расчет теплообменного аппарата, целью которого является определение площади, называется конструкторским. Допустим, что есть готовый теплообменный аппарат (например, серийно выпускается заводом), нужно узнать, будет ли в нем обеспечено подогрева или охлаждения теплоносителя до заданной температуры. Тепловой расчет, выполняемый для решения указанной задачи, называется проверочным. Его целью является нахождение конечных температур теплоносителей, а также температуры поверхности при заданных начальных температурах теплоносителей. Массовые расходы теплоносителей в любом типе расчета считаются заданными величинами.

От значения площади поверхности тепло-и массообмена зависят значения потоков тепла и массы вещества. Поэтому в технологических установках часто используется метод распыления жидкости (ее дробление на мелкие капли) и применяются тепломассообменных аппараты с псевдо-сжиженным ("кипящим") слоем твердых частиц. В последнем случае скорость газа, подаваемого в нижнюю часть слоя частиц, подбирается так, чтобы частицы не были неподвижными и в то же время не износились из слоя потоком газа. Частицы, находящиеся в уравновешенной состоянии, интенсивно перемешиваются с газом, что обеспечивает высокую интенсивность процессов тепло-и массопереноса.

Тепломассообменных аппараты различные их можно классифицировать по различным признакам.
Теплообменные аппараты подразделяются на:

  • рекуперативные,
  • регенеративные
  • смесительного типа.

Несмотря на особенности, присущие теплообменным и тепломасобминним аппаратам, они работают таким образом, что в любом случае для них выполняются законы сохранения энергии, массы вещества и количества движения. Эти законы необходимо учитывать в любых тепловых и гидромеханических расчетах аппаратов.


1.1. Рекуперативные теплообменники

В рекуперативных аппаратах передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит через разделительную стенку (например, стенку трубы).

Возможны различные схемы движения теплоносителей:

  • прямоточная (теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении);
  • противоточные (теплоносители движутся в противоположных направлениях);
  • сложная (например, перекрестная течение).
 конденсатор паровой турбины. В нем осуществляется процесс фазового перехода, в котором температура остается постоянной, а охлаждающая вода имеет два хода (один ход слева направо, во второй - в противоположном направлении). Наличие нескольких ходов позволяет сократить габаритные размеры аппарата. схема аппарата с U-образными трубами - движение теплоносителей в нем близок к противоточные. 


Теплообменным аппаратом со сложной схеме потоков теплоносителей является кожухотрубный теплообменник с перегородками в межтрубном пространстве. Водяной экономайзер (его схема приведена на рис. 1.2) не имеет отдельного корпуса. Он расположен в конвективной шахте котла. В экономайзере подогрева питающей воды осуществляется, продуктами сгорания (дымовыми газами).

Схема движения близка к перекрестному току. Трубы экономайзера могут располагаться как в коридорном, так и шахматном порядке (на рис. 1.2 трубы расположены в шахматном порядке).


В данном теплообменнике значение теплового потока зависит от разности температур теплоносителей и коэффициента теплопередачи. Как известно, коэффициент теплопередачи - величина, обратная сумме термических сопротивлений. Больше из всех термических сопротивлений определяет интенсивность процесса теплопередачи. Габаритные размеры экономайзера можно уменьшить заменив гладкие трубы на оребренные.


1.2. Регенеративные теплообменные аппараты

Приведенному нагреватель воздуха обертаючогося типа (нагреватель воздуха Юнгстрема). В данном случае теплота передается с помощью набивки, выполненной из тонких металлических листов. В тот период времени, когда набивка находится на стороне горячих газов, она нагревается и аккумулирует теплоту, которая затем передается воздуху. Вращающийся нагреватель воздуха служит примером теплообменника регенеративного типа. В противном случае теплоносители протекают в одном и том же канале, но попеременно. Когда через аппарат протекает горячий теплоноситель, он омывает неподвижную насадку аккумулирует теплоту. Период нагрева насадки сменяется периодом ее охлаждения, когда она омывается холодным теплоносителем. В регенеративном подогреватели имеет место нестационарный процесс теплопередачи. В качестве насадочных поверхности часто используется кирпичная кладка (рис. 1.4).

В течение первого цикла работы аппарата поверхность кирпичной кладки омывается высоко-температурным потоком продуктов сгорания, а в течение второго цикла - холодным воздухом или другими компонентами горения, используемых в технологических установках.


1.3. Аппараты смешивающего типа

В смешивающих аппаратах осуществляется непосредственный контакт двух или более вещества, находящиеся в жидком или газообразном состоянии. На ТЭС и АЭС применяются подогреватели смешивающего типа, в которых подогрева питающей воды происходит вследствие ее смешивания с паром, отобранной от турбины (обычно пара отбирается от цилиндра низкого давления турбины). Ввиду отсутствия твердой поверхности теплообмена стоимость подогревателя смешивающего типа меньше, чем подогревателя поверхностного типа. Кроме того, из-за отсутствия разницы температур теплообминюючихся жидкостей на выходе данные подогреватели имеют меньшие энтропийные потери, поэтому они экономичнее.

Для эффективной работы смешивающего аппарата важное значение имеет площадь контакта рабочей поверхности, для увеличения которой часто используются различные насадки в виде колец или иной формы. Жидкость стекает вниз по поверхности насадки, а газ в противоположном направлении движется вверх. Газожидкостные смешивающие аппараты ( скрубберы) применяются как для охлаждения или нагревания газов (или воды), так и для очистки их от вредных примесей. Отличительной особенностью смешивающих аппаратов является то, что в них часто осуществляются совместные процессы тепло-и массообмена. Например, в скруббере вредные примеси, содержащиеся в газе, диффундируют в слой жидкости.


См.. также


Примечания

  1. Национальный банк стандартизированных научно-технических терминов - www.ukrndnc.org.ua/index.php?option=com_terminus&Itemid=191&task=view&id=9008
  2. Энциклопедический горный словарь / / Под редакцией В. С. Белецкого. - Донецк: Восточный издательский дом. в 3-х томах - 1998.