Утилизация тепла паро-жидкостных потоков. Теплообменные аппараты, их конструкции и принцип работы.

Теплообменные аппараты.

Теплообменные аппараты служат для передачи тепла от одного теплоносителя к другому (обмену теплотой между потоками).

Классификация теплообменных аппаратов по принципу работы:

• рекуперативные;

• регенеративные;

• контактные.

Принцип работы рекуперативных теплообменников состоит в передаче тепла от одного потока к другому через разделяющую их поверхность (стенку).

Принцип работы регенеративных теплообменников заключается в аккумулировании тепла. Сначала один из теплоносителей нагревает какой-то массивный элемент (насадку, набивку и т.д.), обладающую высокой теплоемкостью, а затем этот элемент отдает тепло второму теплоносителю.

В контактных теплообменниках происходит непосредственный контакт теплоносителей, поэтому теплообмен (идет наиболее интенсивно в данном случае) может сопровождаться интенсивным массообменом.

Рассмотрим рекуперативные теплообменники, так как для утилизации тепла парожидкостных потоков обычно используются именно они. Наиболее широко используются три вида рекуперативных теплообменников.

Теплообменники типа «труба в трубе» – рис.2

В этих теплообменниках один поток движется по внутренней трубе, а второй в кольцевом пространстве между трубами. Обычно по внутренней трубе пропускают тот теплоноситель, который интенсивнее загрязняет поверхность теплообмена, так как внутреннюю поверхность этой трубы легче очистить, разобрав фланцевые соединения. Если мы рассматриваем вариант подогрева нефти водяным паром, то нефть нужно пропускать по внутренней трубе, а водяной пар – по межтрубному пространству.

Нагреваемые потоки во всех типах теплообменников стараются пропускать снизу вверх, а охлаждаемые сверху вниз, так как при этом снижается гидравлическое сопротивление аппарата (меньшие затраты электроэнергии на перекачку) и не возникает застойных областей и областей обратного перемешивания, снижающих эффективность теплообмена.

Такой тип теплообменников морально устарел и мало используется в промышленности в связи с высокой металлоемкостью и большими габаритами.

Кожухотрубчатые теплообменники – рис.3

Кожухотрубчатые теплообменники наиболее широко распространены в промышленности. Эскиз многоходового кожухотрубчатого теплообменника представлен на рис. 3.

Здесь также более загрязненные потоки (в нашем случае нефть) направляются в трубное пространство. Водяной пар омывает наружную поверхность трубок в межтрубном пространстве.

Мощность теплового потока через поверхность теплообмена (для всех рекуперативных теплообменников) зависит от площади этой поверхности, градиента температур и коэффициента теплопередачи и определяется по формуле:

Таким образом, для передачи одного и того же количества тепла при меньшем коэффициенте теплопередачи К требуется большая поверхность F (выше капитальные затраты). Поэтому стараются этот коэффициент повысить. Коэффициент теплопередачи зависит от агрегатного состояния, физических свойств и скорости движения теплоносителей, толщины слоя и удельного термического сопротивления загрязнения, толщины и термического сопротивления теплопередающей поверхности (трубок для рассмотренных выше типов). Почти все рекуперативные теплообменники изготавливают из металлов (в основном сталей), так как металлы имеют самую высокую теплопроводность (самое низкое термическое сопротивление). Для повышения скорости течения потоков теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменников устанавливаются перегородки. Такие теплообменники называются многоходовыми (но при этом возрастает их гидравлическое сопротивление и энергозатраты на перекачку).

Пластичные теплообменники – рис.4

Пластинчатые теплообменники применяются реже, чем кожухотрубчатые, но постепенно внедряются все шире. Это связано с их меньшей металлоемкостью, более низким гидравлическим сопротивлением (меньше энергозатраты на перекачку), более высокими коэффициентами теплопередачи по сравнению с кожухотрубчатыми теплообменниками и теплообменниками типа «труба в трубе». Но существуют и недостатки, которые ограничивают область их применения: их нельзя применять при использовании теплоносителей, которые интенсивно загрязняют поверхность пластин, а также при высоких давлениях (>50 атм.) или при высокой разности давлений теплоносителей (все пояснить).