Общие сведения

Теплообменным аппаратом называется устройство, предназначенное для передачи тепла от горячей жидкости к холодной. Среда, отдающая тепло называется первичным теплоносителем, а воспринимающая тепло - вторичным теплоносителем. По способу передачи тепла различают четыре вида теплообменных аппаратов:

1) регенеративные

2) рекуперативные

3) смесительные

4) с внутренним источником тепла

В первой группе теплообменные аппараты, в которых передача тепла теплоносителем происходит через разделительную стенку. Это наиболее распространенная группа теплообменных аппаратов: отопительный прибор, экономайзер, водонагреватели и т.д. Во второй группе передача тепла происходит попеременным обмыванием одной и той же поверхности теплообменника. В промежуток времени t горячий теплоноситель омывает поверхность теплообменника, а в другой промежуток времени холодный теплоноситель воспринимает тепло, от нагретой поверхности нагреваясь при этом. Теплообмен – не стационарен в таких приборах: генератор мартеновских печей, печи периодического действия и.д. Смесительные теплообменники работают по принципу: первичный теплоноситель вступает в контакт со вторичным теплоносителем. К ним относятся: контактные водонагреватели, деаэраторы и т.д. Теплообменники с внутренним источником тепла не имеют первичного теплоносителя т.к. тепло выделяется в самом аппарате за счет электрического тока, химической или ядерной энергии. Наиболее подробно рассмотрим теплотехнический расчет рекуперативных теплообменников. В зависимости от направления движения теплоносителя различаются рекуперативные теплообменники:

1) прямоточные

2) противоточные

3) перекрестно-точные

4) со сложными схемами движения теплоносителя.

Противоточная схема наиболее эффективна, так как при ее реализации температурный напор имеет максимальное значение.

Различают поверочный и конструкторский расчет теплообменных аппаратов. Целью конструкторского расчета является определение расходов теплоносителей и конструктивных характеристик теплообменного аппарата. Этот расчет выполняется при проектировании нового теплообменного аппарата или при подборе стандартного подогревателя. Поверочный расчет проводится с целью определения тепловой нагрузки и конечных температур теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата. Этот расчет проводится с целью уточнения характеристик теплообменного аппарата при подборе или проектировании систем отопления и теплоснабжения. Тепловая нагрузка должна быть больше чем по заданию.

Мы выполняем расчет водо-водяного подогревателя и пароводяного подогревателя. В первом случае греющей средой является высокотемпературная вода, а во втором –водяной пар. По конструктивным признакам водонагреватели подразделяют на два типа:

1. Кожухотрубные

2. Пластинчатые

Мы проводим расчет кожухотрубных водоподогревателей. В таких подогревателях конструктивными основными элементами являются цилиндрический корпус и пучок гладких трубок, которые размещаются внутри корпуса. Один из теплоносителей протекает внутри трубок, другой – в межтрубном пространстве. Как внутри трубок, так и в межтрубном пространстве теплоносители двигаются с определенной скоростью, обеспечивая активный теплообмен. Поэтому такие водоподогреватели получили название скоростных. В нашем случае мы рассчитываем противоточный водо-водяной теплообменник (подогреватель), в котором греющая и нагреваемая вода движутся навстречу друг другу. При таком движении теплоносителей обеспечивается большая эффективность теплообменника, за счет того, что обеспечивается большая средняя разность температур, следовательно, вторичный теплоноситель можно нагреть до относительно высоких температур.

Помимо водо-водяного теплообменника мы рассчитываем и пароводяной теплообменник, для которого мы не будем учитывать направление движения теплоносителей. По ориентации оси корпуса скоростные пароводяные теплообменники могут быть горизонтальными и вертикальными.

Иногда устанавливают трубчатые теплообменники, в которых пучок труб погружен в емкость, заполненную нагреваемой водой. Такие теплообменники (водонагреватели), в отличие от скоростных, называют емкостными и используют в системах горячего водоснабжения с периодическим разбором воды. Скоростные водо-водяные водоподогреватели выпускают в настоящее время разъемными. Разъемное исполнение секций позволяет собирать на месте подогреватели с различным числом однотипных секций. Основным элементом водо-водяного подогревателя является корпус из стальной безшовной трубы. Внутри корпуса расположены трубки из латуни диаметром 16X1 мм, вальцованные двумя концами в глухие фланцы. Латунь имеет высокую теплопроводность – около 135 Вт/(м°С) следовательно, термическое сопротивление стенки латунной трубки, имеющей толщину 1 мм, ничтожно. Корпусы теплообменников длиной 2 и 4 метра имеют наружные диаметры от 57 до 530 мм, число трубок от 4 до 450. Подогреватели рассчитаны на рабочее давление 1МПа. В подогревателях предназначенных для горячего водоснабжения, греющую воду направляют в межтрубное пространство, нагреваемую в трубки. Этим достигается, во-первых, выравнивание скоростей движения сетевой и водопроводной воды, так как расход сетевой воды обычно больше чем водопроводной. Во-вторых, осаждающуюся накипь легче удалять с внутренней поверхности трубок, чем с наружной. При таком порядке движения воды стальной корпус имеет более высокую температуру, чем латунные трубки, следовательно, нет необходимости в установке линзового компенсатора на корпусе подогревателя. В подогревателях, предназначенных для систем отопления, для выравнивания скоростей греющая вода направляется по трубкам, нагреваемая вода - по межтрубному пространству. На корпусах таких подогревателей устанавливаются линзовые компенсаторы. В комплект поставки подогревателя входит кроме корпуса входной и выходной патрубки, а также калачи для соединения трубного пучка. Патрубок для выхода нагретой воды имеет штуцер для установки термореле.

Рассмотрим пароводяной двухходовой теплообменник с отбортованным днищем. Подогреватель состоит из стального корпуса, внутри которого расположен трубный пучок. Один конец трубного пучка вальцован в трубную доску, неподвижно закрепленную относительно корпуса. Другой конец трубного пучка вальцован в подвижную трубную доску, которая несет плавающую относительно корпуса водяную камеру. На корпусе подогревателя установлены патрубки для входа пара, выхода конденсата, входа и выхода воды. Для установки термометра и манометра предусмотрены гильза и штуцер. Наблюдение за уровнем конденсата осуществляется с помощью водомерного стекла. При установке подогревателя на конструкции из сортовой стали, необходимо предусмотреть крепление подогревателя двумя хомутами. Один хомут затягивают намертво, другой – с прокладкой из асбеста для возможности перемещения, вызванного температурным удлинением. В настоящее время промышленность выпускает пароводяные подогреватели двух- и четырех ходовые с длиной трубок 2 и 3 метра. Площадь нагрева изменяется от 6,3 до 224 метров квадратных, тепло производительность – от 0,67 до 32 МВт. Трубная система выполнена из латунных трубок. Из условия прочности предельное давление воды 1,6 МПа, пара 1МПа. Давление пара в подогревателе должно быть на 0,1-0,2 МПа меньше давления воды во избежание попадания пара в трубки подогревателя при их повреждении и вскипания воды. Пар из парового коллектора поступает в межтрубное пространство подогревателя, распределяется по всему объему и конденсируется на поверхности трубок, имеющих более низкую температуру. Конденсат под действием силы тяжести стекает вниз.

В скоростных пароводяных подогревателях происходит процесс конденсации водяного пара. Тепло, выделяющиеся при конденсации, идет на нагрев воды. Использование тепла будет неполноценным, если из подогревателя выйдет пар, не успевший сконденсироваться. Во избежании потерь тепла на выходе из пароводяных подогревателей используют конденсатоотводчики.

Водо-водяные подогреватели по отраслевым стандартам ОСТ 34-588-68 предназначены для систем отопления и горячего водоснабжения и в настоящее время изготовляются только с разъем­ным соединением секций. Для обеспечения нормальной тепловой ком­пенсации корпуса и трубок подогревателя предусматривается пропуск нагреваемой вода по трубкам, а греющей - по межтрубному простран­ству. При этом величины линейного удлинения корпуса и трубок вы­равниваются.

Пароводяные подогреватели по ОСТ 34-531-68, ОСТ 34-532-68, ОСТ 34-57&-68 и ОСТ 34-577-68 предназначены также для систем отопления и горячего водоснабжения. Корпус у них стальной, трубная система выполнена из латунных трубок. Нагреваемая вода подается по трубкам, пар в межтрубном про­странстве через патрубок в верхней части корпуса. Конденсат удаля­ется через патрубок в нижней его части. Давление пара в подогревателе должно быть на I ÷ 2 бар ниже давления воды, а его температура не должна, превышать 300°С. Тем­пература нагреваемой воды должна быть не выше 180°С.