Теплообменные аппараты и их расчет

Реализация тепловых процессов в промышленности требует установки крупногабаритного теплообменного оборудования с большой площадью поверхности теплопередачи. Например, в агрегатах синтеза аммиака большой единичной мощности (1360 т/сут) из 205 единиц основного оборудования 57 составляют различные типы теплообменных аппаратов с общей поверхностью теплообмена 150 000 м². На изготовление теплообменных аппаратов ежегодно расходуется большое количество остродефицитных труб из нержавеющей стали и титана.

Химические производства характеризуются большим разнообразием условий проведения тепловых процессов, они различаются по виду теплообмена, давлению, температуре и агрессивности теплоносителей. Все это обусловливает создание и изготовление различных по конструкции и назначению типов теплообменных аппаратов [15].

Современные теплообменные аппараты должны обеспечивать необходимый теплосъем на единицу площади теплообменника, высокую пропускную способность по теплоносителям при допустимых перепадах давлений, высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах, надежную работу в течение длительного периода эксплуатации, стабильность тепловых и гидромеханических характеристик за счет механической или химической очистки поверхности теплообмена, удобства в эксплуатации. При серийном производстве теплообменников их узлы и детали должны быть максимально унифицированы.

По способу передачи тепла теплообменники подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Наиболее широкое применение находят поверхностные {рекуперативные) теплообменники, которые по своим основным конструктивным признакам разделяются на аппараты:

• — изготавливаемые из труб различной формы и диаметров: кожухотрубчатые, «труба в трубе», змсевиковые погружные, оросительные, витые, воздушного охлаждения с орсбренными трубами;
• — изготовленные из листа: пластинчатые (разборные, полуразборные, неразборные), пластинчаторебристые, спиральные, ламельные и панельные;
• — совмещенные с различными типами химических аппаратов и реакторов.

К поверхностным относятся и рекуперативные теплообменники, в которых стенка, находящаяся попеременно в контакте то с горячим, то с холодным теплоносителем, передает теплоту от первого ко второму.

Все эти типы теплообменных аппаратов могут быть использованы в качестве холодильников, подогревателей, конденсаторов и испарителей.

Конструктивные особенности теплообменных аппаратов определяют область, в которой они могут быть применены для различных температур и давлений. Наиболее широко применяются трубчатые теплообменные аппараты, работающие в широком диапазоне температур (от минус 200 до плюс 475°С) и давлений (до 6 МПа). Однако эти аппараты имеют низкие коэффициенты теплопередачи [1000.Л500 Вт/(м² К)], высокую металлоемкость (до 37 кг/м²); для их изготовления необходимы остродефицитные из нержавеющей стали бесшовные трубы и значительные трудозатраты. Они имеют низкую степень унификации узлов и деталей (10. .12%).

Более низкие значения коэффициентов теплопередачи и высокую металлоемкость имеют оросительные теплообменники, теплообменники «труба в трубе», аппараты воздушного охлаждения, которые могут работать при более высоких давлениях, чем кожухотрубчатые.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные (использование отработанного тепла в качестве теплоносителя) теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении теплоносителей в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении и перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении.

Анализ параметров работы кожухотрубчатых теплообменников показывает, что около 70% применяется для давлений до 1 МПа и температур до 200 °C. Для этих условий возможно эффективное использование прогрессивных пластинчатых теплообменных аппаратов (ПТА), имеющих высокие коэффициенты теплопередачи — 3000…5000 Вт/(м-К), низкую металлоемкость (до 10… 17 кг/м²) и высокую степень унификации основных узлов и деталей (до 80. .90%).

Увеличение теплосъема на единицу площади кожухотрубчатого оборудования сопровождается экстенсивным ростом его поверхности, размеров, массы и стоимости. Поэтому необходимы более эффективные методы интенсификации теплообмена, принципиально новые решения в области конструирования.

Среди методов интенсификации можно выделить три основные группы: пассивные, активные и комбинированные.

К пассивным методам (не требующим дополнительных затрат энергии, кроме энергии самого потока) относят специальную физико-химическую обработку поверхностей теплообмена, использование устройств, обеспечивающих перемешивание и закручивание потока, применение шероховатых и развитых поверхностей, а также различных способов воздействия на поверхностное натяжение, в том числе добавление в теплоносители необходимых примесей.

Активные методы интенсификации включают механические воздействия на поток, пульсацию потока жидкости, вибрацию поверхностей теплообмена, применение электростатических и электромагнитных полей, вдув и отсос теплоносителя в пограничном слое.

Одновременное применение двух этих методов представляет собой комбинированный метод интенсификации.

Трудности конструктивного решения при использовании активных методов определили преимущественное использование пассивных методов.

Для потока однофазных теплоносителей следует выделить методы увеличения теплоотдачи путем искусственной турбулизации всего потока и методы целенаправленной турбулизации пристенного слоя.

К первой группе методов относят интенсификацию при внешнем обтекании оребренных и гладких труб, при использовании различных вставок в прямолинейных трубах и каналах для закрутки и турбулизации потоков, различных типов криволинейных труб и каналов сложной формы.

Вторая группа методов пассивной интенсификации включает использование как естественной шероховатости поверхности теплообмена, образующейся в результате ее изготовления, так и создание различных типов искусственной шероховатости (волнистой поверхности, кольцевых проточке и выдавок, диафрагм и винтовой поверхности труб, а также искусственной шероховатости в каналах).

Все известные способы интенсификации теплообмена связаны с ростом гидравлического сопротивления. Поэтому для выбора метода интенсификации необходимы надежные методы сопоставления эффективности конвективных поверхностей теплообмена.

Сравнение эффективности конвективных теплообменных аппаратов различной конструкции показало, что особое место среди них занимают пластинчатые теплообменные аппараты (ПТА), изготавливаемые методом холодной штамповки из тонкого листового металла. Интенсификация теплообмена в них происходит за счет высокой степени искусственной турбулизации потока, движущегося тонкими слоями в узких межпластинных каналах сложной геометрической формы при многократном изменении направления движения.