Классификация теплообменных аппаратов

Любой процесс переноса теплоты в пространстве называется теплообменом. Теплообмен – сложное явление, которое можно расчленить на ряд простых. Теплота может передаваться тремя простейшими принципиально отличными друг от друга способами: теплопроводностью, конвективным переносом и излучением.

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества – молекулами, атомами, электронами – в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температуры.

Явление конвективного переноса теплоты наблюдается лишь в жидкостях и газах. Конвективный перенос – это распространение теплоты, обусловленное перемещением макроскопических элементов среды. Объемы жидкости или газа, перемещаясь из области с большей температурой в область с меньшей температурой, переносят с собой теплоту.

Теплообмен излучением (или радиационный теплообмен) состоит из испускания энергии излучения телом, распространения ее в пространстве между телами и поглощения ее другими телами. В процессе испускания внутренняя энергия излучающего тела превращается в энергию электромагнитных волн, которые поглощаются окружающими телами. Таким образом энергия излучения превращается во внутреннюю энергию поглощающего тела [1].

В природе и в технических устройствах, как правило, все три способа передачи теплоты происходят одновременно. Такой теплообмен называется сложным теплообменом.

Например, конвекция теплоты всегда протекает совместно с теплопроводностью, так как макрообъемы текучей среды состоят из микрообъемов, и есть неравномерное по пространству температурное поле. Передача теплоты совместно теплопроводностью и конвекцией называется конвективным теплообменом.

Совместная передача теплоты излучением и конвекцией называется радиационно-конвективным теплообменом.

Наиболее часто встречаются следующие два варианта сложного теплообмена:

– теплоотдача – процесс теплообмена между непроницаемой твердой стенкой и окружающей текучей средой;

– теплопередача – передача теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде через непроницаемую твердую стенку [2].

Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты.

Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес теплообменного оборудования на предприятиях химической промышленности, где почти все основные процессы химической технологии (выпаривание, рек­тификация, сушка и др.) связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты, составляет в среднем 15 - 18 %, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности – 50 %.

В общем выпуске теплообменных аппаратов для химической и смежных отраслей промышленности большую долю занимают кожухотрубчатые теплообменники. Они достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и, в тоже время, достаточно универсальны, т.е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком диапазоне их давлений и температур [3].

Теплообменные аппараты (ТОА) можно классифицировать по следующим признакам:

– по способу передачи теплоты от одного теплоносителя к другому:

а) рекуперативные теплообменники, в которых процесс теплообмена осуществляется через твердую стенку (кожухотрубчатые, змеевиковые теплообменники, теплообменники «труба в трубе», аппараты воздушного охлаждения, пластинчатые, спиральные, блочные теплообменники);

б) регенеративные теплообменники, в которых передача теплоты происходит с помощью теплоаккумулирующей массы, называемой насадкой; смесительные теплообменники, в которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется посредством их смешения;

– по конструкции:

а) аппараты, изготовленные из труб;

б) аппараты с поверхностью теплообмена из листового материала;

в) аппараты с поверхностью теплообмена из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и др.);

– по назначению (рисунок 1.1):

а) холодильники – аппараты для охлаждения жидких потоков. При регенерации тепла того или иного продукта его окончательное охлаждение до температуры, требуемой для безопасного транспорта и хранения, обычно завершается в холодильниках;

б) подогреватели – аппараты для нагрева дистиллятов или реагентов за счет тепла теплоносителя. Целевым процессом в них является нагрев;

в) испарители, кипятильники - аппараты, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей (водяной пар, пары углеводородов, специальные высококипящие жидкости и др.);

Рисунок 1.1 – Классификация ТОА по назначению [4]

г) конденсаторы – аппараты для конденсации и охлаждения паров путем передачи тепла охлаждающему агенту;

– по ориентации теплопередающей поверхности в пространстве ТОА могут быть:

а) вертикальными;

б) горизонтальными;

в) наклонными;

– по характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности ТОА делят на два типа:

а) с естественной циркуляцией теплоносителей – испарители, выпарные аппараты, водогрейные котлы, у которых теплоноситель движется благодаря разности плотностей жидкости и образующейся парожидкостной смеси в трубах циркуляционного контура;

б) с принудительной циркуляцией теплоносителей – рекуперативные теплообменники, в которых теплоносители движутся за счет внешних сил, создаваемых компрессорами, насосами, вентиляторами;

– по числу теплоносителей (потоков) ТОА (рисунок 1.2) разделяют на:

а) двух поточные (рисунок 1.2, а);

б) трех поточные (рисунок 1.2, б);

в) многопоточные (рисунок 1.2, г). В отдельных случаях к многопоточным ТОА относят системы, состоящие из нескольких теплообменников обычного типа, соединенных циркулирующим промежуточным теплоносителем 3 (рисунок 1.2, в). Многопоточные ТОА имеют обычно чередующиеся слои компактной теплообменной поверхности (рисунок 1.2, г).

а – двухпоточный	б – трехпоточный
в – с промежуточным теплоносителем	г – многопоточный, где 1 – 6 – потоки
Рисунок 1.2 – Схемы движения потоков ТОА в зависимости от числа теплоносителей [4]

ТОА с промежуточным теплоносителем используют в газотурбинных установках (ГТУ), так как им легко придать необходимую (по условию компоновки ГТУ) форму.

В прямоточном теплообменнике теплоносители движутся параллельно друг другу в одном направлении. При значительном изменении температуры теплоносителей располагаемая разность температур в прямоточных ТОА используется плохо. В этом случае, если эффективность передачи теплоты является определяющим фактором при проектировании, такого типа ТОА не применяют. Однако температура теплопередающей стенки в таких ТОА оказывается более однородной, чем при противотоке.

В зависимости от взаимного направления потоков теплоносителей различают схемы (рисунок 1.3): прямоток, противоток, перекрестный ток, смешанный ток, а также сложные схемы тока.

а – прямоток	б – противоток	в – перекрестный ток	г – смешанный ток
д – многократный перекрестный ток	е – сложные схемы	ж – сложные схемы
Рисунок 1.3 – Схемы тока теплоносителей [4]

Следует подчеркнуть, что перечисленные схемы теплоносителей представляют собой некую идеализацию реальных ситуаций. На практике никогда нельзя достигнуть течения теплоносителя, совпадающего с идеальным вариантом.

В противоточных ТОА два теплоносителя движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях (рисунок 1.3, б). Противоточные ТОА наиболее эффективны: они обеспечивают наилучшее использование располагаемой разности температур; в них также может быть достигнуто наибольшее изменение температуры каждого носителя. Прямоточная схема (рисунок 1.3, а), как правило, наименее эффективна.

В ТОА перекрестного тока два теплоносителя движутся под прямым углом друг к другу (рисунок 1.3, в). Например, первый поток может течь внутри труб, собранных в пучок, тогда как второй поток может двигаться в пространстве между трубами в направлении, в целом перпендикулярном оси этих труб. По эффективности эти ТОА занимают промежуточное положение между ТОА с прямотоком и ТОА с противотоком. Исходя из практических соображений, связанных с подачей теплоносителей к поверхностям теплообмена, такие ТОА сконструировать проще. Теплообменники со смешанным током (рисунок 1.3, г) и с многократным перекрестным током (рисунок 1.3, д) можно рассматривать как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции. Чем больше число ходов в таком теплообменнике, тем ближе он по экономичности к противоточному варианту. Так же встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей (рисунок 1.3, е, ж).

Схемы однократного и многократного перекрестного тока можно подразделить на три группы в зависимости от наличия градиента температуры теплоносителя в сечениях ТОА, нормальных к направлению движения теплоносителя. Если, например, жидкость протекает внутри труб, а газ движется перпендикулярно к трубному пучку и может свободно перемешиваться в межтрубном пространстве, то его температура в сечении, нормальном к направлению движения, выравнивается. Поскольку жидкость проходит внутри труб отдельными не перемешиваемыми между собой потоками, в сечении пучка всегда имеет место градиент температур. В рассмотренном примере газообразный теплоноситель считается идеально перемешанным, а жидкость внутри труб абсолютно не перемешанной. С этой точки зрения возможны следующие случаи:

– оба теплоносителя идеально перемешаны и градиенты их температур в поперечном сечении равны нулю;

– один из теплоносителей идеально перемешан, а другой абсолютно не перемешан;

– оба теплоносителя абсолютно не перемешаны.

Характер изменения температур теплоносителей в рекуперативных ТОА зависит от фазовых превращений в теплоносителях и от схемы их тока (рисунок 1.4): постоянная температура (t₁ и t₂) обоих теплоносителей, равная температуре t_s1 и t_s2 (рисунок 1.4, а), например, конденсаторы и испарители индивидуальных веществ; постоянная температура одного теплоносителя (рисунок 1.4, б, в), например, конденсаторы и испарители индивидуальных веществ; переменная температура обоих теплоносителей (рисунок 1.4, г, д).

а – при фазовых превращениях обоих теплоносителей (конденсация одного, испарение другого)	б – при испарении нагреваемого теплоносителя	в – при конденсации греющего теплоносителя
г – при прямоточном движении теплоносителей без фазовых превращений	д – при противоточном движении теплоносителей без фазовых превращений
Рисунок 1.4 – Изменение температуры теплоносителей в рекуперативном ТОА [4]

В регенеративных ТОА, где греющий и нагреваемый теплоносители проходят через насадку поочередно, реализуются две схемы движения – прямоток и противоток. Эффективность аппарата при противотоке теплоносителей выше, чем при прямотоке [4].