Теплообмен – это процесс передачи тепловой энергии между телами разной температуры. Этот процесс является ключевым в различных областях промышленности и быта, играя важную роль в поддержании оптимальных температурных режимов, обеспечении эффективности производственных процессов и повседневного комфорта.
В производстве часто используются теплообменники для обеспечения равномерного распределения тепла в системах охлаждения, конденсации, или обогрева.
В энергетических установках (тепловых и электростанциях) теплообмен используется для повышения эффективности перекачки теплоты и уменьшения потерь.
Теплообмен играет ключевую роль в рабочих процессах двигателей, а также в системах охлаждения транспортных средств, для создания комфортных условий в зданиях, регулируя температуру воздуха.
В бытовых системах обогрева вода прогоняется через теплообменник для подогрева воды в домашних системах. В химических процессах важен контроль температуры, что достигается с использованием теплообменных устройств.
Теплообменники обеспечивают эффективный обмен теплотой между двумя средами без их смешивания. Они применяются в системах отопления, кондиционирования воздуха, хладагента в холодильниках и других промышленных процессах.
Теплообмен является ключевым аспектом в различных областях промышленности и быта, обеспечивая эффективность процессов, сохранение энергии и обеспечение комфортных условий для жизни и работы. Применение теплообменного оборудования в системах теплопередачи имеет фундаментальное значение для многих технологических и бытовых процессов.
Основные принципы теплообмена
Кондукция – это процесс передачи тепла через твёрдые материалы без их перемещения. Среда передачи – в твёрдых телах. Механизм передачи – от частицы к частице через вибрации или столкновения.
Конвекция – это процесс передачи тепла через перемещение тепловой среды (жидкости или газа). Среда передачи – в жидкостях и газах. Механизм передачи – перемещение молекул, создавая циркуляцию тепловой среды.
Излучение – это процесс передачи тепла через электромагнитные волны, такие как свет. Среда передачи – в вакууме и через прозрачные среды. Механизм передачи – через электромагнитные волны без прямого взаимодействия частиц.
Каждый из этих методов теплообмена играет важную роль в различных физических процессах и технологиях, а их понимание имеет критическое значение в инженерии и науке.
Классификация теплообменных аппаратов
Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций.
По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и контактные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного материала, а в контактных аппаратах тепло передается при непосредственном соприкосновении рабочих сред.
Контактные теплообменники в свою очередь подразделяются на смесительные и барботажные. В аппаратах смесительного типа нагретые и менее нагретые теплоносители перемешиваются и образуют растворы или смеси. Примером могут являться различного типа скрубберы. В аппаратах барботажного типа более нагретый теплоноситель прокачивается через массу менее нагретого (или наоборот), не смешиваясь с ним.
Во всех поверхностных теплообменниках оба теплоносителя омывают обычно разделяющую их твердую стенку, которая таким образом участвует в процессе теплообмена. Такие теплообменники разделяются на рекуперативные и регенеративные.
В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность теплообмена попеременно омываются то одним, то другим теплоносителем. В период нагрева, т.е. при проходе горючего теплоносителя, стенки теплообменника и набивка в виде шаров, колец и т.п. нагреваются, в них аккумулируется тепло, которое в период охлаждения отдается протекающему вторичному теплоносителю. Направление потока тепла в стенках периодически меняется – это аппараты периодического действия.
Примером таких установок являются воздухоподогреватели газотурбинных установок, некоторые типы воздухоподогревателей и др.
В рекуперативных аппаратах одна поверхность стенки все время омывается одним теплоносителем, а другая – другим. Тепло от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала.
Теплообменные аппараты классифицируются также по наличию или отсутствующие изменения агрегатного состояния теплоносителей. Имеются аппараты:
- без изменения агрегатного состояния теплоносителей;
- с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя – конденсация пара (первичного теплоносителя) или кипения жидкости (вторичного теплоносителя);
- с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.
По назначению можно выделить:
- подогреватели;
- холодильники;
- испарители;
- конденсаторы;
- дистилляторы;
- сублиматоры;
- плавители и т.п.
Все теплообменные аппараты поверхностного типа можно классифицировать по виду взаимного направления потоков теплоносителей. Существуют 4 основные схемы движения теплоносителей, применяются также их комбинации:
Прямоток – движение двух теплоносителей параллельно друг к другу в одном и том же направлении.
Противоток – движение двух теплоносителей параллельно друг к другу в противоположных направлениях.
Перекрестный ток – движение двух теплоносителей во взаимно перпендикулярных направлениях.
Смешанный ток – один или более теплоносителей делают несколько ходов в аппарате, омывая, при этом, часть поверхности по схеме прямотока, а другую часть – согласно схеме противотока или перекрестного тока.
а) прямоток, б) противоток, в) перекрестный ток, г) смешанный ток
Рекуператоры, в свою очередь, различают по конфигурации поверхности теплообмена на:
- кожухотрубные теплообменники;
- элементные (секционные) теплообменники;
- витые теплообменники;
- оросительные теплообменники;
- ребристые теплообменники;
- спиральные теплообменники;
- пластинчатые теплообменники и некоторые другие.
Кожухотрубные теплообменники
Основными элементами кожухотрубных теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой. Трубки подгоняются к двум трубным решеткам посредством вальцевания или сварки.
Трубки, составляющие пучок, располагаются в шахматном порядке, по вершинам равностороннего треугольника. Крышки являются съемными и предназначены для входа и выхода теплоносителя, который течет по трубам. Межтрубное и трубное пространство разделяются. Второй теплоноситель находится в межтрубном пространстве, которое также имеет входной и выходной штуцеры. Для удобства очистки, по трубам течет то вещество, которое содержит твердые включения.
Кожухотрубные теплообменники могут располагаться в вертикальном или горизонтальном положении.
Преимущества:
- самый широкий диапазон применения по рабочим параметрам;
- самые низкие требования к чистоте воды;
- более высокая стойкость к гидроударам;
- относительная простота конструкции и дешевизна.
Недостатки:
- температурные деформации;
- относительно низкий коэффициент теплопередачи.
Элементные теплообменники
Эти теплообменники состоят из последовательно соединенных элементов – секций. Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубного аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме – противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлические сопротивления и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства.
Поверхность теплообмена одной секции применяемых элементных теплообменников составляет 0,75-30 м2, число трубок – от 4 до 140.
Простейшим видом секционного теплообменника является конструкция «труба в трубе». Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы.
Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами.
Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.
Преимущества:
- высокий коэффициент теплоотдачи;
- пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении;
- простота изготовления, монтажа и обслуживания.
Недостатки двухтрубного теплообменника:
- громоздкость,
- высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене,
- сложность очистки кольцевого пространства.
Витые теплообменники
Поверхность нагрева витых теплообменников компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках.
Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.
Преимущества:
- восприимчивы к высоким температурам и давлению;
- устойчивы к деформации.
Недостатки:
- низкая теплопередача.
Оросительные теплообменники
Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой.
Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи «калачей». Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов.
Оросительные теплообменники — довольно громоздкие аппараты; они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации.
Ребристые теплообменники
Многие химические установки генерируют большое количество вторичного тепла, которое не регенерируется в теплообменниках и не может быть повторно использовано в процессах. Данное тепло выводится в окружающую среду и поэтому существует необходимость минимизировать возможные последствия. Для этих целей применяют различные типы охладителей.
Конструкция охладителей с ребристыми трубами состоит из ряда ребристых труб, внутри которых течет охлаждаемая жидкость. Наличие ребер, т.е. ребристость конструкции, значительно увеличивает поверхность охладителя. Ребра охладителя обдувают вентиляторы.
Данный тип охладителей используется в случаях, когда отсутствует возможность забора воды для целей охлаждения: например на месте монтажа химических установок. Ребристые теплообменники применяются в аппаратах воздушного охлаждения при транспорте природного газа.
Спиральные теплообменники
В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных теплообменниках осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом предотвращается смешение теплоносителей, а в случае неплотности прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей.
Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко чистить каналы.
Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон («глухой» канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом «глухой» канал недоступен для механической очистки.
Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей.
Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.
Преимущества:
- компактность размеров;
- небольшое гидравлическое сопротивление;
- высокая интенсивность теплового обмена.
Недостатки:
- сложность изготовления;
- сервис и ремонт;
- неприемлемы для высоких давлений.
Пластинчатые теплообменники
В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.
Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены “в елку” (шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4-7 мм).
К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.
Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м2, число пластин – от 7 до 303.
В пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 150°С (с учетом свойств резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см2.
К достоинствам данного типа аппаратов принято относить интенсивность теплообменного процесса, компактность, а также возможность полного разбора агрегата с целью очистки. К недостаткам причисляют необходимость скрупулезной сборки для сохранения герметичности. Кроме того, минусами такой конструкции является склонность к коррозии материалов, из которых изготовлены прокладки и ограниченная тепловая стойкость.
В случаях, когда возможно загрязнение поверхности нагрева одним из теплоносителей, используют агрегаты, конструкция которых состоит из попарно сваренных пластин.
Если загрязнение нагреваемой поверхности исключено со стороны обоих теплоносителей, применяются сварные неразборные теплообменные аппараты.
Преимущества:
- малые площади, занимаемые теплообменным оборудованием;
- возможность работы при малых температурных напорах;
- медленный рост отложений;
- низкие потери давления (снижение расхода электроэнергии на электрические насосы);
- низкие трудозатраты (сроки) при ремонте и оборудовании.
Недостатки:
- сравнительно высокая себестоимость;
- узкий диапазон рабочих давлений и температур;
- дорогостоящее оборудование для обслуживания и ЗИП;
- квалифицированный обслуживающий персонал.
Эффективность и расчеты
Оценка эффективности теплообменного оборудования включает в себя различные аспекты, в зависимости от типа оборудования и конкретного процесса. Некоторые общие показатели и методы оценки включают:
Расчеты теплообменных процессов.
1. Расчет теплопередачи в трубчатых теплообменниках.
Расчет основывается на уравнении для теплового баланса и уравнении Ньютона для конвекции.
2. Расчет тепловой эффективности пластинчатых теплообменников.
Используются формулы, учитывающие коэффициент теплопередачи, площадь обмена и температурные перепады.
3. Расчет тепловых потоков в кожухотрубных теплообменниках.
Включает оценку коэффициентов теплопередачи внутри и вне трубы, а также теплового сопротивления материалов.
4. Расчет эффективности испарительно-конденсаторных устройств.
Имеет в виду учет процессов испарения и конденсации, включая уравнения, описывающие тепловой баланс фаз.
Эти расчеты могут быть более сложными в зависимости от конкретного теплообменного оборудования и условий процесса. Они часто включают параметры, такие как тепловые сопротивления, коэффициенты теплопередачи и температурные градиенты. При этом, точность расчетов важна для обеспечения эффективной работы теплообменного оборудования.
Инновации в области теплообмена
Нанотехнологии в теплообменных системах.
Описание. Использование наноматериалов для повышения теплоотдачи и улучшения эффективности теплообмена.
Пример. Нанотрубки, наночастицы и нанокомпозиты в качестве теплоносителей для улучшения теплопередачи.
Теплообмен в высокотемпературных и экстремальных условиях.
Описание. Разработка материалов и конструкций, устойчивых к высоким температурам и агрессивным средам.
Пример. Использование керамических материалов, сплавов высокой температуры и теплоизолирующих покрытий.
Теплообмен в микросистемах.
Описание. Применение теплообмена в микроустройствах и микросистемах для эффективного управления тепловыделением.
Пример. Микроканалы и микротеплообменники для электроники и микроэлектромеханических систем.
Использование искусственного интеллекта в оптимизации теплообмена.
Описание. Применение алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта для оптимизации работы теплообменных систем.
Пример. Автоматизированные системы управления, предсказывающие и регулирующие процессы теплообмена.
Теплообмен на основе фазовых переходов.
Описание. Использование фазовых переходов, таких как конденсация и испарение, для эффективного теплообмена.
Пример. Тепловые насосы с фазовыми переходами, испарительно-конденсаторные устройства.
Системы теплообмена с переменными свойствами.
Описание. Использование материалов или конструкций, изменяющих свои тепловые свойства в ответ на условия окружающей среды.
Пример. Интеллектуальные материалы, реагирующие на температуру или давление.
Применение 3D-печати в теплообмене.
Описание. Использование технологии 3D-печати для создания сложных структур и форм теплообменных поверхностей.
Пример. 3D-печать теплообменных элементов с уникальной геометрией для оптимизации теплопередачи.
Инновации в области теплообмена направлены на повышение эффективности, уменьшение энеопотребления и расширение областей применения теплообменного оборудования. Эти технологии играют важную роль в различных отраслях, от энергетики до электроники и промышленности.
Проблемы и перспективы развития
Проблемы, с которыми сталкиваются теплообменные системы:
· Потери энергии и эффективность;
· Коррозия и износ материалов;
· Загрязнение теплообменных поверхностей;
· Неоднородность потока и температурных полей;
· Ограниченные теплопередающие характеристики материалов.
Перспективы развития и улучшения теплообменного оборудования:
· Использование новых материалов;
· Интеграция нанотехнологий;
· Системы самоочищения;
· Улучшенное управление процессами;
· Модульность и гибкость систем;
· Энергоэффективные теплообменники;
· Применение экологически чистых теплоносителей.
Развитие теплообменного оборудования направлено на решение существующих проблем и повышение его эффективности, устойчивости и экологической безопасности. Внедрение инноваций позволяет создавать более эффективные и современные системы теплообмена.
Заключение
Для создания и поддержания температурного режима на технологических объектах в энергетике, в химической, металлургической, нефтегазовой, пищевой и других отраслях промышленности, необходимо осуществлять подвод или отвод тепловой энергии от рабочей среды. Эту функцию выполняет теплообменное оборудование.
Теплообменник – это устройство для передачи тепла от более нагретого теплоносителя (жидкого или газообразного) к более холодному. Теплообменники должны отвечать таким требованиям, как высокая тепловая производительность и экономичность в работе при обеспечении заданных технологических условий процесса, простота конструкции, компактность, удобство монтажа и ремонта, надежность в работе, техническое и эстетическое соответствие времени, соответствие требованиям охраны труда и техники безопасности, правилам Госгортехнадзора.
В статье приведена классификация типов теплообменных аппаратов, дан обзор конструктивных особенностей наиболее распространенных в технике кожухотрубных теплообменников, представлены сведения об использовании теплообменных аппаратов в нефтегазовой промышленности, приведены основные физические зависимости теплопередачи, применяемые в расчетах теплообменного оборудования.
Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею с друзьями или в соцсетях — возможно, именно они сейчас ищут такой материал.
Напишите в комментариях, что было самым полезным, а также ваши пожелания и вопросы — нам действительно важно ваше мнение.
Подпишитесь на обновления, чтобы не пропустить новые статьи.
А ваш лайк — как аплодисменты после хорошего выступления, они вдохновляют нас работать ещё лучше!