Теплообменные аппараты – классификация

Теплопередача

Тепловые процессы:

по способу: теплопроводность, конвекция, излучение

по назначению: нагрев, охл, выпарив, конд, плавл, крист.

Теплообменные аппараты – классификация

Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, виду теплоносителей, движению сред, конструкции

По НАЗНАЧЕНИЮ теплообменные аппараты называют подогревателями, испарителями, парогенераторами, конденсаторами, холодильниками, радиаторами выпарные аппараты, концентраторы, пастеризаторы, деаэраторы, экономайзеры и т.д. К тепломассообменным аппаратам и устройствам относят, например, скрубберы, применяемые для осушки, увлажнения и очистки воздуха от пыли и вредных паров и газов, рекрификационные колонны, абсорберы абсорбционных холодильных установок, сушильные камеры, градирни для охлаждения воды и т.д. В отдельную группу выделяют химические реакторы, т.е. аппараты в которых

протекают химические реакции, сопровождающиеся тепломассообменными процессами.

По ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ различают контактные и поверхностные аппараты.

В контактных (смесительных) аппаратах теплообмен осуществляется путем непосредственного соприкосновения и смешения горячей и холодной жидкостей. Эти аппараты применяются главным

образом для охлаждения и нагревания газов водой или охлаждения воды воздухом. Здесь теплообмен сопровождается массообменном, который

заключается либо в испарении воды в газ, либо, наоборот, - в конденсации влаги из газа. Одним из основных факторов, опредедяющих интенсивность процесса в смесительных аппаратах, является величина поверхностного соприкосновения теплоносителей. Для увеличения этой поверхности поступающая в аппарат жидкость распыляется на мелкие капли с помощью специальных форсунок. Примером смесительных аппаратов являются скрубберы, градирни, струйные теплообменники.

В поверхостных теплообменниках теплота от среды с более высокой температурой передается твердой стенке (насадке), а от нее – более холодной среде.

Поверхность твердой стенки или границы раздела контактирующих сред через которую осуществляется теплообмен, называется поверхность теплообмена или поверхностью нагрева, а если теплообмен сопровождается передачей массы,- поверхностью тепломассообмена.

Поверхностные теплообменники делят на регенеративные и рекуперативные.

В регенеративных теплота горячих газов сначала

аккумулируеться на теплоемкой насадке (кирпичах, керамической сыпучей массе, металических листах, шарах и др.), а затем передается нагреваемому газу (воздуху) путем его продувания через горячую насадку.

В рекуперативных аппаратах теплота от горячего теплоносителя передается холодному через разделяющую их стенку.Примером таких

аппаратов являются паровые котлы, подогреватели, конденсаторы и др

По режиму работы – периодическом, или в непрерывном, или в стационарном тепловом режиме. Аппараты периодического действия представляют собой обычно сосуды большой вместимости, которые через определенные промежутки времени заполняются обрабатываемым материалом или одним из теплоносителей, нагревают или охлаждают его и затем удаляют (выгружают). В стационарном режиме работают, как правило, аппараты непрерывного действия. При этом в них поддерживают постоянные во времени расходы, концентрации, температуры сред на входе в аппарат и на выходе из него. Измерение расходов теплоносителей и их параметров в аппаратах непрерывного действия имеет место при их включении и выключении из работы и при переходе с одного стационарного режима на другой.

Регенеративные теплообменные аппараты тоже могут работать в периодическом и непрерывном режимах. В аппаратах периодического действия горячий и холодный теплоносители поочередно контактируют с неподвижной насадкой. В регенеративных теплообменниках непрерывного действия потоки теплоносителей разделены подвижной, например, вращающейся, поверхностью нагрева (насадкой), различные части которой попеременно контактируют то с греющим, то с нагреваемым теплоносителем.

Развитие техники и технологии привело к созданию теплообменников, в которых теплота передается от греющего теплоносителя к нагреваемому через промежуточного теплоносителя. К аппаратам с промежуточным теплоносителем, в частности, относятся теплотрубные теплообменники, в которых теплота от нагретых сред и тел передается холодным в процессе циркуляции попеременно испаряющегося в области высоких температур и конденсирующегося в холодной области промежуточного теплоносителя, заключенного в герметические трубы, часть наружной поверхности которых помещена в нагретую среду или омывается ею, а другая их часть омывается охлаждающей средой. Условия работы промежуточного теплоносителя во многом совпадают с условиями работы вращающихся поверхностей нагрева регенеративных теплообменников непрерывного действия.

По ВИДУ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ – газообразные, жидкие и твердые среды.

а) жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

б) парожидкостные - при теплообмене между паром и жид­костью (паровые подогреватели, конденсаторы);

в) газожидкостные - при теплообмене между газом и жид­костью (холодильники для воздуха) и др.

В качестве теплоносителя наиболее широко применяются насыщенный или слегка перегретый водяной пар. В смесительных аппаратах пар обычно барботируют в жидкость (впускают под уровень жидкости); при этом конденсат пара смешивается с продуктом, что не всегда допустимо. В поверхностных аппара­тах пар конденсируется на поверхности нагрева и конденсат удаляется отдельно от продукта с помощью водоотводчиков. Водяной пар как теплоноситель обладает множеством преиму­ществ: легкостью транспортирования по трубам и регулирова­ния температуры, высокой интенсивностью теплоотдачи и др. Применение пара особенно выгодно при использовании принципа многократного испарения, когда выпариваемая из продукт вода направляется в виде греющего пара в другие выпарные аппараты и подогреватели.

Обогрев горячей водой и жидкостями также имеет широкое применение и выгоден при вторичном использовании тепла конденсатов и жидкостей (продуктов), которые но ходу технологи­ческого процесса нагреваются до высокой температуры. В срав­нении с паром жидкостный подогрев менее интенсивен и отли­чается переменной, снижающейся температурой теплоносителя. Однако регулирование процесса и транспорт жидкостей так же удобны, как и при паровом обогреве.

Общим недостатком парового и водяного обогрева является быстрый рост давления с повышением температуры. В услови­ях технологической аппаратуры пищевых производств при паро­вом и водяном обогреве наивысшие температуры ограничены 150-160 С, что соответствует давлению (5-7) 10⁵ Па.

В отдельных случаях (в консервной промышленности) применяется масляный обогрев, который позволяет при атмосфер­ном давлении достигнуть температур до 200°С.

Широко применяется обогрев горячими газами и воздухом (до 300—1000°С) в печах, сушильных установках. Газовый обо­грев отличается рядом недостатков: трудностью регулирования и транспортирования теплоносителя, малой интенсивностью теп­лообмена, загрязнением поверхности аппаратуры (при исполь­зовании топочных газов) и др. Однако в ряде случаев он явля­ется единственно возможным (например, в воздушных сушилках).

В холодильной технике используется ряд хладагентов: воздух, вода, рассолы, аммиак, углекислота, фреон и др.

При любом использовании теплоносителей и хладагентов тепловые и массообменные процессы подчинены основному технологическому процессу производства, ради которого создаются теплообменные аппараты и установки. Поэтому решение задач оптимизации теплообмена подчинено условиям рационального технологического процесса.

По ДВИЖЕНИЮ СРЕД в теплообменном аппарате осуществляется по трем основным схемам: прямотока, противотока и перекрестного тока. В схеме прямотока горячая и холодная жидкости движутся параллельно в одном направлении, а в схемах противо тока в противоположных. В схеме перекрестного тока направление движения одного теплоносителя перпендикулярно другому. На практике встречаются и более сложные схемы, включающие различные комбинации основных.

По КОНСТРУКЦИИ

Первые технические теплообменные аппараты представляли собой варочные котлы с огневым или дымовым обогревом. Позднее стали применять рубашечные (цилиндр в цилиндре) теплообменные аппараты, т.е. теплообменные аппараты, т.е. теплообменники с двойными стенками, в пространстве между которыми проходит греющий теплоноситель – пар или горячая вода. Необходимость интенсификации теплообмена привела к созданию аппаратов с поверхностями нагрева змеевикового типа и с погружными змеевиковыми поверхностями. Рубашечные и змеевиковые аппараты применяется и в настоящее время. Однако периодический характер действий, низкая производительность, сложность регулирования тепловых процессов и чистки поверхностей ограничивают область их применения.

Значительно чаще используют теплообменные аппараты непрерывного действия. Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники. Они предназначены для работы с теплоносителями жидкость – жидкость, пар –жидкость, газ – жидкость, газ – газ и представляют собой аппараты, выполненные из рядов труб, собранных при помощи решеток в пучок и заключенных в кожух обычно цилиндрической формы. Концы труб для обеспечения плотности их соединения с трубными решетками (досками) развальцовывают, реже припаивают или приваривают к трубным решеткам. Возможно также их закрепление с помощью сальниковых уплотнений.