Основы теплообменника

Определение теплообменника

  Теплообменник — это устройство, передающее часть тепла горячей жидкости холодной жидкости, то есть большой закрытый контейнер, наполненный водой или другой средой, через который проходят трубы.Пусть горячая вода течет по трубам.

За счет разницы температур воды в трубе и горячей и холодной воды в емкости произойдет теплообмен.Для теплового баланса физики младших классов средней школы высокотемпературное тепло всегда переносится к низкой температуре, так что тепло воды в трубе может быть обменено на холодную воду в контейнере.Обогреватель пустыни.

Классификация и строение теплообменников

Теплообменники можно разделить на:

Охладитель, конденсатор, нагреватель, теплообменник, ребойлер, парогенератор, котел-утилизатор (или утилизатор тепла).

По способу теплообмена его можно разделить на:

Теплообменники с прямым контактом (также называемые гибридными теплообменниками), регенеративные теплообменники и теплообменники с перегородками.

Ниже представлены в основном теплообменники, классифицированные по методам теплообмена:

1) Прямоконтактный теплообменник

В теплообменниках прямого контакта используется прямой контакт между холодными и горячими жидкостями для передачи тепла.Этот метод теплопередачи позволяет избежать загрязнения и термического сопротивления на теплообменной перегородке и с обеих сторон.Пока контакт между жидкостями хороший, скорость теплопередачи будет выше.

Таким образом, гибридные теплообменники могут использоваться везде, где допускается смешивание жидкостей друг с другом, например, при промывке и охлаждении газа, охлаждении оборотной воды, нагреве пароводяной смеси, конденсации пара и т. д. Его применение распространяется на химические и металлургические предприятия, энергетику. , кондиционирование воздуха и многие другие отрасли производства.

К широко используемым гибридным теплообменникам относятся: градирни, газоочистители, струйные теплообменники и гибридные конденсаторы.

2) Регенеративный теплообменник

Регенеративный теплообменник – это устройство, предназначенное для регенеративного теплообмена.Он наполнен твердым наполнителем для сохранения тепла.

Обычно пожарную решетку сооружают из огнеупорного кирпича (иногда используют металлические гофрированные ленты и т.п.).

Теплообмен происходит в два этапа.

На первом этапе горячий газ проходит через пожарную решетку, передает тепло пожарной сети и сохраняет его.

На втором этапе холодный газ проходит через пожарную решетку и нагревается за счет тепла, накопленного в пожарной решетке.

Эти две фазы происходят попеременно.Обычно два регенератора используются поочередно, то есть когда горячий газ поступает в один аппарат, холодный газ поступает в другой.Его часто используют в металлургической промышленности, например, в регенераторе мартеновских печей.

Он также используется в химической промышленности, например, в воздухоподогревателях или камерах сгорания в газовых печах, а также в печах регенеративного крекинга на заводах по производству искусственной нефти.

3) Теплообменник перегородки

В теплообменнике этого типа горячая и холодная жидкости разделены металлом, поэтому две жидкости не смешиваются и не передают тепло.

В химическом производстве горячие и холодные жидкости часто не могут вступать в прямой контакт, поэтому теплообменник с разделительной стенкой является наиболее часто используемым теплообменником.

Ниже в основном представлена ​​классификация теплообменников с разделительной перегородкой:

а) Теплообменник с рубашкой

Этот тип теплообменника изготавливается путем установки рубашки на внешнюю стенку контейнера и имеет простую конструкцию;однако его поверхность нагрева ограничена стенкой контейнера, а коэффициент теплопередачи невысок.

Чтобы улучшить коэффициент теплопередачи и равномерно нагреть жидкость в чайнике, в чайник можно установить мешалку.

Когда в рубашку вводится охлаждающая вода или теплоноситель без фазового перехода, в рубашке также могут быть установлены спиральные перегородки или другие меры по увеличению турбулентности для увеличения коэффициента теплопередачи на одной стороне рубашки.

Чтобы компенсировать отсутствие поверхности теплопередачи, внутри котла также можно установить спиральные трубки.

Теплообменники с рубашкой широко используются для нагрева и охлаждения реакционных процессов.

б) Змеевидный трубчатый теплообменник

Змеевиковый трубчатый теплообменник далее подразделяется на погружной спиральный трубчатый теплообменник и напыленный спиральный трубчатый теплообменник.

Змеиные трубки в основном состоят из металлических трубок, изогнутых в различные формы, подходящие для контейнера, и погружаются в жидкость в контейнере.

Его преимущества: простая конструкция, выдерживает высокое давление, изготавливается из коррозионностойких материалов.

Недостатки: Турбулентность жидкости в контейнере низкая, коэффициент теплопередачи вне трубки мал.

Закрепите теплообменные трубки рядами на стальной раме.

По трубке течет горячая жидкость, а охлаждающая вода равномерно разливается по устройству.

Преимущества: Горячая жидкость течет по трубке, а охлаждающая вода равномерно льется над устройством.Коэффициент теплопередачи большой, поэтому эффект теплопередачи у распылительного теплообменника лучше, чем у теплообменника с погружным змеевиком.

Однако его необходимо разместить на открытом воздухе.Он занимает большую площадь и вода легко разбрызгивается в окружающую среду, что делает его неудобным в использовании.

в) Теплообменник с рубашкой

Потому что скорость потока жидкости внутри трубки и снаружи трубки больше.Холодные и горячие жидкости могут течь в чистом противотоке, поэтому их коэффициент теплопередачи велик, а эффект теплопередачи хороший.Обычно используемый водяной обогрев представляет собой простой теплообменник рукавного типа.

г) Кожухотрубный теплообменник.

Кожухотрубные теплообменники являются наиболее типичными теплообменниками с перегородками.Они имеют длительную историю применения в промышленности и до сих пор занимают доминирующее положение среди всех теплообменников.

Кожухотрубный теплообменник в основном состоит из корпуса, пучка труб, трубной пластины и головки.Обечайка преимущественно круглая, внутри расположены параллельные пучки труб, причем оба конца пучка труб закреплены на трубной решетке.

В кожухотрубном теплообменнике существует два типа жидкостей, которые обмениваются теплом: одна течет внутри трубки, а ее ход называется трубчатым;другой течет вне трубки, и его ход называется стороной оболочки.Поверхность стенки пучка труб является поверхностью теплопередачи.

Для улучшения коэффициента теплопередачи жидкости вне трубы в оболочке обычно устанавливают определенное количество поперечных перегородок.

Перегородки не только предотвращают короткое замыкание жидкости и увеличивают скорость жидкости, но также заставляют жидкость несколько раз пересекать пучок труб по заданному пути, значительно увеличивая степень турбулентности.Обычно используются две перегородки: круглая и дискообразная (как показано на рисунке ниже).Первый вариант используется более широко.

Каждый раз, когда жидкость проходит через пучок труб в трубе, называется проходом трубки, а каждый раз, когда жидкость проходит через оболочку, называется проходом оболочки.

С целью увеличения скорости движения жидкости в трубе в головках с обоих концов могут быть установлены соответствующие перегородки, позволяющие равномерно разделить все трубы на несколько групп.

Таким образом, жидкость может проходить только через часть трубок и возвращаться в пучок трубок несколько раз за раз, что называется многотрубным проходом.

Аналогичным образом, чтобы увеличить скорость потока вне трубы, в оболочке могут быть установлены продольные перегородки, позволяющие жидкости проходить через пространство оболочки несколько раз, что называется многооболочным проходом.

В кожухотрубном теплообменнике из-за разной температуры жидкости внутри и снаружи трубки температуры кожуха и трубного пучка также различны.Если разница температур между ними велика, внутри теплообменника возникнет большая термическая нагрузка, которая может привести к изгибу, поломке или отсоединению трубок от трубной решетки.

Поэтому, когда разница температур между пучком труб и кожухом превышает 50°C, следует принять соответствующие меры по компенсации разницы температур для устранения или уменьшения термического напряжения.

Метод компенсации:

Прикрепите к корпусу расширительное кольцо или используйте U-образный трубчатый теплообменник и теплообменник с плавающей головкой.

➪ Несъемный трубчатый пластинчатый теплообменник

Когда разница температур между горячей и холодной жидкостью невелика, можно использовать теплообменник с фиксированной трубчатой ​​пластиной.

Он имеет простую конструкцию и низкую стоимость, но его сложно чистить, и он не подходит для жидкостей, склонных к образованию накипи, и жидкостей с большими перепадами температур.

Если разница температур не очень велика, можно использовать теплообменник с фиксированной трубчатой ​​пластиной и компенсационным кольцом.

д) Пластинчатый теплообменник

Пластинчатый теплообменник состоит из набора тонких металлических теплообменных пластин прямоугольной формы, которые скреплены и собраны на кронштейне с рамой.

Края двух соседних пластин облицованы прокладками (из различных резин или прессованного асбеста и т.п.) для сжатия.В четырех углах пластин имеются круглые отверстия для образования каналов для жидкости.

Разница между пластинчатым теплообменником и кожухотрубным теплообменником:

а.Высокий коэффициент теплопередачи

Поскольку разные гофрированные пластины перевернуты друг с другом, образуя сложный канал потока, жидкость течет вращающимся трехмерным образом в канале потока между гофрированными пластинами, что может создавать турбулентный поток при низком числе Рейнольдса (обычно Re = 50). ~200), поэтому коэффициент теплопередачи высокий, обычно считается, что он в 3–5 раз выше, чем у кожухотрубного типа.

б.Средняя логарифмическая разница температур велика, а конечная разница температур мала.

В кожухотрубном теплообменнике две жидкости текут со стороны трубы и со стороны кожуха соответственно.Вообще говоря, поток является поперечным, и средний логарифмический коэффициент коррекции разницы температур невелик.Однако пластинчатый теплообменник чаще всего имеет режим прямоточного или противоточного потока., а его поправочный коэффициент обычно составляет около 0,95.Кроме того, поток холодных и горячих жидкостей в пластинчатом теплообменнике параллелен поверхности теплообмена и боковой поток отсутствует.Таким образом, разница температур на конце пластинчатого теплообменника невелика, а теплообмен с водой может быть ниже 1 ℃, тогда как в кожухотрубных теплообменниках обычно 5 ℃.

в.Маленький след

Пластинчатый теплообменник имеет компактную конструкцию, а площадь теплообмена на единицу объема в 2–5 раз превышает площадь теплообменника кожухотрубного типа.В отличие от кожухотрубного теплообменника, который требует зарезервированного пространства для обслуживания для извлечения пучка труб, пластинчатый теплообменник может обеспечить такую ​​же теплопередачу.Площадь, занимаемая теплообменником, составляет около 1/5–1/8 площади кожухотрубного теплообменника.

д.Легко изменить зону теплообмена или комбинацию процессов.

При добавлении или удалении нескольких пластин площадь теплообмена можно увеличить или уменьшить;изменив расположение пластин или заменив несколько пластин, можно достичь требуемой технологической комбинации и адаптировать ее к новым условиям теплообмена.Увеличить площадь теплопередачи кожухообразных теплообменников практически невозможно.

е. Легкий вес

Толщина пластин пластинчатого теплообменника составляет всего 0,4–0,8 мм, тогда как толщина теплообменных трубок кожухотрубного теплообменника составляет 2,0–2,5 мм.Корпус кожухотрубного типа значительно тяжелее каркаса пластинчатого теплообменника.Пластинчатые теплообменники обычно составляют лишь около 1/5 веса кожухотрубных теплообменников.

ф.Низкая цена

При использовании тех же материалов и той же площади теплообмена цена пластинчатых теплообменников примерно на 40–60 % ниже, чем цена кожухотрубных теплообменников.

г.Легко сделать

Пластины теплопередачи пластинчатых теплообменников штампуются и обрабатываются с высокой степенью стандартизации и могут производиться в больших количествах.Кожухотрубные теплообменники обычно изготавливаются вручную.

часЛегко очистить

Пока стяжные болты пластинчатого теплообменника рамного типа ослаблены, пучки пластин можно ослабить и снять пластины для механической очистки.Это очень удобно для процесса теплообмена, требующего частой чистки оборудования.

я.Небольшие потери тепла

В пластинчатых теплообменниках воздействию атмосферы подвергается только оболочка пластины теплопередачи, поэтому потери тепла при рассеянии незначительны и никаких мер по изоляции не требуется.Кожухотрубные теплообменники имеют большие теплопотери и требуют теплоизоляции.

Дж.Малая емкость

Это 10–20% кожухотрубного теплообменника.я.Потеря давления на единицу длины велика.Поскольку зазор между поверхностями теплопередачи невелик, а поверхности теплопередачи вогнуты и выпуклы, потери давления больше, чем у традиционных гладких трубок.

к.Не легко масштабировать

Из-за достаточной внутренней турбулентности его нелегко масштабировать, и его коэффициент масштабирования составляет всего 1/3 ~ 1/10 k от коэффициента масштабирования кожухотрубного теплообменника.Рабочее давление не должно быть слишком большим, а температура среды не должна быть слишком высокой, так как это может привести к утечке пластинчатого теплообменника.Теплообменник герметизирован прокладкой, рабочее давление обычно не должно превышать 2,5 МПа, а температура среды должна быть ниже 250°C, в противном случае может возникнуть утечка.

l.Легко блокируется

Поскольку каналы между пластинами очень узкие, обычно всего 2–5 мм, когда теплообменная среда содержит более крупные частицы или волокнистые вещества, каналы между пластинами легко заблокировать.