Теплообменные и тепломассообменные аппараты

Понятия, определения и классификация промышленного оборудования

ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И УСТАНОВОК

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ

I – СЕМЕСТР

Глава первая

Все тепломассообменные процессы и установки разделяют на высо­котемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные и крио­генные. К высокотемпературным относят огнетехнические процессы и, установки, в частности промышленные печи. Им соответствуют рабочие температуры в пределах 400–2000 °С. Рабочий диапазон среднетемпературных процессов и установок, например выпарки, ректификации, сушки, находится, как правило, в пределах 150–700 °С; низкотемпера­турных систем (отопительные, вентиляционные, кондиционеры, тепло-насосные и холодильные установки) –от –150 до +l50°C. Процессы с более низкими температурами называют криогенными (например, разделение воздуха).

К наиболее распространенным процессам относят; нагревание, ох­лаждение, конденсацию, выпаривание, сушку, дистилляцию, ректифи­кацию, плавление, кристаллизацию, затвердевание. Некоторые из них часто сопровождаются не только тепло-, но и массообменом (сорбцией, диффузией и др.).

Основными элементами тепломассообменных установок являются теплообменные и тепломассообменные аппараты, камеры и другие уст­ройства.

Теплообменный аппарат (теплообменник) – устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами.

Устройства, в которых между двумя или несколькими средами про­исходит массообмен, называют массорбменными аппаратами.

Аппараты, в которых одновременно протекают тепло- и массообмен, называют тепломассообменными. Перенос теплоты в них может осу­ществляться конвекцией, кондукцией, лучеиспусканием, при наличии фазовых и химических превращений газообразных, жидких и твердых веществ. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяе­мые для передачи теплоты от более нагретых тел и веществ к менее нагретым, называют теплоносителями.

Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу дей­ствия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим признакам.

В зависимости от назначения теплообменные аппараты называют подогревателями, испарителями, паропреобразователями, конденсато­рами, Холодильниками, радиаторами и т. д. К тепломассообдоенным ап­паратам и устройствам относят, например, скрубберы, применяемые для осушки, увлажнения и очистки воздуха от пыли и вредных паров и газов, ректификационные колонны, абсорберы абсорбционных холо­дильных установок, сушильные камерой, градирни для охлаждения во­ды и т. д. В отдельную группу выделяют химические реакторы, т. е. аппараты, в которых протекают химические реакции, сопровождающи­еся тепломассообменными процессами.

Рис. 1.1. Принципиальные схемы рекуперативных и регенеративных поверхностных и контактных теплообменников:

а – рекуперативного непрерывного действия; б – рекуперативного периодического действия; в– регенеративного периодического действия; г – регенеративного непрерывного действия; д – теплотрубного; е - спромежуточным сыпучим теплоносителем; I' и I" – вход и выход греющего теплоносителя; II' и II" – вход и выход нагреваемого теплоносителя; 1,3 – неподвижная и вра­щающаяся насадки; 2 – шибер для переключения направления потоков; 4 – твердый сыпучий теплоноситель; 5 – устройство для его транспортировка

По принципу действия различают поверхностные и контактные аппараты. В поверхностных теплообменниках теплота от среды с более высокой температурой передается твердой стенке (насадке), а от нее – более холодной среде. В контактных аппаратах теплообмен осу­ществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителей и, как правило, сопровождается переносом массы. Из других контактных теплообменников выделяют смесительные, в которых происходит частичное или полное перемешивание потоков теплоносителей.

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

Поверхностные теплообменные аппараты делят на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их стенку. В регенеративных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагре­ва (насадки) (рис. 1.1). Во время соприкосновения с греющим тепло­носителем стенка (насадка) нагревается, т. е. аккумулирует теплоту, а во время соприкосновения с нагреваемым теплоносителем отдает ему теплоту и охлаждается.

Рекуперативные аппараты работают или в периодическом, или в стационарном тепловом режиме. Аппараты периодического действия представляют собой обычно сосуды большой вместимости, которые че­рез определенные промежутки времени заполняют 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 выходе из него. Изменение 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 (рис. 1.1,в). 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 (рис. 1.1,г).

Развитие техники и технологии привело к созданию теплообменни­ков, в которых теплота передается от греющего теплоносителя к на­греваемому с помощью промежуточного теплоносителя (рис. 1.1 д e). К аппаратам с промежуточным теплоносителем, в частности, относятся теплотрубные теплообменники (рис. 1.1д), 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 герметичные трубы, часть наружной поверхности которых поме­щена в нагретую среду или омывается ею, а другая их часть омывает­ся охлаждающей средой. На рис. 1.1,е показаны теплообменные аппараты с промежуточным твердым сыпучим теплоносителем, не меняю­щим агрегатного состояния. Условия работы промежуточного теплоно­сителя во многом совпадают с условиями работы вращающихся по­верхностей нагрева регенеративных теплообменников непрерывного действия.

Если участвующие в тепломассообмене горячая и холодная среды перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направ­лении, тепломассообменный аппарат называют прямоточным, при встречном движении теплоносителей и сред – противоточным, а при перекрестном движении – перекрестноточным. Перечисленные схемы движения теплоносителей и сред в аппаратах называют простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из потоков по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей и сред.

Путь, пройденный теплоносителем в тепломассообменном аппарате без изменения направления движения, называют ходом. Тепломассообменные аппараты, в которых какой-либо из потоков меняет направ­ление 1, 2, 3, ..., п раз, называют соответственно двух-, трех-, четырех- и (n+1) -ходовыми аппаратами по данному теплоносителю или среде.

Если обмен теплотой и массой в аппарате происходит между двумя потоками, то его называют двухпоточным, при трех потоках – трехпоточным и т. д.