Глубокая утилизация теплоты уходящих дымовых газов

Виды теплообменников

Теплообменник – техническое устройство, осуществляющее теплообмен между двумя средами с разной температурой.

По принципу действия теплообменники делят на регенераторы и рекуператоры. В рекуператорах движущиеся теплоносители разделены стенкой. К этому виду относится большинство теплообменников различных конструкций. В регенеративных теплообменниках горячий и холодный теплоносители контактируют с одной и той же поверхностью поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным, как, например, в кауперах доменных печей.

Теплообменники применяются в технологических процессах атомной, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, химической, холодильной, газовой и других отраслях промышленности, в коммунальном хозяйстве и энергетике^.[23].

Основные виды рекуперативных теплообменников:

‒ Кожухотрубные теплообменники (рисунок 3.1). К корпусу, кожуху по торцам приварены трубные решётки, в которых закреплены пучки труб. Обычно трубы в решётках крепятся с уплотнением развальцовкой или каким-то другим способом в зависимости от материала труб и давления в аппарате. Трубные решётки закрываются крышками на прокладках и болтах или шпильках. На корпусе имеются патрубки, через которые один теплоноситель проходит через межтрубное пространство. Второй теплоноситель через патрубки на крышках проходит по трубам. В многоходовом аппарате в корпусе и крышках установлены перегородки для повышения скорости теплоносителей. Для увеличения теплоотдачи применяют оребрение теплообменных труб, которое выполняется или накаткой, или навивкой ленты.

Рисунок 3.1 – Кожухотрубный теплообменник:

1 – кожух, 2 – трубная решётка, 3 – трубки, 4 – сферическое днище,

5 – фланец, 6 – болт, 7 – лапа

 

‒ Элементные теплообменники. Каждый элемент такого устройства представляет собой простейший кожухотрубный теплообменник без перегородок. Такие аппараты допускают более высокое давление, но конструкция более громоздкая и тяжёлая, чем обычный кожухотрубный аппарат [24].

‒ Погружные теплообменники (рисунок 3.2). В погружном змеевиковом теплообменнике один теплоноситель движется по змеевику, погруженному в бак с другим теплоносителем. Скорость жидкости в межтрубном пространстве незначительна и, следовательно, теплоотдача от жидкости сравнительно невелика. Такие теплообменники находят применение благодаря своей простоте и дешевизне в небольших установках.

Рисунок 3.2 – Погружённый теплообменник

 

‒ Теплообменники типа «труба в трубе». Отдельные элементы соединены между собой патрубками и калачами, образуя цельный аппарат необходимого размера[24].

‒ Оросительные теплообменники. Такой тип теплообменников применяется в качестве конденсаторов в холодильных установок. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик из горизонтальных труб, размещённых в вертикальной плоскости в виде ряда параллельных секций. Над каждым рядом находится жёлоб, из которого струйками стекает охлаждающая вода на теплообменные тубы, омывая их наружную поверхность. При этом часть охлаждающей воды испаряется. Оставшаяся вода возвращается насосом, потери компенсируются из водопровода. Эти теплообменники устанавливаются на открытом воздухе и ограждаются решётками, чтобы уменьшить унос воды.

‒ Пластинчатые теплообменники. Состоят из набора пластин, в которых отштампованы волнистые поверхности и каналы для протока жидкости. Пластины уплотняются между собой резиновыми прокладками и стяжками. Такой теплообменник прост в изготовлении, легко модифицируется (добавляются или убираются пластины), его легко чистить, у него высокий коэффициент теплопередачи, но его нельзя применять при высоких давлениях [24].

‒ Оребрённо-пластинчатые теплообменники. Такой теплообменник состоит из тонкостенных оребрённых панелей, изготовленных методом высокочастотной сварки, соединённые поочерёдно с поворотом на 90 градусов. За счёт конструкции, а также многообразия используемых материалов достигаются высокие температуры теплоносителей, небольшие гидравлические сопротивления, высокие показатели отношения телепередающей площади к массе теплообменника, длительный срок службы, низкая стоимость и др. Часто используются для утилизации тепла отходящих газов.

‒ Теплообменники спиральные (рисунок 3.3). Аппарат представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки – керна, среды движутся по каналам. Одно из назначений спиральных теплообменников – нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей.

Рисунок 3.3 – Спиральный теплообменник:

1, 2 – металлические листы, 3 – перегородки, 4, 5 – крышки,

6 – фланец, 7 – дистанционная бобышка, 8, 11 – штуцеры, 12 – прокладка

 

Теплообменные аппараты состоят из разных материалов. Главные из них: сталь, чугун, алюминий, медь, латунь. При этом для оценки теплообменных свойств больший интерес к  изучению теплообменных свойств стальные и медные трубки [24].

Основные достоинства стальных теплообменниками: невысокая цена, пластичность, которая позволяет сохранить целостность трубок устройства при тепловом напряжении, которые приводят к образованию трещин в корпусе теплообменного аппарата.

К недостаткам стальных теплообменников относится их подверженность коррозии. В процессе работы котла коррозионному воздействию подвергаются как внутренняя, так и наружная поверхности теплообменника, вследствие чего может произойти его разрушение. Минусами стального теплообменника являются также его сравнительно большие вес и объём, из-за чего часть газа будет расходоваться на нагрев теплообменника и находящейся в нем воды, не вся теплота используется на нагрев теплоносителя.

Теплообменник из меди имеет устойчивость к коррозии, небольшой вес и объём (низкая инерционность), компактность. К недостаткам медных теплообменников принято относить низкую надёжность, на единицу его массы приходится значительно большее тепловое воздействие, чем у стального и, особенно, чугунного теплообменника. Именно поэтому в котлах старых конструкций теплообменник быстро разрушался. В современных котлах по мере нагрева воды мощность горелки уменьшается до 30 % (а у некоторых моделей и более), снижается и температурное воздействие на теплообменник, что продлевает срок его службы. Практика показывает: по долговечности медные теплообменники котлов, оснащённых необходимыми функциями, практически не уступают установкам из чугуна [33].

При постановке задачи технического расчёта теплообменного оборудования должны быть известны исходные данные теплоносителей (расход, начальная и конечная температура, физико-химические свойства). Недостающие величины определяют в ходе теплового расчёта.

Тепловой расчёт заключается в определении основных характеристик теплообменного оборудования, таких как: тепловая нагрузка, расход теплоносителей, средней разности температур теплоносителей, коэффициента теплопередачи. Вычисление данных параметров происходит из уравнения теплового баланса [34, 35].