Теплообменные аппараты и оборудование

Швейцарская производственно-инжиниринговая компания ENCE GmbH (ЭНЦЕ ГмбХ) образовалась в 1999 году, имеет 16 представительств и офисов в странах СНГ, предлагает оборудование и комплектующие с производственных площадок в Турции и Республике Корея, готова разработать и поставить по Вашему индивидуальному техническому заданию теплообменное оборудование и аппараты.

Теплообменники представляют собой аппараты, которые передают тепло от одних сред к другим, т.е. передают тепло от горячих теплоносителей к холодным. Существует разнообразие теплообменных аппаратов, которые классифицируются по функциональному и конструктивному признаку, а также по способу передачи тепла. Теплообменники широко используются в химической промышленности, где они применяются в следующих процессах:

нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях;
испарения жидкостей и конденсации паров;
перегонки и сублимации;
абсорбции и адсорбции;
расплавления твердых тел и кристаллизации;
отвода и подвода тепла при проведении определенных реакций.

Эффективность теплообменного аппарата, определяется количеством энергии Q, которое он передает за установленное время. Данный показатель, в свою очередь, зависит от таких параметров как: коэффициент проницаемости тепла k, площадь теплообменной поверхности A и средняя разность температур Δtm.

Коэффициент проницаемости тепла k напрямую зависит от конструкции теплообменника, типа материала из которого изготовлен аппарат, а также специфики протекания веществ в теплообменнике.

Накипь, корка соли, а также другие типы отложений на трубах отрицательно влияют на эффективность работы теплообменника. По этой причине, необходимо регулярно удалять отложения и предотвращать их образование.

Разность температур теплоносителей (t1-t2) является движущейся силой процесса теплообмена. Как правило, уровень температуры потоков веществ (или хотя бы одного из потоков) меняется по мере протекания по поверхности теплообмена, вследствие чего изменяется и разность температур от сечения к сечению Δt=t1-t2. Таким образом, уравнение теплопередачи должно быть написано применительно к общему случаю в дифференциальной форме для элемента поверхности dF/dQ=k·Δt·dF, откуда при K=const

где Δср - средняя разность температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена

Задача технологического расчета теплообменника заключается:

в определении необходимой поверхности теплообмена F при заданных водяных эквивалентах (W1 и W2) и температурах обоих теплоносителей (t'1, t"1, t'2, t"2);
либо в нахождении возможного теплового потока Q в аппарате с поверхностью F при заданных значениях остальных величин.

В обоих случаях необходимо знать величину средней разности температур.

Существует три принципиальных способов передачи тепла от одного теплоносителя к другому:

Теплопередача – заключается в переносе тепловой энергии при соприкосновении колеблющихся микрочастиц.
Излучение – это перенос энергии в виде электромагнитных волн, которые излучают тела.
Конвекция – осуществляется за счет перемещения и перемешивания частиц жидкости или газа.

В различных частях теплообменных аппаратов процесс теплообмена происходит по-разному и может сочетать все или несколько приведенных видов теплопередачи. Поэтому при расчете процесс теплопередачи рассматривают как единый.

Промышленные теплоносители можно разделить на следующие основные виды:

водяной пар;
топочные газы;
высококипящие промышленные теплоносители (органические, ионные, жидкометаллические);
неорганические.

Водяной пар широко применяется на предприятиях химической отрасли. Данный теплоноситель обладает высоким удельным теплосодержанием (скрытая теплота испарения при нормальном уровне давления составляет 2256,8 кДж/кг) и высоким коэффициентом теплоотдачи, при конденсации. Нагревание водяным паром становится экономически невыгодным для получения температур выше 200 °C. При высоких уровнях температур, аналогичными недостатками обладает вода, при этом еще уступая водяному пару по значению коэффициента теплоотдачи.

При использовании топочного газа, можно достигать высоких температур, посредством сжигания газообразных, жидких и твердых топлив. К недостаткам данного вида теплоносителя относится низкий уровень теплоотдачи. Как следствие, необходимы большие поверхности нагрева, что не позволяет тонко регулировать падение температуры.

Для работы с температурами более 200 °C используются высококипящие органические и неорганические теплоносители. Группа органических теплоносителей включает в себя циклические, ациклические и смешанные соединения с температурами кипения до 380-420 °C, ароматизированные, цилиндровые и компрессорные минеральные масла. По показателю коэффициента теплоотдачи, пары органических теплоносителей уступают водяному пару и сопоставимы с жидкими теплоносителями при условии скорости циркуляции около 3-4 м/с.

Органические теплоносители горючи и взрывоопасны, но не агрессивны к обычным конструкционным материалам (кроме хлорпроизводных соединений). Наиболее используемым органическим теплоносителем в промышленности является эвтектическая смесь дифенила и дифенилового эфира (40% установок).

Ионные теплоносители используют в жидком и парообразном состоянии. Теплоносители данного вида имеют высокие температуры плавления и кипения, поэтому их применение в промышленности ограниченно. По структурному признаку, ионные теплоносители разделяют на две группы:

соли и их эвтектические сплавы;
кремнийорганические соли.

В данное время наиболее широкое применение в промышленности получили ароматические эфиры и ортокремниевые кислоты.

В группу жидкометаллических теплоносителей входят металлы и их сплавы, которые используются в жидком и парообразном состоянии (редко). В связи с тем, что данные теплоносители наиболее термостойкие, они характеризуются повышенной агрессивностью к материалам конструкций, поэтому максимум температур жидкометаллических теплоносителей ограничивается их коррозийным действием.

Такие теплоносители токсичны в парообразном состоянии, взрывоопасны в смеси с воздухом, а также интенсивно окисляются при рабочих температурах.

Выбор теплоносителя зависит от следующих факторов:

требуемой рабочей температуры;
плотности;
вязкости;
удельной теплоемкости;
коэффициента теплопроводности.

На практике существует четыре схемы движения теплоносителей:

прямоток – параллельное движение в одном направлении;
противоток – параллельное движение на встречу;
перекрестный ток – движение в перпендикулярном направлении;
смешанные токи – 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.

Теплообменное оборудование широко используется в промышленности для нагрева и охлаждения технологических потоков. Для нагрева более холодного потока используют теплоноситель, который называется нагревающий агент. Для охлаждения более горячего потока используют теплоноситель, который называется охлаждающий агент.

Нагревающий агент является промежуточным звеном в процессе нагрева, он получает тепло от прямых источников тепловой энергии (топочные газы и электроэнергия) и передает ее технологическому потоку. При нагреве технологических потоков в промышленных теплообменных аппаратах широкое применение получили разнообразные газовые и жидкие нагревающие агенты, такие как:

водяной пар;
горячая вода;
высокотемпературные жидкости (органические и неорганические).

Водяной пар наиболее применим в промышленных процессах теплообмена. Он обладает высоким коэффициентом теплоотдачи при конденсации и удельным теплосодержанием. Также к его важным достоинствам относят пожаровзрывобезопасность и способность регулирования обогрева. Температура нагрева паром ограничена

200 °C, это связано со значительным повышением давления при увеличении температуры, что ведет к усложнению и удорожанию аппаратурного оформления. Похожими недостатками обладает вода.

Для осуществления нагрева от 200 до 400 °C применяют высокотемпературные жидкости, включающие в себя органические и неорганические вещества. К органическим теплоносителям относят такие вещества как глицерин, дифенильные смеси, нафталин и его производные, цилиндровые и минеральные масла. Коэффициент теплоотдачи у органических соединений ниже, чем у водяного пара. Органические соединения не оказывают корродирующего воздействия на конструкционные материал. К отрицательным характеристикам таких теплоносителей относят их горючесть и взрывоопасность.

В качестве неорганических теплоносителей применяют металлы, преимущественно в жидком состоянии, и некоторые расплавы солей. Металлы являются наиболее термостойкими теплоносителями. Основными недостатками считаются высокая корродирующая способность при максимальных температурах и токсичность паров, поэтому их применение определяется стойкостью конструкционных материалов.

Расплавы солей имеют высокую температуру плавления, что ограничивает их применение в промышленности.

Топочные газы применяются для нагрева до экстремально высоких температур 1000°C. К недостаткам данного теплоносителя относят низкий коэффициент теплоотдачи и загрязнение поверхности продуктами неполного сгорания топлива, ведущие соответственно к увеличению поверхности теплообмена и сложности регулирования температуры.

Обогрев с помощью электричества можно осуществлять в широком диапазоне температур с точным регулированием, но при этом он экономически не выгоден, так как имеет высокую стоимость.

Выбор теплоносителя обусловлен конкретными условиями проводимого технологического процесса и, прежде всего, зависит от требуемой температуры нагревания или охлаждения и необходимостью её регулирования. Для осуществления заданного температурного режима и обеспечения надежной эксплуатации теплоноситель должен соответствовать ряду требований:

Обеспечение высокой интенсивности теплоотдачи;
Физико-химические свойства: низкое значение вязкости и высокие значения теплоемкости, теплоты парообразования, плотности;
Низкие корродирующие свойства;
Не токсичность;
Термостойкость;
Экономические показатели: доступность и не высокая стоимость;
Пожаровзрывобезопасность.

Охлаждающие агенты используются для снятия избыточной тепловой энергии с технологических потоков и аппаратов, в зависимости от применения. Для охлаждения до температур ≈10-30 °C применяются наиболее распространенные и дешевые теплоносители вода и воздух. При необходимости охлаждения до более низких температур применяют низкотемпературные жидкости.

Охлаждение водой предусматривает использование поверхностных теплообменников и реже теплообменников смешения. При использовании водяного охлаждения необходимо учитывать следующие аспекты:

начальная температура воды (для расчетов принимается температура с наиболее высоким показателем в летний период)
конечная температура воды (на выходе из теплообменника температура воды не должна превышать 50 °C, так как при более высоких температурах начинается интенсивное испарение воды, ведущее к увеличению расхода и отложению растворенных солей на поверхности теплообмена).

В отличие от водяного, воздушное охлаждение чаще применяется в теплообменниках смешения. В первую очередь это связано с тем, что воздух имеет низкий коэффициент теплоотдачи, из-за чего требуется значительное увеличение поверхности теплообмена и расхода потребляемого воздуха. Но не смотря на это, воздушное охлаждение обладает рядом преимуществ, которые влияют на увеличение срока службы аппарата (не оказывает корродирующего действия и не загрязняет поверхность теплообмена).

Охлаждение до температур ниже 0 °C осуществляется низкотемпературными жидкостями, такими как: фреон, аммиак, диоксид углерода и холодильные рассолы солей. Для этого предусмотрены специальные холодильные установки, работающие по замкнутому циклу.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎