Классификация теплообменных аппаратов по способу передачи тепла

Классификация теплообменных аппаратов

Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны. Эти аппараты применяют для рабочих сред
с различным агрегатным состоянием и структурой (газ, пар, капельная жидкость, эмульсия и т.д.) в широком диапазоне температур, давлений и физико-химических свойств.

Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых разных конструкций и типов, причем для аппаратов каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена (от нескольких квадратных метров до тысяч в одном аппарате). В размерном ряду теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат.

Строгой классификации теплообменных аппаратов не существует. Применительно к нефтеперерабатывающей промышленности теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим основным признакам [1, 2, 6, 8].

ТОА

поверхностные теплообменные аппараты

аппараты смешения

изготовленные из труб

изготовленные из листового проката

изготовленные из неметаллических материалов

кожухотрубчатые

типа «труба в трубе»

змеевиковые

погружные

аппараты воздушного охлаждения

пластинчатые

спиральные

градирни

Рисунок 2.41 – Классификация теплообменных аппаратов в зависимости от способа передачи тепла

А) В зависимости от способа передачи тепла аппараты делятся на следующие группы (рисунок 2.41):

· Поверхностные теплообменные аппараты, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами осуществляется через поверхность, разделяющую эти среды.

Данную группу ТОА можно в свою очередь классифицировать по конструкции:

– аппараты, изготовленные из труб ( кожухотрубчатые ТОА (рисунок 2.42), типа «труба в трубе» (рисунок 2.43), аппараты воздушного охлаждения (рисунок 2.44), погружные (рисунок 2.45), змеевиковые и т.д);

– аппараты, поверхность теплообмена которых изготовлена из листового проката (пластинчатые (рисунок 2.46), спиральные и т.д.);

Рисунок 2.42 – Кожухотрубчатый ТОА	Рисунок 2.43 – ТОА типа «труба в трубе»
Рисунок 2.44 – Аппарат воздушного охлаждения	Рисунок 2.45 – Погружной ТОА
Рисунок 2.46 – Пластинчатый ТОА

– аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и т.д.).

· Аппараты смешения, в которых передача тепла между теплообменивающимися средами происходит путем их соприкосновения. Для изготовления теплообменных аппаратов смешения требуется, как правило, меньше металла; кроме того, во многих случаях они обеспечивают более эффективный теплообмен. Однако, несмотря на эти преимущества, аппараты смешения часто нельзя использовать вследствие недопустимости прямого соприкосновения потоков. К таким аппаратам, в частности, относятся градирни (рисунок 2.47).

Рисунок 2.47 – Теплообменный аппарат смешения (градирня)

Конструктивно пластинчатый теплообменник (ПТО) представляет собой пакет теплообменных пластин и прокладок, установленный в специальную раму и стянутый резьбовыми шпильками до определенного размера.

Б) В зависимости от назначения аппараты делятся на следующие группы (рисунок 2.48) [5].

· Теплообменники – аппараты для регенерациитепла, уносимого отходящими потоками. Целевым процессом, протекающим в них, может являться нагрев холодного потока, или охлаждение горячего, или тот и другой процесс в равной степени.

ТОА

для нагрева и охлаждения

подогреватели, испарители, кипятильники

холодильники и конденсаторы

Рисунок 2.48 – Классификация ТОА по назначению

При этом нагрев одного и охлаждение другого потока позволяет сократить расход подводимого извне тепла (сократить расход топлива, греющего водяного пара и т. д.) и охлаждающего агента.

К этой группе аппаратов относятся теплообменники для нагрева нефти на установке, осуществляемого за счет использования тепла отходящих с установки дистиллятов, остатка, а также промежуточного циркуляционного орошения. Сюда относятся также котлы-утилизаторы, где получают водяной пар за счет использования тепла нефтепродуктов, дымовых газов или катализатора на установках каталитического крекинга. К этой группе относятся и регенераторы холода.

· Подогреватели– аппараты для нагрева дистиллятов или реагентов за счет тепла теплоносителя.

Целевым процессом в них является нагрев. В качестве теплоносителя применяют главным образом водяной пар, характеризующийся высоким коэффициентом теплоотдачи при конденсации и большим значением скрытой теплоты конденсации. Теплоносителями могут служить также высококипящие нефтепродукты, нагреваемые в трубчатых печах;

· Конденсаторы –аппараты для конденсации и охлаждения паров путем передачи тепла охлаждающему агенту.

· Холодильники –аппараты для охлаждения жидких потоков. При регенерации тепла того или иного продукта его окончательное охлаждение до температуры, требуемой для безопасного транспорта и хранения, обычно завершается в холодильниках.

Если при охлаждении из жидкого потока выделяют кристаллы, то холодильный аппарат называется кристаллизатором.

В конденсаторах, холодильниках и кристаллизаторах целевым процессом является охлаждение горячей среды.

· Испарители, кипятильники, в которых нагрев или нагрев и частичное испарение осуществляется за счет использования высокотемпературных потоков нефтепродуктов и специальных теплоносителей (водяной пар, пары углеводородов, специальные высококипящие жидкости и др.). В таких аппаратах нагрев или испарение одной среды является целевым процессом, тогда как охлаждение горячего потока является побочным и обусловливается необходимостью нагрева исходного холодного потока.

Примером аппаратов этой группы могут служить нагреватели сырья, использующие тепло водяного пара, кипятильники, при помощи которых в низ ректификационной колонны подводится тепло, необходимое для ректификации, и т.д.

В) В зависимости от направления движения теплоносителей – прямоточные, противоточные, перекрестного тока и др.

Г) В зависимости от числа ходов по трубному и межтрубному пространству: одно-, двух-, четырех- и многоходовые.

В общем объеме эксплуатируемых на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях теплообменных аппаратов около 80% занимают кожухотрубчатые ТОА. Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и в то же время достаточно универсальны, т.е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком диапазоне их давлений и температур.

Поэтому основное внимание в данной работе будет уделено данному типу теплообменных аппаратов.

Источник

Виды теплообменников

Виды теплообменников, которые сегодня существуют, слишком разнообразны. Поэтому в рамках данной статьи мы дадим общее определение пластинчатому теплообменному оборудованию.

Что такое теплообменник?

Назначение теплообменников – передача тепла от нагретой среды к холодной. А применение не ограничивается какой-то одной сферой индустрии – оборудование используется повсеместно (в энергетике, металлургии, пищевой и химической промышленности, на тепловых пунктах, в системах отопления, вентилирования и кондиционирования и так далее).

Виды оборудования по передаче тепла

1. Поверхностные теплообменники

Теплообмен между разными средами осуществляется через стенки из специального теплопроводящего материала, т.е. контура здесь полностью герметичны. Оборудование поверхностного типа в свою очередь делится на:

• рекуперативные (температурный обмен между теплоносителями осуществляется через тонкие стенки контуров, а поток среды имеет неизменное направление);
• регенеративные (отличаются от рекуперативных изменяющимся направлением потока).

2. Смесительные теплообменники

Здесь передача тепла достигается путем смешивания двух сред и данный вид теплообменника применяется намного реже вышеуказанных.

Виды оборудования по применению

• кожухотрубные теплообменники – состоят из пучка труб, соединенных в решетку при помощи пайки или сварки;
• пластинчатые теплообменники – имеют площадь теплообмена, состоящую из пластин, соединенных термостойкими уплотнителями;
• витые теплообменники – собираются из концентрических змеевиков, а рабочая среда в них движется по изогнутым трубам и по межтрубному пространству;
• спиральные теплообменники – представляют собой тонкие стальные листы, свернутые в спираль;
• водяные, воздушные и т.д.

Видов очень много, поэтому перечислять их все просто не имеет смысла. Самым популярным из вышеперечисленного оборудования считается пластинчатый теплообменник, вот его особенности и рассмотрим детальнее.

Подбор и расчет стоимости теплообменника удобным для вас способом

Получить консультацию

Рассчитаем по параметрам

Делаем расчёт точно и профессионально, без всяких манипуляций

Есть готовый расчет теплообменника?

Рассчитаем стоимость по номеру расчета, серийному номеру, расчетному листу, спецификации, по шильдику теплообменника

Откуда взять расчетные данные для ПТО?

Расчетные данные (нагрузки, давления, температурные графики) выдаются теплоснабжающими организациями (тепловыми сетями, котельными) в виде пояснительных записок, Технических условий (ТУ).

Также эти данные вы можете взять из договора с теплоснабжающей организацией, или из проекта модернизации или переоборудования ИТП, УУТО. Если у вас остались вопросы по данным для расчета, то можно обратиться к менеджеру за консультацией.

ОСТАВЬТЕ ЗАПРОС
и наш специалист поможет подобрать оборудование

Подробнее о видах теплообменников

1. Пластинчатые разборные теплообменники (состоят из отдельных пластин, разграниченных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и крепежных болтов)

2. Пластинчатые паяные теплообменники (состоит из набора металлических гофрированных пластин, изготовленных из нержавеющей стали, которые соединены между собой посредством пайки в вакууме с использованием медного или никелевого припоя)

3. Пластинчатые сварные теплообменники предназначены для использования в условиях экстремально высоких температурах и давлениях на установках, параметры которых не позволяют использовать уплотнения. Эти теплообменники отличаются высокой эффективностью, малыми габаритами и требуют минимального обслуживания. Материал пластин – нержавеющая сталь, титан, никелевые сплавы.

Рабочие среды – высокотемпературный пар, газы и жидкости, в том числе агрессивные, а также их смеси. Сварные ТО отличаются от РПТО опять же методом герметизации пластин, в сварных аппаратах пластины свариваются сталью, образованные сварные кассеты компонуются внутри стальных плит. Применяются в тех. процессах с агрессивными средами, газовыми средами, на больших давлениях.

4. Пластинчатые полусварные теплообменники. Аналогично, как и в сварных аппаратах, пластины свариваются в кассеты, но метод соединения кассет между друг другом посредством паронитовых соединений. Область применения – тех. процессы с агрессивными средами. Пластинчатый полусварной теплообменник сделан в виде конструкции из небольшого количества сварных модулей. А они в свою очередь соединены при помощи лазерной сварки в виде пары пластин. Вся эта конструкция собрана между торцевыми плитами при помощи болтов. Между каждым сварным модулем проложен резиновый уплотнитель.

Такие теплообменники применяются в особых случаях, когда в качестве теплоносителя будет использовано вещество с очень высокой температурой, давлением, любым другим опасным параметром или просто опасное вещество. В этом случае оно будет перемещаться в заваренных каналах по теплообменным пластинам.

5. Кожухотрубные теплообменники (их основными элементами являются пучки труб, собранные в трубные решетки и помещенные в корпус, патрубки и концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой, пайкой)

6. Спиральные теплообменники (поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделителю (керну) и свернутыми в виде спирали) В спиральном теплообменнике, в отличии от РПТО используются всего две пластины, свернутые вокруг керна в спираль и «упакованные» в сваренные кожух.

Используются спиральные аппараты в тех. процессах, с агрессивными средами и высокими давлениями (P.S. на данный момент из брендов на нашем рынке остался один производитель – Alfa Laval. GEA и Sondex отказались от дальнейшего выпуска данных аппаратов. Исключительная компактность и эффект самоочистки делают спиральные теплообменники Альфа Лаваль в высшей степени универсальным оборудованием – они применимы, как в работе с жидкими неоднородными средами, склонными к образованию отложений на теплопередающих поверхностях, так и при наличии конденсации пара или газа в условиях высокого вакуума.

Конструкция теплообменника

Оборудование состоит из двух основных плит – неподвижной и подвижной. В обеих пластинах сделано несколько отверстий, предназначенных для входа и выхода среды. Между двумя основными плитами установлено множество пластин, которые герметизируют с помощью резиновых прокладок. Направляющие сверху и снизу определяют положение оборудования. Пластины можно сжать до нужного размера, с помощью специальных гаек. Расположение пластин не случайно, пластины через одну повернуты на 180°, относительно соседних. Благодаря этому входящее отверстие канала уплотнено дважды.

1 – передняя неподвижная плита, 2 – верхняя направляющая, 3 – задняя подвижная плита, 4 – задняя стойка (штатив) , 5 – рабочая пластина с уплотнением, 6 – нижняя направляющая, 7 – патрубки, 8 – ролики для перемещения пластин вдоль направляющих, 9 — шильд с названием и техническими данными, 10 — шпильки

Принцип работы

Главный элемент теплообмена – жидкость. Жидкости перемещаются в противотоке по каналам, созданным благодаря гофрированным пластинам, которые образуют каналы. Пристенный гофрированный слой, из-за высокой скорости потока начинает набирать турбулентность. Каждая среда продвигается по одной пластине, но с разных ее сторон, во избежание смешения. Все пластины теплообменника одинаковые, и установить их так же просто, как и сварной теплообменник. Благодаря этому приспособление образует некий пакет, в котором находятся 4 коллектора, они предназначены для ввода и отвода различных сред. В теплообмене принимают участие все пластины за исключением крайних (первой и последней).

Имея даже самые низкие показатели гидравлического сопротивления, теплоотдачу можно увеличить при помощи тонкого потока и турбулентности. При этом и турбулентность, и тонкий поток очищают пластины от нежелательных и даже самых устойчивых налетов.

Задняя и передняя плита имеют отверстия, которые подключаются к трубопроводу, и производят нагревание сред. Трубы могут отличаться между собой методом присоединения (к примеру, есть тип с резьбой ГОСТа №6357 и с резьбой по ГОСТу №12815). Оба они зависят от типа устройства. Размещенные параллельно пластины теплообменника создают каналы. Проходя все каналы, среда осуществляет теплообмен и покидает оборудование. Это значит, что пластины самый важный элемент всего теплообменника. Их толщина составляет всего 0,5 мм, производят их из нержавеющей стали методом холодной штамповки. Между пластинами устанавливают устойчивую к температурам резину, которая делает каналы герметичными. Входящие и выходящие отверстия укрепляют специальной прокладкой и кольцами, спереди и сзади соответственно.

Выбор теплообменника происходит с учетом его рабочих требований. Чем они выше – тем больше потребуется пластин. Именно число пластин отвечает за общую эффективность.

Сферы применения

Пищевая промышленность. Производя спирт, пиво, растительное масло, сахар и молочные продукты, обязательно используют теплообменники. Здесь они предназначены для пастеризации продуктов, их охлаждения и возможного испарения. Для таких целей очень часто используют паяный вид пластинчатых теплообменников, хотя нередко также применяют разборной теплообменник.

Металлургия. Охлаждение на металлургии нужно как нигде. Это связано с тем, что печи, стаканы, различные гидравлические системы и другие устройства вырабатывают огромное количество тепла. Для снижения этого показателя используют пластинчатые теплообменники, которые выступают как охладители. В качестве охладителей могут использоваться паяные, сварные и даже спиральные теплообменники. Выбор устройства напрямую зависит от условий его эксплуатации.

Судостроение. За охлаждение главного двигателя судна и всей центральной системы также отвечает теплообменник. Здесь вместо обычной среды может быть использована морская вода или моторные масла различных уровней вязкости. Кроме этого на судне теплообменники могут применять для поддержания работы отопительной системы, для ГВС, но это касается исключительно крупных суден.

Нефтегазовая промышленность. Для крекинга, охлаждения и подогрева нефти также используются пластинчатые теплообменники. Зачастую такие теплообменники:

• низкого давления
• сетевые
• химической подготовки воды

В таких теплообменниках принято использовать пластины из титана, толщиной в 7 миллиметров, с давление в 25 бар. Для такого оборудования применяют уплотнители NBR или Витон, если нужны прокладки устойчивые к высоким температурным условиям.

Коммунальное теплоснабжение. Подогрев воды, «теплый пол», горячее водоснабжение – для всего этого также используют пластинчатые теплообменники. Такое устройство способно работать при температуре до 150 градусов по Цельсию, с давлением до 16 кПа. В таких теплообменниках используют пластины из антикоррозийной стали, толщина которых может достигать 5 миллиметров. Имеется уплотнение из этиленпропилена.

ОСТАВЬТЕ ЗАПРОС
и наш специалист поможет подобрать оборудование

Исходные данные и расчет теплообменника

1 — Температура на входе и выходе обоих контуров.
Пример: максимальная входная температура — 55°С, а LMTD — 10°С. Теплообменник будет дешевле и меньше в том случае, когда эта разница будет больше.

2 — Максимально допустимая рабочая температура, давление среды.
Цена будет ниже в случае плохих параметров.

3 — Массовый расход (m) рабочей среды в обоих контурах (кг/с, кг/ч).
Или пропускная способность теплообменника. Часто указывают лишь один параметр — объем расхода воды. Общий массовый расход можно вычислить если объем пропускной способности умножить на плотность. Например, плотность холодной воды в центральной системе примерно равна 0.99913.

4 — Тепловая мощность (Р, кВт).
Или тепловая нагрузка (количество тепла, отданное теплообменником) вычисляет по формуле:

P = m * cp *δt

• где m – расход среды
• cp – удельная теплоемкость (для воды, нагретой до 20 градусов, равна 4,182 кДж/(кг *°C))
• δt – температурная разность на входе и выходе одного контура (t1 — t2)

5 — Дополнительные характеристики.

• чтобы выбрать состав пластин, необходимо узнать в какой рабочей среде будет использоваться теплообменник и ее вязкость;
• средний температурный напор LMTD (рассчитывается по формуле ΔT1 — ΔT2/( In ΔT1/ ΔT2), где ΔT1 = T1(температура на входе горячего контура) — T4(выход горячего контура) и ΔT2 = T2 (вход холодного контура) — T3 (выход холодного контура);
• уровень загрязненности среды (R) — редко используют, так как этот параметр нужен только в некоторых случаях.

Видео «Как рассчитать теплообменник?»

Источник