XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

1 Введение

Теплообменниками являются технические устройства, предназначенные для передачи тепла между нагретой средой и холодной. Чаще всего теплообмен осуществляется через элементы конструкции аппарата, хотя встречаются агрегаты, принцип действия которых основан на смешении двух сред.

Теплообменные аппараты широко применяются в различных отраслях: системах отопления, металлургии, энергетики, тепловых пунктах, химической и пищевой промышленности, системах кондиционирования и вентилирования воздуха, коммунальном хозяйстве, атомной и холодильной отраслях и т.д.

Работа теплообменников строится на взаимодействии греющей и нагреваемой среды с разными температурами. Существуют устройства, в которых одновременно с теплообменом происходит изменение состояния вещества, например, конденсация, испарение, смешение. Для разделения сложных смесей фазы меняются для обеих сред.

Технологическое назначение теплообменников многообразно. Обычно различаются собственно теплообменники, в которых передача тепла является основным процессом, и реакторы, с которых тепловой процесс играет вспомогательную роль.

Теплообменные аппараты подразделяются на несколько групп в зависимости от типа взаимодействия сред (поверхностные и смесительные), типа передачи тепла (рекуперативные и регенеративные), типа конструкции, а также направления движения теплоносителя и теплопотребителя (одноходовые и многоходовые).

По основному назначению различаются подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

Целью работы является выбор оптимального вида теплообменника, который может быть использован в азотно-кислородной установке разделения воздуха. В работе рассмотрены теоретические основы теплообменников, их классификация и виды.

Задачи исследования:

Теоретические предпосылки разработки теплообменников.

Обзор и сравнительный анализ существующих теплообменников.

Анализ практического применения теплообменников.

2 Теоретические основы теплообменного процесса

Тепловые процессы – технологические процессы, которые протекают со скоростью, обусловленной законами теплопередачи.

Теплообменные аппараты – аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов.

Теплоносители – тела (среды), которые принимают участие в теплообмене. В качестве теплоносителей в промышленности получили наибольшее распространение насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов - аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор вида теплоносителя или хладагента определяется их назначением, температурами процесса и стоимостью.

Определение кинетических характеристик теплового процесса – средней разности температур и коэффициента теплопередачи – является задачей теплопередачи как науки о процессах распространения тепла из одной части пространства в другую.

Существует три способа переноса тепла: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение.

Теплопроводность – явление переноса тепловой энергии непосредственным контактом между частичками тела.

Конвективный теплообмен – процесс распространения в следствии движения жидкости или газа.

Естественная (свободная) конвекция обусловлена разностью плотности в разных точках объема теплоносителя, который возникает вследствие разности температур в этих точках.

Вынужденная конвекция обусловлена принудительным движением всего объема теплоносителя.

Тепловое излучение – процесс передачи тепла от одного тела к другому, распространением электромагнитных волн в пространстве между этими телами.

На практике в большинстве случаев тепло распространяется одновременно двумя-тремя указанными способами по механизму сложного теплообмена.

Различают также понятия «теплоотдача» и «теплопередача».

Теплоотдача – процесс переноса тепла от стенки до теплоносителя или в обратном направлении.

Теплопередача – процесс передачи тепла от более нагретого менее нагретому теплоносителю через разделяющую их поверхность или твердую стенку.

При проектировании теплообменных аппаратов тепловой расчет сводится к определению необходимой поверхности теплообмена F, м², по основному уравнению теплопередачи:

где:

Q – тепловая нагрузка теплообменника, Вт;

t_ср – средняя разность температур, °C).;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·°C).

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через 1 м² стенки при разности между теплоносителями, равной 1 град.

Тепловую нагрузку теплообменника определяют из уравнения теплового баланса. Если пренебречь потерями тепла к окружающей среде, которые обычно не превышают 5%, то уравнение теплового баланса будет иметь вид:

Q=Q1=Q2,

где: Q1 и Q2 – количество тепла, которое отдал горячий теплоноситель и которое передано холодному теплоносителю соответственно, Вт.

Во время теплообмена между теплоносителями уменьшается энтальпия (теплосодержание) горячего теплоносителя и увеличивается энтальпия холодного теплоносителя.

Энтальпию и удельную теплоту конденсации греющего пара определяют по справочникам. Коэффициент теплопередачи К для плоской теплообменной поверхности:

где:

1, 2 – коэффициенты теплоотдачи соответственно для горячего и холодного теплоносителя;

– толщина теплообменной стенки, м;

– коэффициент теплопроводности материала стенки.

3 Теоретические основы теплообменников

Теплообменные аппараты (теплообменники) применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагрева или охлаждения одного из них. В зависимости от этого теплообменные аппараты называют подогревателями или холодильниками.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

– поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность стенки;

– регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

– смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

Поверхностные теплообменники передают тепло посредством разделительных твердых стенок. Смесильные теплообменники передают тепло посредством непосредственного контакта холодных и горячих сред (т.е. смешения).

Теплообменники применяются в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, атомной, холодильной, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве. От условий применения зависит конструкция теплообменника. Существуют аппараты, в которых одновременно с теплообменом протекают и смежные процессы, такие как фазовые превращения, например, конденсация, испарение, смешение. Такие аппараты имеют свои наименования: конденсаторы, испарители, градирни, конденсаторы смешения. В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также при взаимно поперечном движении двух взаимодействующих сред.

По принципу действия теплообменники подразделяются на рекуператоры и регенераторы. Рекуперативные теплообменники передают тепло посредством разделяющей стены со специальной теплообменной поверхностью (или нагревательной поверхностью). Регенеративные теплообменники также оснащены нагревающейся стенкой, но процесс передачи тепла отличается от рекуперативного теплообменника. В аппаратах данного типа оба теплоносителя по очереди контактируют с одной и той же стенкой, которая аккумулирует тепло по мере прохождения горячего потока и отдает тепло при прохождении холодного потока. Регенераторы способны функционировать только в периодическом режиме. Рекуператоры способны работать в обоих режимах: непрерывном и периодическом.

В соответствии со своим функциональным назначением, теплообменники бывают следующих видов:

– подогреватели;

– холодильники;

– испарители;

– конденсаторы;

– дисляторы;

– сублиматоры;

– плавители и т.п.

В соответствии с типом конструкции, теплообменники бывают следующих видов:

– нагревающие/охлаждающие рубашки, оснащенные мешалкой;

– трубчатые (в т.ч. кожухотрубные);

– теплообменники типа «труба в трубе»;

– спиральные;

– пластинчатые;

– пластинчато-ребристые;

– блочные графитовые;

– воздушные охладители с ребристыми трубами;

– оросительные;

– башенные.

В химической промышленности наибольшее распространение получили поверхностные теплообменники, отличающиеся разнообразием конструкций, основную группу которых представляют трубчатые теплообменники, такие как: кожухотрубные, оросительные, погруженные и "труба в трубе".

4 Факторы, влияющие на эффективность теплообмена

Процесс теплообмена между жидкостью и стенкой, которую эта жидкость омывает, называется конвективным теплообменом, или процессом теплоотдачи. Процесс теплоотдачи предполагает, что теплота передается одновременно путем теплопроводности и конвекции, и поэтому такой вид теплообмена представляет собой сложный процесс, зависящий от большего числа факторов по сравнению с процессом чистой теплопроводности.

Конвективный теплообмен характерен для большинства процессов тепловой обработки строительных материалов и изделий, связанных с прохождением газов через слой материала, через садку изделий, над уровнями жидкостей при сушке и т. д.

Факторы, влияющие на процесс теплоотдачи, условно можно разделить на следующие группы:

1) Природа возникновения движения жидкости вдоль стенки. В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают два вида движения – свободное и вынужденное. Свободное движение, называемое иначе естественной конвекцией, вызывается подъемной силой, обусловленной разностью плотностей холодных и нагретых частиц жидкости. Интенсивность свободного движения зависит от вида жидкости, разности температур между отдельными ее частицами и объема пространства, в котором протекает процесс.

Вынужденное движение жидкости, или вынужденная конвекция, обусловлено работой внешних агрегатов (насоса, вентилятора и т. п.). Движущая сила при этом виде движения возникает вследствие разности давлений, устанавливающихся на входе и выходе из канала, по которому перемещается жидкость. Если скорость вынужденного движения небольшая и есть разница температур между отдельными частицами жидкости, то наряду с вынужденным движением может наблюдаться и свободное движение.

2) Режим движения жидкости. Движение жидкости может иметь ламинарный или турбулентный характер. В первом случае частицы жидкости в форме отдельных несмешивающихся струй следуют очертаниям канала или стенки и профиль скоростей на достаточном удалении от начала трубы имеет вид правильной параболы. Подобное распределение установившихся скоростей обусловливается наличием сил внутреннего трения (вязкости) между частицами жидкости. При этом максимальная скорость движения частиц жидкости, перемещающейся по оси трубы, в 2 раза больше средней скорости их движения, получаемой в результате деления секундного объема жидкости на площадь поперечного сечения трубы.

5 Практическое применение теплообменников

Рассмотрим теплообменники для азотно-кислородной установки.

Принцип работы теплообменника основан на понижении температуры потока воздуха, нагнетаемого компрессором в ректификационную колонну или колонну разделения воздуха.

Блоком разделения называют часть кислородной установки, включающую низкотемпературные теплообменные, ректификационные и другие аппараты с относящейся к ним арматурой, помещенные в кожух с тепловой изоляцией.

Теплообменники для охлаждения воздуха и нагревания продуктов разделения в кислородных установках выполняют большей частью трубчатыми. Выбор теплообменного аппарата такого типа для кислородных установок связан с тем, что теплообмен происходит в условиях, когда давление одного из потоков намного превышает давление другого (воздух 2-20 Мн/м² или 20-200 ат, а азот и кислород 0,01-0,04 Мн/м² или 0,1-0,4 ат). Так как теплообменник предназначен для работы при температурах до -195°С, трубки должны быть изготовлены из металла, сохраняющего ударную вязкость при низкой температуре и устойчивого против коррозии. Обычно для трубчатых теплообменников применяют цельнотянутые медные или алюминиевые трубки. Обечайки теплообменников изготовляют из листовой латуни или меди, коллекторы — из латуни, а в алюминиевых аппаратах из алюминия.

В последние годы в кислородных установках стали применяться специальные теплообменные аппараты, в которых сочетаются два вида теплообмена: одна часть тепла передается через теплопередающую поверхность из одной секции в другую, как в обычном теплообменнике, другая часть тепла передается от насадки к газу или от газа к насадке, как в регенераторах. Такие аппараты называются регенераторами-рекуператорами и служат также для очистки воздуха от H₂O и CO₂ путем их вымораживания и последующего удаления обратным потоком. В этих теплообменных аппаратах возможно создание температурного режима, обеспечивающего непрерывную работу без забиваемости их твердыми частицами двуокиси углерода или льда воды.

Конструирование теплообменного аппарата минимальной массы является самостоятельной задачей, имеющей широкое практическое применение. Задача создания теплообменника минимальной массы имеет важное значение для всех транспортных установок, монтируемых на кораблях, самолетах, локомотивных, передвижных технологических установках: кислородных, холодильных, газобензиновых и др. Иногда снижение массы делается необходимым с целью улучшения динамических характеристик теплообменного аппарата. Целью изобретения является повышение компактности теплообменника и интенсификации теплообмена.

На кислородных установках небольшой производительности до недавнего времени в качестве реверсивных теплообменных аппаратов применялись только теплообменники из концентричных труб с насадкой типа Колинса. В настоящее время для этой цели стали применять пластинчаторебристые аппараты, которые могут обеспечить значительно большие расходы. 

В блоках разделения воздуха применяют теплообменные аппараты различного назначения и различных конструктивных форм. По назначению теплообменные аппараты разделяют на предварительные и основные теплообменники для охлаждения перерабатываемого воздуха и нагрева продуктов разделения; переохладители для охлаждения жидкостных потоков; ожижители, в которых воздух частично конденсируется; используют также и другие теплообменники вспомогательного назначения.

Конструктивно теплообменники можно разделить на два основных типа – с витыми трубками и прямыми (кожухотрубные).

Теплообменники с витыми трубками обычно используют для охлаждения воздуха высокого или среднего давления и для переохлаждения жидкости.

Теплообменники с прямыми трубками чаще применяют для охлаждения потоков газов высокого давления и с одинаковым агрегатным состоянием.

Теплообменные аппараты обоих типов можно выполнять односекционными и состоящими из нескольких секций, предназначаемых для нагрева различных продуктов разделения воздуха. Витой теплообменник установки среднего давления производительностью 130 м/ч (по кислороду) снабжен двумя секциями — азотной и кислородной. Воздух под избыточным давлением 30—50 кГ/см проходит по трубкам диаметром 10 Х 1 мм, а кислород и отбросный азот с избыточным давлением поступает в межтрубное пространство. Из середины теплообменника часть воздуха отводят в детандер, а остальной воздух проходит через трубки теплообменника дальше для последующего охлаждения.

Таким образом, витые теплообменники, широко применяемые в криогенных системах, отличаются многими положительными свойствами – высокой компактностью, несложной технологией изготовления, отсутствием температурных деформаций. Они обеспечивают высокие значения коэффициентов теплопередачи и КПД. Витые аппараты имеют много конструктивных модификаций. Основные конструктивные различия состоят в применении разного типа трубок (гладкие, оребренные) и в различных способах их навивки.

6 Заключение

В работе проведены краткие исследования теории теплообменников в азотно-кислородной установке,рассмотрены теоретические предпосылки разработки теплообменников и их практическое применение для охлаждения в установке разделения воздуха.

При этом проведен обзор и сравнительный анализ существующих теплообменников для данной установки.

При аналитическом анализе теплообменников для азотно-кислородной установки в рассмотрение в дальнейшем будут выбраны трубчатые теплообменники, т.к. они наиболее компактны, имеют несложную технологию изготовления, а также характеризуются отсутствием температурных деформаций.

Списоклитературы

Бродянский В.М., Меерзон Ф.И. Производство кислорода. –М:Металлургия,1970. – 384 с.

Герш С.Я. Глубокое охлаждение. – М.: Типография Госэнергоиздата, 1960 – 42 с.

Гельперин Н.И. Основные процессы и автоматы химической технологии. – М.:Химия, 1981.

Советский энциклопедический словарь. Гл. ред. А.М. Прохоров. – 3-е изд. – М.:Сов.Энциклопедия,1984.

Чертов А.Г. Физические величины: Справочное пособие. – М.: Высшая школа,1990. –335с.

Теоретические основы процессов теплообмена URL: https://studopedia.ru/14_6813_teoreticheskie-osnovi-protsessov-teploobmena.html (Дата обращения 25.03.2022)

Технология получения азота URL: https://studbooks.net/2571983/tovarovedenie/tehnologiya_polucheniya_azota (Дата обращения 27.03.2022)

Теплообменники URL: https://www.oxy-air.ru/teploobmenniki.html (Дата обращения 27.03.2022)

Обзор и сравнительный анализ теплообменников URL: https://studbooks.net/1949707/matematika_himiya_fizika/obzor_sravnitelnyy_analiz_teploobmennikov (Дата обращения 31.03.2022)

Теплообменные аппараты кислородных установок URL: https://www.chem21.info/info/1725171/ (Дата обращения 01.04.2022)

Код для цитирования: Скопировать