XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменные аппараты различных конструкций широко применяют в химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.

Стремление интенсифицировать процессы конвективного теплообмена и создать наиболее технологичные в изготовлении и экономичные теплообменные аппараты привело в последние годы к быстрому совершенствованию конструкций теплообменных аппаратов.

Наиболее прогрессивными в настоящее время являются пластинчатые, сварные, кожухотрубные теплообменные аппараты. Узлы и детали их полностью унифицированы, а основные рабочие части изготовляют штамповкой и сваркой. Все это создает возможности экономичного массового изготовления таких аппаратов при минимальной металлоемкости.

Из-за большого разнообразия требований к теплообменным аппаратам, изменяющихся в конкретных условиях эксплуатации, экономически невыгодно, а часто и вообще невозможно ограничиться какой-либо одной конструкцией теплообменников.

Для создания и поддержания температурного режима на технологических объектах в энергетике, химической, металлургической, нефтегазовой, пищевой и других отраслях промышленности, необходимо осуществлять подвод или отвод тепловой энергии от рабочей среды. Эту функцию выполняет теплообменное оборудование.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Теплообменник — это устройство, предназначенное для передачи тепла между двумя или более потоками рабочих сред (жидкостей, газов или паров) с разной температурой без их непосредственного смешивания. Он позволяет контролируемо передавать тепловую энергию от одного потока к другому, эффективно используя тепловую энергию и оптимизируя процессы.

Проще говоря, теплообменник – это “мостик” между двумя потоками, позволяющий “передать” тепло от одного потока к другому.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты (их часто называют теплообменниками) можно разделить на две основные группы: поверхностные теплообменники и теплообменники смешения.

В поверхностных теплообменных аппаратах передача тепла от одной среды к другой происходит обычно через металлическую стенку, которую условно принято называть поверхностью теплообмена.

В теплообменниках смешения передача тепла происходит в процессе непосредственного соединения и перемешивания сред, что, очевидно, допустимо лишь при определенных условиях, значительно ограничивающих применение аппаратов такого типа.

Теплообменные аппараты классифицируются также по наличию или отсутствующие изменения агрегатного состояния теплоносителей. Имеются аппараты:

- без изменения агрегатного состояния теплоносителей;

- с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя

- конденсация пара (первичного теплоносителя) или кипения жидкости (вторичного теплоносителя);

- с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

По назначению можно выделить:

-подогреватели;

-холодильники;

-испарители;

-конденсаторы;

- дистилляторы;

Все теплообменные аппараты поверхностного типа можно классифицировать по виду взаимного направления потоков теплоносителей. Существуют 4 основные схемы движения теплоносителей, применяются также их комбинации:

Прямоток – движение двух теплоносителей параллельно друг к другу в одном и том же направлении.

Противоток – движение двух теплоносителей параллельно друг к другу в противоположных направлениях.

Перекрестный ток – движение двух теплоносителей во взаимно перпендикулярных направлениях.

Смешанный ток – 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.

ТИПЫ КОНСТРУКЦИЙ

Существует несколько основных типов теплообменников, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим некоторые из них:

1. Пластинчатые теплообменники. Это один из наиболее эффективных и компактных видов теплообменников. Они состоят из нескольких параллельных пластин, между которыми происходит перенос тепла. Пластинчатые теплообменники обладают высокой теплоотдачей и могут быть легко модифицированы для различных условий.

2. Трубчатые теплообменники. Этот тип теплообменников состоит из трубок, внутри которых происходит передача тепла. Трубки могут быть прямые или спиральные, что позволяет увеличить площадь теплообмена. Трубчатые теплообменники обычно используются в случаях, когда необходимо высокое давление и температура.

3. Кожухластинчатые теплообменники. Этот вид теплообменного оборудования, конструктивно представляет идеальное сочетание кожухотрубных и пластинчатых теплообменных аппаратов.

4. Сваренные пластинчатые теплообменники. Такие теплообменники называют компаблоками. Особенность их конструкции в том, что критическая и рабочая среды проходят одновременно по всем пластинам, а не последовательно, как в аппаратах других типов. Это позволяет увеличить площадь проходного сечения и удельную площадь теплообмена — в результате уменьшаются размеры блоков.

Выбор типа теплообменника зависит от следующих факторов:

- Тип теплоносителей.

- Температуры и давления.

- Тепловой нагрузки.

- Экономических показателей.

- Требований к материалу.

Дополнительные характеристики теплообменников:

- Количество проходов: число проходов для каждой жидкости, что влияет на эффективность теплообмена.

- Материал: сталь, медь, алюминий, титан, нержавеющая сталь, выбор зависит от условий эксплуатации.

- Наличие регуляторов: клапанов, датчиков, автоматики для контроля процесса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Каждый из этих видов теплообменников имеет свои особенности и применение в зависимости от условий работы и требований процесса. Пластинчатые разборные теплообменники хорошо применимы в диапазоне рабочих температур от -10 до 170 градусов из-за работоспособности резинок и придела давления в 25 бар, далее используются сварные решения теплообменников - это все что выше температуры 170 градусов(до 300 градусов) и рабочего давления 25 бар (до 40 бар). Сварные аппараты типа капбалок держат рабочее давление не более 25 бар, а кожухопластинчатые теплообменники из-за особенности строения корпуса выдерживают давление в 40 бар. Также не стоит забывать и про то, что для сварных аппаратов критична разница температур между холодным и горячим входами в 200 градусов. При достижении такой разницы температур, аппарат может получить повреждения по сварке из-за термодеформации. Для больших разниц температур существуют по большому счету только трубные аппараты с U-образными трубками или с плавающей головкой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. — М.: Наука, 1979.

2. Петухов Б.С. Теплообмен и сопротивление в ламинарном потоке жидкости. — М.: Энергия, 1967.

3. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. — М.: Энергоатомиздат, 1981.

4. ГОСТ Р 53681-2009. Теплообменники. Общие технические условия.

Код для цитирования: Скопировать