Материал: Теплообменное оборудование предприятий

нии) греющей и нагреваемой рабочих сред либо на поверхности насадки, либо в объёме аппарата.

По направлению и характеру движения рабочих сред:

противоточные,

прямоточные,

перекрёстного и смешанного тока,

однопоточные и многопоточные.

По характеру температурного режима:

с установившимся (стационарным) тепловым режимом,

с неустановившимся (нестационарным) тепловым режимом.

По температурному уровню:

высокотемпературные,

среднетемпературные,

низкотемпературные,

криогенные.

Квысокотемпературным относят огнетехнические процессы и установки, в частности промышленные печи. Им соответствуют рабочие температуры в пределах 400–2000 °С. Рабочий диапазон среднетемпературных процессов и установок, например выпарки, ректификации, сушки, находится, как правило, в пределах 150–700 °С; низкотемпературных систем (отопительные, вентиляционные, кондиционеры, теплонаносные и холодильные установки) – от -150 до +150 °С. Процессы, протекающие при более низких температурах, называются

криогенными.

Для рекуперативных теплообменных аппаратов, составляющих значительную часть всего ряда теплообменников, важной является их классификация по конструктивному оформлению, включая различные формы поверхности теплообмена.

Рекуперативные теплообменные аппараты с поверхностью теплообмена из труб:

труба в трубе;

кожухотрубные:

из оребрённых труб,

с неподвижными решётками,

с компенсатором удлинений,

с плавающей головкой,

с U-образными и спиральными трубками.

Рекуперативные теплообменные аппараты с поверхностью теплообмена из листового материала:

6

1.2. Теплоносители и их физические свойства

Интенсивность процесса тепломассообмена зависит от свойств теплоносителей, характеризующихся физическими параметрами [4,5].

К основным из них относятся: плотность , кг/м3 – масса, приходя-

щаяся на единицу объёма вещества; вязкость – характеризующая по закону Ньютона силы внутреннего трения и определяемая динамическим коэффициентом вязкости , Па с или коэффициентом кинема-

тической вязкости , м2/с; коэффициент теплопроводности

, Вт/(м °С) – характеризующий по закону Фурье способность вещества проводить теплоту; удельная теплоёмкость при постоянном

давлении Cp , Дж/(кг °С) – количество теплоты, необходимое для нагревания единичной массы вещества на один градус; коэффициент

температуропроводности а , м2/с – характеризующий скорость выравнивания температуры при нагревании или охлаждении вещества; теплота фазового перехода (скрытая теплота парообразования) r , Дж/кг – количество поглощаемой или выделяемой теплоты при изменении агрегатного состояния 1 кг вещества.

Теплоносители должны быть недорогими, достаточно представленными в отечественных ресурсах, удобными при транспортировке, стабильными в процессе длительной работы, обладать высокой плотностью и теплоёмкостью, возможно большим коэффициентом теплопроводности и теплотой фазового перехода, малой вязкостью.

Теплоносители классифицируются по назначению, агрегатному состоянию и диапазону рабочих температур. По назначению различают греющий теплоноситель, охлаждающий теплоноситель (хладоноситель), промежуточные тепло – и хладоносители, хладоагент (рабочее тело в холодильных циклах), сушильный агент и т.п.

По агрегатному состоянию теплоносители бывают однофазные и многофазные (чаще двухфазные). К однофазным относятся низкотемпературная плазма (пламя), газы (в том числе – дымовые), неконденсирующие пары и их газовые смеси, не кипящие и не испаряющиеся при рабочем давлении жидкости и их смеси (растворы), твёрдые сыпучие материалы. К двухфазным и многофазным теплоносителям относятся кипящие, испаряющиеся и распыляемые газом жидкости, конденсирующиеся пары и парогазовые смеси, плавящиеся и затвердевающие твёрдые вещества, газовзвеси, аэрозоли, эмульсии и другие запылённые газовые потоки.

8

По диапазону рабочих температур выделяют высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные теплоносители и теплоносители, применяемые при криогенных процессах. К высокотемпературным газообразным теплоносителям относят дымовые или то-

почные газы. Их температура может достигать 1500 °С. К высокотемпературным теплоносителям в виде капельных жидкостей принято относить вещества, температура кипения которых при атмосферном да-

влении превышает 200 °С. Это минеральные масла, дифенильные соединения, глицерин, расплавы солей, жидкие металлы и т.п. В табл. 1.2 приведены характеристики некоторых жидких высокотемпературных теплоносителей.

Таблица 1.2 Характеристики жидких высокотемпературных теплоносителей

К среднетемпературным теплоносителям, в первую очередь, относят водяной пар, воду и воздух. Пар используется при температурах

до 650 °С, вода – до 375 °С, воздух – до 100 °С. Низкотемпературными теплоносителями принято считать такие, температура кипения которых при атмосферном давлении обычно не превышает 0 °С. К ним прежде всего относят холодильные агенты. Криогенными теплоносителями называют сжиженные газы (кислород, водород, азот, воздух и др.) и их пары. Область их применения лежит ниже минус

150 °С.

9

Наиболее распространёнными в тепломассообменных установках являются газообразные и жидкие теплоносители, а также водяной пар. Чаще всего в качестве газообразных теплоносителей используют воздух, дымовые и топочные газы. Эти теплоносители, обладая неоспоримыми достоинствами, имеют существенные недостатки: низкую теплоёмкость и малую плотность. Поэтому коэффициенты теплоотдачи от газового потока к стенке сравнительно небольшие, порядка 10–

100 Вт/(м2°С), и такие теплообменные аппараты имеют большую поверхность теплообмена, значительные затраты мощности на прокачку теплоносителей и получаются весьма громоздкими.

В противоположность газовым теплоносителям вода по своим физическим и термодинамическим свойствам существенным образом отличается от них, имея высокую теплоёмкость и большую плотность. Коэффициенты теплоотдачи от воды к стенке в рабочем диапа-

зоне скоростей потока составляют величину 1000–15000 Вт/(м2 °С). Поэтому теплообменные аппараты получаются более компактными, требуют значительно меньших поверхностей нагрева и затрат мощности на прокачку теплоносителей по сравнению с теплообменными аппаратами с газообразными рабочими средами. Существенный недостаток воды как теплоносителя заключается в том, что температура кипения её относительно низкая. Повышение температуры кипения связано с увеличением давления, что усложняет конструкцию теплообменного аппарата. Поэтому вода используется в теплообменных аппаратах как низкотемпературный теплоноситель, главным образом для целей отопления, охлаждения рабочих сред в технологических процессах производства.

Водяной пар как теплоноситель широко используется в качестве греющей среды в теплообменных аппаратах различного назначения. При конденсации водяного пара коэффициенты теплоотдачи обычно

находятся в пределах 3000–15000 Вт/(м2°С). Основным недостатком водяного пара является сравнительно низкая температура его насыщения, увеличение которой связано с повышением давления, что усложняет и удорожает конструкцию теплообменного аппарата.

10