Расчет теплообменных аппаратов. Рекуперативные теплообменники. Регенеративные теплообменники

Расчет теплообменных аппаратов. Рекуперативные теплообменники. Регенеративные теплообменники

Теплообменный аппарат – это устройство, в котором теплота передается от горячего теплоносителя к холодному. Передача теплоты в них происходит конвекцией, теплопроводностью; а если хоть один из теплоносителей газ, то и излучением. По принципу действия теплообменники бывают: рекуперативные, регенеративные, смесительные и с внутренними источниками теплоты.

Рекуперативные теплообменники представляют собой устройства, в которых горячий и холодный теплоносители разделены стенкой. Примерами таких теплообменников являются подогреватели, парогенераторы, конденсаторы. Рекуператоры работают как правило в стационарном тепловом режиме.

На следующем слайде приведена фотография рекуперативного воздухоподогревателя котла (вид снизу). На снимке видны отверстия вертикальных труб, в которых проходит горячий теплоноситель (дымовые газы). Холодный теплоноситель – нагреваемый воздух проходит в межтрубном пространстве в поперечном направлении.

Рекуперативный воздухоподогреватель парогенератора

Регенеративные теплообменники – это устройства, в которых горячий и холодный теплоноситель поочередно омывают одну и ту же поверхность (массивную насадку – аккумулятор теплоты). Сначала насадка нагревается от горячего теплоносителя, затем отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю, то есть регенераторы работают в нестационарном тепловом режиме.

Пример регенеративного теплообменника

Примером регенератора являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей. Так как в рекуператорах и регенераторах теплопередача связана с твердой поверхностью, их называют еще поверхностными. Ниже приведена фотография общего вида регенеративного воздухоподогревателя (РВП).

РВП состоят из неподвижного статора и медленно вращающегося ротора. Насадка помещена во вращающийся ротор (см. выше рисунок РВП без верхней крышки). Насадка вначале нагревается от горячего теплоносителя (газа), затем отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю (воздуху). Ниже показан пример насадки (набивки) из гофрированных металлических листов.

Насадка РВП из гофрированных листов

Другие виды насадок

В других РВП насадка может состоять из металлических шариков диаметром 5-10 мм, металлических сеток и других материалов (фарфора, полимеров), хорошо аккумулирующих теплоту.

В смесительных теплообменниках теплопередача происходит при непосредственном контакте (смешении) горячего и холодного теплоносителей. Типичным примером смесительного теплообменника является градирня тепловой электростанции, в которой техническая вода, нагретая в конденсаторах, охлаждается за счет воздушно-испарительного эффекта при контакте с воздухом.

Деаэрационная колонка – пример смесительного теплообменника

Так как при этом происходит частичное испарение воды, то наряду с теплообменом происходит и массообмен. Другим примером смесительного теплообменника является деаэрационная колонка котлоагрегата. На следующих двух слайдах показаны схемы струйной и струйно-барботажной деаэрационных колонок.

Деаэрационная колонка струйного типа

Деаэрационная колонка струйно-барботажного типа

Теплообменники с внутренними источниками теплоты

Особенностью теплообменника с внутренними источниками теплоты является наличие только одного холодного теплоносителя, который нагревается за счет тепловыделений внутренних источников. Примерами таких теплообменников являются электронагреватели и тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) ядерных реакторов.

Проектный расчет теплообменников

Несмотря на различие конструкций и принципов действия этих теплообменных аппаратов, все они рассчитываются по двум основным уравнениям: теплового баланса и теплопередачи. Расчет теплообменного аппарата может быть проектным и поверочным. Проектный (конструктивный) расчет выполняется при проектировании нового аппарата и целью его является определение необходимой поверхности теплообмена.

Уравнение теплового баланса

Целью поверочного расчета является определение переданной теплоты и конечных температур теплоносителей. Тепловой расчет любого теплообменника сводится к совмест- ному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Уравнение теплового баланса, Вт: , где m1, m2 – расходы теплоносителей, кг/с; с1, с2 – их средние, массовые теплоемкости, Дж/(кгК); КПД теплообменника; индексы 1,2,(‘,“) – горячий и холодный теплоносители; (вход, выход).

Уравнение теплопередачи, Вт: , где – средняя разность температур между теплоносителями, К; F – поверхность теплопередачи, м2; коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); коэффициенты конвективной теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м2К); λ – теплопроводность стенки теплообменника, Вт/(мК); толщина стенки теплообменника, м.

Прямоток – это когда оба теплоносителя движутся параллельно, в одном направлении.

Противоток – это когда оба теплоносителя движутся параллельно, в противоположных направлениях.

Сложный ток — это когда теплоносители движутся то в прямотоке, то в противотоке.

Изменение температур теплоносителей при прямотоке

Изменение температур теплоносителей при противотоке

Характер изменения температур теплоносителей

Рассмотрим общий случай, когда температуры обоих теплоносителей изменяются монотонно. В частных случаях температура одного из теплоносителей может оставаться постоянной. Например, при кипении воды или конденсации пара, то есть при изменении агрегатного состояния теплоносителя.

Средняя разность температур между теплоносителями

Тогда для прямотока и противотока средняя разность температур между теплоносителями может быть, К: среднеарифметической при (1) и среднелогарифмической при (2)

Средняя разность температур между теплоносителями при других токах

Для сложного и перекрестного тока средняя разность температур между теплоносителями находится как, К: (3) Здесь поправка на изменение температур теплоносителей: Эта поправка находится по графикам для каждого типа тока теплоносителей (вид такого графика приведен на следующем слайде).

Поправка на токи теплоносителей

Преимущества противоточных теплообменных аппаратов

При конструктивном расчете: из-за более высокой средней разности температур, необходимая поверхность теплопередачи для противотока получается меньше. То есть противоточные теплообменники компактнее и требуют меньшего расхода материалов на их изготовление. При поверочном расчете: переданная теплота для противотока выше, то есть противоточные теплообменники эффективнее.

Гидродинамический расчет теплообменных аппаратов

Кроме теплового расчета теплообменников выполняется их гидродинамический расчет. В результате такого расчета определяются гидравлические сопротивления движению теплоносителей и мощности насоса или вентилятора, необходимые для прокачки жидкости или газа через

ГЛАВА 6. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

В зависимости от назначения теплообменные аппараты могут называться подогревателями, холодильниками, теплообменниками и конденсаторами.

Теплообменники

Теплообменники представляют собой обширную группу аппаратов, в которых происходит обмен тепла между двумя средами, при этом тепло переходит от одного теплоносителя к другому.

По способу передачи тепла теплообменники относят к одной из следующих групп:

1) поверхностные, в которых участвующие cреды отделены одна от другой стенкой, являющейся поверхностью теплообмена; 2) смесительные, в которых теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении сред.

К первой группе теплообменников относятся аппараты, где поверхностью нагрева является поверхность труб:

Конструктивно эти теплообменники (рис. 6.1) разделяются на: на одноходовые, в которых теплоноситель проходит параллельно по всем трубам пучка; многоходовые, в которых пучок труб разделен на несколько секций (ходов), а теплоноситель проходит последовательно через все ходы; теплообменники с U- образными трубами, с двойными трубами и перекрестным током теплоносителя.

2. Т е п л о о б е н н и к и “т р у б а в т р у б е”, состоят из двух концентрически расположенных труб, в которых один теплоноситель циркулирует по внутренней трубе, а другой по кольцевому пространству между трубами.

3. П о д о г р е в а т е л и с п а р о в ы м п р о с т р а н с т в о м -обычно горизонтальные сосуды, в нижней части которых расположены один или два съемных трубных пучка. В трубные пучки подается теплоноситель, за счет его тепла в корпусе происходит испарение более легких продуктов, которые из верхней части удаляются, тяжелый остаток непрерывно выводится через нижний штуцер, расположенный за сливной перегородкой.

Теплообменники кожухотрубные жесткого типа (типа ТН и ТК)изготовляют с поверхностью теплообмена (наружной поверхностью всех труб пучка) от 1 до 2000 м 2 , на давление 0,6; 1,0; 1,6; 2,5 МПа (рис. 6.2) и применяются при сравнительно малой разности температур теплообменивающихся сред (не более 50 о С). При более высокой разности температур напряжения, возникающие в корпусе и трубках, могут нарушить плотность соединения в местах развальцовки труб, и теплоноситель из межтрубного пространства будет проникать в трубный пучок (или наоборот). Одним из способов компенсации температурных напряжений является установка линзового компенсатора на корпусе (рис. 6.3)

Рис.6.2. Теплообменник жесткого типа

Линза компенсатора сваривается из двух торовых полулинз, изготовленных штамповкой. Наружный диаметр линзы обычно больше наружного диаметра корпуса на 250 мм. Линзы можно сваривать в группы по 2 — 6 линз подряд. Одна линза допускает растяжение или сжатие до 8 мм.

Теплообменники с линзовым компенсатором типа ТК применяются при давлениях не выше 1,6 МПа. При более высоком давлении приходится применять линзу с большей толщиной стенки, что в свою очередь увеличивает ее жесткость и резко снижает компенсирующую способность.

Теплообменники типов ТН и ТК изготавливаются диаметром корпуса от 159 мм (минимальный наружный) до 1200 мм (максимальный внутренний), с числом ходов от 1 до 6, диаметром трубок 20´2; 25´2,5; 38´3 мм, длиной трубок 1; 1,5; 2; 3; 4; 6; 9 м.

Рис.6.3. Гибкие компенсаторы:

а- линзовый, сваренный из двух тарелок; б- линзовый цельноштампованный; в- плоский; г- компенсатор из трубы; д- компенсатор в виде утолщения на корпусе; 1- направляющая втулка

Использование теплообменника в нефтепереработке

В таком устройстве, как теплообменник, происходит процедура теплообмена между теплоносителями, имеющими разную температуру. По принципу действия теплообменники представлены моделями регенераторов и рекуператоров.

В конструкцию рекуператоров входит стенка, разделяющая движущиеся теплоносители. Конструкции такого типа наиболее распространены. Регенераторы отличаются тем, что в них теплоносители, имеющие разную температуру, контактируют с поверхностью поочередно.

Использование теплообменного оборудования

С помощью теплообменников осуществляют теплообменные процессы, служащие для повышения или понижения температуры в рабочей среде для выполнения последующих работ, связанных с ее переработкой или утилизацией.

Типы устройств для теплообмена

Для классификации теплообменников руководствуются следующими критериями:

• типом конструкции;
• устройствами, сделанными из труб (кожухотрубчатыми, оросительными, змеевиковыми, погружными типами), а также типами «труба в трубе» и с системой воздушного охлаждения;
• устройствами, где для изготовления теплообменной поверхности пользуются листовыми материалами (сотовыми, спиральными и пластинчатыми);
• теплообменниками, для изготовления поверхности которых пользуются неметаллическими материалами (стеклянными, пластмассовыми, графитными и прочими).

По своему назначению теплообменники бывают:

• подогревателями;
• холодильниками;
• конденсаторами;
• испарителями.

В соответствии с направлением потоков теплоносителей:

• противоточными;
• прямоточными;
• теплоносителями перекрестного тока.

В химической и нефтеперерабатывающей сфере большая часть теплообменников (80%) является аппаратами кожухотрубчатого типа. Они достаточно просты в изготовлении, имеют высокую степень надежности и относятся к достаточно универсальному оборудованию.

Теплообменники, имеющие змеевиковую конструкцию либо конструкцию «труба в трубе», во всем ассортименте теплообменного оборудования составляют около 8%, а конструкции чугунных оросительных устройств не более 2 процентов.

Кожухотрубчатый тип теплообменных аппаратов

Распространение кожухотрубчатых устройств очень широко Их используют в качестве охладителей, нагревателей и конденсаторов в сфере промышленности и транспорта, благодаря работе как в жидких, так и в газообразных жидких средах.

Конструкция таких теплообменников состоит из:

• корпуса, называемого кожухом;
• трубного пучка;
• патрубков;
• камер-крышек;
• запорной арматуры;
• регулирующей арматуры;
• аппаратуры для текущего контроля за процессом;
• опор, держащих устройство;
• каркаса.

Кожух подобных моделей имеет цилиндрическую форму, для его сваривания пользуются одним или несколькими листами (чаще всего стальными). Определяя необходимую толщину стенок кожуха, руководствуются максимальным значением рабочей среды, возникающим в пространстве между трубами, и диаметром теплообменника.

Дно камер должно быть сферической формы (в сварных камерах) либо эллиптической формы (в штампованных камерах). Использование плоских днищ практикуется реже. Толщину днища принимают либо равной, либо более толщины стенок корпуса.

Наиболее эффективны вертикально расположенные теплообменники, так как для горизонтальных моделей требуется использование значительно большей площади. В производственных помещениях с вертикальными устройствами работать более комфортно.

Для изготовления пучка теплообменника пользуются гладкими бесшовными трубами, которые могут быть выполнены с стали, латуни или меди. Используют либо прямую форму, либо U- или W-образную, а величина диаметра варьируется до 57 миллиметров. Длина может составлять несколько сантиметров и даже девять метров. Величина диаметра может достигать 1,4 метра и свыше.

Из каких элементов состоит конструкция кожухотрубчатого теплообменника

В холодильных устройствах практикуется использование кожухотрубных и секционных конструкций, в оборудование которых входят низкие накатные ребра, имеющие продольную, радиальную и спиралевидную форму. Высота продольных ребер не превышает 12 – 15 миллиметров. В катаных трубах аналогичный показатель достигает 1,5 – 3 миллиметра (на 1 метр длины применяется 600 – 800 ребер).

Как правило, не существует отличий между внешним диаметром труб с низкорадиальными накатными ребрами и трубами, имеющими гладкую поверхность. Тем не менее, общая площадь теплообменных поверхностей увеличивается до полутора – двух с половиной раз. Благодаря особой форме подобной теплообменной поверхности удается добиться значительного повышения тепловой эффективности при использовании в работе различных сред, отличающихся комплексом своих теплофизических характеристик.

В соответствии с конструкцией накатного или гладкого пучка используются разные способы закрепления труб (двухтрубных и однотрубных решеток) при помощи:

• сварного способа;
• разбортовки;
• развальцовки;
• технологии спайки;
• сальниковых соединений.

Сальниковый способ крепления является наиболее затратным и сложным, поэтому используется реже других, хотя использование такого соединения дает возможность трубам перемещаться в тепловых удлинениях в продольной плоскости

Трубы в трубных решетках размещаются с использованием следующих способов:

• шахматного (по сторонам и вершинам 6-тиугольников с правильной формой);
• коридорного (по сторонам и вершинам квадратов);
• круглого (в виде концентрической окружности);
• по сторонам и вершинам 6-тиугольников, со смещенной на угол β диагональю.

Использование первого способа расположения труб на трубной решетке является наиболее популярным. Использование прямоугольного типа размещения наиболее популярно в теплообменниках, которые работают с загрязненными жидкостями, так как благодаря такому размещению существенно облегчается очистка пространства между трубами.

Применение способа размещения, когда трубы располагаются на решетке по сторонам и вершинам 6-тиугольника со смещенной на угол β диагональю наиболее эффективно для конденсирующих кожухотрубных устройств, расположенных горизонтально. Благодаря такому способу размещения удается добиться уменьшения возможности термического сопротивления на внешних поверхностях труб, вызываемого из-за образующейся пленки конденсата. В межтрубном пространстве решетки остаются при этом проходы, сквозь которые свободно проникает пар.

В некоторых конструкциях решетки, расположенные в прямом трубном пучке, зажимают между верхним и нижним фланцем корпуса и крышек аппарата. Подобные теплообменники отличаются жесткой конструкцией. Такими аппаратами пользуются при сравнительно небольшой разности температур у труб и корпуса (максимум 30 градусов), а также при применении материалов для изготовления труб и корпуса, имеющих близкие коэффициенты удлинения.

Проектирование теплообменников невозможно без расчета напряжений, возникающих при тепловых удлинениях, характерных трубам трубной решетки. Особенно важен расчет напряжения в точках соединения поверхности решетки и труб.

Рассчитанные заранее значения напряжений для проектов каждых конкретных теплообменников позволяют определиться с соответствием конкретным задачам устройства, имеющего жесткий тип конструкции. При непригодности такой конструкции применяются модели теплообменников с нежесткой конструкцией либо кожухотрубного типа.

Если в теплообменниках применяют U-образную или W-образную форму труб, крепление обоих концов осуществляют в трубной решетке. У каждой трубы в пучке есть возможность для свободного удлинения, не соответствующего тепловым удлинениям других труб или прочим элементам конструкции. Если даже возникают существенные тепловые соединения напряжений в тех местах, где труба соединяется с трубной решеткой, а также в тех местах, где сама решетка соединяется с кожухом, проблем с эксплуатацией не возникает.

Теплообменник в сфере нефтепереработки

Применение теплообменников подобного типа практикуется при достаточно высоком давлении в обрабатываемых теплоносителях. Модели теплообменных устройств с изогнутыми трубами нельзя относить к самым лучшим. Это обусловлено трудностями, возникающими при создании в производстве радиусов изгиба, а также при их эксплуатации. Отметим трудности с заменой и чисткой таких труб.

В устройствах кожухотрубчатого типа, с использованием двойных труб, все элементы конструкции состоят из двух труб: наружной, с закрытым нижним концом, и внутренней с открытым концом. Закрепление верхнего конца внутренней трубы меньшего диаметра осуществляется с помощью сварки или развальцовочного способа, на верхней трубной решетке. Закрепление трубы с большим диаметром осуществляется на нижней решетке. Благодаря такому монтажу любой двухтрубный элемент конструкции получает возможность свободного удлинения, причем возникновения тепловых напряжений не происходит.

Нагревание технологической среды происходит внутри трубы, после чего через кольцевой канал, служащий для соединения внутренней и наружной трубы, проникает дальше. Тепловой поток, нагреваемый в греющей среде, проходит через внешнюю стенку трубы. В теплообмене участвует и поверхность внутренней трубы. Это обусловлено разницей в температурах между нагреваемой средой, проходящей в кольцевом канале, и температурой среды, находящейся во внутренней трубе.

Любая технологическая линия НПЗ состоит из теплообменника. В сфере нефтепереработки без подобных устройств обойтись невозможно.

На предприятиях, занимающихся первичной нефтепереработкой, число теплообменников соответствует:

• объему производимой продукции;
• количеству перерабатывающих технологий, применяемых на производстве.

Объем выпускаемой продукции соответствует количеству технологических линий. От количества линий зависит количество теплообменников.

При рассмотрении конкретных цифр можно утверждать об очень большом разбросе подобных агрегатов на нефтеперерабатывающих предприятиях, на некоторых их единицы, на других свыше одной тысячи. В среднем, в оснащении одного перерабатывающего предприятия находится более 400 теплообменных устройств.

Подобные аппараты, применяющиеся в сфере НПЗ, работают со следующими технологическими средами:

• бензинами;
• дизельными топливами;
• керосинами;
• сырой нефтью;
• нефтяными маслами;
• мазутами;
• гудронами;
• битумами;
• паром;
• этиленом;
• пропиленом;
• фенол-ацетоном;
• парафином.

Наиболее часто работают аппараты с бензинами, дизтопливом, керосинами, маслами, мазутами и нефтью-сырцом. Уровень давления может составлять от 3 до 40 атмосфер. Самыми распространенными являются аппараты, давление в которых составляет 10 – 25 атмосфер.

В теплообменных устройствах применяются патрубки с диаметром от 350 до 1200 миллиметров. Диаметры от 1400 до 2000 миллиметров используются существенно реже. Среди самых распространенных кожухотрубных теплообменников патрубки размером 325 миллиметров. Уровень температур рабочих сред, используемых на НПЗ, находится в диапазоне 50 – 450 градусов Цельсия.

СТАТЬИ

Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплопередача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и протекают одновременно. Для теплообменников наибольшее значение имеет конвективный теплообмен или теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и одновременном действии теплопроводности и конвекции.

Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных ап­паратах различных типов и конструкций.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопро­водного материала, а в смесительных аппаратах тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.

Смесительные теплообменники по конструкции проще поверхностных: тепло в них используется полнее. Но они пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям произ­водства допустимо смешение рабочих сред.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В регенеративных теплообменниках теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется. Рассмотрим рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия, наиболее распространенные в промышленности.

Кожухотрубчатые теплообменники

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крыш­ки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках разваль­цовкой, сваркой и пайкой.

кожухотрубчатый теплообменник

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки как и трубном, так и межтрубном пространствах.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от неличины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткий, полужесткой и нежесткой конструкции.

Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения до­полнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U об-разных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа.

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных па корпусе. Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10—15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см2 .

Элементные (секционные) теплообменники

Элементный (секционный) теплообменник

Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе”

Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.

Недостатки двухтрубного теплообменника — громоздкость, высокая стоимость вследствие большого рас­хода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Двухтрубный теплообменник типа “труба в трубе”

Витые теплообменники

Поверхность нагрева витых теплообменников компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

Витой теплообменник

Погружные теплообменники

Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погружные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема.

Оросительные теплообменники

Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи «калачей». Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные теплообменники — довольно громоздкие аппараты; они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред или необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (например, для охлаждения кислот применяют аппараты из кислотоупорного ферросилида, который плохо обрабатывается).

Ребристые теплообменники

Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер.

Ребристые теплообменники широко применяют в сушильных установках, отопительных системах и как экономайзеры.

Спиральные теплообменники

В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных теплообменниках осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом предотвращается смешение теплоносителей, а в случае неплотности прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко чистить каналы.

Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон (“глухой” канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом “глухой» канал недоступен для механической очистки.

Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей.

Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.

Спиральные теплообменники отличаются компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.

Недостатки спиральных теплообменников — сложность изготовления и ремонта, невозможность применения их при давлении рабочих сред свыше 10 кгс/см2.

Спиральный теплообменник

Пластинчатые теплообменники

В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены “в елку” (шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4—7 мм).

К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может из­меняться от 1 до 160 м2, число пластин—от 7 до 303.

В пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 150°С (с учетом свойств резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см2.

Пластинчатый теплообменник

Графитовые теплообменники

Эти теплообменники составляют отдельную группу. Высокая коррозионная стойкость и значительная теплопроводность делают графит незаменимым в некоторых производствах. Промышленностью выпускаются блочные, кожухотрубчатые, оросительные теплообменники и погружные теплообменные элементы.

Блочный графитовый теплообменник представляет собой один или несколько прямоугольных или цилиндрических блоков, имеющих две системы непересекающихся, перпендикулярных отверстий, создающих перекрестную схему движения теплоносителей. Каждая система отверстий имеет графитовые крышки для ввода и вывода рабочих сред. На крышки накладывают металлические плиты и систему стягивают болтами, создавая в графите наименее опасные напряжения сжатия.

Графитовые теплообменники

Кожухотрубчатый графитовый теплообменник состоит из труб, трубных решеток и крышек из графита, а также металлического кожуха с сальниковым уплотнением для компенсации температурных удлинений. Трубы приклеены к решеткам замазкой “Арзамит”. Уплотняющие прокладки изготовлены из фторопласта.

Общее число труб:
n = F / d*l, где F – поверхность теплообмена; d – диаметр трубы; l – длина туб.

Число труб одного хода в трубном пространстве:
n0 = 3,54*10-4(Gmp / d2*b*w), где Gтр – расходтеплоносителя в твубном пространстве; d -внутренний диаметр трубок; b — плотность теплоносителя ; w – скорость теплоносителя.

Теплообменники

К концу XIX века тепловая обработка молока получила столь широкое применение, что стала использоваться для разнообразных целей на большинстве молокозаводов — например, для обработки молока при изготовлении сыра и масла.

До внедрения тепловой обработки молоко представляло собой постоянный источник инфекций, так как оно является идеальной средой для развития микроорганизмов. Через молоко зачастую распространялись такие болезни, как туберкулез и брюшной тиф.

В термине «пастеризация» запечатлено имя Луи Пастера, который в середине XIX века провел фундаментальные исследования воздействия тепла на микроорганизмы, приводящего к их гибели, и возможности применения температурной обработки для консервирования пищевых продуктов.

Пастеризация молока — это особый вид тепловой обработки, который можно определить как «любую тепловую обработку молока, обеспечивающую безусловное уничтожение микроорганизмов — возбудителей туберкулеза, не вызывая при этом значительных изменений физических и химических качеств молока»,

Изучая историю пастеризации, следует заметить, что, хотя ученые повсеместно сошлись на том,
при какой температуре следует проводить тепловую обработку молока, в производственной практике в течение длительного времени серьезного контроля над этим процессом не осуществлялось.

В результате молоко то перегревалось, что придавало ему соответствующий привкус, то недостаточно нагревалось, и тогда в нем сохранялись жизнеспособные возбудители туберкулеза.

В середине 30-х годов XX века (JDR:6/191) Кэй (Кау) и Грэхэм (Graham) объявили об открытии фермента фосфатазы. Данный фермент всегда присутствует в сыром молоке и разрушается под воздействием повышенной температуры в течение определенного времени, необходимого для эффективной пастеризации. Кроме того, его присутствие или отсутствие легко подтверждается (проверка на фосфатазу по методу Шерера /Scharer/). Отсутствие фосфатазы свидетельствует о том, что молоко прошло необходимую тепловую обработку.

К счастью, все обычные патогенные организмы, встречающиеся в молоке, погибают при сравнительно небольшом нагреве, который лишь незначительно отражается на физико-химических качествах молока. Самый устойчивый микроорганизм — возбудитель туберкулеза погибает уже при нагреве молока до 63°С в течение 10 минут. Полная безопасность обеспечивается выдержкой молока при этой температуре в течение 30 минут. Таким образом, этот микроорганизм является своего рода индикатором эффективности процесса пастеризации: любая тепловая обработка, вызывающая его гибель, надежно уничтожает все остальные патогенные микроорганизмы в молоке.

Помимо патогенных микроорганизмов, молоко содержит другие микроорганизмы и вещества, которые портят вкусовые качества и сокращают сроки хранения различных молочных продуктов. Поэтому следующей целью тепловой обработки является уничтожение как можно большего числа этих opганизмов и ферментных систем, что требует более интенсивной тепловой обработки, чем для уничтожения патогенных микроорганизмов.

Второе предназначение тепловой обработки приобретало все большее значение по мере укрупнения молочных заводов и сокращения их количества. Увеличившиеся интервалы времени между поставками означают, что, несмотря на современные методы охлаждения, микроорганизмы имеют больше времени для размножения и образования ферментов. Кроме того, разрушаются составляющие характеристики молока, снижается активная кислотность (pH) и т.д. Чтобы избежать этих проблем, молоко должно подвергаться тепловой обработке сразу же после поступления на молокозавод.

Большая удача, что ни один из основных патогенных организмов, присутствующих в молоке, не образует спор.

Рис.1 Летальное воздействие температуры на микроорганизмы.

Сочетание температуры и времени

Сочетание степени нагрева и его продолжительности — очень важный фактор, определяющий интенсивность тепловой обработки. На рис.1 графически показано, при каких сочетаниях этих двух характеристик погибают бактерии группы кишечной палочки, возбудители брюшного тифа и туберкулеза. В соответствии с этими графиками группы кишечных палочек погибают при выдерживании в течение 1 секунды при температуре 70°С. При температуре 65°С для уничтожения этих бактерий молоко надо выдерживать в течение десяти секунд. Эти комбинации — 70°С/1 с и 65°С/10 с — оказывают одинаковое летальное воздействие на бактерии.

Возбудитель туберкулеза более устойчив к тепловой обработке, и для его гарантированного уничтожения требуется выдержка в 20 секунд при 70°С или около двух минут при 65°С. В молоке также могут находиться теплоустойчивые микрококки. Как правило, они абсолютно безвредны.

Ограничения при тепловой обработке

Интенсивная тепловая обработка молока желательна с точки зрения борьбы с микроорганизмами. Но такая обработка предполагает риск отрицательного воздействия на внешний вид, вкус и питательную ценность молока. При высоких температурах белки в молоке денатурируют. Это означает, что интенсивная тепловая обработка существенно ухудшает пригодность молока для изготовления сыра. Сильный нагрев приводит к изменению вкуса: сначала возникает привкус кипяченого, а далее — пригоревшего молока. Таким образом, следует подбирать оптимальный режим тепловой обработки, при котором гарантированно уничтожались бы болезнетворные микроорганизмы и не ухудшались бы качественные показатели.

В связи с тем, что тепловая обработка стала важнейшей составляющей молочного производства и ее значение получило всеобщее признание, были разработаны различные виды тепловой обработки, которые перечислены в таблице 1.

Таблица 1.
Основные виды тепловой обработки, применяемые в молочном производстве