Классификация теплообменных аппаратов

В большинстве промышленных теплообменных аппаратов (ТА) передача теплоты чаще всего происходит при изменяющихся температурах теплообменивающихся сред. Так, теплообмен в теплоиспользующих и технологических установках, нагнетательных и добывающих скважинах, пласте осуществляется при переменных температурах тел.

Типичным и наиболее распространенным техническим устройством, в котором теплопередача осуществляется при переменных температурах, является теплообменный аппарат. Теплообменным аппаратом (ТА) называется устройство, предназначенное для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Теплоносителями могут быть самые разнообразные жидкости, газы и даже твердые тела. Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Широкое распространение теплообменных аппаратов в нефтяной и газовой промышленности обязывает специалистов уметь их рассчитывать, обобщать опыт их эксплуатации, анализировать рабочий процесс и намечать пути повышения эффективности их работы. Эффективная работа теплообменных аппаратов приводит к сокращению расхода топлива и улучшает технико-экономические показатели установок.

Теплообменные аппараты могут быть классифицированы по различным признакам. По способу передачи теплоты все теплообменные аппараты разделяются на поверхностные и аппараты смешения (рис. 1.1.).

Рис.1.1. Виды теплообменных аппаратов:

а – рекуперативные; б – регенеративные; в – смесительные; 1 – горячий теплоноситель; 2 – холодный теплоноситель; Q – тепловой поток

В поверхностных теплообменных аппаратах передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твердой стенки. В смесительных теплообменных аппаратах передача теплоты осуществляется при непосредственном контакте и смешении теплоносителей, причем смешение может осуществляться как в ограниченном, фиксированном объеме какой-либо емкости, так и в потоке теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменных аппаратах теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку (поверхность теплопередачи), при этом горячая и холодная среды одновременно с разных сторон омывают поверхность теплопередачи. В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая в первый период нагревается аккумулируя теплоту горячего теплоносителя, а во второй период охлаждается, отдавая теплоту холодному теплоносителю.

Рис.1.2. Основные виды рекуперативных теплообменных аппаратов:

а – кожухотрубный теплообменный аппарат жесткой конструкции; 1 – цилиндрический кожух; 2 –трубный пучок; 3 – крышки; 4, 5 – штуцеры; 6 – трубные решетки; б – теплообменный аппарат с плавающей головкой; в – теплообменный аппарат с U-образными трубками; г – теплообменный аппарат типа «труба в трубе»

Наиболее широко распространены в настоящее время кожухотрубные теплообменники, относящиеся к группе рекуператоров. По некоторым данным они составляют до 80% от всей теплообменной аппаратуры.

Большое распространение получили теплообменные аппараты жесткой конструкции, теплообменники с компенсаторами температурных напряжений (с линзовыми компенсаторами на корпусе, с плавающей головкой), с U-образными трубками. Кроме того, в нефтяной и газовой промышленности широкое применение получили теплообменные аппараты типа «труба в трубе» (рис.1.2) и все шире применяются пластинчатые аппараты разборные, неразборные и полуразборные.

В поверхностных теплообменных аппаратах горячий и холодный теплоносители могут двигаться различно. Наиболее простыми и распространенными схемами движения являются прямоток, противоток и перекрестный ток (рис.1.3). При прямотоке горячая и холодная среды движутся вдоль поверхности теплообмена в одном направлении, при противотоке – в противоположных направлениях, при перекрестном токе – в перекрещивающихся направлениях. Существуют аппараты и с более сложными схемами движения.

Рис.1.3. Основные схемы движения теплоносителей и теплообмена:

а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный, г – смешанное; д – многократноперекрестный; 1 – горячий теплоноситель; 2 –холодный теплоноситель

От схемы движения сред в прямой зависимости находится и теплообмен между ними, поэтому схемы движения теплоносителей еще называются схемами теплообмена. Кроме классификации по конструктивному оформлению аппаратов и схемам теплообмена существует классификация по целому ряду других признаков: типу и агрегатному состоянию теплоносителей, виду оребрения теплообменной поверхности, технологическому назначению аппарата и др. Так, по агрегатному состоянию теплоносителей, аппараты подразделяют на два вида: без фазовых переходов и с наличием фазового перехода. Если теплоносители не претерпевают фазовых переходов про своем движении внутри аппарата, то аппарат может быть одного из четырех типов: «жидкость-газ», «жидкость-жидкость», «газ-жидкость» и «газ-газ». Первым указан горячий теплоноситель, как это принято в теории теплообменных аппаратов. Данное правило следует твердо запомнить. Если теплоноситель претерпевает фазовый переход, то аппарат будет называться испарителем (холодный теплоноситель вошел жидким, а вышел в виде пара) или конденсатором (горячий вошел в виде пара, а вышел жидким). Указание типа теплоносителя подразумевает его конкретное название, например аппарат типа «жидкость-жидкость» по типу теплоносителя может быть «вода-вода», «вода-масло», «масло-вода» и т.д.

По виду оребрения поверхности теплообмена выделено множество самых разнообразных видов ребер как по форме поперечного сечения, так и по их форме на виде сверху, например ребро прямоугольного сечения, круглое на виде сверху, или ребро треугольного сечения, квадратное на виде сверху и т.д. Некоторые виды оребрения показаны на рис. 1.4.

Рис.1.4. Виды оребрения

Выбор типа оребрения представляет собой сложную многофакторную задачу, которая, однако, имеет теоретическое решение, подробно рассмотренное в [26]. Однако в практике проектирования ТА часто превалирующим фактором являются чисто прагматичные соображения, например, наличие на складе предприятия-изготовителя материала для оребрения одного определенного вида или традиционно сложившиеся решения, характерные именно для данного производителя.

Теплообменные трубки, используемые в кожухотрубчатых аппаратах, могут отличаться не только диаметрами и длинами, но и формой поперечного сечения, т.е. кроме традиционно круглых они могут быть овальными или представлять собой почти плоские каналы. Материал трубок или пластин, как и материал оребрения, также может быть самым разнообразным.

Часто в особую группу выделяют аппараты, в которых холодным теплоносителем является наружный воздух. Они получили название аппаратов воздушного охлаждения (АВО). Такие аппараты широко применяются в системе дальнего транспорта природного газа по магистральным газопроводам. Этим аппаратам посвящена отдельная глава данного пособия вследствие сложности теплообменных процессов в АВО и специфики условий их работы.

Несмотря на особенности конструктивного исполнения и способа действия различных типов теплообменных аппаратов, тепловой расчет их имеет общие принципы.