Schimbător de căldură

Un schimbător de căldură  este un dispozitiv tehnic în care căldura este schimbată între două medii cu temperaturi diferite .

Conform principiului de funcționare, schimbătoarele de căldură sunt împărțite în recuperatoare și regeneratoare. În recuperatoare, purtătorii de căldură în mișcare sunt despărțiți de un perete. Acest tip include majoritatea schimbătoarelor de căldură de diferite modele. În schimbătoarele de căldură cu regenerare, lichidele de răcire calde și reci sunt la rândul lor în contact cu aceeași suprafață. Căldura se acumulează în perete la contactul cu un lichid de răcire fierbinte și este eliberată la contactul cu unul rece, ca, de exemplu, în cuptoarele furnalelor înalte .

Schimbătoarele de căldură sunt utilizate în procesele tehnologice de rafinare a petrolului, petrochimice, chimice, nucleare, frigorifice, gaze și alte industrii, în energie și utilități [1] .

Designul schimbătorului de căldură depinde de condițiile de utilizare. Există dispozitive în care, simultan cu transferul de căldură, au loc procese adiacente, cum ar fi transformările de fază , de exemplu, condensarea , evaporarea , amestecarea. Astfel de dispozitive au propriile nume: condensatoare, evaporatoare, turnuri de răcire , condensatoare de amestec.

În funcție de direcția de mișcare a purtătorilor de căldură, schimbătoarele de căldură recuperatoare pot fi cu flux direct cu mișcare paralelă într-o direcție, contracurent cu mișcare paralelă în sens invers, precum și cu mișcare transversală reciprocă a două medii care interacționează.

Principalele tipuri de schimbătoare de căldură

Cele mai comune schimbătoare de căldură recuperatoare din industrie sunt:

• Schimbatoare de caldura cu manta si tub (carca si tub),
• Schimbătoare de căldură elementare (secționale),
• Schimbătoare de căldură cu două conducte de tip „țeavă în conductă” [2] ,
• schimbătoare de căldură răsucite,
• Schimbatoare de caldura prin imersie,
• Schimbătoare de căldură pentru irigare,
• schimbătoare de căldură cu aripioare,
• schimbatoare de caldura in spirala ,
• Schimbatoare de caldura cu placi ,
• Schimbătoare de căldură cu plăci și aripioare ,
• schimbătoare de căldură din grafit,
• Schimbătoare de căldură minicanal [3] .
• Schimbătoare de căldură elicoidale

Modele de schimbătoare de căldură

Principalele tipuri de schimbătoare de căldură recuperatoare.

• Schimbatoare de caldura cu manta si tub . Plăcile tubulare sunt sudate pe corp, carcasa la capete, în care sunt fixate fasciculele de tuburi. Practic, țevile din grătare sunt fixate cu o etanșare evazată sau într-un alt mod, în funcție de materialul țevilor și de presiunea din aparat. Foile tubulare sunt închise cu capace pe garnituri și șuruburi sau știfturi. Pe corp există țevi de ramificație (fittinguri) prin care un lichid de răcire trece prin inel. Cel de-al doilea lichid de răcire trece prin țevile (fittingurile) de pe capace prin țevi. În schimbătorul de căldură cu treceri multiple, deflectoarele sunt instalate în corp și capace pentru a crește viteza purtătorilor de căldură. Pentru a crește transferul de căldură, se folosește finarea tuburilor de schimb de căldură, care se realizează fie prin moletare, fie prin înfășurarea benzii. Dacă este necesar, proiectarea aparatului trebuie să prevadă curățarea acestuia.
• Schimbătoare de căldură element . Fiecare element al unui astfel de aparat este un simplu schimbător de căldură cu carcasă și tub, fără deflectoare. Astfel de dispozitive permit în același timp o presiune mai mare. Cu toate acestea, acest design se dovedește a fi mai voluminos și mai greu decât aparatul cu carcasă și tub.
• Schimbatoare de caldura prin imersie . Într-un schimbător de căldură cu serpentin imersat, un lichid de răcire se deplasează de-a lungul unei serpentine scufundate într-un rezervor cu un alt lichid de răcire. Viteza lichidului în inel este neglijabilă și, în consecință, transferul de căldură din lichid este relativ mic. Astfel de schimbătoare de căldură sunt utilizate datorită simplității și costului redus în instalațiile mici.
• Schimbătoare de căldură de tip „țeavă în conductă” . Elementul de schimb de căldură al unui astfel de aparat este prezentat în figură. Elementele separate sunt interconectate prin conducte de ramificație și bobine, formând un aparat integral de dimensiunea necesară. Aceste schimbătoare de căldură sunt utilizate la debite mici și la presiuni mari.
• Schimbătoare de căldură pentru irigare . Acest tip de schimbător de căldură este utilizat în principal ca condensatoare în unitățile frigorifice. Schimbătorul de căldură pentru irigare este o serpentină de țevi orizontale așezate în plan vertical sub forma unei serii de secțiuni paralele. Deasupra fiecărui rând există un jgheab din care apa de răcire curge în fluxuri pe tuburile de schimb de căldură, spălându-le suprafața exterioară. În acest caz, o parte din apa de răcire se evaporă. Apa rămasă este returnată de pompă, iar pierderile sunt compensate din alimentarea cu apă. Aceste schimbătoare de căldură sunt instalate în aer liber și închise cu grătare din lemn pentru a reduce transferul de apă.
• Schimbătoare de căldură din grafit . Schimbatoarele de caldura pentru medii agresive chimic sunt realizate din blocuri de grafit, care sunt impregnate cu rasini speciale pentru a elimina porozitatea. Grafitul are o conductivitate termică bună. Canalele pentru lichide de răcire sunt găurite în blocuri. Blocurile sunt sigilate împreună cu garnituri de cauciuc sau teflon și strânse cu capace cu legături.
• Schimbatoare de caldura cu placi . Astfel de schimbătoare de căldură constau dintr-un set de plăci în care sunt ștanțate suprafețe ondulate și canale pentru curgerea fluidului. Plăcile sunt sigilate cu garnituri de cauciuc și legături. Un astfel de schimbător de căldură este ușor de fabricat, ușor de modificat (adăugați sau îndepărtați plăci), ușor de curățat, are un coeficient de transfer termic ridicat, dar nu poate fi folosit la presiuni mari.
• Schimbător de căldură cu plăci și aripioare . Un schimbător de căldură de acest tip, spre deosebire de un schimbător de căldură cu plăci, constă dintr-un sistem de plăci divizoare, între care există suprafețe cu nervuri - duze atașate plăcilor prin lipire în vid. Din lateral, canalele sunt limitate de bare care susțin plăcile și formează canale închise. Astfel, schimbătorul de căldură cu plăci cu aripioare are la bază o matrice de schimb de căldură rigidă și durabilă, complet lipită, construită după principiul fagurelor și operabilă (chiar și din aliaje de aluminiu) până la o presiune de 100 atm. si mai sus. În schimbătoarele de căldură cu plăci, există un număr mare de duze, ceea ce vă permite să selectați geometria canalelor din partea fiecărui flux, realizând designul optim. Principalele avantaje ale acestui tip de schimbătoare de căldură sunt compactitatea (până la 4000 m²/m³) și ușurința. Acesta din urmă este asigurat prin utilizarea unui pachet de piese subțiri din aliaje ușoare de aluminiu la fabricarea matricei de schimb de căldură.
• Schimbătoare de căldură în spirală . Schimbătorul de căldură este format din două canale spiralate înfășurate din material laminat în jurul peretelui despărțitor central - miez, mediul se deplasează prin canale. Unul dintre scopurile schimbătoarelor de căldură în spirală este încălzirea și răcirea lichidelor foarte vâscoase.

Atunci când alegeți între schimbătoarele de căldură cu plăci și manșă și tub, sunt preferate schimbătoarele de căldură cu plăci, cu un coeficient de transfer de căldură de peste trei ori mai mare decât al tradiționalelor manta și tub. În același timp, pentru a rezolva aceeași problemă de încălzire a mediului, un schimbător de căldură cu carcasă și tub va ocupa o suprafață de 3-4 ori mai mare decât un schimbător de căldură cu plăci comparabil ca eficiență sau de 6-10 ori mai mare decât un schimbător de căldură elicoid. schimbător comparabil ca eficiență [4] [5] . În același timp, schimbătoarele de căldură cu plăci străine, echipate cu automatizare, control și fitinguri fiabile , pot reduce cantitatea de lichid de răcire folosită pentru încălzirea apei. Aceasta înseamnă că diametrele conductelor și supapele de închidere și control vor reduce sarcina pompelor de rețea și, în consecință, vor reduce consumul de energie electrică. Recent au început să apară schimbătoare de căldură elicoidale casnice moderne , echipate cu tuburi profilate în așa fel încât creșterea rezistenței hidraulice a depășit creșterea transferului de căldură datorită utilizării turbulatoarelor de flux. Acest lucru se realizează prin moletarea canelurilor inelare sau elicoidale pe suprafața exterioară a țevii, datorită formării cărora pe suprafața interioară a țevii se formează proeminențe conturate neted de înălțime mică, care intensifică transferul de căldură în țevi. Această tehnologie, în plus față de indicatori atât de importanți, cum ar fi fiabilitatea ridicată (și în cazul loviturilor de berbec ) și costul mai mic , oferă echipamentelor de schimb de căldură casnice avantaje suplimentare în comparație cu omologii lamelare străine. O problemă serioasă este coroziunea schimbătoarelor de căldură. Pentru a proteja împotriva coroziunii, se utilizează pulverizarea termică a foilor tubulare, a țevilor supraîncălzitoarelor. Acest lucru nu se aplică numai schimbătoarelor de căldură cu carcasă și tuburi din oțel carbon. Schimbătoarele de căldură elicoidale [4] și plăcile schimbătoarelor de căldură cu plăci sunt realizate în mare parte din oțel rezistent la coroziune, rezistent la căldură, dar, în ciuda acestui fapt, ele sunt, de asemenea, supuse coroziunii prin pitting atunci când se utilizează lichide de răcire neinhibate.

Note

1. ↑ Echipament de schimb de căldură. . armoservis.ru _ Preluat la 22 ianuarie 2021. Arhivat din original la 28 ianuarie 2021. (nedefinit)
2. ↑ Tehnologia cu gheață pompată
3. ↑ Baranenko A. V., Tsvetkov O. B., Laptev Yu. A., Khovalyg D. M. Schimbătoare de căldură cu minicanal în inginerie frigorifică.  // Revista științifică NRU ITMO. Seria „Refrigerare și aer condiționat”. - Sankt Petersburg. : NRU ITMO , 2014. - Ediția. 3 . — ISSN 2310-1148 . (Rusă)
4. ↑ 1 2 M. Nitsche și RO Gbadamosi. Ghid de proiectare a schimbătorului de căldură. - Elsevier Inc., 2016. - ISBN 978-0-12-80-37-64-5 .
5. ↑ Securitatea energetică în documente și fapte Nr. 2, 2006 . Preluat la 25 mai 2018. Arhivat din original la 12 ianuarie 2020. (nedefinit)

Literatură

• Lukanin V. N., Ingineria termică, M., „Școala superioară”, 2002.
• Kasatkin A. G., Procese și aparate de bază ale tehnologiei chimice, „Chimie”, M., 1971, 784 p.