Кпд теплообменника: Теплообменники: классификация, устройство, принцип работы

допустимо ли измерение КПД по отношению к теплообменникам? Как определить коэффициент полезного действия? Пластинчатые теплообменники с высоким КПД.

Допустим ли термин «КПД» по отношению к теплообменному аппарату?

Если отвечать на этот вопрос буквально, то нет. Ответ очевиден: теплообменный аппарат является всего лишь резервуаром, в котором происходит процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой среде. Энергия в теплообменнике не вырабатывается (в отличие от, например, электрического ТЭНа или двигателя).

В каких случаях используют термин «КПД» по отношению к теплообменному аппарату?

Иногда термин «КПД» ошибочно применяют для интегральной оценки теплового процесса, происходящего внутри теплообменника. Как известно, чем больше разность температур между рабочими средами, тем быстрее протекает процесс теплообмена между ними.

         Рассмотрим случай: имеется некая рабочая среда, которую нужно нагреть. Греющая среда заходит в теплообменник с определённой температурой.

         Процесс нагрева имеет 2 предельных случая:

1. Температура выхода холодной среды равняется её же температуре входа. То есть теплообмен нулевой, эффективность процесса равна нулю.

2. Температура выхода холодной среды равняется температуре входа горячей среды. То есть теплоноситель полностью отдал всё своё тепло холодной среде, эффективность процесса равна 100 %.

         Необходимо отметить, что в данном случае речь идёт исключительно о процессе нагрева, но при этом связь с площадью теплообменника однозначная:

в 1-м случае площадь нулевая,

во 2-м случае площадь равняется математической бесконечности.

Естественно, в реальности аппарата с бесконечной площадью не существует, поэтому и данного равенства температур быть не может, о чём и говорит всем известный закон термодинамики.

По каким параметрам оценивать эффективность теплообменных аппаратов?

Эффективность теплообменного аппарата определяется отношением величины теплоотдачи к гидравлическому сопротивлению.

Стремление к максимально высокой теплоотдаче при минимальных потерях давления лежит в основе разработки всех современных высокоэффективных теплообменников. Данные аппараты выигрывают по массогабаритным характеристикам, кроме того, они, как правило, более привлекательны с экономической точки зрения (за исключением тех случаев, когда затраты на производство превышают энергетическую эффективность).

В настоящее время вопросы эффективности занимают основное место в трудах ведущих мировых учёных, работающих в области теплообмена и гидравлики. Но к термину «КПД» это не имеет никакого отношения…

Пластинчатый теплообменник ГВС: схема обвязки и расчет

Обеспечить себе в доме или квартире горячее водоснабжение можно многими способами и непосредственный нагрев, например прямоточным электронагревателем или бойлером – не самый эффективный способ. В простоте и надежности отлично зарекомендовал себя пластинчатый теплообменник ГВС. Если есть источник тепла, например автономное отопление или даже централизованное, то тепло для нагрева воды вполне разумно взять от них, не тратя дорогостоящее электричество для этих целей.

Устройство и принцип работы

Пластинчатый теплообменник (ПТО) обеспечивает переход тепла от нагретого теплоносителя холодному, при этом не перемешивая их, развязывая два контура между собой. Теплоносителем может быть пар, вода или масло. В случае с горячим водоснабжением чаще источником тепла является теплоноситель системы отопления, а нагреваемой средой – холодная вода.

Конструктивно теплообменник представляет собой группу гофрированных пластин, собранных параллельно друг другу. Между ними образуются каналы, по которым течет теплоноситель и нагреваемая среда, притом послойно они чередуются между собой, не перемешиваясь при этом. За счет чередования слоев, по которым текут жидкости обоих контуров, увеличивается площадь теплообмена.

Схема работы теплообменника

Гофрирование чаше выполняется в виде волн, притом ориентированных так, чтобы каналы одного контура располагались под углом к каналам второго контура.

Подключение входов и выходов делаются так, чтобы жидкости текли навстречу друг другу.

Поверхность и материал пластин подбирается исходя из требуемой мощности теплообмена, вида теплоносителя. В особенно эффективных и продуманных теплообменниках поверхность формуется для возбуждения завихрений возле поверхности пластины, повышая теплообмен, не создавая сильного сопротивления общему току.

Теплообменник включается между двумя контурами:

1. Последовательно к системе отопления или параллельно с наличием регулирующей арматуры.
2. К входу от холодного водопровода и выходом к потребителю ГВС.

Холодная вода, протекая через теплообменник нагревается за счет тепла от системы отопления до требуемой температуры и подается на кран потребителя.

Основные характеристики пластинчатого теплообменника:

• Мощность, Вт;
• Максимальная температура теплоносителя, оС;
• Пропускная способность, производительность, литры/час;
• Коэффициент гидравлического сопротивления.

Мощность зависит от общей площади теплообмена, перепада температур в обоих контурах между входов и выходом и даже от числа пластин.

Максимальная температура задается подбором материалов и способом соединения пластин и корпуса теплообменника.

Пропускная способность повышается с увеличением числа пластин, так как они подключаются фактически параллельно, то каждая новая пара пластин добавляет дополнительный канал для тока жидкости.

Коэффициент гидравлического сопротивления важен при расчете нагрузки на систему отопления, где от этого зависит выбор циркуляционного насоса, немаловажен и для других источников тепла. Зависит от типа гофрирования пластин и размера сечения каналов и их количества.

Именно по этим параметрам подбирается в итоге теплообменник для конкретной ситуации. Чаще всего пластинчатые теплообменники имеют разборную конструкцию, в которой можно наращивать или уменьшать число пластин и выбирать их тип и размер. Мощность и производительность теплообменника должно хватать для того, чтобы нагреть проточную холодную воду, и при этом не создать критической нагрузки на систему отопления.

Для наиболее востребованных случаев, каким является обеспечение горячей водой частного хозяйства, дома или квартиры производятся готовые теплообменники с постоянными характеристиками.

Расчет

Выбор подходящего теплообменника сложно выполнить, оперируя только одной лишь его мощностью или пропускной способностью. Эффективность подготовки ГВС зависит и от состояния теплоносителя в первом контуре и во втором, от материала и конструкции теплообменника, скорости и массовой части теплоносителя, проходящего в единицу времени через пластинчатый теплообменник. Однако, естественно следует предварительно выполнить расчет, позволяющий прийти к определенному сочетанию мощности и производительности для выбора подходящей модели.

Базовые данные необходимые для расчета:

• Тип среды в обоих контурах (вода-вода, масло-вода, пар-вода)
• Температура теплоносителя в системы отопления;
• Максимально допустимое снижение температуры теплоносителя после прохождения теплообменника;
• Начальная температура воды, используемой для ГВС;
• Требуема температура ГВС;
• Целевой расход горячей воды в режиме максимального потребления.

Кроме этого в формулах для расчета задействована удельная теплоемкость жидкости в обоих контурах. Для ГВС используется табличное значение для начальной температуры воды, чаще +20оС, равное 4,182 кДж/кг*К. Для теплоносителя следует отдельно находить значение удельной теплоемкости, если в его составе имеется антифриз или другие присадки для улучшения его качеств. Аналогично для централизованного отопления берется приблизительное значение или фактическое на основании данных теплокоммунэнерго.

Целевой расход определяется количеством пользователей для горячей воды и количеством устройств (краны, посудомоечная и стиральная машинка, душ), где она будет использована. Согласно требованиям СНиП 2.04.01-85 необходимы следующие значения расхода горячей воды:

• для раковины – 40 л/ч;
• ванная – 200 л/ч;
• душевая – 165 л/ч.

Значение для раковины умножается на количество устройств в доме, которые могут использоваться параллельно, и складывается со значением для ванны или душевой в зависимости от того, что именно используется. Для посудомоечной и стиральной машинки значения берутся из паспорта и инструкции и только при условии, что они поддерживают использование горячей воды.

Второе базовое значение – это мощности теплообменника. Рассчитывается исходя из полученного значения расхода жидкости и разницы температур воды на входе в теплообменник и на выходе.

P = m * С *Δt,

где m – расход воды, С – удельная теплоемкость, Δt – разница температур воды на входе и выходе ПТО.

Для получения массового расхода воды следует расход, выраженный в л/ч умножить на плотность воды 1000 кг/м3.

КПД теплообменников оценивается на уровне 80-85%, и многое зависит от конструкции самого оборудования, так что полученное значение следует разделить на 0,8(5).

С другой стороны ограничением по мощности будет расчет, выполненный со стороны первого контура с теплоносителем, где, используя уже разницу допустимых температур для системы отопления, получаем максимально допустимый забор мощности. Конечный результат будет компромиссом между двумя полученными значениями.

Если забора мощности для нагрева нужного количества горячей воды не хватает, то разумнее использовать две ступени подогрева и, соответственно, два теплообменника. Мощность распределяется между ними поровну от требуемого расчета. Одна ступень выполняет предварительный нагрев, используя в качестве источника тепла обратку отопления с пониженной температурой. Второй ПТО уже нагревает окончательно воду за счет горячей воды с подачи отопления.

Схема обвязки

Подключают теплообменник к системе отопления несколькими способами. Самый простой вариант с параллельным включением и наличием регулировочного клапана, работающего от термоголовки.

Обязательными являются запорные шаровые вентили на всех выводах теплообменника, чтобы иметь возможность полностью перекрыть доступ жидкости и обеспечить условия для демонтажа оборудования. Регулировкой мощности и, соответственно, нагревом горячей воды должен заниматься клапан с управлением от термоголовки. Клапан устанавливается на подводящую трубу от отопления, а датчик температуры на выход контура ГВС.

При цикличной организации ГВС с наличием накопительной емкости устанавливается дополнительно тройник на входе нагреваемого контура для включения холодной водопроводной воды и обратки по ГВС. Избежать ненужного тока в обратном направлении в ветке горячей и холодной воды не даст обратный клапан.

Недостатком этой схемы является сильно завышенная нагрузка на систему отопления и неэффективный нагрев воды во втором контуре при большем перепаде температур.

Гораздо продуктивнее и надежнее работает схема с двумя теплообменниками, двухступенчатая.

1 – пластинчатый теплообменник; 2 – регулятор температуры прямого действия: 2.1 – клапан; 2.2 – термостатический элемент; 3 – циркуляционный насос ГВС; 4 – счетчик горячей воды; 5 – электро-контактный манометр (защита от «сухого хода»)

Идея заключается в использовании двух теплообменников. В первой ступени используется с одной стороны обратка системы отопления, а с другой холодная вода из водопровода. Это дает предварительный нагрев примерно на 1/3 или половину от необходимой температуры, при этом не страдает обогрев дома. Включение контура выполняется последовательно с байпасом, на котором уже закреплен игловой вентиль, с помощью которого регулируется объем теплоносителя.

Второй ПТО, вторая ступень, подключаемая параллельно системе отопления – это с одной стороны подача горячего теплоносителя от котла или котельной, а с другой уже подогретая на первой ступени вода ГВС.

Регулировкой первой ступени заниматься нет нужды. Устанавливаются лишь шаровые вентили на все четыре отвода и обратный клапан на подачу холодной воды.

Обвязка второй ступени идентичная параллельному подключению за исключением того, что вместо холодной воды подключается уже подогретая вода с первой ступени.

Изготовление теплообменника для повышения КПД котла

Тема к магазину имеет не совсем прямое отношение. Зато имеет прямое отношение к повышению эффективности систем как отопления, так и водоснабжения.

Мысль была- повысить эффективность газового котла. То есть, в конечном итоге задача стояла начать платить за газ и свет меньше.

Что имел изначально- котел, -самый простой, энергонезависимый с температурой «выхлопа» 80-90 градусов в режиме горения на поддержание температуры теплоносителя 60 градусов. А жадность стремится к тому, чтобы котел работал на грани образования конденсата ))).

Анализ подручных материалов и приблизительный расчет сечения дымохода дал такой вот проект:

Газовый баллон попался новый, поэтому ни запаха ни опасности возгорания не было. Если же использовать баллон , который применялся по прямому назначению, то — тратим газ,выкручиваем кран, заполняем водой, и только потом начинаем резать.

Детали баллона пойдут в дело. может, кроме крана с частью верхней крышки .

Следующим шагом готовим «дно», которое будет границей водяной\газовой части.

Инструмент, как видно, использовался самый простой. Вырезать при помощи лазерной установки было бы более правильно-сварка упросщается на порядок.

Далее сделал разметку и начал прожигать отверстия под трубы. Толщина листа большая- около 6 мм. В принципе, хватило бы и 3-4, но, как я уже говорил, делался теплообменник из подручных материалов, поэтому, трудоемкость была далеко не самой низкой.

Тут еще раз можно вспомнить про другие способы резки- но поиски в интернете нормальных вариантов не дали.

Электродов ушло много, получен бесценный опыт резки металла ))

Отверстия в листе готовы, теперь намечаем их в полукруглом дне баллона.

Теперь и здесь отверстия готовы. Диаметр промерялся куском трубы, которая далее будет использоваться для прохода дымогазов. Как показала последующая примерка, отверстия еще придется немного дорабатывать.

Красота, да и только )))

Прихватываем плоское дно. Еще его можно назвать верхом водяной части. Все детали, от которых требовалась герметичность, проваривались дважды. Сварка производилась не подряд, а участками с противоположных сторон- дабы избежать перекоса деталей.

Примеряем трубы. Диаметр брал дюйм с четвертью. Наружный диаметр 40 мм. На этом этапе приходилось еще немного подрезать отверстия, чтобы труба нормально проходила.

Вставил трубу- зафиксировал на прихватку.

Трубы вставлены, отрегулированы по одной стороне.

Тут просто- прожигаем отверстие и привариваем резьбу. Использовал полдюймовую, так как теплообменник будет использоваться для преднагрева ГВС. Вода будет подводиться и отводиться полипропиленовой трубой 25 мм. Что обеспечит проток без заужений и переплаты за материал.

Все недостатки по сварке зачищаем и провариваем еще раз.

Полукруглая сторона теплообменника. Варилась достаточно сложно. Небольшая толщина и низкая квалификация сыграли свою роль. Для получения герметичности потом пришлось прилично поработать.

Провариваем плоскую сторону теплообменника. Тут все получилось достаточно просто. Лист толстый, зазоры между трубой и листом небольшие. Даже такой сомнительный сварщик,как я, справится. А на фото уже вторая проварка.

Набор для проверки герметичности. Через краник с быстросъемом заполняем водой для предварительной проверки на течь при водопроводном давлении. А когда герметичность достигнута, перекрываем заправочный кран и накачиваем воздухом через латунный штуцер. Давление отслеживаем по манометру. Проверочное давление было 5 кгс\см2 Рабочее давление- 1,5-2 килограмма.

Вот и процесс герметизации. Заполняем водой, находим течь, сливаем, завариваем, повторяем процедуру до полного устранения протечек.

Наполнение баллона водой.

Помощь никогда не бывает лишней.

Покупка этих электродов стала просто находкой. Как говорится, попробовал и сразу разучился варить другими..)))

Возвращаем опору на место с той разницей, что шов делаем сплошным.

Вырезаем из листа 2 мм дно.

Прорезаем отверстие для входа газов в нижнем донышке, изготавливаем буртик, чтобы была возможность слить конденсат, если он будет образовываться.

Прорезаем отверстие для выхода газов, привариваем «трубу» для присоединения дымохода, привариваем верхнюю часть баллона на место.

Счищаем щеткой все, что счищается, наносим первый слой краски-грунта. Краска попалась странная. Первый слой получился прозрачным. Это при том, что размешана краска была нормально)))

А второй слой проявил себя именно как краска. Знатоки, отпишитесь пожалуйста в комментариях, как это понимать…

Срок службы теплообменника хотелось продлить
, так как время его окупаемости будет достаточно долгим. Поэтому обрабатываем неокрашенные поверхности преобразователем ржавчины. Где более доступно- разбрызгивателем. Внутри- просто заливаем литр-полтора и пару раз прокатываем теплообменник, чтобы жидкость попала во все узкие места.

Чтобы преобразователь ржавчины прореагировал, ждем 20-30 минут и промываем водой обработанные поверхности.

Устанавливаем теплообменник на место, подключаем к воде.

Холодная вода подается снизу, нагретая- уходит через верхний выход.

Теперь стоит сказать несколько слов об эксплуатации.

Во-первых- о конденсате. Он есть, но крайне мало. Образовывается он после теплообменника, в дымоходе, поэтому выход для конденсата (на последней фотографии на нем накручен переходник для металлопластиковой трубы) можно было и не делать. Конденсат образуется если израсходовать горячей воды литров 20 или более. В этом случае теплообменник наполнен холодной водой (на момент написания текста, температура воды из колодца была 10-11 град.) Падает 3-4 капли конденсата, который потом испаряется.

Вторая мысль- эффективность. Максимальную теплоотдачу если захотеть, то можно даже посчитать. При открытой горячей воде на двух смесителях и режиме горения котла на максимальной мощности, разница в температуре приходящей и уходящей воды составляла от 10 до 15 градусов. То есть, даже при большом расходе воды обеспечивается приличный преднагрев воды за счет уменьшения потерь котла. В режиме же обычного использования, когда разбор идет периодически, вода в теплообменнике нагревается до 65 градусов. При этом, во всех режимах работы котла температура теплообменника стала такой, что можно положить руку на дымоход и держать ее неограниченное время.

Побочный эффект. Около недели после установки теплообменника в горячей воде была ржавчина. Не много. При централизованном водоснабжении бывает и больше, но факт остается фактом. Через некоторое время система промылась.

Теплообменник работает, в зимнем режиме эксплуатации будет давать приличную экономию. Для лета же придется его утеплить, а также, полностью утеплить дымоход, чтобы они не излучали не нужное летом тепло.

Благодарю за внимание!

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

• Образование
• Исследование
• Инновации
• Прием + помощь
• Студенческая жизнь
• Новости
• Выпускников
• О MIT
• Подробнее ↓
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О MIT

Меню ↓

Поиск

Меню

Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще!

Что вы ищете?

Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

теплообменников | IPIECA

Последнее обновление темы: 1 февраля 2014 г.

Секторы: Нисходящий, Средний, Восходящий

Теплообменники используются для передачи тепла от одной среды к другой.Эти среды могут быть газом, жидкостью или их комбинацией. Среда может быть разделена сплошной стенкой для предотвращения смешивания или может находиться в прямом контакте. Теплообменники могут повысить энергоэффективность системы, передавая тепло от систем, где оно не требуется, другим системам, где оно может быть использовано с пользой.

Например, отработанное тепло в выхлопе газовой турбины, вырабатывающей электричество, можно передать через теплообменник для кипячения воды для приведения в действие паровой турбины для выработки большего количества электроэнергии (это основа для технологии газовых турбин с комбинированным циклом).

Другое распространенное использование теплообменников — предварительный нагрев холодной жидкости, поступающей в нагретую технологическую систему, с использованием тепла от горячей жидкости, выходящей из системы. Это снижает энергозатраты, необходимые для нагрева поступающей жидкости до рабочей температуры.

• Специальные области применения теплообменников включают:
• Нагревание более холодной жидкости за счет тепла более горячей жидкости
• Охлаждение горячей жидкости путем передачи тепла более холодной жидкости
• Кипячение жидкости с использованием тепла более горячей жидкости
• Кипение жидкости при конденсации более горячего газообразного флюида
• Конденсация газообразной жидкости с помощью более холодной жидкости [Ссылка 1]

Жидкости в теплообменниках обычно текут быстро, что способствует передаче тепла посредством принудительной конвекции.Этот быстрый поток приводит к потерям давления в жидкостях. Эффективность теплообменников означает, насколько хорошо они передают тепло по отношению к потере давления, которую они несут. Современная технология теплообменников сводит к минимуму потери давления, одновременно увеличивая теплопередачу и достигая других целей проектирования, таких как выдерживание высокого давления жидкости, сопротивление загрязнению и коррозии, а также возможность очистки и ремонта.

Для эффективного использования теплообменников в многопроцессорном оборудовании тепловые потоки следует учитывать на системном уровне, например, с помощью «пинч-анализа» [вставьте ссылку на страницу пинч-анализа].Существует специальное программное обеспечение для облегчения этого типа анализа, а также для выявления и предотвращения ситуаций, которые могут усугубить засорение теплообменника (см. Пример Пример 1 ).

Применение технологий

Теплообменники

доступны во многих конструкциях, каждый со своими преимуществами и ограничениями. Основные типы теплообменников:

Кожух и трубка — Наиболее распространенный тип конструкции теплообменника состоит из параллельного расположения трубок в кожухе [Рисунок 1]. Одна жидкость течет по трубкам, а другая жидкость течет через кожух по трубкам. Трубки могут быть расположены в оболочке для обеспечения параллельного потока, противотока, поперечного потока или того и другого. Теплообменники также могут быть описаны как имеющие расположение труб в однопроходном, многопроходном или U-образном исполнении. Благодаря своей трубчатой ​​конструкции этот тип теплообменника может выдерживать большие давления. Теплообменник может иметь одну или две головки на кожухе и несколько впускных, выпускных, выпускных и сливных патрубков [Ссылка 2].

Рисунок 1 : Поперечное сечение кожухотрубного теплообменника с одинарным проходом s, конфигурацией противотока , большими сегментными перегородками и двумя головками кожуха [Ref 3].

Элементы отклонения потока часто устанавливаются в кожухотрубных теплообменниках для улучшения теплообмена между жидкостями за счет создания более турбулентного потока жидкости на стороне кожуха и более перпендикулярного потока через трубы. Такие элементы должны быть тщательно спроектированы, чтобы минимизировать потери давления и образование «мертвых зон».Мертвые зоны — это области медленного или остановленного потока жидкости, которые могут привести к засорению (отложению твердых частиц) в теплообменнике.

Общие характеристики отклонения потока включают:

• Сегментные перегородки (расположенные в шахматном порядке перпендикулярные перегородки, каждая из которых закрывает часть стороны оболочки; см. Рисунок 1),
• Дисковые и кольцевые перегородки — расположенные в шахматном порядке круглые и кольцевые барьеры поочередно отталкивают поток со стороны оболочки поочередно в сторону и к оси оболочки
• Спиральные перегородки, расположенные под углом для обеспечения спиралевидного потока вокруг кожуха
• Стержневые перегородки — решетки стержней, обычно перпендикулярные оси оболочки.Трубки проходят в осевом направлении через промежутки между стержнями

.

• Вставки для трубок — вставки, такие как катушки из длинной проволоки, помещаются внутри труб для обеспечения турбулентного потока и минимизации загрязнения.

Рисунок 2 — Расположение спиральных перегородок — Обратите внимание, что перегородки на самом деле имеют много отверстий, позволяющих проходить трубам по всей длине кожуха. [Ссылка 4]

Другой подход к отклонению потока — это конструкция «витой трубы» от Koch Heat Transfer Company.В этой конструкции трубки сплющиваются в овалы и скручиваются в длинные спирали, а затем складываются вместе. Спиральный поток жидкостей как со стороны кожуха, так и со стороны трубы обеспечивает хорошую теплопередачу при относительно низких перепадах давления.

Рисунок 3 — Трубные вставки, выступающие из трубок в кожухотрубном теплообменнике ⁵

Рисунок 4 — Трубки теплообменника с витой трубкой и схема потока ⁶

Пластина и рама — тонкие параллельные пластины сложены вместе, образуя широкие параллельные каналы.Горячие и холодные жидкости проходят через чередующиеся каналы. Пластины разделены прокладкой или сваркой и могут иметь рисунок, способствующий турбулентному потоку. Пластины штабелируются вместе, и дополнительные пластины могут быть добавлены к конструкциям прокладок для увеличения теплопроизводительности. Поток может быть как параллельным, так и противотоком. Большая площадь поверхности, обеспечиваемая пластинами, означает, что пластинчатые и рамные теплообменники могут обеспечивать больший теплообмен между двумя жидкостями для данного объема по сравнению с кожухотрубными теплообменниками.

Рисунок 5: Схема пластинчато-рамного теплообменника

Другие типы — изменения предыдущих типов теплообменников включают пластинчатый и ребристый, пластинчатый и кожух, спиральный, воздухоохладитель с влажной поверхностью и двухтрубный.

Все теплообменники, которые обсуждались до сих пор, удерживают обе жидкости отдельно. Однако существуют две другие категории теплообменников:

• Открытый поток — одна жидкость содержится, а другая нет.Примеры включают автомобильный радиатор, погружной нагреватель бака, охладители с ребрами / вентилятором или воздуховоды
• Прямой контакт — несмешивающиеся среды вступают в прямой контакт. Градирня используется для охлаждения воды, когда она распыляется в поток охлаждающего воздуха. Воздух и вода не смешиваются, но тепло передается в процессе испарения. Затем охлажденная вода собирается и возвращается на установку8. Другие теплообменники этого типа включают регенеративные колонны с вращающимся колесом и распылительные колонны. Обратите внимание: если две жидкости не разделяются, то устройство называется нагревателем или охладителем.Например, в разбрызгивателе бака для воды пар поглощается водой, когда она охлаждается и конденсируется.

Рисунок 6: Градирня с поперечным потоком, тип теплообменника с прямым контактом

Краткое изложение преимуществ и ограничений этих типов теплообменников показано в таблице ниже:

Таблица 1: Сравнение различных типов теплообменников

• Тип Преимущества Ограничения
• Кожухотрубный с высоким КПД
• Высокое рабочее давление Большой размер
• Двойное пространство, необходимое для очистки
• Трудно очистить кожух
• Пластина и рама Максимальный коэффициент теплопередачи
• Низкий перепад давления
• Легче чистить, чем кожух и трубка
• Малый размер
• Расширяемая емкость
• Более близкие температуры Низкое рабочее давление
• Более подвержен обрастанию более крупными частицами, чем кожухотрубный
• Прямой контакт Большой расход
• Низкий перепад давления
• Высокая эффективность
• Меньше обрастания
• Большой
• Требуется подпиточная вода
• Потребности в химической обработке
• Ограниченные заявки

Конфигурации потока теплообменника

Теплообменники имеют три (3) конфигурации первичного потока:

Параллельный поток — две жидкости входят в один конец теплообменника и текут в одном направлении, параллельно друг другу. В этой конструкции разница температур велика на входе, но температура жидкости на выходе будет приближаться к аналогичному значению.

Противоток — две жидкости входят на противоположных концах теплообменника и протекают встречно. В этой конструкции разница температур меньше, но более постоянна по длине теплообменника. Возможно, что нагреваемая жидкость может покидать теплообменник при более высокой температуре, чем температура на выходе греющей жидкости.Это наиболее эффективная конструкция из-за более высокого перепада температур по длине теплообменника.

Поперечный поток — две жидкости текут перпендикулярно друг другу.

В теплообменнике может быть несколько методов передачи тепла. Передача тепла будет происходить с использованием одного или нескольких режимов передачи, теплопроводности, конвекции или излучения.

Реализация

Правильная установка теплообменников в многопроцессорных системах, таких как нефтеперерабатывающие заводы, требует учета сети тепловых потоков на системном уровне. Это часто выполняется с помощью «пинч-анализа», который сопоставляет доступные источники тепла в системе с потребностями в тепле с точки зрения как количества, так и температуры тепла. В помощь дизайнеру в этом процессе доступно сложное программное обеспечение. Снижение загрязнения также является соображением при проектировании и может включать рассмотрение различных технологий, скоростей, байпасов для очистки отдельных HX во время работы и включение запасных теплообменников.

Аналогичным образом доступно программное обеспечение для управления загрязнением теплообменника.На основании условий процесса и выбора компонентов некоторые программные пакеты могут прогнозировать скорость, с которой теплообменники могут подвергаться загрязнению. Также доступны пакеты программного обеспечения для мониторинга загрязнения путем изучения характеристик теплообменника с течением времени. Также рассчитываются оценки затрат на очистку теплообменников по сравнению с экономическими выгодами (с точки зрения снижения энергопотребления).

Технологическая зрелость

Ключевые показатели

.

Область применения:	Добывающие скважины, установки FPSO, рекуперация тепла из воды или нефти, нагрев, охлаждение и конденсация воды, продуктовых сред, углеводородов и газов, нагрев или охлаждение воздуха для горения, производство пара из выхлопных газов.
КПД:	2. 80% до почти 100%
Ориентировочные капитальные затраты:	Общие «практические правила» для расчета стоимости недоступны из-за большого количества доступных обменников. Затраты, которые следует учитывать, включают теплообменник, платформу или фундамент, средства управления, соединительный входной и выходной трубопровод, входные фильтры, инструменты, клапаны, вентиляторы, насосы, резервуары, химикаты, резервирование, а также расходы на установку, запуск и ввод в эксплуатацию.
Ориентировочные эксплуатационные расходы:	Включает текущее обслуживание, такое как очистка трубок и пластин, устранение утечек, восстановление насосов, замена наполнителя градирни. Дополнительные затраты или упущенная выгода связаны с простоями завода, когда оборудование отключено. Эксплуатационные расходы включают электроэнергию для насосов, вентиляторов и средств управления, а также химикаты для очистки воды.
Потенциал сокращения выбросов парниковых газов:	Теплообменники могут значительно снизить потребность процесса в энергии, снижая связанные с этим выбросы парниковых газов.
Время на проектирование и монтаж:	1 неделя — 6 месяцев
Описание типового объема работ:	Теплообменники используются в самых разных отраслях промышленности. Типичный проект будет рассматривать использование теплообменников во время первоначального планирования проекта, определять условия эксплуатации и составлять спецификации оборудования. Теплообменник обычно изготавливается специализированным производителем, тестируется и доставляется на площадку готовым к установке.Более крупные теплообменники могут быть доставлены по частям или даже собраны или построены на объекте

Решение драйверов

Альтернативные технологии

Существуют технологии, которые можно рассматривать как альтернативу использованию теплообменников.

Пруды-охладители могут использоваться для естественного охлаждения теплой воды за счет испарения в атмосферу. Затем воду из пруда можно рециркулировать в растение в качестве охлаждающей воды. Эти пруды могут использоваться для вторичных рекреационных целей, таких как рыбалка, катание на лодках или плавание. Подпиточная вода необходима для учета потерь на испарение. Для этого варианта требуется большой участок земли.

Прямой отвод пара может снизить потребность в охлаждении технологической воды, но этот вариант игнорирует основные причины охлаждения, которые заключаются в повышении эффективности системы и сохранении воды технологического качества, а также в дополнительных количествах добавочной воды и химикатов для обработки воды.Эта опция обычно не используется, за исключением операций запуска, аварийного сброса воздуха и останова.

Модификации технологического процесса и управления могут избежать или уменьшить потребность в теплообменниках.

Операционные проблемы / риски

Теплообменники

требуют регулярного технического обслуживания для работы с высокой эффективностью и обычно требуют строгого графика капитального ремонта. Большая часть этих усилий направлена ​​на противодействие эффектам загрязнения, когда твердые частицы (например, посторонние частицы или осадки) накапливаются на поверхностях теплообменника, препятствуя передаче тепла и ограничивая поток жидкости.Химические добавки также могут предотвращать осаждение частиц и могут быть экономически эффективным средством предотвращения загрязнения.

Капитальный ремонт может варьироваться от простого профилактического обслуживания (например, промывка) до ремонта, который требует снятия пучка труб с кожуха теплообменника для очистки. Это время простоя также следует принимать во внимание при определении размеров теплообменников и проектировании технологической сети.

Многие теплообменники работают при высоких давлениях и температурах или с опасными жидкостями, поэтому необходимо соблюдать соответствующие рабочие процедуры, чтобы избежать рисков для персонала и сбоев системы.

Теплообменники обычно регулируются отраслевыми нормами, такими как ANSI и TEMA. Новые конструкции оборудования и любой ремонт должны соответствовать применимым нормам.

Возможности / бизнес-пример

Многие конструкции теплообменников доступны из различных материалов и могут быть адаптированы для конкретных применений, а также в стандартных конструкциях, которые доступны с минимальным временем выполнения заказа и меньшими затратами. Ниже перечислены некоторые преимущества использования теплообменников:

• Повышение энергоэффективности систем предприятия
• Снижение расхода топлива, парниковых газов и выбросов
• Заменить существующее оборудование из-за износа
• Модернизация существующего оборудования до более новых, более эффективных конструкций
• Дополнительная мощность обогрева или охлаждения в связи с увеличением производительности установки

Примеры из практики

1.Воздухо-воздушный теплообменник для рекуперации отработанного тепла
В этом исследовании рассматривается, как предприятие пищевой промышленности использовало теплообменник для рекуперации отработанного тепла технологического процесса и использовало его для нагрева технологического воздуха.

Стремясь контролировать запах от процесса обжарки, предприятие установило новый эффективный регенеративный термический окислитель (RTO). Для экономии топлива в этот агрегат включен дополнительный впрыск топлива (SFI) в периоды низкого содержания ЛОС. Чтобы еще больше снизить эксплуатационные расходы, компания стремилась утилизировать отходящее тепло от RTO для предварительного нагрева входящего воздуха.Для этого они наняли консультанта по проектированию для анализа и разработки решения HX.

Критическими расчетными факторами для этого проекта были расход воздуха, температура воздушного потока, допустимый перепад давления в системе и желаемое тепло, которое должно быть передано теплообменнику. Вторичный пластинчатый теплообменник был выбран из-за его универсальности и прочных, но поддающихся очистке пластин. Он имеет относительно низкий перепад давления, небольшую площадь основания и низкие капитальные затраты, что делает его наиболее экономичным вариантом для данного применения.

Консультации проанализировали данные приложения с помощью программного обеспечения для моделирования производительности теплообменника. С помощью этого программного обеспечения они выполнили анализ пограничного слоя и отрегулировали толщину пластин и расстояние между пластинами теплообменника, чтобы максимизировать производительность.

Тепло выхлопных газов RTO использовалось для предварительного нагрева 3,3 м3 / с воздуха примерно до 88 ° C. Этот горячий воздух смешивается без бокового воздуха, чтобы обеспечить 15,6 м3 / с нагретого воздуха для блока подпиточного воздуха. Вторичный теплообменник передает примерно 1.5 млн БТЕ / час тепла от выхлопа RTO в воздух, возвращающийся в блок подпиточного воздуха, и расчетная годовая экономия по проекту составила около 45 000 долларов США.

Источник: http://www.anguil.com/case-studies/energy-recovery/air-to-air-heat-exchanger-provides-plant-heat-and-big-savings.aspx?alttemplate=PDFCaseStudy&

2. Прогнозирование загрязнения теплообменника

Скопление отложений или загрязнений на металлических поверхностях теплообменников нефтехимических заводов является серьезной экономической и экологической проблемой во всем мире.Были сделаны оценки затрат на загрязнение, вызванные, главным образом, потерянной энергией из-за избыточного сжигания топлива, которые достигают 0,25% валового национального продукта (ВНП) промышленно развитых стран. Многие миллионы тонн выбросов углерода являются результатом этой неэффективности. Затраты, связанные, в частности, с загрязнением сырой нефтью в линиях предварительного нагрева нефтеперерабатывающих заводов по всему миру, по оценкам, в 1995 году составили порядка 4,5 млрд долларов.

В данном тематическом исследовании рассматривается использование программного обеспечения для прогнозирования обрастания французской нефтяной компанией Total.Это программное обеспечение, разработанное консалтинговой фирмой по промышленному дизайну совместно с крупными нефтяными компаниями, направлено на уменьшение или даже устранение загрязнения сырой нефтью в теплообменниках предварительного нагрева. В 2002 году компания Total столкнулась с сильным обрастанием линии предварительного нагрева вскоре после реконструкции НПЗ для повышения эффективности. Это привело к значительному снижению производительности, поскольку печь стала узким местом. Компания Total применила программное обеспечение консалтинговой компании, которое успешно идентифицировало засоряющиеся теплообменники и указывало на варианты модернизации.Они были реализованы, что позволило решить проблему и восстановить нормальную работу системы.

Источник: http://www.ihs.com/news/overcoming-effect-oil-fouling.htm

Ссылки:

1. Справочник по основам энергетики Департамента энергетики, Механика, Модуль 2, Теплообменники, DOE-HDBK-1018 / 1-93.
2. Институт теплообмена, Основы кожухотрубных теплообменников.
3. -снято-
4. http://ru.hx-hr.com
5. http: //www.stamixco-usa.ru / products / теплообменники / default.html
6. http://www.oxide.co.il/en/twisted-tube.html
7. http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/steam-engineering-principles-and-heat-transfer/steam-consuming-of-heat-exchangers.asp
8. www.spxcooling.com/brands/cooling-towers/marley-cooling-tower/

теплообменник

Теплообменник — это устройство, предназначенное для эффективной передачи тепла от одной жидкости к другой, независимо от того, разделены ли жидкости твердой стенкой, чтобы они никогда не смешивались, или жидкости находятся в прямом контакте. ^[1] Они широко используются на нефтеперерабатывающих заводах, химических заводах, нефтехимических заводах, переработке природного газа, холодильной технике, электростанциях, кондиционировании воздуха и обогреве помещений. Одним из распространенных примеров теплообменника является радиатор в автомобиле, в котором горячая охлаждающая жидкость двигателя, такая как антифриз , передает тепло воздуху, проходящему через радиатор.

Рекомендуемые дополнительные знания

Схема потока

Теплообменники можно классифицировать по схеме их протока.В теплообменниках с параллельным потоком две жидкости входят в теплообменник с одного конца и проходят параллельно друг другу на другую сторону. В противоточных теплообменниках жидкости поступают в теплообменник с противоположных концов. Конструкция противотока наиболее эффективна, поскольку она может передавать наибольшее количество тепла. См. Встречный обмен. В теплообменнике с перекрестным потоком жидкости проходят через теплообменник примерно перпендикулярно друг другу.

Для повышения эффективности теплообменники спроектированы так, чтобы максимально увеличить площадь поверхности стенки между двумя жидкостями при минимальном сопротивлении потоку жидкости через теплообменник.На характеристики теплообменника также может повлиять добавление ребер или гофр в одном или обоих направлениях, которые увеличивают площадь поверхности и могут направлять поток жидкости или вызывать турбулентность.

Температура движения по поверхности теплопередачи зависит от положения, но можно определить соответствующую среднюю температуру. В большинстве простых систем это средняя логарифмическая разница температур (LMTD). Иногда прямое знание LMTD недоступно, и используется метод NTU.

Виды теплообменников

Кожухотрубный теплообменник

Основная статья: Кожухотрубный теплообменник

Типичный теплообменник, обычно для приложений с более высоким давлением, представляет собой кожухотрубный теплообменник, состоящий из ряда трубок, по которым проходит одна из жидкостей.Вторая жидкость течет по трубкам для нагрева или охлаждения.
Набор трубок называется пучок труб и может состоять из нескольких типов труб: гладких, с продольным оребрением и т. Д.

Пластинчатый теплообменник

Основная статья: Пластинчатый теплообменник

Другой тип теплообменника — пластинчатый теплообменник. Один состоит из множества тонких, слегка разделенных пластин с очень большой площадью поверхности и проходами для потока жидкости для передачи тепла.Такая конструкция с набором пластин может быть более эффективной в данном пространстве, чем кожухотрубный теплообменник. Достижения в технологии прокладок и пайки сделали пластинчатый теплообменник все более практичным. В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха большие теплообменники этого типа называются пластинчато-рамными ; при использовании в открытом контуре эти теплообменники обычно разборного типа, что позволяет проводить периодическую разборку, чистку и осмотр. Существует много типов пластинчатых теплообменников с постоянным соединением, например, паяные погружением и вакуумной пайки, и они часто используются для применений с замкнутым контуром, таких как охлаждение.Пластинчатые теплообменники также различаются по типам используемых пластин и конфигурации этих пластин. На некоторых пластинах может быть нанесен штамп «шеврон» или другие узоры, тогда как на других могут быть обработаны ребра и / или канавки.

Теплообменник рекуперативный

Третий тип теплообменника — регенеративный теплообменник. При этом тепло от процесса используется для нагрева жидкостей, которые будут использоваться в процессе, и один и тот же тип жидкости используется с обеих сторон теплообменника.(Эти теплообменники могут быть пластинчатыми и рамными или кожухотрубными.) Эти теплообменники используются только для газов, а не для жидкостей. Основным фактором для этого является теплоемкость матрицы теплопередачи. См. Также: Противоточный обмен, Регенератор, Экономайзер.

Теплообменник адиабатического колеса

В теплообменнике четвертого типа используется промежуточный жидкий или твердый накопитель для удержания тепла, которое затем перемещается на другую сторону теплообменника для высвобождения.Двумя примерами этого являются адиабатические колеса, которые состоят из большого колеса с мелкой резьбой, вращающейся через горячие и холодные жидкости, и жидкостных теплообменников. Этот тип используется, когда допустимо небольшое перемешивание между двумя потоками. См. Также: Подогреватель воздуха.

Теплообменники жидкости

Это теплообменник, в котором газ проходит вверх через поток жидкости (часто воды), а затем жидкость отбирается в другом месте перед охлаждением. Это обычно используется для охлаждения газов, а также для удаления некоторых примесей, таким образом решая сразу две проблемы.Он широко используется в кофемашинах эспрессо в качестве энергосберегающего метода охлаждения перегретой воды, используемой при экстракции эспрессо.

Скребковый теплообменник Dynamic

Другой тип теплообменника называется динамическим теплообменником или скребковым теплообменником. Он в основном используется для нагрева или охлаждения продуктов с высокой вязкостью, процессов кристаллизации, испарения и приложений с высоким уровнем загрязнения. Длительное время работы достигается за счет постоянного соскабливания поверхности, что позволяет избежать загрязнения и обеспечить стабильную скорость теплопередачи во время процесса.

Теплообменники с фазовым переходом

В дополнение к нагреву или охлаждению жидкостей в одной фазе, теплообменники могут использоваться либо для нагрева жидкости для ее испарения (или кипения), либо в качестве конденсаторов для охлаждения пара и конденсации его в жидкость. На химических заводах и нефтеперерабатывающих заводах ребойлеры, используемые для нагрева входящего сырья для дистилляционных колонн, часто являются теплообменниками.
^{[2] [3]}

В установках для дистилляции обычно используются конденсаторы для конденсации паров дистиллята обратно в жидкость.

На электростанциях с паровыми турбинами обычно используются теплообменники для превращения воды в пар. Теплообменники или аналогичные агрегаты для производства пара из воды часто называют котлами.

На атомных электростанциях, называемых реакторами с водой под давлением, специальные большие теплообменники, которые передают тепло из первичной системы (реакторная установка) во вторичную систему (паровая установка), производя при этом пар из воды, называются парогенераторами. Все электростанции, работающие на ископаемом топливе, и атомные электростанции, использующие паровые турбины, имеют поверхностные конденсаторы для преобразования отработавшего пара от турбин в конденсат (воду) для повторного использования. ^{[4] [5]}

Чтобы сохранить энергию и охлаждающую способность на химических и других предприятиях, регенеративные теплообменники могут использоваться для передачи тепла от одного потока, который необходимо охлаждать, к другому потоку, который необходимо с подогревом, например при охлаждении дистиллята и предварительном нагреве сырья ребойлера.

Этот термин может также относиться к теплообменникам, которые содержат в своей структуре материал, имеющий изменение фазы. Обычно это фаза от твердой до жидкой из-за небольшой разницы в объеме между этими состояниями.Это изменение фазы эффективно действует как буфер, потому что оно происходит при постоянной температуре, но все же позволяет теплообменнику принимать дополнительное тепло. Одним из примеров, где это было исследовано, является использование в электронике самолетов большой мощности.

Воздушные змеевики HVAC

Одно из самых широких применений теплообменников — это кондиционирование воздуха в зданиях и транспортных средствах. Этот класс теплообменников обычно называют воздушными змеевиками или просто змеевиками из-за их часто змеевидных внутренних трубок.Змеевики HVAC типа «жидкость-воздух» или «воздух-жидкость» обычно имеют модифицированное поперечное расположение. В транспортных средствах змеевики часто называют сердечниками нагревателя.

На жидкостной стороне этих теплообменников обычными жидкостями являются вода, водно-гликолевый раствор, пар или хладагент. Для змеевиков наиболее распространены горячая вода и пар, и эта нагретая жидкость подается, например, от бойлеров. Для охлаждающих змеевиков чаще всего используются охлажденная вода и хладагент.Охлажденная вода подается из чиллера, который потенциально может быть расположен очень далеко, но хладагент должен поступать из ближайшего конденсаторного агрегата. Когда используется хладагент, охлаждающий змеевик является испарителем в парокомпрессионном холодильном цикле. Змеевики HVAC, которые используют это прямое расширение хладагента, обычно называются змеевиками DX .

На воздушной стороне змеевиков HVAC существует значительная разница между змеевиками, используемыми для нагрева, и теми, которые используются для охлаждения. Из-за психрометрии в охлаждаемом воздухе часто конденсируется влага, за исключением очень сухих воздушных потоков.Нагревание воздуха увеличивает способность этого воздушного потока удерживать воду. Таким образом, нагревательные змеевики не должны учитывать конденсацию влаги на своей стороне воздуха, но охлаждающие змеевики должны быть правильно спроектированы и выбраны для обработки их конкретных скрытых (влажность), а также явных (охлаждение) нагрузок. Удаляемая вода называется конденсатом .