Теплообменные аппараты для утилизации вторичных энергоресурсов
Наибольшее распространение при утилизации ВЭР получили рекуперативные тепло- обменники с поверхностью теплообмена, выполненной из труб. В таких теплообменниках возможны значительные перепады давления между теплоносителями без деформаций и раз- рушений поверхностей теплообмена. Рекуперативные кожухотрубные теплообменные аппа- раты могут работать с любой комбинацией теплоносителей: жидкость – жидкость, газ – жидкость, газ – газ. Общим для всех кожухотрубных теплообменников является наличие боль- шого числа труб (трубного пучка), концы которых герметично укреплены в отверстиях досок, и наличие общего кожуха (корпуса), охватывающего трубный пучок. В промышленных кожухотрубных теплообменниках используются трубы с внутренним не менее 12 и не более 38 мм. Ограничения связаны с возможностью очистки внутренней по- верхности труб, и снижением удельной поверхности теплообмена. Возможная длина трубного пучка может составлять 0,9¸6 м, толщина стенок труб 0,5–2,5 мм. В связи с тем, что температуры греющего и нагреваемого теплоносителей различны, различными являются температура корпуса и трубок в трубном пучке и по этой причине возникают различные температурные удлинения. Для снижения возникающих в трубных досках напряжений в теплообменниках применяют различные методы компенсации темпера- турных деформаций: линзовые компенсаторы, сальниковые уплотнители, плавающие каме- ры, U-образные трубы и др. По технологическим причинам трубы в трубном пучке кожухот- рубного теплообменника не могут быть расположены близко одна от другой, поэтому пло- щадь проходного сечения межтрубного пространства в 2,5–3 раза больше, чем трубного. Со- ответственно в межтрубном пространстве более низкие скорости движения теплоносителя и интенсивность теплообмена. С целью повышения интенсивности теплообмена скорости теп- лоносителей увеличивают путем установки поперечных перегородок в межтрубном про- странстве и организацией многоходового движения теплоносителя в полости труб. Теплоносители, способные загрязнять поверхности теплообмена, направляют в полости труб трубного пучка, так как в межтрубном пространстве механическая очистка невозможна. Секционные теплообменники состоят из последовательно соединенных секций, каждая из которых является кожухотрубным теплообменником с небольшим количеством труб в пучке и представляют собой многоходовой аппарат с наиболее выгодной схемой движения теплоносителей – противоточной. Секционные теплообменники эффективны, когда теплоно- сители движутся с соизмеримыми скоростями и без изменения агрегатного состояния тепло- носителя. В связи с отсутствием перегородок характерно низкое гидравлическое сопротивление и меньшая степень загрязнения межтрубного пространства. Поверхности теплообмена одной секции составляет 0,75–30 м2, а число труб от 4 до 140. Основой теплообменников типа труба в трубе являются две соосно расположенные трубы, в кольцевом зазоре которых движутся теплоносители. Как правило, теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных коленами («калачами») секций. Необходимые скорости движения теплоносителей обеспечиваются выбором соответствую- щих диаметров внутренней и наружной труб. Преимуществом таких теплообменников явля- 132 ется простота изготовления, возможность работы при высоких перепадах давлений теплоно- сителей, высокие коэффициенты теплоотдачи. Недостатки – высокая металлоемкость, низкая компактность, сложность механической очистки кольцевого зазора между трубами. Погружные змеевиковые теплообменники состоят из плоских или витых змеевиков, по- груженных в емкость с нагреваемой жидкостью. Такие теплообменники широко применяют- ся в различных отраслях промышленности, в том числе в схемах утилизации ВЭР. Нагрев может осуществляться за счет конденсации пара в трубах, или горячей водой. Основное пре- имущество таких теплообменников простота конструкции, недостатки – низкая интенсив- ность теплообмена, для повышения которой прибегают к установке различных мешалок в емкости с нагреваемой жидкостью. Широкое применение получили теплообменники из оребренных труб для увеличения поверхности теплообмена со стороны малых значений коэффициента теплоотдачи. Такие те- плообменники (калориферы) используются в сушильных установках для нагревания воздуха и при утилизации ВЭР от паровоздушной смеси. Важным условием работы таких теплооб- менником является рациональное расположение ребер, а также их плотный контакт с трубой. Конструкции ребер труб разнообразны и связаны с технологией их изготовления. Коэффици- енты оребрения (F2/F1)= y для калориферов, применяемых в системах нагрева воздуха y » З– 4, а для теплообменных аппаратов холодильной техники y » 8–12. Ребра, как правило, вы- полняются из материалов с большей теплопроводностью, чем материал основной трубы. Другой разновидностью рекуперативных аппаратов являются теплообменники руба- шечного типа, спиральные и пластинчатые. Рубашечные теплообменники обычно использу- ют для нагревания или охлаждения жидкости в емкости. Теплоноситель подается в зазор, об- разованный двумя листами, один из которых омывается нагреваемой или охлаждаемой жид- костью. Преимущество: не загромождается объем бака, облегчена очистка поверхности теп- лообмена, простота конструкции аппарата. Недостаток: малая площадь поверхности тепло- обмена, низкие значения коэффициента теплообмена. В пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образуется пакетом пла- стин, каждая их которых по периметру снабжена уплотнителями. Теплоносители движутся в зазорах, образованных соседними пластинами. С целью интенсификации теплообмена и уве- личения площади поверхности пластины выполняются гофрированными. Комбинация теп- лоносителей может быть разнообразной: жидкость-жидкость, газ-жидкость, газ-газ. Недос- татком является недостаточная герметичность и ограниченный перепад давлений между теп- лоносителями. Наиболее эффективными утилизационными установками для использования ВЭР вы- сокотемпературных дымовых газов с t > 600 °С являются котлы-утилизаторы, а также водя- ные экономайзеры для нагрева питательной воды котлов и воздухоподогреватели для нагре- ва дутьевого воздуха, использующие дымовые газы среднего потенциала с температурой 500 – 600°С. Котлы-утилизаторы обеспечивают большую экономию топлива за счет генерирова- ния энергетического или технологического пара, а также нагрева сетевой воды для тепло- снабжения и горячего водоснабжения. В тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с паровым конденсатом, широко используется нагревание острым паром, который вводится в нагреваемую жидкость через перфорированную трубу или сопловой смешивающий диффузор (барботаж). Преиму- ществом таких смесительных аппаратов является простота конструкции и высокая интенсив- ность теплообмена. Главным недостатком смесительных теплообменников является контакт теплоносителей. Может применяться комбинация газ-жидкость, когда газ барботируется че- рез жидкость. Такая комбинация позволяет более эффективно утилизировать тепловые ВЭР, применяя схемы с промежуточным теплоносителем. При утилизации тепловых ВЭР с точки зрения увеличения коэффициента утилизации ВЭР и компактности теплообменников и их стоимости вариант нагрева воды предпочтительней, чем нагрев воздуха. При равных услови- ях при нагреве воды теплообменник будет примерно в 2–2,5 раза меньше по поверхности теплообмена. 133 Некоторые типы кожухотрубных рекуперативных аппаратов изображены на рис. 8.1, 8.2. Для проведения технологических процессов, связанных с подводом тепла, используются разнообразные теплотехнологические установки, в которых применяются один или несколько теплоносителей
