Расход пара теплообменниками

Термин "теплообменник" в строгом смысле относится ко всем видам оборудования, в которых тепло передается от одной среды к другой. Бытовой радиатор, в котором горячая вода отдает тепло окружающему воздуху, можно считать теплообменником. Аналогично и паровой котел, в котором газы сгорания передают тепло воде для ее испарения, можно рассматривать как теплообменник с огневым нагревом.

Однако чаще этот термин применяется более конкретно к кожухотрубным или пластинчатым теплообменникам, где первичная среда, например пар, используется для нагрева технологической среды. Кожухотрубный теплообменник, применяемый для нагрева воды в системах отопления, с использованием пара или воды, часто называют проточным водонагревателем без аккумулирующего бака. Аккумуляционный водонагреватель, показанный на рисунке 2.13.1, устроен иначе: обычно он представляет собой бак-накопитель горячей воды с первичным нагревательным змеевиком внутри.

Производители часто указывают тепловую мощность теплообменников в кВт, и по ней можно определить расход пара, как и для воздушных калориферов. Однако теплообменники, особенно кожухотрубные, нередко оказываются слишком большими для обслуживаемых ими систем.

Проточный водонагреватель без аккумулирующего бака, показанный на рисунке 2.13.2, обычно выбирается из стандартного ряда типоразмеров и может иметь гораздо большую мощность, чем расчетная. При нагреве воды для отопления зданий в расчетах тепловой нагрузки также могут присутствовать дополнительные коэффициенты запаса. Пластинчатые теплообменники тоже могут выбираться из стандартного ряда, если они паяные или сварные. Однако при использовании разборных пластинчатых теплообменников на прокладках есть гораздо больше гибкости в подборе размера, поскольку пластины часто можно добавлять или убирать для получения нужной площади теплообмена. Во многих случаях пластинчатые теплообменники заведомо увеличивают по размеру просто для снижения перепада давления вторичной среды. На действующей установке фактическую нагрузку можно оценить, если известны температуры подачи и обратки, а также производительность насоса. Однако важно помнить, что подача, указанная на табличке насоса, скорее всего относится к определенному напору, который на практике может присутствовать, а может и отсутствовать.

Таблица 2.13.1 Фрагмент паровых таблиц

Часть 1. Определите тепловую нагрузку Полную нагрузку можно рассчитать по уравнению 2.6.5:

Часть 2. Определите паровую нагрузку Скорость конденсации при полной нагрузке можно определить по левой части теплового баланса в уравнении 2.6.6:

Гофрированный рисунок ребер повышает жесткость пластин и обеспечивает большую устойчивость к перепадам давления. Этот же рисунок создает турбулентный поток в каналах, повышая эффективность теплопередачи, благодаря чему пластинчатый теплообменник обычно компактнее традиционного кожухотрубного. Формирование турбулентности также устраняет застойные зоны и тем самым уменьшает загрязнение. Пластины со стороны первичной среды обычно имеют покрытие, способствующее капельной конденсации пара.

В прошлом рынок паровых теплообменников в основном занимали кожухотрубные аппараты, тогда как пластинчатые теплообменники часто предпочитали в пищевой промышленности и для нагрева воды. Однако недавние усовершенствования конструкции означают, что теперь пластинчатые теплообменники также хорошо подходят для парового нагрева. Пластинчатый теплообменник может обеспечивать как конденсацию, так и доохлаждение конденсата в одном аппарате. Если конденсат отводится в атмосферный сборник, то снижение его температуры уменьшает и количество flash steam, уходящего в атмосферу через вентиляцию сборника. Это может исключить необходимость в отдельном доохладителе или системе рекуперации flash steam. Хотя номинальную площадь теплообмена теоретически можно рассчитать по уравнению 2.5.3, пластинчатые теплообменники являются proprietary-конструкцией и обычно подбираются совместно с производителем. Разборные пластинчатые теплообменники на прокладках В таком теплообменнике пластины стягиваются в раме, а тонкая прокладка, обычно из синтетического полимера, герметизирует каждую пластину по контуру. Стяжные болты между пластинами сжимают пакет между рамной плитой и прижимной плитой. Такая конструкция позволяет легко разбирать аппарат для очистки и изменять его производительность простым добавлением или удалением пластин. Использование прокладок придает пакету пластин некоторую гибкость, обеспечивая устойчивость к тепловой усталости и резким колебаниям давления. Благодаря этому некоторые типы разборных пластинчатых теплообменников являются хорошим выбором в качестве паровых нагревателей для мгновенного горячего водоснабжения, где пластины подвергаются определенному тепловому циклированию. Ограничение такого типа теплообменника связано с рабочим диапазоном температур прокладок, что накладывает ограничение на давление пара, которое можно использовать в этих аппаратах. Паяные пластинчатые теплообменники В паяном пластинчатом теплообменнике все пластины спаяны между собой, обычно медью или никелем, в вакуумной печи. Это развитие разборного пластинчатого теплообменника, созданное для большей устойчивости к высоким давлениям и температурам при сравнительно невысокой стоимости. Однако, в отличие от разборной конструкции, паяный пластинчатый теплообменник нельзя разобрать. Если необходима очистка, ее можно выполнить только обратной промывкой или химической мойкой. Это также означает, что такие аппараты выпускаются стандартными типоразмерами, и поэтому завышение размеров встречается часто. Хотя паяный теплообменник имеет более прочную конструкцию, чем разборный, он также более подвержен тепловой усталости из-за своей жесткости. Поэтому следует избегать резких или частых изменений температуры и нагрузки, а на стороне пара уделять больше внимания управлению, чтобы не допускать тепловых напряжений. Паяные теплообменники лучше подходят, и в основном применяются, в тех задачах, где температурные изменения происходят медленно, например в системах отопления. Они также могут успешно использоваться со вторичными средами, которые расширяются постепенно, например с термальным маслом. Сварные пластинчатые теплообменники В сварном пластинчатом теплообменнике пакет пластин удерживается сварными швами между пластинами. Использование лазерной сварки позволяет пакету быть более гибким, чем у паяных конструкций, благодаря чему сварной аппарат лучше переносит пульсации давления и тепловые циклы. Высокие допустимые температуры и давления означают, что такие теплообменники обычно имеют более высокий класс исполнения и лучше подходят для тяжелых процессов. Их часто используют там, где требуются высокие давление или температура, либо когда необходимо нагревать вязкие среды, например масло и другие углеводороды. Кожухотрубные теплообменники Кожухотрубный теплообменник - вероятно, самый распространенный способ организации непрямого теплообмена в промышленных процессах. Он состоит из пучка труб, заключенного в цилиндрический кожух. Концы труб закреплены в трубных решетках, которые разделяют первичную и вторичную среды. Когда в качестве нагревающей среды используется конденсирующийся пар, теплообменник обычно располагается горизонтально, а конденсация происходит внутри труб. Доохлаждение конденсата также может использоваться как способ отобрать дополнительное тепло внутри теплообменника. Однако если требуемая степень доохлаждения достаточно велика, часто удобнее использовать отдельный охладитель конденсата.

Говорят, что у него "один проход по кожуху", потому что вход и выход вторичной среды расположены на разных концах теплообменника, и поэтому среда со стороны кожуха проходит аппарат по длине только один раз. Говорят, что у него два прохода по трубам, потому что вход и выход пара находятся на одном конце аппарата, и среда со стороны труб проходит длину аппарата дважды.

Разделительная перегородка хедера, также называемая partition plate или feather plate, делит хедер так, чтобы среда со стороны труб направлялась по U-образному пучку, а не проходила прямо через камеру. Это сравнительно простая и недорогая конструкция, поскольку требуется только одна трубная решетка, но она ограничена применением с относительно чистыми средами, так как трубы сложнее очищать. Следует также помнить, что в таких теплообменниках труднее заменить трубу. В кожухе обычно устанавливаются перегородки, которые направляют поток со стороны кожуха поперек труб, повышая интенсивность теплопередачи, и одновременно поддерживают сами трубы. Пуск с холодного состояния Как уже отмечалось в модуле 2.7, пусковой нагрузкой часто можно пренебречь, если она возникает редко или если время достижения полной производительности не является критичным. По этой причине регулирующие клапаны и теплообменники часто подбирают по полной нагрузке плюс обычные коэффициенты запаса. В системах, которые останавливаются на ночь и на выходные, температура вторичной воды при запуске холодным зимним утром может быть низкой, и скорость конденсации в отопительных водонагревателях будет выше, чем при полной рабочей нагрузке. Вследствие этого давление в паровом пространстве может оказаться значительно ниже давления, при котором теплообменник обычно работает, до тех пор, пока температура вторичной среды на входе не поднимется до расчетного значения. С теплотехнической точки зрения это может не быть проблемой - система просто будет дольше прогреваться. Однако если проектировщик не учел эту ситуацию, недостаточная система конденсатоотвода и удаления конденсата может привести к его накоплению в паровом пространстве. Это может вызвать:

• внутреннюю коррозию;
• механические напряжения из-за деформации;
• шум из-за гидроудара. Все это создает проблемы для теплообменников, не рассчитанных на такие условия. Оценка тепловых нагрузок Здания. Один из практических и в определенной степени субъективных способов оценить тепловую нагрузку - посмотреть на само здание. Расчеты могут быть сложными и включать такие факторы, как кратность воздухообмена и теплопередача через стены, окна и крыши. Однако разумную оценку обычно можно получить, если взять общий объем здания и принять 30 - 40 Вт/м³ для объема до 3 000 м³ и 15 - 30 Вт/м³, если объем больше 3 000 м³. Это даст разумную оценку тепловой нагрузки при наружной температуре, близкой к расчетной, около -1 °C. Практический способ определить расход пара для существующей установки - использовать точный и надежный расходомер пара.

Пример 2.13.2 Расчет среднего расхода пара для аккумуляционного водонагревателя Аккумуляционный водонагреватель имеет объем 2 272 литра, 2 272 кг, и рассчитан на нагрев этой воды от 10 °C до 60 °C за ½ часа паром 2 бар изб. cp для воды = 4,19 кДж/кг °C

Это среднее значение можно использовать для подбора регулирующего клапана. Однако когда температура воды находится на минимальном уровне, например 10 °C, высокая скорость конденсации пара может оказаться больше, чем способен пропустить полностью открытый регулирующий клапан, и змеевик будет испытывать недостаток пара. Давление в змеевике значительно упадет, что в результате снизит пропускную способность устройства отвода конденсата. Если устройство отвода конденсата подобрано или выбрано неправильно, конденсат может скапливаться в змеевике, снижая его способность передавать тепло и обеспечивать требуемое время нагрева. В результате возможен гидроудар, вызывающий сильный шум и механические напряжения в змеевике. Однако если не допускать накопления конденсата в змеевике, система все равно сможет обеспечить правильное время нагрева.

Решение заключается в обеспечении надлежащего отвода конденсата. В зависимости от требований системы это может быть достигнуто либо с помощью steam trap, либо automatic pump-trap. См. модуль 13.1, Heat Exchangers and Stall.

В reboilers с принудительной циркуляцией вторичная среда прокачивается через аппарат насосом, тогда как в thermosyphon reboilers естественная циркуляция поддерживается за счет разности плотности. В kettle reboilers циркуляции вторичной среды нет, а трубы погружены в объем жидкости.

Таблица 2.13.3 Типичные коэффициенты теплопередачи для некоторых кожухотрубных теплообменников

Хотя во всех этих применениях желательно добиться капельной конденсации, поддерживать ее часто трудно, и она плохо предсказуема. Поэтому в практических расчетах обычно исходят из предположения о пленочной конденсации.

Площадь теплообмена для кожухотрубного теплообменника можно оценить по уравнению 2.5.3. Хотя такие аппараты обычно также подбираются совместно с производителем, в качестве ориентира в таблице 2.13.3 приведены типичные общие коэффициенты теплопередачи, когда нагревающей средой является пар, причем эти значения уже учитывают загрязнение.