cat_text_12_336_stp617262

Теплообменные аппараты

Типы теплообменников

Существует большое количество теплообменников. Они применяются в самых различных агрегатах, таких, как паросиловые установки, технологические аппараты химических производств, отопительные системы зданий (гладкотрубные отопительные приборы), системы кондиционирования воздуха, холодильные установки, транспортные силовые установки автомобилей, судов и самолетов. Рассмотрим основные типы оборудования, применяемого в перечисленных агрегатах.

Большинство теплообменников можно классифицировать, объединяя их в группы в соответствии со схемой движения теплоносителей через теплообменник. Четыре наиболее часто реализуемые схемы движения теплоносителей:

— прямоточная, или параллельное движение теплоносителя. При такой схеме два потока теплоносителей входят с одной и той же стороны теплообменника, проходят через теплообменник в одном направлении и выходят вместе с другой стороны теплообменника;

— противоточная, или встречное, движение теплоносителя. При такой схеме два потока жидкости движутся в противоположных направлениях;

— одноходовые перекрестно-точные теплообменники. При этой схеме один теплоноситель движется через матрицу теплообменной поверхности под прямым углом по отношению к направлению движения другого теплоносителя;

— многоходовые перекрестно-точные теплообменники. В них поток одной жидкости многократно пересекает то в одном, то в противоположном направлении поток другой жидкости, обычно создавая перекрестное приближение к противотоку.

Характеристикой каждой из схем движения является относительная величина поверхности теплообмена, необходимая для обеспечения данного повышения температуры при данной разности температур двух потоков жидкости, входящих в теплообменник. Прямоточный теплообменник применяют в области небольшим процентом разности температур двух поступающих в теплообменник потоков. Теплообменник противоточного типа требует наименьшей поверхности теплообмена во всем возможном диапазоне изменения разности температур входящих в теплообменник жидкостей и это единственный тип теплообменника применяемый в области, в которой изменения температур в одном или обоих потоках теплоносителей приближаются к разности температур входящих в теплообменник потоков.

По назначению теплообменники классифицируют на паровые котлы, парогенераторы, конденсаторы, излучатели, испарители, градирни, регенераторы, рекуператоры, нагреватели и холодильники. Опишем наиболее распространенные конструкции теплообменников.

 

Паровые котлы

Паровые котлы используются для получения пара в паросиловых установках и представляют самый ранний объект применения инженерных принципов расчета теплообменных аппаратов. Существует огромное разнообразие котлов от маленьких сравнительно простых агрегатов до гигантских сложных котлов.

На стенках топки располагают ряды труб, которые окружают зону горения, и огромная площадь поверхности нагрева в виде больших пучков труб оказывается в зоне непосредственного воздействия горячих газов.

Термин парогенератор часто употребляют применительно к котлам, в которых источником тепла служат не горячие продукты сгорания, а поток другого теплоносителя. В качестве примера можно привести парогенератор для ядерной энергетической установки с реактором, охлаждаемым водой где вода, выходящая из реактора при высокой температуре и под большим давлением, циркулирует по U-образным трубам, а в межтрубном пространстве под действием естественной конвекции циркулирует снизу вверх кипящая вода, проходящая между труб, где образуется пар при температуре, и давлении, значительно меньшем, чем в циркуляционном контуре воды в реакторе.

 Конденсаторы

Применяются для того, чтобы пар конденсировался не в цилиндрах машины, а вне их. За счет них в несколько раз повысили термический к. п. д. паровых машин.

Кожухотрубные теплообменники

Основу теплообменных аппаратов, называемых кожухотруопымн, составляют круглые трубы, заключенные в цилиндрический кожух так, что оси труб и кожуха параллельны. Такие теплообменники используются в качестве самых различных нагревателей и холодильников, включая маслоохладители в энергетических установках и технологические аппараты в нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

 Холодильники

Атмосфера является удобным тепловым стоком в случаях, когда необходимо отводить тепло от охлаждаемого объекта, температура которого на ~50°С или больше превышает температуру окружающей среды или когда нет достаточного количества охлаждающей воды.

 Радиаторы (излучатели)

Термин «радиатор» обычно применяют к семейству теплообменников, используемых для рассеяния тепла в окружающее пространство. Автомобильные радиаторы представляют теплообменники с перекрестным током, в которых изменение температуры любого теплоносителя мало по сравнению с разностью температур теплоносителей. Аппараты практически такой же конструкции используются в качестве конденсаторов в холодильных установках или системах кондиционирования воздуха, а снабженные вентиляторами, они применяются для обогревания больших открытых помещений.

Градирни

С помощью градирен можно эффективно отвести тепло в атмосферу. Часть воды, разбрызгиваемой в этих башнях, испаряется, охлаждая за счет этого остальную. Градирни обычно проектируют в расчете либо па естественную циркуляцию, когда воздух проходит через башню под действием конвекции, либо па принудительную циркуляцию, которая создается вентилятором.

Пластины и панели

Там, где необходимо встроить поверхности теплообмена в стены таких помещений, как холодильные камеры, паровые камеры или экспериментальные камеры для исследования влияния окружающей среды, самое простое и дешевое устройство получается с использованием панелей нагревателей, образованных путем сварки стальных штампованных листов, с общими каналами для движения теплоносителей.

Нагреватели и охладители погружного типа

Нагреватели и охладители погружного типа очень удобны для регулирования температуры в ваннах и бассейнах. Теплообменные поверхности панельного типа часто используются в виде пакетов близко расположенных друг к другу параллельных панелей. Трубы с продольными ребрами, соединяют в пакеты и устанавливают вертикально. Благодаря возникающей естественной конвекции в ванне создается циркуляция, достаточная для поддержания в ней температуры в заданных пределах.

 

Теплообменники типа «труба в трубе»

 

Две коаксиально расположенные трубы с двумя теплоносителями, один из которых течет по внутренней трубе, а второй по кольцевому каналу между трубами, образуют простую конструкцию теплообменника, очень удобную для многих применений. Если необходимо охладить с помощью воды теплоноситель, обладающий низким коэффициентом тепло отдачи, нефть или воздух, используют внутреннюю трубу с продольными ребрами.

Аппараты такого типа могут быть соединены как последовательно, так и параллельно, обеспечивая любую необходимую тепловую мощность и эффективность нагревания или охлаждения.

При надлежащей конструкции и правильной эксплуатации современ­ные барабанные парогенераторы очень надежны. Рассмотрим конструктивные характеристики парогенераторов для тепловых станций, работающих на угле и жидком топливе.

Конструктивные характеристики парогенераторов

Рассмотрим в качестве примера рисунок 1 и 2. Открытая топка обладает достаточно большим объемом для завершения реакции горения, причем эффективность этого процесса повышается за счет подогрева воздуха, необходимого для горения. Тепловые потери снижаются за счет экранирования стенок топки трубами. Для предотвращения местного чрезмерного нагрева труб горелки располагаются таким образом, чтобы факел не ударял в стенки топочной камеры.

Тепло, идущее на подогрев и испарение воды, путем теплового излучения передается от топочного факела, образующегося при сгорании мазута или угольной пыли, панелям труб, экранирующим стенки топочной камеры. Продукты сгорания отдают примерно половину своего тепла стенкам топочной камеры, после чего они достигают пучков котельных труб в верхней части топки, где высокие коэффициенты теплоотдачи, сопро­вождающие процесс кипения, обеспечивают дальнейшее эффективное сниже­ние температуры горячих топочных газов (которая в некоторых местах может быть очень высокой) без угрозы перегрева при этом стенок труб. Поток газов затем направляется вниз, имея при этом более низкую и равно­мерную температуру, проходя по пути пароперегреватель, промежуточный пароперегреватель, экономайзер и воздухоподогреватель, и поступает к осно­ванию дымовой трубы.

Барабан парогенератора, различного рода трубопроводы и коллекторы изолированы от факела и не подвержены воздействию газов с высокой температурой. Перед дымовой трубой устанавливают дымосос, так что топка работает под небольшим разрежением. Тепловые потери в пароперегревателе и экономайзере также сведены к минимуму путем использования охлаждаемых водой стенок. Количество тепла, передаваемого в экономайзере, мало вследствие использования регенеративного подогрева питательной воды паром отборов из ступеней низкого давления турбины. Чрезмерный перегрев стенок груб пароперегревателя исключается расположением их в области температур газа, лишь незначительно превышающих температуру пара.

Рисунок 1 – Схема компоновки поверхностей нагрева

 

 

Рисунок 1. Поперечный разрез парогенератора: 1-вторая ступень пароперегревателя; 2-промежуточный пароперегреватель; 3-первая ступень пароперегревателя; 4-экономайзер; 5-воздухоподогреватель; 6- мельница для размола угля.

 

Температуру свежего пара можно регулировать либо байпасированием пароперегревателя по газовой стороне, когда часть газов пропускается помимо перегревателя к экономайзеру, либо с помощью пароохладителей, размещающихся между двумя ступенями пароперегревателя. Подобное расположение пароохладителя является наилучшим, поскольку пар уже имеет достаточно высокую температуру для надлежащего аффективного регулирования выходных параметров в то же время перегрев стенок труб на выходе из пароперегревателя может быть предотвращен, поскольку темпера­тура пара в промежуточной точке не превышает максимальных заданных значений.

Используются пароохладители различного типа, такие как впрыскивающие и поверхностные пароохладители с охлаждением паром пли водой, осуществляется также байпасированием первой ступени перегревателя по паровой стороне, когда с помощью соответствующей си­стемы клапанов часть пара перепускается мимо первой ступени.

Воздухоподогреватель представляет собой теплообменник противоточного типа, позволяющий снизить потери с уходящими газами до достаточно низких значений. Одновременно подогрев воздуха улучшает процесс горения, увеличивая температуру пламени в топке. Также увеличивает количество тепла, передаваемого излучением в топке, что приводит к снижению необходимой теплообменной поверхности, а следовательно, и стоимости парогенератора.

Вся топочная камера опирается на стальной каркас, простирающийся до самого ее верха.

Барабан парогенератора висит на мощных подвесках. Пучки и панели труб, образующие стенки топки, крепят с помощью тщательно разработанной системы балок и подвесок с тем, чтобы свести к минимуму напряжения, возникающие в результате различных термических расширений отдельных элементов и в то же время обеспечить необходимую прочность конструкции в целом для противодействия большим нагрузкам на стенки парогенератора, возникающим в результате создаваемого дымососом или дутьевым вентилятором разрежения или давления.

Топочная камера располагает достаточным объемом для обеспечения хорошего сжигания топлива при умеренной скорости газа. При этом мощность, затрачиваемая на дутье, сводится к минимуму благодаря эффективному использованию передачи тепла излучением. Стенки топочной камеры для обеспечения гидродинамической устойчивости испарительных поверхностей в условиях естественной или принудительной циркуляции пароводяной смеси экранированы длинными вертикальными трубами.

В результате достигается достаточно высокая средняя плотность теплового потока к трубным поверхностям, что сводит к минимуму вес и стоимость поверхностен нагрева.

При конструировании парового котла могут возникать проблемы, рассмотрим основные из них.

Основные проблемы конструирования парогенераторов

При конструировании парогенераторов следует учитывать множество факторов. Выбор мощности парогенератора и параметров пара сильно зависит от типа и размеров электрической станции, требуемых эксплуатационных характеристик, от используемого топлива, конструкции горелок и топочной камеры, качества питательной воды. Выбор материалов также связан с множеством достаточно сложных проблем.

Проблема конструирования парогенераторов — Естественная циркуляция

Парогенераторы могут быть спроектированы таким образом, что циркуляция будет обеспечиваться за счет разности плотностей пароводяной смеси в подъемных трубах и в опускных трубах. Во избежание местных перегревов и, как следствие, пережогов труб парогенераторы с естественной циркуляцией обычно рассчитываются на достижение объемного паросодержания на выходе из испарительных труб не более 50-70% и в зависимости от давления в системе. Результирующая разность плотностей может обеспечить скорости циркуляции воды в пучке до 1,5-3 м/с.

Принудительная циркуляция

В том случае, когда располагаемая высота не обеспечивает нужную скорость циркуляции, для увеличения мощности, снимаемой с заданного объема, могут быть использованы циркуляционные насосы. Скорость циркуляции обычно выбирается такой, чтобы скорости воды па выходе из трубы были в пределах 3-6 м/с при объемном паросодержании смеси 40-70%.

Ввиду дополнительных затрат системы с принудительной циркуляцией применяются лишь в том случае, если снижение капитальных затрат на поверхности нагрева и барабаны парогенератора или уменьшение габаритов агрегата более чем оправдывает дополнительные начальные затраты и эксплуатационные расходы на насосы.

Рециркуляционные  насосы должны  быть  размещены  значительно  ниже барабана, чтобы статический напор  на входе в насос был достаточным для предотвращения кавитации воды. Последнее требование представляет основную проблему в подобного рода системах, и его выполнение может повлечь за собой существенное удорожание агрегата .

Экономайзеры и пароперегреватели

Котлы с многократной циркуляцией воды проектируются таким образом, что питательная вода подогревается до температуры кипения в экономайзере, а насыщенный пар перегревается в пароперегревателе. При такой конструкции сводятся к минимуму трудности, связанные с гидродинамической неустойчивостью, а также с выпадением твердых отложений солей, поступающих в парогенератор с питательной водой. Концентрация солей поддерживается низкой во избежание образования отло­жений в той зоне экономайзера, где питательная вода подогревается до точки кипения. Поскольку коэффициент теплоотдачи с паровой стороны в пароперегревателе обычно значительно ниже коэффициента теплоотдачи в зоне испарения, весь пароперегреватель, кроме первой его ступени, должен размещаться в зоне, где температуры газа не слишком высоки. Если этого не сделать, то могут иметь место местные перегревы стенок труб.

Продувка

В парогенераторах с многократной циркуляцией концентрация солей в котловой воде все время возрастает. Установка обычно проектируется таким образом, чтобы обеспечивалась возможность отвода малых количеств котловой воды из зоны максимальной концентрации примесей. Эта непрерывная продувка, как правило, составляет примерно 0,5% расхода питательной воды.

Сепарация пара

Верхний барабан в котлах с многократной циркуляцией предназначен для сепарации пара из пароводяной смеси. Это необходимо, для того, чтобы в опускных трубах отсутствовали паровые пузыри, что обеспечивает хорошую естественную циркуляцию, и пар, поступающий в перегреватель, очищается от капелек влаги. Последнее обстоятельство существенно как с точки зрения предотвращения образования твердых отложений на стенках перегревателя, также воизбежание термических напряжений, которые могут возникнуть в результате эпизодического местного роста интенсивности теплоотдачи вследствие выброса «пробок» жидкости в пароперегреватель. В настоящее время применяется много типов сепарационных устройств. Перегородка, расположенная в нижней части барабана, направляет пароводяную смесь к лопаткам завихрителя внутрибарабанных циклонов, где под действием силы тяжести, центробежных сил и закрутки пар направляется в верхнюю часть барабана, а вода в нижнюю. Обычно барабан заполнен водой примерно наполовину. Нижняя часть каждого внутрибарабанного циклона погружена в водяной объем, так что стекающая по стенкам вода поступает в барабан без всплесков и захвата пузырей пара.

В барабане котла часто устанавливается промывочное устройство. После промывочного устройства расположен вторичный сепаратор пара для удаления инородных частиц и мельчайших капель влаги, в которых может содержаться значительное количество растворенных солей. Надлежащая сепарация в этих устройствах осуществляется за счет малых скоростей пара с многократными изменениями направления  движения в  рифленых перегородках. Паровая нагрузка может достигать 9 т/ч на 1 м длины барабана при давлении 14 или 21 атм, при этом обеспечивается хорошая сепарация пара. Расход пара при заданной величине динамического напора увеличивается с давлением.

Прямоточные парогенераторы

Развитие технологии очистки питательной воды, в частности водоочистки с помощью ионообменных смол, сделало возможным получение питательной воды исключительно высокого качества. Величина сухого остатка обычно составляет менее 1 мг/кг, а иногда менее 0,1 мг/кг.

В последние годы достигнуты успехи в технологии водоподготовки, что дало возможность исключить из конструкции парогенератора барабан и многие сборные камеры, перейдя от барабанных к прямоточным парогенераторам. При их конструировании возникают значительно более сложные проблемы, поскольку пропорции между отдельными поверхностями нагрева и пакетами труб должны быть такими, чтобы во избежание неприятностей, связанных с гидродинамической неустойчивостью потока, обеспечивалось хорошее рас­пределение воды по отдельным трубам. Кроме того, тепловой поток в экономайзере, испарительной зоне и зоне перегрева пара должен быть достаточно большим, чтобы использовать преимущества, связанные с применением настенных трубчатых поверхностей нагрева. В то же время он должен быть не слишком высок, чтобы исключить опасность пережога труб. Проблема обеспечения гидродинамической устойчивости решается тем легче, чем выше рабочее давление в парогенераторе. Практически было признано неэкономичным изготавливать прямоточные парогенераторы на давления ниже 105 атм. Агрегаты, спроектированные для работы при дав­лении порядка 170 атм и выше, имеют отличные эксплуатационные харак­теристики. Указанное обстоятельство частично связано со значительно меньшей разностью плотностей воды и пара на линии насыщения при повышенных давлениях и частично с большими значениями коэффициента теплоотдачи к насыщенному пару при высоких давлениях.

Во избежание трудностей, связанных с гидродинамической неустойчивостью и местным перегревом, было признано наиболее целесообразным изготавливать экономайзерную и испарительную часть пароводяного тракта в виде вертикально расположенных труб, чтобы извлечь преимущества из стабилизирующего воздействия гравитационных сил. Большое внимание нужно, уделить обеспечению равномерности теплового потока, воспринимаемого всеми параллельно включенными трубами. Поскольку это весьма трудно сделать, то для исключения гидродинамической неустойчивости в работе параллельных труб оказывается весьма полезным (а обычно даже необходимым) шайбование труб на входе, чтобы привести в соответствие расходы воды в отдельных трубах с их тепловосприятием. Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что оптимальная скорость пара в трубах на выходе из зоны испарения составляет 9-18 м/с при номинальной нагрузке парогенератора. При работе агрегатов, рассчитанных на меньшую поминальную скорость пара, возникали определенные трудности   с   обеспечением гидродинамической устойчивости при пониженных нагрузках и в процессе пуска. Большие скорости, однако, приводят к чрезмерным потерям давления.

Парогенераторы, рассчитанные на сверхкритические параметры. Были спроектированы и изготовлены прямоточные парогенераторы для работы при давлениях, превышающих критическое давление воды, т. е. 225,6 атм. В этих агрегатах отсутствует резкая граница раздела жидкой и паровой фаз по мере продвижения жидкости по тракту парогенератора. Отсутствует также резкое изменение физических свойств жидкости и коэффициента теплоотдачи.

Для парогенераторов, рассчитанных на сверхкритические параметры, особенно важным является вопрос механической прочности его элементов, поскольку рабочие давление и температура столь высоки, что весьма сложно избежать чрезмерных напряжений даже для наиболее прочных из нержавеющих сталей. Некоторые из новых жаропрочных сплавов кажутся весьма многообещающими, особенно хромоникелевомолибденовые стали с высоким содержанием никеля, обладающие большой прочностью при высоких температурах и сравнительно стойких к коррозии под действием хлоридов.

Специальные проблемы. Имеется много специальных проблем, связанных с парогенераторами паровых электрических станций, которые заслуживают хотя бы упоминания. Две из них — это пуск и останов. Практически основным фактором, ограничивающим скорость пуска парогенератора и набора им нагрузки, является коробление корпуса турбины. Последнее ограничивает изменение нагрузки 2%/мин. Однако даже при такой, кажущейся медленной, скорости изменения нагрузки должное внимание должно быть уделено выбору правильных соотношений между отдельными поверхностями нагрева и системе регулирования парогенератора, с тем чтобы обеспечить надлежащие давления, температуры и распределение воды в системе в процессе всего пуска (который может длиться много часов).

Парогенераторы для атомных электростанций

 

Выше были сделаны некоторые замечания относительно чрезвычайно сложных проблем, связанных с конструированием современных парогенераторов на твердом и жидком топливе. Конструирование подобных агрегатов сильно усложняется рядом проблем, связанных с конструкцией горелок и топочной камеры, вопросами шлако- и золоудаления и т. д. Во многих отношениях конструкция парогенераторов для некоторых атомных электростанций значительно проще. Поскольку топочные проблемы отпадают, то проектирование этих агрегатов может в значительной степени следовать методике, используемой при создании других типов теплообменников.

Парогенераторы для атомных станций будут рассмотрены в одельных статьях.

Рассмотрим процесс проектирования теплового расчета топочной камеры парового котла.

Объектом исследования является топочная камера парового котла.В результате расчета будет выбрана компоновка парового котла, обеспечивающая номинальную производительность котла при заданных номинальных параметрах пара, надёжность и экономичность его работы.

Эффективность работы топочной камеры определяется коэффициентом полезного действия котла и загрязняющими свойствами топлива.

Данная топочная камера может применяться для проектирования котлов при данной паропроизводительности, данной температуре перегретого пара, при данном давлении перегретого пара и при данном способе шлакоудаления.

Расчёт топочной камеры является одним из важнейших этапов в проектировании парового котла. Существует два типа расчёта топочной камеры: поверочный и конструктивный.

Поверочный расчёт выполняется для принятой конструкции и известных размеров котла с целью определения основных режимных параметров и показателей его надёжности и экономичности при работе на заданном топливе и с заданной нагрузкой, а также выявления и разработки необходимых мероприятий по его реконструкции.

Основной целью конструктивного метода является определение всех геометрических характеристик топки по заданному  тепловосприятию,которое в свою очередь определяется температурой на выходе из топки. В случае проведения поверочного теплового расчета, решается обратная задача, т.е. по известным геометрическим характеристикам, определяются величины и.

Расчет конструкторским методом состоит из следующих этапов: определение расчетных характеристик топлива; выбор способа шлакоудаления; выбор типа углеразмольных мельниц и обоснование выбора системы пылеприготовления; составление тепловой схемы котла; расчет объемов воздуха и продуктов сгорания; расчет энтальпий воздуха и продуктов сгорания; тепловой баланс котла; определение расхода топлива; выбор типа, размеров и способа компоновки горелок; выбор основных конструктивных характеристик топки; тепловой расчет топочной камеры; проверка компоновки топочной камеры.

 

Список использованных источников:

 

  1. Расчет и конструирование теплообменников;  А. Фраас, М. Оцисик. Перев. С англ.М.: Атомиздат; 1971.- 361 с.
  2. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). Издание третье, переработанное и дополненное. Издательство НПО ЦКТИ, С-Пб, 1998 – 256 с.

Next ArticleВодяное отопление