Моделирование и интенсификация работы теплообменной аппаратуры

Реализация тепловых процессов в промышленности требует установки крупногабаритного теплообменного оборудования с большой площадью поверхности теплопередачи. Например, в агрегатах синтеза аммиака большой единичной мощности (1360 т/с) АМ-70 и АМ-76 из 205 единиц основного оборудования 57 составляют различные типы теплообменных аппаратов с общей поверхностью теплообмена 150000 м². На изготовление теплообменных аппаратов ежегодно расходуется большое количество остродефицитных труб из нержавеющей стали и титана.

Химические производства характеризуются большим разнообразием условий проведения тепловых процессов, они различаются по виду теплообмена, давлению, температуре и агрессивности теплоносителей. Все это обусловливает создание и изготовление различных по конструкции и назначению типов теплообменных аппаратов [5].

Современные теплообменные аппараты должны обеспечить необходимый теплосъем на единицу площади теплообменника, высокую пропускную способность по теплоносителям при допустимых перепадах давлений, высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах, надежную работу в течение длительного периода эксплуатации, стабильность тепловых и гидродинамических характеристик за счет механической или химической очистки поверхности теплообмена, удобство эксплуатации. При серийном производстве теплообменников их узлы и детали должны быть максимально унифицированы.

Наиболее широкое применение в настоящее время находят рекуперативные теплообменники, которые по своим основным конструктивным признакам делятся:

· на теплообменные аппараты, изготавливаемые из труб различной формы и диаметров (кожухотрубчатые, «труба в трубе», змеевиковые погружные, оросительные, витые, воздушного охлаждения с оребренными трубами);

· теплообменные аппараты, изготовленные из листа (пластинчатые: разборные, полуразборные, неразборные, пластинчато-ребристые; спиральные; ламельные и панельные);

· теплообменные аппараты, совмещенные с различными типами химических аппаратов и реакторов.

Теплообменники могут быть изготовлены из различных металлов, графита и фторопластов различных типов.

В зависимости от направления движения теплоносителей вдоль поверхности теплообмена различают теплообменные аппараты с прямотоком, противотоком, перекрестным током, в том числе одноходовые и многоходовые.

Все эти типы теплообменных аппаратов могут быть использованы в качестве холодильников, подогревателей, конденсаторов и испарителей.

Конструктивные особенности теплообменных аппаратов определяют область, в которой они могут быть применены для различных температур и давлений. Наиболее широко применяются трубчатые теплообменные аппараты, работающие в широком диапазоне температур (от –200 до +475 ^оС) и давлении до 0,6 МПа. Однако эти аппараты имеют низкие коэффициенты теплопередачи (1000–1500 Вт/м²К), высокую металлоемкость (до 37 кг/м²); для их изготовления необходимы остродефицитные из нержавеющей стали бесшовные трубы и значительные трудозатраты. Они имеют низкую степень унификации узлов и деталей – 10–12 %.

Более низкие значения коэффициентов теплопередачи и высокую металлоемкость имеют оросительные теплообменники, теплообменники «труба в трубе», аппараты воздушного охлаждения, которые, однако, могут работать при более высоких давлениях, чем кожухотрубные.

Научно-технический прогресс в химическом машиностроении в последние годы характеризуется созданием большого количества высокопроизводительного оборудования большой единичной мощности, в том числе теплообменных аппаратов для химической, нефтехимической и микробиологической промышленности.

Анализ параметров работы кожухотрубчатых теплообменников в химической и смежных областях промышленности показывает, что около 70 % теплообменников применяется для давлений до 0,1 МПа и температур до 200^оС. Увеличение теплосъёма на единицу площади теплообменного оборудования кожухотрубчатого типа обычно сопровождается экстенсивным ростом поверхности теплообмена, размеров, массы и его стоимости.

Необходимость сокращения расхода энергии и материалов, а также снижение стоимости теплообменного оборудования обусловила в последние годы расширение работ, направленных на интенсификацию процесса теплообмена, снижение массы и габаритов теплообменников, увеличение их тепловой производительности или снижение затрат энергии на осуществление процессов теплопередачи при прочих равных условиях.