Теплообмен в различных металлургических печах

Классификация теплообменных аппаратов

Тепловые процессы, происходящие в теплообменных аппаратах, могут быть самыми разными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и более сложные процессы. В процессе теплообмена может участвовать несколько теплоносителей: тепло от одного из них может передаваться нескольким и от нескольких другу.
Существует несколько классификаций теплообменных аппаратов:
1) по назначению: подогреватели, конденсаторы, охладители, испарители.
2) по принципу действия: регенераторы; рекуператоры; смесительные аппараты.
Отдельно стоит выделить теплообменники с внутренним источником энергии, в которых применяются не два, как обычно, а один теплоноситель, отводит теплоту, которая выделяется в самом аппарате. Примером могут служить ядерные реакторы, электронагреватели те другие устройства.
В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту устройства, аккумулирующего ее, а затем, в свою очередь, отдает теплоту холодному теплоносителю, т.е. одна и тоже и сама поверхность омывается то горячим, то холодным теплоносителем. Большинство регенеративных теплообменников работает по принципу периодического действия. Теплообменники, в которых периодически меняются подача и отвод теплоносителей, называются теплообменниками периодического действия. Различные теплоносители поступают в них в разные периоды времени.
В регенераторных теплообменниках в качестве промежуточного теплоносителя используют твердый достаточно прочный материал – листы металла, кирпича, различные засыпки. Регенеративные теплообменники используются для высокотемпературного (выше 1000 С) подогрева газов, потому что жаростойкость металлов ограничена, а насадка из огнеупорных кирпичей может работать при очень высоких температурах.
Регенераторы могут работать и непрерывно. В этом случае насадка или стенка, вращающейся попеременно сталкивается с потоками различных теплоносителей и непрерывно переносит тепло из одного потока в другой.
Регенеративные теплообменники применяются на металлургических, коксовых и других заводах, где по характеру технологического процесса необходимо подогретый воздух и в то же время есть большое количество отходящих газов с высокой температурой. Особенно широко во всех областях техники используются рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячего к холодному теплоносителя передается через разделяющую стенку (например – трубчатый теплообменник).
В большинстве рекуперативных теплообменников тепло передается непрерывно, поэтому такие теплообменники называются теплообменниками непрерывного действия. Примерами рекуператоров могут служить паровые котлы, конденсаторы поверхностного типа, отопительные приборы. В промышленности рекуператоры широко используются для подогрева генераторного газа и воздуха теплоносителями, выходящих из печей. Очень широко рекуператоры используются для подогрева воды.
В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном смешивании теплоносителей, например в конденсаторах смешивают. Такие теплообменники иногда называют контактными. Наиболее важным фактором в рабочем процессе теплообменного аппарата, смешивает, является поверхность соприкосновения теплоносителей. Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей размещают насадку, а в случае твердой фазы – ее измельчают.
Смесительные теплообменники наиболее простые и компактные. В них смешиваются теплоносители, не требующих дальнейшего распределения, например, при подогреве воды паром или горячей водой. Для поддержания заданных температур в системе горячего водоснабжения (от 60°С до 75°С) и в радиаторах отопления (до 95°С) смешивают воду, идущую от котельной или ТЭЦ и имеет температуру до 150°С, с водой (от 20 до 70°С), что возвращается от потребителя тепла. Смесительный процесс теплопередачи осуществляется, например, в градирнях, где горячая вода охлаждается окружающим воздухом.
Выбор того или иного типа теплообменника в каждом конкретном случае должен быть обоснованным технико-экономическими расчетами, поскольку каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
Водяной пар широко применяется на предприятиях химической отрасли. Данный теплоноситель обладает высоким удельным теплосодержанием (скрытая теплота испарения при нормальном уровне давления составляет 2256,8 кДж/кг) и высоким коэффициентом теплоотдачи, при конденсации. Нагревание водяным паром становится экономически невыгодным для получения температур выше 200 °C. При высоких уровнях температур, аналогичными недостатками обладает вода, при этом еще уступая водяному пару по значению коэффициента теплоотдачи.
При использовании топочного газа, можно достигать высоких температур, посредством сжигания газообразных, жидких и твердых топлив. К недостаткам данного вида теплоносителя относится низкий уровень теплоотдачи. Как следствие, необходимы большие поверхности нагрева, что не позволяет тонко регулировать падение температуры.
Для работы с температурами более 200 °C используются высококипящие органические и неорганические теплоносители. Группа органических теплоносителей включает в себя циклические, ациклические и смешанные соединения с температурами кипения до 380-420 °C, ароматизированные, цилиндровые и компрессорные минеральные масла. По показателю коэффициента теплоотдачи, пары органических теплоносителей уступают водяному пару и сопоставимы с жидкими теплоносителями при условии скорости циркуляции около 3-4 м/с.
Органические теплоносители горючи и взрывоопасны, но не агрессивны к обычным конструкционным материалам (кроме хлорпроизводных соединений). Наиболее используемым органическим теплоносителем в промышленности является эвтектическая смесь дифенила и дифенилового эфира (40% установок).
Ионные теплоносители используют в жидком и парообразном состоянии. Теплоносители данного вида имеют высокие температуры плавления и кипения, поэтому их применение в промышленности ограниченно. По структурному признаку, ионные теплоносители разделяют на две группы:

• 
  соли и их эвтектические сплавы;
  
• 
  кремнийорганические соли.
  

В данное время наиболее широкое применение в промышленности получили ароматические эфиры и ортокремниевые кислоты.
В группу жидкометаллических теплоносителей входят металлы и их сплавы, которые используются в жидком и парообразном состоянии (редко). В связи с тем, что данные теплоносители наиболее термостойкие, они характеризуются повышенной агрессивностью к материалам конструкций, поэтому максимум температур жидкометаллических теплоносителей ограничивается их коррозийным действием.