2.9.3. Выбор и проектирование поверхностных теплообменников

При подборе и проектировании поверхностных теплообменников выбор конструкции теплообменника приобретает важнейшее значение. Следует учитывать ряд требований, которым должен удовлетворять данный теплообменник. Эти требования зависят от конкретных условий протекания процесса теплообмена, к которым прежде всего следует отнести величину тепловой нагрузки аппарата, агрегатное состояние и физико-химические свойства теплоносителей (вязкость и др.), их агрегативность, температуру и давление в аппарате, условия теплопереноса (гидродинамические режимы, соотношения между коэффициентами теплоотдачи по обе стороны стенки и др.), возможность создания чистого противотока, если температуры теплоносителей в процессе теплопереноса заметно изменяются, возможность загрязнения поверхностей теплообмена (если таковая существует, то желательно, чтобы поверхность была доступной для периодической чистки) и др. Кроме того, теплообменник должен быть как можно более прост по устройству, компактен, с малой металлоемкостью и т. п. Конструкции теплообменника, который бы удовлетворял всем названным требованиям, нет. Поэтому в каждом конкретном случае теплообмена приходится ограничиваться выбором наиболее подходящей конструкции.

При выборе теплообменника следует учитывать положения, которые существенно влияют на интенсивность теплообмена, размеры теплообменника и условия его эксплуатации и важнейшими из которых являются следующие.

Для получения высоких значений коэффициентов теплопередачи теплоносители должны иметь достаточно большие скорости. Однако с ростом скорости растут гидравлические сопротивления. Из практики следует, что приемлемые значения коэффициентов теплоотдачи можно получить при скоростях для жидкостей до 1–1,5 м/с и для газов до 10–25 м/с.

Необходимо знать, что увеличение скорости одного из теплоносителей приводит к заметному повышению коэффициента теплопередачи только в том случае, если коэффициент теплоотдачи с другой стороны стенки большой (т. е. является нелимитирующим), а термическое сопротивление стенки мало. Поскольку массовые расходы теплоносителей связаны с тепловым и материальным балансами теплообменника, то на линейную скорость теплоносителей в аппарате можно повлиять только подбором в нем соответствующих сечений.

В некоторых случаях коэффициент теплопередачи может зависеть только от термических сопротивлений загрязнений на стенке. При большом загрязнении увеличение скорости теплоносителя практически не приводит к существенной интенсификации теплопереноса, однако увеличивает затраты энергии на прокачивание теплоносителя через аппарат.

В то же время нужно помнить, что чем выше скорости теплоносителей, тем медленнее происходит отложение накипи и загрязнений на поверхности теплопередающих стенок теплообменников. Таким образом, задача выбора рациональных скоростей теплоносителей может быть решена только путем проведения оптимизационного расчета на основе сопоставления некоторого числа вариантов.

Важно правильно определить место ввода теплоносителей в теплообменник. При проектировании кожухотрубчатых теплообменников теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи для увеличения скорости следует пропускать по трубам, так как сечение труб меньше сечения межтрубного пространства. Теплоноситель с высоким давлением направляют в трубы, чтобы не подвергать менее прочный кожух воздействию повышенных напряжений.

В трубы направляют также теплоноситель, вызывающий коррозию, и кожух при этом может быть изготовлен из более дешевого материала.

Для снижения тепловых потерь в нагревателях более горячий теплоноситель направляют в трубы, в холодильниках – в межтрубное пространство, что способствует более интенсивному охлаждению за счет потерь теплоты в окружающую среду.

Загрязненные теплоносители подаются с той стороны поверхности теплообмена, которую проще чистить.