ТЕПЛООБМЕННИКИ

Теплообменник — это устройство, используемое для передачи тепла между двумя или более жидкостями. Жидкости могут быть одно- или двухфазными и, в зависимости от типа теплообменника, могут быть разделены или находиться в прямом контакте. Устройства, включающие источники энергии, такие как стержни ядерного топлива или огневые нагреватели, обычно не считаются теплообменниками, хотя многие принципы, заложенные в их конструкции, одинаковы.

Чтобы обсудить теплообменники, необходимо дать некоторую форму категоризации.Обычно используются два подхода. Первый рассматривает конфигурацию потока в теплообменнике, а второй основан на классификации типа оборудования в первую очередь по конструкции. Оба рассмотрены здесь.

Классификация теплообменников по конфигурации потока

Существует четыре основных конфигурации потока:

На рисунке 1 показан идеализированный противоточный теплообменник, в котором две жидкости текут параллельно друг другу, но в противоположных направлениях.Этот тип устройства потока позволяет максимально изменить температуру обеих жидкостей и, следовательно, является наиболее эффективным (где эффективность — это количество фактически переданного тепла по сравнению с теоретическим максимальным количеством тепла, которое может быть передано).

Рисунок 1. Противоток.

В теплообменниках с прямоточным потоком потоки текут параллельно друг другу и в том же направлении, как показано на рисунке 2. Это менее эффективно, чем противоток, но обеспечивает более однородную температуру стенок.

Рисунок 2. Попутный поток.

По эффективности теплообменники с перекрестным потоком занимают промежуточное положение между противоточными и параллельными теплообменниками. В этих установках потоки текут под прямым углом друг к другу, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Поперечный поток.

В промышленных теплообменниках часто встречаются гибриды вышеуказанных проточных типов. Примерами являются комбинированные теплообменники с поперечным / противотоком и многоходовые теплообменники.(См., Например, рисунок 4.)

Рисунок 4. Перекрестный / противоточный поток.

Классификация теплообменников по конструкции

В этом разделе теплообменники классифицируются в основном по их конструкции, Garland (1990) (см. Рисунок 5). Первый уровень классификации — разделение типов теплообменников на рекуперативные и регенеративные. Рекуперативный теплообменник имеет отдельные пути потока для каждой жидкости, и жидкости протекают одновременно через теплообменник, обмениваясь теплом через стенку, разделяющую пути потока.Рекуперативный теплообменник имеет единственный путь потока, по которому попеременно проходят горячие и холодные жидкости.

Рисунок 5. Классификация теплообменников.

Регенеративные теплообменники

В регенеративном теплообменнике путь потока обычно состоит из матрицы, которая нагревается при прохождении через нее горячей жидкости (это известно как «горячий обдув»). Это тепло затем передается холодной жидкости, когда она протекает через матрицу («холодный удар»).Регенеративные теплообменники иногда называют емкостными теплообменниками . Хороший обзор регенераторов дает Walker (1982).

Регенераторы в основном используются для рекуперации тепла газа / газа на электростанциях и в других энергоемких отраслях. Два основных типа регенераторов — статические и динамические. Оба типа регенераторов являются кратковременными в эксплуатации, и, если при их проектировании не будут приняты особые меры, обычно происходит перекрестное загрязнение горячего и холодного потоков.Однако использование регенераторов, вероятно, расширится в будущем, поскольку предпринимаются попытки повысить энергоэффективность и утилизировать больше низкопотенциального тепла. Однако, поскольку регенеративные теплообменники, как правило, используются для специальных применений, рекуперативные теплообменники более распространены.

Рекуперативные теплообменники

Существует много типов рекуперативных теплообменников, которые можно в широком смысле сгруппировать в непрямой контакт, прямой контакт и специальные. В теплообменниках непрямого контакта теплоносители разделяются с помощью трубок, пластин и т. Д.. Теплообменники с прямым контактом не разделяют жидкости, обмениваясь теплом, и фактически полагаются на жидкости, находящиеся в тесном контакте.

В этом разделе кратко описаны некоторые из наиболее распространенных типов теплообменников, и они расположены в соответствии с классификацией, приведенной на рисунке 5.

В этом типе пары разделены стенкой, обычно металлической. Примерами являются трубчатые теплообменники, см. Рисунок 6, и пластинчатые теплообменники, см. Рисунок 7.

Трубчатые теплообменники очень популярны из-за гибкости, которую проектировщик должен учитывать в широком диапазоне давлений и температур.Трубчатые теплообменники можно разделить на несколько категорий, из которых кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным.

Кожухотрубный теплообменник состоит из ряда трубок, установленных внутри цилиндрической оболочки. На рисунке 8 показан типичный блок, который можно найти на нефтехимическом заводе. Две жидкости могут обмениваться теплом, одна жидкость течет по внешней стороне трубок, а вторая жидкость течет по трубкам. Жидкости могут быть одно- или двухфазными и могут течь в параллельном или перекрестном / противотоке.Кожухотрубный теплообменник состоит из четырех основных частей:

• Передняя часть — это место, где жидкость входит в трубную часть теплообменника.

• Задний конец — это то место, где текучая среда на трубной стороне выходит из теплообменника или где она возвращается в передний коллектор в теплообменниках с несколькими проходами на трубной стороне.

• Пучок труб — состоит из трубок, трубных решеток, перегородок, анкерных стержней и т. Д. Для удержания пучка вместе.

• Кожух — содержит пучок труб.

Популярность кожухотрубных теплообменников привела к разработке стандарта для их обозначения и использования. Это стандарт ассоциации производителей трубчатых теплообменников (TEMA). Обычно кожухотрубные теплообменники изготавливаются из металла, но для специальных применений (например, с использованием сильных кислот в фармацевтических препаратах) могут использоваться другие материалы, такие как графит, пластик и стекло. Также нормально, чтобы трубки были прямыми, но в некоторых криогенных приложениях используются спиральные или змеевики Хэмпсона .Простая форма кожухотрубного теплообменника — это двухтрубный теплообменник. Этот теплообменник состоит из одной или нескольких трубок, содержащихся внутри трубы большего размера. В наиболее сложной форме многотрубный двухтрубный теплообменник мало отличается от кожухотрубного теплообменника. Однако двухтрубные теплообменники, как правило, имеют модульную конструкцию, поэтому несколько блоков могут быть соединены болтами для достижения требуемой нагрузки. Книга Э.А.Д. Saunders [Saunders (1988)] дает хороший обзор трубчатых теплообменников.

К другим типам трубчатых теплообменников относятся:

• Печи — технологическая жидкость проходит через печь в прямых или спирально намотанных трубах, а нагрев осуществляется горелками или электрическими нагревателями.

• Пластинчатые трубы — в основном используются в системах рекуперации тепла и кондиционирования воздуха. Трубки обычно монтируются в какой-либо форме воздуховода, а пластины действуют как опоры и обеспечивают дополнительную площадь поверхности в виде ребер.

• С электрическим нагревом — в этом случае жидкость обычно течет по внешней стороне электрически нагреваемых трубок (см. Джоулев нагрев).

• Теплообменники с воздушным охлаждением состоят из пучка труб, вентиляторной системы и несущей конструкции. Трубки могут иметь ребра различного типа, чтобы обеспечить дополнительную площадь поверхности со стороны воздуха. Воздух либо всасывается через трубы вентилятором, установленным над пучком (принудительная тяга), либо продувается через трубы вентилятором, установленным под пучком (принудительная тяга). Как правило, они используются в местах, где есть проблемы с получением достаточного количества охлаждающей воды.

• Тепловые трубы, сосуды с мешалкой и теплообменники из графитовых блоков можно рассматривать как трубчатые или помещать в Рекуперативные «Особые предложения». Тепловая труба состоит из трубы, материала фитиля и рабочей жидкости. Рабочая жидкость поглощает тепло, испаряется и переходит на другой конец тепловой трубы, где конденсируется и выделяет тепло. Затем жидкость под действием капилляров возвращается к горячему концу тепловой трубы для повторного испарения. Сосуды с мешалкой в ​​основном используются для нагрева вязких жидкостей.Они состоят из емкости с трубками внутри и мешалки, такой как пропеллер или ленточный винтовой импеллер. Трубки несут горячую жидкость, а мешалка вводится для обеспечения равномерного нагрева холодной жидкости. Теплообменники с угольным блоком обычно используются, когда необходимо нагреть или охладить агрессивные жидкости. Они состоят из твердых блоков углерода, в которых просверлены отверстия для прохождения жидкости. Затем блоки скрепляются болтами вместе с коллекторами, образуя теплообменник.

Пластинчатые теплообменники отделяют жидкости, обменивающиеся теплом, с помощью пластин.Обычно они имеют улучшенные поверхности, такие как ребра или тиснение, и скрепляются вместе болтами, припаяны или свариваются. Пластинчатые теплообменники в основном используются в криогенной и пищевой промышленности. Однако из-за высокого отношения площади поверхности к объему, малого количества жидкостей и способности обрабатывать более двух паров они также начинают использоваться в химической промышленности.

Пластинчатые и рамные теплообменники состоят из двух прямоугольных концевых элементов, которые удерживают вместе несколько рельефных прямоугольных пластин с отверстиями на углу для прохождения жидкостей.Каждая из пластин разделена прокладкой, которая герметизирует пластины и обеспечивает поток жидкости между пластинами, см. Рис. 9. Этот тип теплообменника широко используется в пищевой промышленности, поскольку его можно легко разобрать для очистки. Если утечка в окружающую среду вызывает беспокойство, можно сварить две пластины вместе, чтобы гарантировать, что жидкость, протекающая между сваренными пластинами, не сможет протечь. Однако, поскольку некоторые прокладки все еще присутствуют, утечка все еще возможна. Паяные пластинчатые теплообменники предотвращают возможность утечки за счет пайки всех пластин вместе, а затем приваривания входных и выходных отверстий.

Рисунок 6. Классификация трубчатых теплообменников.

Рисунок 7. Классификация пластинчатого теплообменника.

Рисунок 8. Кожухотрубный теплообменник.

Рисунок 9. Пластинчато-рамный теплообменник.

Пластинчато-ребристые теплообменники состоят из ребер или прокладок, зажатых между параллельными пластинами. Ребра могут быть расположены так, чтобы допускать любую комбинацию поперечного или параллельного потока между соседними пластинами. Также возможно пропустить до 12 потоков жидкости через один теплообменник за счет тщательного расположения коллекторов.Обычно они изготавливаются из алюминия или нержавеющей стали и спаяны вместе. Их основное применение — сжижение газа из-за их способности работать с близкими температурами.

Пластинчатые теплообменники в некоторых отношениях аналогичны кожухотрубным. Прямоугольные трубы с закругленными углами уложены друг на друга, образуя пучок, который помещается внутри оболочки. Одна жидкость проходит через трубки, тогда как жидкость течет параллельно через промежутки между трубками.Они, как правило, используются в целлюлозно-бумажной промышленности, где требуются большие проточные каналы.

Спиральные пластинчатые теплообменники образуются путем наматывания двух плоских параллельных пластин вместе в змеевик. Затем концы уплотняются прокладками или свариваются. Они в основном используются с вязкими, сильно загрязняющими жидкостями или жидкостями, содержащими частицы или волокна.

В данной категории теплообменников не используется поверхность теплопередачи, из-за чего она часто дешевле, чем косвенные теплообменники.Однако, чтобы использовать теплообменник прямого контакта с двумя жидкостями, они должны быть несмешиваемыми, или, если будет использоваться одна жидкость, она должна претерпеть фазовый переход. (См. Прямая контактная теплопередача.)

Наиболее легко узнаваемая форма теплообменника с прямым контактом — градирня с естественной тягой, которая используется на многих электростанциях. Эти агрегаты состоят из большой примерно цилиндрической оболочки (обычно более 100 м в высоту) и насадки внизу для увеличения площади поверхности. Охлаждаемая вода распыляется на набивку сверху, в то время как воздух проходит через дно набивки и поднимается вверх через башню за счет естественной плавучести.Основная проблема с этим и другими типами градирен с прямым контактом — это постоянная необходимость восполнения подачи охлаждающей воды за счет испарения.

Конденсаторы прямого контакта иногда используются вместо трубчатых конденсаторов из-за их низких капитальных затрат и затрат на обслуживание. Существует множество вариантов конденсатора прямого контакта. В простейшей форме охлаждающая жидкость разбрызгивается сверху емкости над паром, поступающим сбоку емкости. Затем конденсат и охлаждающая жидкость собираются внизу.Большая площадь поверхности распылителя гарантирует, что они являются достаточно эффективными теплообменниками.

Нагнетание пара используется для нагрева жидкости в резервуарах или в трубопроводах. Пар способствует передаче тепла за счет турбулентности, создаваемой впрыском, и передает тепло путем конденсации. Обычно попытки собрать конденсат не предпринимаются.

Прямой нагрев в основном используется в сушилках, где влажное твердое вещество сушится путем пропускания его через поток горячего воздуха. Другая форма прямого нагрева — это горение под водой.Он был разработан в основном для концентрирования и кристаллизации коррозионных растворов. Жидкость испаряется пламенем, а выхлопные газы направляются вниз в жидкость, которая находится в резервуаре.

Воздухоохладитель с мокрой поверхностью в некоторых отношениях похож на теплообменник с воздушным охлаждением. Однако в устройствах этого типа вода распыляется по трубкам, а вентилятор всасывает воздух и воду через пучок труб. Вся система закрыта, и теплый влажный воздух обычно выбрасывается в атмосферу.

Скребковые теплообменники состоят из емкости с рубашкой, через которую проходит жидкость, и вращающегося скребка, который непрерывно удаляет отложения с внутренних стенок емкости. Эти агрегаты используются в пищевой и фармацевтической промышленности в тех случаях, когда отложения образуются на нагретых стенках сосуда с рубашкой.

Статические регенераторы или регенераторы с неподвижным слоем не имеют движущихся частей, кроме клапанов. В этом случае горячий газ проходит через матрицу в течение фиксированного периода времени, в конце которого происходит реверсирование, горячий газ отключается, а холодный газ проходит через матрицу.Основная проблема с этим типом агрегатов заключается в том, что и горячий, и холодный поток прерывистый. Чтобы преодолеть это и обеспечить непрерывную работу, требуются по крайней мере два статических регенератора или можно использовать роторный регенератор.

В роторном регенераторе насадка цилиндрической формы вращается вокруг оси цилиндра между парой газовых уплотнений. Горячий и холодный газ протекает одновременно по каналам с обеих сторон газовых уплотнений и через вращающуюся насадку. (См. Рекуперативные теплообменники.)

Термический анализ любого теплообменника включает решение основного уравнения теплопередачи.

Это уравнение вычисляет количество тепла, передаваемого через область dA, где T _h и T _c — локальные температуры горячей и холодной жидкости, α — местный коэффициент теплопередачи, а dA — локальная дополнительная площадь, на которой α основано. Для плоской стены

где δ _w — толщина стенки, а λ _w — ее теплопроводность.

Для однофазного обтекания стенки α для каждого из потоков является функцией Re и Pr. Когда происходит конденсация или кипение, α также может зависеть от разницы температур. Как только коэффициент теплопередачи для каждого потока и стены известен, общий коэффициент теплопередачи U определяется как

где сопротивление стенки r _w равно 1 / α _w . Общая скорость теплопередачи между горячей и холодной текучими средами тогда определяется выражением

Это уравнение предназначено для постоянных температур и коэффициентов теплопередачи.В большинстве теплообменников это не так, поэтому используется другая форма уравнения

где — общая тепловая нагрузка, U — средний общий коэффициент теплопередачи, а ΔT _M — средняя разница температур. Расчет ΔT _M и отказ от предположения о постоянном коэффициенте теплопередачи описаны в разделе «Средняя разница температур».

Расчет U и ΔT _M требует информации о типе теплообменника, геометрии (например,g., размер проходов в пластине или диаметр трубы), ориентация потока, чистый противоток или поперечный поток и т. д. Затем можно рассчитать общую нагрузку с использованием предполагаемого значения AT и сравнить с требуемой нагрузкой. Затем можно внести изменения в предполагаемую геометрию и U, ΔT _M и пересчитать, чтобы в конечном итоге перейти к решению, которое равно требуемой нагрузке. Однако при выполнении термического анализа на каждой итерации также следует проверять, не превышен ли допустимый перепад давления.Компьютерные программы, такие как TASC от HTFS (Heat Transfer and Fluid Flow Service), автоматически выполняют эти расчеты и оптимизируют конструкцию.

Механические аспекты

Все типы теплообменников должны подвергаться механической конструкции в той или иной форме. Любой теплообменник, работающий при давлении выше атмосферного, должен быть спроектирован в соответствии с местным кодом конструкции сосуда под давлением , таким как ASME VIII (Американское общество инженеров-механиков) или BS 5500 (Британский стандарт).Эти нормы определяют требования к сосудам высокого давления, но не касаются каких-либо специфических особенностей конкретного типа теплообменника. В некоторых случаях для определенных типов теплообменников существуют специальные стандарты. Два из них перечислены ниже, но в целом отдельные производители определяют свои собственные стандарты.

ССЫЛКИ

Гарланд, У. Дж. (1990) Частное сообщение.

Уокер, Г. (1982) Industrial Heat Exchangers-A Basic Guide , Hemisphere Publishing Corporation.

Rohsenow, W. M. и Hartnett, J. P. (1973) Handbook of Heat Transfer , New York: McGraw-Hill Book Company. DOI: 10.1016 / 0017-9310 (75)

-9

Сондерс, Э. А. Д. (1988) Теплообменники — выбор, проектирование и изготовление, Longman Scientific and Technical. DOI: 10.1016 / 0378-3820 (89)

-5

Ассоциация производителей трубчатых теплообменников, (1988 г.) (ТЕМА), седьмое издание. Кожухотрубные теплообменники .

Американский институт нефти (API) 661: Теплообменники с воздушным охлаждением для нефтяной промышленности .

Замена прокладок впускного коллектора Стоимость и услуги

Что такое прокладка впускного коллектора и как она работает?

Впуск на двигателе может состоять из нижнего впускного коллектора и верхнего впускного коллектора или камеры статического давления. Нижний впускной коллектор представляет собой камеру из литого алюминия или литого пластика, прикрепленную болтами к головке цилиндров двигателя. Впускной коллектор необходимо плотно прилегать к головке (головкам) цилиндров с помощью прокладки, чтобы предотвратить утечку воздуха, масла или охлаждающей жидкости двигателя.

Когда следует рассмотреть вопрос о замене прокладки впускного коллектора:

Внутренние или внешние утечки. Из-за постоянного температурного расширения и сжатия деталей двигателя или перегрева способность уплотнения должным образом уплотняться может быть нарушена, что приведет к следующим проблемам:

• Внутренняя или внешняя утечка охлаждающей жидкости двигателя. В некоторых случаях в коллекторе есть охлаждающие каналы. Если уплотнение коллектора двигателя выходит из строя, охлаждающая жидкость может вытечь наружу или даже в картер моторного масла, где охлаждающая жидкость может быть обнаружена в моторном масле.
• Перегрев двигателя. Если утечка в коллекторе — это утечка охлаждающей жидкости двигателя, это может привести к его перегреву. Однако существуют и другие причины перегрева двигателя, поэтому механику необходимо определить истинную причину.
• Внешняя утечка масла. На некоторых 6- и 8-цилиндровых двигателях впускной коллектор расположен поверх смазываемой маслом области блока цилиндров. Если прокладка коллектора вышла из строя, масло может вытечь из блока наружу двигателя.
• Плохая работа двигателя, работа на обедненной смеси, грубый холостой ход Вакуумный воздух просачивается в коллектор из-за дефектной прокладки, которая нарушает соотношение воздух-топливо. Двигатель может плохо работать.
• Проверить свет двигателя. Незначительные утечки в прокладке впускного коллектора обычно не приводят к включению индикатора проверки двигателя. Однако по мере того, как утечка сохраняется, она может увеличиваться, и возможно, что утечка снизит производительность двигателя настолько, что вызовет установку кода неисправности, в результате чего загорится индикатор проверки двигателя.

Как механики заменяют прокладку впускного коллектора?

• При работе на холодном двигателе крышка двигателя снимается. Если во впускном коллекторе есть внутренние каналы системы охлаждения, охлаждающая жидкость двигателя сливается ниже уровня этих каналов.
• Трос акселератора и трос круиз-контроля снимаются и откладываются в сторону. Все электрические соединения, а также выхлопные и вакуумные линии на всасывании удалены. Компоненты зажигания, такие как катушка, снимаются по мере необходимости.Если в автомобиле есть верхняя камера, ее снимают и откладывают.
• Если топливная рампа прикручена к впускному коллектору, соединения подачи и возврата к топливной рампе разъединяются.
• Когда все соединения с коллектором очищены, коллектор откручивается и снимается с двигателя.
• Алюминиевые и пластиковые коллекторы проверяются линейкой машиниста, чтобы убедиться, что плоскостность поверхности не превышает спецификацию производителя оригинального оборудования.Если поверхность коллектора неровная, новая прокладка не будет герметично закрыта. Пластиковые коллекторы проверяются на наличие трещин, тепловых повреждений и коробления.
• После того, как коллектор будет повторно использован или заменен по мере необходимости, накладывается новая прокладка, коллектор ставится на место и крепежные болты затягиваются калиброванным динамометрическим ключом в указанной OEM последовательности. В некоторых случаях герметик RTV необходимо наносить на углы монтажной поверхности или в указанные труднодоступные места в соответствии с руководством по обслуживанию.
• Затем все снятые компоненты устанавливаются заново в порядке, обратном вышеуказанным шагам.
• Наконец, автомобиль запускается, проверяется на утечки и проходит тестовый проезд.

Безопасно ли ехать с проблемой прокладки впускного коллектора?

Да. Основная проблема с протекающей прокладкой впускного коллектора — это возможное повреждение двигателя, в зависимости от того, где находится утечка. Несмотря на то, что управление транспортным средством, как правило, безопасно, вам следует запланировать обслуживание как можно скорее, чтобы свести к минимуму вероятность дополнительных дорогостоящих повреждений.Если утечка связана с охлаждающей жидкостью, это может привести к повреждению двигателя из-за перегрева или охлаждающая жидкость может загрязнить моторное масло, что может привести к повреждению подшипников двигателя. Если есть утечка воздуха в цилиндры, это может привести к работе на обедненной смеси, что может привести к перегреву каталитического нейтрализатора.

При замене прокладки впускного коллектора учитывать:

• В двигателях, где охлаждающая жидкость протекает через впускной коллектор, протекающая прокладка впускного коллектора может быть причиной или результатом перегрева двигателя.Если у вас протекает прокладка впускного коллектора и двигатель перегрелся, следует осмотреть весь двигатель на предмет повреждений, например, вздутия прокладки головки блока цилиндров. Следует заменить термостат системы охлаждения двигателя, поскольку перегрев двигателя может повредить термостат системы охлаждения.
• В некоторых конструкциях двигателей автомобилей вероятность протечки прокладок впускного коллектора выше, чем у других, из-за проблем с материалами и конструкцией. Ваш механик может сообщить вам, относится ли ваш автомобиль к одному из этих случаев. Во многих случаях изменение конструкции прокладки или изменение техники установки и значений крутящего момента будут актуальны, чтобы избежать повторения любых утечек.Механики сверится с бюллетенями технического обслуживания, чтобы определить, существуют ли какие-либо уникальные обстоятельства для вашего автомобиля.

ПРОБЛЕМЫ С ТОПЛИВОМ — Моя авиация