Тепломассообменное оборудование предприятия: классификация установок, процессы, материалы, принципы работы

Общие сведения

Каждое здание потребляет тепло. В нашей стране на обеспечение тепла тратится 70-80% всей вырабатываемой энергии. Все эти энергозатраты можно разделить на две группы - для отопления жилых зданий и производственных помещений. На первую категорию трат уходит больше 70% потраченной энергии, остальное потребляют производственные мощности. В этом процессе особую важность приобретают теплообменные аппараты. Именно на них уходит более 70% расходов на оборудование электростанций. У нефтеперерабатывающих заводов эта цифра меньше, но все же впечатляет - 40-50% от всех капиталовложений. 

Преобразования энергии из одного вида в другой не обходятся без выделения тепла. Именно это тепло и используют теплообменники. Такое использование побочной энергии позволяет сократить расходы на энергию, обеспечивает рациональное расходование ресурсов. 

Установки тепломассообмена по типу энергии

Установки тепломассообмена по типу энергии, которую используют, делятся на несколько типов:

• высокотемпературные,
• среднетемпературные,
• низкотемпературные,
• криогенные.

Первые - это промышленные печи, где температура достигает 2000 градусов, вторая категория процессов доходит до 700 градусов, а низкотемпературные системы показывают диапазон от минус 150 до плюс 150 градусов. Есть и криогенные процессы, к ним, например, относят разделение воздуха. 

Процессы тепломассообмена

В процессе производства с сырьем происходит несколько видов процессов: выпаривание, сушка, кристаллизация, нагревание, охлаждение, конденсация и т.д. Эти процессы не всегда сопровождаются только обменом теплом, но еще и массообменом - например, диффузия и сорбция.

Теплообменник - устройство, в котором разные среды обмениваются теплом. Массообменный аппарат - устройство того же типа, но здесь между средами происходит массообмен. Эти процессы могут протекать одновременно, и тогда такие устройства называют тепломассообменники. Тепло переносят движущиеся среды - их называют теплоносителями. 

Метариалы установок

Теплообменные устройства изготавливают из разных типов материалов:

• латунь,
• нержавеющая сталь,
• медь,
• справ кремния и алюминия.

Выбор материала зависит от назначения установки. Например, если в системе постоянно высокое давление, нужна латунь.

Устройства, в основе которых лежит тепломассообмен, используются во многих отраслях промышленности:

• фармацевтика,
• автомобильное производство,
• машиностроение, 
• металлургия,
• пищевая промышленность,
• отопительные системы разных масштабов,
• системы вентиляции и кондиционирования. 

Принцип работы

Принцип работы тепломассообменника прост - в устройстве, разделенном пластинами, движутся в противопотоке две среды: горячая и холодная. Соприкасаясь друг с другом через стенки, одна нагревается, а вторая остывает. Нагретая среда выходит из теплообменника, а греющая отправляется обратно.

На устройство наносятся самые главные его параметры - рабочее и пиковое давление, максимальная температура и маркировка производителя. 

Существует несколько классификаций теплообменных аппаратов по разным критериям. Например, по контакту теплоносителей установки делят на контактные и поверхностные. В первом случае теплом обмениваются две контактирующих между собой среды. В поверхностных тепло сообщается стенке, а затем другому теплоносителю. 

Теплообменники, как и другие элементы производственных установок, работают в переменном режиме. При этом их характеристики зависят от множества факторов: параметров потоков теплоносителя, исходных режимов и их особенностей. Влияют и другие факторы: накопленная грязь внутри аппаратов, сажа и смола на трубах, коррозия - все то, что появляется в процессе эксплуатации установки. 

Проектирование установок

Поэтому особое внимание уделяется проектированию и расчету теплообменников. Все эти операции должны учитывать сложность происходящих процессов. Параметры тепломассообмена в том числе напрямую влияют на экономические показатели производства в целом. Специалисты работают над несколькими задачами по проектированию и расчету параметров тепломассообменных установок:

• составление проекта аппарата, которого нет в обычных каталогах,
• выбор аппарата, использующего тепло, по типовым каталогам,
• создание и проверка работы аппарата из-за изменения производственной ситуации и параметров выпуска продукции. 

Какими должны быть теплоиспользующие аппараты?

• экономичность в работе,
• энергоэффективность и высокая производительность,
• следование технологии производства, 
• экологичность - минимальный вред окружающей среде, 
• простая конструкция,
• использование дешевых материалов при их выпуске, 
• небольшой вес и габариты установки, 
• ремонтопригодность,
• долговечность, 
• надежность в работе, без перебоев, 
• простой монтаж.

Кроме этого, все теплоиспользующие установки должны соответствовать нормам и стандартам Ростехнадзора. 

Аппараты периодического действия проигрывают установкам непрерывного действия. Тепломассообменные устройства непрерывного действия показывают в работе большую производительность, теряется меньше тепла, готовый продукт получается более качественным, к тому же в устройстве установки можно применить автоматизированные элементы. 

Главный параметр тепломассообменного аппарата - его масса, затем идут габариты (длина и объем). Чем меньше масса теплоиспользующего аппарата, тем меньше на него будет израсходовано материалов. К тому же уменьшение веса установки дает улучшение производственных характеристик. Сравним с авиацией - там снижение массы всего оборудования главная задача при проектировании. Кроме того, теплоиспользующие аппараты обычно не используются отдельно, они встраиваются в целые технологические схемы, и снижение веса и уменьшение габаритов здесь критически важно. Поэтому рациональность в конструировании теплоиспользующих установок самое важное. Именно это позволяет увеличить их производительность и сэкономить деньги на конструирование установок.