Definizione di scambiatore di calore

  Lo scambiatore di calore è un dispositivo che trasferisce parte del calore del fluido caldo al fluido freddo, ovvero un grande contenitore chiuso è riempito con acqua o altro mezzo e attraverso il contenitore sono presenti tubi.Lascia che l'acqua calda scorra attraverso i tubi.

A causa della differenza di temperatura tra l'acqua nel tubo e l'acqua calda e fredda nel contenitore, si verificherà uno scambio di calore.Per il bilancio termico della fisica delle scuole medie, il calore ad alta temperatura viene sempre trasportato a bassa temperatura, in modo che il calore dell'acqua nel tubo possa essere scambiato con l'acqua fredda nel contenitore.Deserto riscaldatore.

Classificazione e struttura degli scambiatori di calore

Gli scambiatori di calore possono essere suddivisi in:

Raffreddatore, condensatore, riscaldatore, scambiatore di calore, ribollitore, generatore di vapore, caldaia a calore di scarto (o calore di scarto).

Secondo il metodo dello scambio termico, può essere suddiviso in:

Scambiatori di calore a contatto diretto (chiamati anche scambiatori di calore ibridi), scambiatori di calore rigenerativi e scambiatori di calore a parete divisoria.

Di seguito vengono introdotti principalmente scambiatori di calore classificati in base alle modalità di scambio termico:

1) Scambiatore di calore a contatto diretto

Gli scambiatori a contatto diretto si basano sul contatto diretto tra fluidi freddi e caldi per il trasferimento di calore.Questo metodo di trasferimento del calore evita lo sporco e la resistenza termica sulla partizione di trasferimento del calore e su entrambi i lati.Finché il contatto tra i fluidi è buono, ci sarà una maggiore velocità di trasferimento del calore.

Pertanto, gli scambiatori di calore ibridi possono essere utilizzati ovunque i fluidi possano mescolarsi tra loro, come il lavaggio e il raffreddamento del gas, il raffreddamento dell'acqua circolante, il riscaldamento misto vapore-acqua, la condensazione del vapore, ecc. Le sue applicazioni spaziano dalle imprese chimiche e metallurgiche all'ingegneria energetica. , ingegneria del condizionamento e molti altri settori produttivi.

Gli scambiatori di calore ibridi comunemente utilizzati includono: torri di raffreddamento, depuratori di gas, scambiatori di calore a getto e condensatori ibridi.

2) Scambiatore di calore rigenerativo

Lo scambiatore di calore rigenerativo è un dispositivo utilizzato per lo scambio di calore rigenerativo.È riempito con materiale solido per immagazzinare il calore.

Generalmente la griglia tagliafuoco è realizzata con mattoni refrattari (talvolta vengono utilizzati nastri ondulati metallici, ecc.).

Lo scambio termico avviene in due fasi.

Nella prima fase il gas caldo attraversa la griglia tagliafuoco, cede il calore alla griglia tagliafuoco e lo immagazzina.

Nella seconda fase, il gas freddo passa attraverso la griglia tagliafuoco e viene riscaldato ricevendo il calore immagazzinato nella griglia tagliafuoco.

Queste due fasi si verificano alternativamente.Di solito vengono utilizzati alternativamente due rigeneratori, ovvero quando il gas caldo entra in un dispositivo, il gas freddo entra nell'altro.Viene spesso utilizzato nell'industria metallurgica, come rigeneratore di forni per la produzione dell'acciaio a focolare aperto.

Viene utilizzato anche nell'industria chimica, come nei preriscaldatori d'aria o nelle camere di combustione nei forni a gas e nei forni di cracking rigenerativo negli impianti petroliferi artificiali.

3) Scambiatore di calore a parete divisoria

In questo tipo di scambiatore di calore i fluidi caldo e freddo sono separati da un metallo in modo che i due fluidi non si mescolino e trasferiscano calore.

Nella produzione chimica, i fluidi caldi e freddi spesso non possono entrare in contatto diretto, quindi lo scambiatore di calore a parete divisoria è lo scambiatore di calore più comunemente utilizzato.

Di seguito viene introdotta principalmente la classificazione degli scambiatori di calore a parete divisoria:

a）Scambiatore di calore incamiciato

Questo tipo di scambiatore di calore è realizzato installando una camicia sulla parete esterna del contenitore ed ha una struttura semplice;tuttavia, la sua superficie riscaldante è limitata dalla parete del contenitore e il suo coefficiente di scambio termico non è elevato.

Per migliorare il coefficiente di trasferimento del calore e riscaldare uniformemente il liquido nel bollitore, è possibile installare un agitatore nel bollitore.

Quando si introduce nella camicia acqua di raffreddamento o agente riscaldante senza cambiamento di fase, è possibile installare nella camicia anche divisori a spirale o altre misure per aumentare la turbolenza per aumentare il coefficiente di trasferimento del calore su un lato della camicia.

Per sopperire alla mancanza di superficie di scambio termico, all'interno del bollitore è possibile installare anche tubi a spirale.

Gli scambiatori di calore incamiciati sono ampiamente utilizzati per il riscaldamento e il raffreddamento dei processi di reazione.

b) Scambiatore di calore con tubo a serpente

Lo scambiatore di calore a tubo a spirale è ulteriormente suddiviso in uno scambiatore di calore a tubo a spirale immerso e uno scambiatore di calore a tubo a spirale spruzzato.

I tubi serpente sono per lo più costituiti da tubi metallici piegati in varie forme adatte al contenitore e immersi nel liquido nel contenitore.

I suoi vantaggi sono: struttura semplice, può resistere ad alta pressione e può essere realizzato con materiali resistenti alla corrosione.

Svantaggi: la turbolenza del liquido nel contenitore è bassa e il coefficiente di trasferimento del calore all'esterno del tubo è basso.

Fissare i tubi dello scambiatore di calore in file sul telaio in acciaio.

Il fluido caldo scorre nel tubo e l'acqua di raffreddamento viene versata uniformemente sul dispositivo.

Vantaggi: il fluido caldo scorre nel tubo e l'acqua di raffreddamento scorre uniformemente sopra l'apparecchio.Il coefficiente di trasferimento del calore è elevato, quindi l'effetto di trasferimento del calore dello scambiatore di calore a spruzzo è migliore di quello dello scambiatore di calore a spirale immersa.

Tuttavia, deve essere posizionato all'aria aperta.Occupa una vasta area e l'acqua si riversa facilmente nell'ambiente circostante, rendendone scomodo l'utilizzo.

c)Scambiatore di calore incamiciato

Perché la velocità del flusso del fluido all'interno e all'esterno del tubo è maggiore.I fluidi freddi e caldi possono fluire in pura controcorrente, quindi il loro coefficiente di trasferimento di calore è elevato e l'effetto di trasferimento di calore è buono.Il riscaldamento dell'acqua comunemente utilizzato è un semplice scambiatore di calore a maniche.

d) Scambiatore di calore a fascio tubiero

Gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono gli scambiatori di calore a parete divisoria più tipici.Hanno una lunga storia di applicazione nell'industria e occupano ancora una posizione dominante tra tutti gli scambiatori di calore.

Lo scambiatore di calore a fascio tubiero è costituito principalmente da un mantello, un fascio tubiero, una piastra tubiera e una testata.Il mantello è prevalentemente rotondo, con all'interno fasci tubieri paralleli, ed entrambe le estremità del fascio tubiero sono fissate sulla piastra tubiera.

Esistono due tipi di fluidi che scambiano calore in uno scambiatore di calore a fascio tubiero: uno scorre all'interno del tubo e la sua corsa è chiamata lato tubo;l'altro scorre all'esterno del tubo e il suo tratto è chiamato lato guscio.La superficie della parete del fascio tubiero è la superficie di trasferimento del calore.

Per migliorare il coefficiente di scambio termico del fluido all'esterno del tubo, nel mantello vengono solitamente installati un certo numero di setti trasversali.

I deflettori non solo impediscono il cortocircuito del fluido e ne aumentano la velocità, ma costringono anche il fluido a fluire trasversalmente attraverso il fascio tubiero più volte secondo il percorso prescritto, aumentando notevolmente il grado di turbolenza.Esistono due deflettori comunemente usati: a forma rotonda e a forma di disco (come mostrato nella figura seguente).Il primo è quello più utilizzato.

Ogni volta che il fluido passa attraverso il fascio tubiero nel tubo viene chiamato passaggio del tubo, mentre ogni volta che il fluido passa attraverso il guscio viene chiamato passaggio del guscio.

Per aumentare la velocità del fluido nel tubo è possibile installare nelle testate ad entrambe le estremità appositi divisori per dividere uniformemente tutti i tubi in più gruppi.

In questo modo il fluido può attraversare solo una parte dei tubi e ritornare nel fascio tubiero più volte alla volta, fenomeno chiamato passaggio multitubo.

Allo stesso modo, per aumentare la portata all'esterno del tubo, è possibile installare dei deflettori longitudinali nel mantello per consentire al fluido di passare più volte attraverso lo spazio del mantello, operazione denominata passaggio multi-guscio.

In uno scambiatore di calore a fascio tubiero, a causa delle diverse temperature del fluido all'interno e all'esterno del tubo, anche le temperature del fascio tubiero e del fascio tubiero sono diverse.Se la differenza di temperatura tra i due è ampia, all'interno dello scambiatore di calore si verificherà un notevole stress termico, che potrebbe causare la piegatura, la rottura o il distacco dei tubi dalla piastra tubiera.

Pertanto, quando la differenza di temperatura tra il fascio tubiero e il mantello supera i 50°C, è necessario adottare opportune misure di compensazione della differenza di temperatura per eliminare o ridurre lo stress termico.

Metodo di compensazione:

Collegare un anello di espansione al guscio o utilizzare uno scambiatore di calore con tubo a forma di U e uno scambiatore di calore a testa flottante.

➪ Scambiatore di calore a piastre tubiere fisse

Quando la differenza di temperatura tra i fluidi caldi e freddi non è elevata, è possibile utilizzare uno scambiatore di calore a piastre tubiere fisse.

Ha una struttura semplice e un costo contenuto, ma è difficile da pulire e non è adatto a fluidi soggetti a incrostazioni e fluidi con grandi differenze di temperatura.

Se la differenza di temperatura non è molto elevata è possibile utilizzare uno scambiatore di calore a piastre tubiere fisse con anello di compensazione.

e) Scambiatore di calore a piastre

Lo scambiatore di calore a piastre è composto da un set di piastre metalliche sottili rettangolari di trasferimento del calore, fissate e assemblate sulla staffa con un telaio.

I bordi di due piastre adiacenti sono rivestiti con guarnizioni (di gomme varie o amianto compresso, ecc.) per la compressione.Ai quattro angoli delle piastre sono presenti fori rotondi che formano canali per il fluido.

La differenza tra scambiatore di calore a piastre e scambiatore di calore a fascio tubiero:

a. Elevato coefficiente di trasferimento del calore

Poiché diverse piastre ondulate sono invertite tra loro per formare un canale di flusso complesso, il fluido scorre in modo tridimensionale rotante nel canale di flusso tra le piastre ondulate, il che può produrre un flusso turbolento con un basso numero di Reynolds (generalmente Re=50 ~200), quindi il trasferimento di calore è Il coefficiente è elevato, generalmente considerato da 3 a 5 volte quello del tipo a fascio tubiero.

B.La differenza di temperatura media logaritmica è ampia e la differenza di temperatura terminale è piccola.

Nello scambiatore di calore a fascio tubiero, i due fluidi scorrono rispettivamente nel lato tubi e nel lato mantello.In generale, il flusso è a flusso incrociato e il coefficiente di correzione della differenza di temperatura media logaritmica è piccolo.Tuttavia, lo scambiatore di calore a piastre ha principalmente una modalità di flusso equicorrente o controcorrente., e il suo coefficiente di correzione è solitamente intorno a 0,95.Inoltre il flusso dei fluidi freddi e caldi nello scambiatore di calore a piastre è parallelo alla superficie di scambio termico e non vi è alcun flusso laterale.Pertanto, la differenza di temperatura all'estremità dello scambiatore di calore a piastre è piccola e lo scambio di calore con l'acqua può essere inferiore a 1 ℃, mentre gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono generalmente 5 ℃.

C.Piccola impronta

Lo scambiatore di calore a piastre ha una struttura compatta e l'area di scambio termico per unità di volume è da 2 a 5 volte quella del tipo a fascio tubiero.A differenza del tipo a fascio tubiero, che richiede uno spazio di manutenzione riservato per l'estrazione del fascio tubiero, lo scambiatore di calore a piastre può ottenere lo stesso trasferimento di calore.L'area occupata dallo scambiatore di calore è circa 1/5~1/8 dello scambiatore di calore a fascio tubiero.

D.Facile modifica dell'area di scambio termico o della combinazione di processo

Finché si aggiungono o si rimuovono alcune piastre, l'area di scambio termico può essere aumentata o ridotta;modificando la disposizione delle piastre o sostituendo alcune piastre, è possibile ottenere la combinazione di processo richiesta e adattarla alle nuove condizioni di scambio termico.È quasi impossibile aumentare l'area di trasferimento del calore degli scambiatori di calore a guscio

e.Leggero

Lo spessore delle piastre dello scambiatore di calore a piastre è di soli 0,4~0,8 mm, mentre lo spessore dei tubi di scambio di calore dello scambiatore di calore a fascio tubiero è di 2,0~2,5 mm.Il guscio del tipo a fascio tubiero è molto più pesante del telaio dello scambiatore di calore a piastre., Gli scambiatori di calore a piastre pesano generalmente solo 1/5 del peso degli scambiatori di calore a fascio tubiero.

F.Prezzo basso

Utilizzando gli stessi materiali e la stessa area di scambio termico, il prezzo degli scambiatori di calore a piastre è inferiore di circa il 40%-60% rispetto a quello degli scambiatori di calore a fascio tubiero.

G.Facile da fare

Le piastre di trasferimento del calore degli scambiatori di calore a piastre sono stampate e lavorate con un elevato grado di standardizzazione e possono essere prodotte in grandi quantità.Gli scambiatori di calore a fascio tubiero sono generalmente realizzati a mano.

H.Facile da pulire

Finché i bulloni di compressione dello scambiatore di calore a piastre con telaio sono allentati, i fasci di piastre possono essere allentati e le piastre possono essere rimosse per la pulizia meccanica.Ciò è molto conveniente per il processo di scambio termico che richiede una pulizia frequente delle apparecchiature.

io.Piccola perdita di calore

Negli scambiatori di calore a piastre, solo la piastra esterna della piastra di trasferimento del calore è esposta all'atmosfera, quindi la perdita di dissipazione del calore è trascurabile e non sono necessarie misure di isolamento.Gli scambiatori di calore a fascio tubiero presentano grandi perdite di calore e richiedono isolamento termico.

J.Piccola capacità

Rappresenta il 10%~20% dello scambiatore di calore a fascio tubiero.io.La perdita di pressione per unità di lunghezza è elevata.Poiché lo spazio tra le superfici di trasferimento del calore è piccolo e le superfici di trasferimento del calore sono concave e convesse, la perdita di pressione è maggiore di quella dei tradizionali tubi lisci.

K.Non facile da scalare

A causa della sufficiente turbolenza interna, non è facile da scalare e il suo coefficiente di scala è solo 1/3~1/10.k di quello di uno scambiatore di calore a fascio tubiero.La pressione di esercizio non deve essere eccessiva e la temperatura media non deve essere troppo elevata, poiché potrebbero verificarsi perdite nello scambiatore di calore a piastre.Lo scambiatore di calore è sigillato con una guarnizione, la pressione di esercizio generalmente non deve superare 2,5 MPa e la temperatura del fluido deve essere inferiore a 250°C, altrimenti potrebbero verificarsi perdite.

l.Facilmente bloccato

Poiché i canali tra le piastre sono molto stretti, generalmente solo 2~5 mm, quando il mezzo di scambio termico contiene particelle più grandi o sostanze fibrose, è facile bloccare i canali tra le piastre.