Введение. Процессы теплообмена получили широкое распространение как в промышленных отраслях, так и в бытовой сфере, практически во всех странах мира. Они эффективно используются в теплоэнергетике, химической промышленности, добыче и переработке нефти и газа, металлургии, космосе, атомной и холодильной отрасли, пищевой промышленности, бытовой сфере и ряде других. Теплообменные аппараты и установки широко используются во всех отраслях промышленности. Назначение, области применения и конструктивное оформление их весьма разнообразны. Они предназначены для увеличения экономичности энергетического оборудования, повышения его надѐжности, обеспечения технологических процессов. Первую группу составляют элементы паровых котлов, тепловых двигателей, компрессорных машин, тепловых электростанций, установки по использованию вторичных энергоресурсов. Вторая группа включает в себя различного рода деаэраторы, испарители, подогреватели жидкого топлива, маслоохладители, водонагреватели, воздухоохладители. К третьей группе относят выпарные, вентиляционные и сушильные установки, скрубберы, аппараты криогенной техники и химических производств.

Учитывая широкий диапазон применения и важность выполняемых функций, теплообменные аппараты должны соответствовать следующим основным требованиям: обеспечивать передачу требуемого количества теплоты с получением необходимых конечных температур теплоносителей; обладать определѐнной пропускной способностью для каждой из рабочих сред при заданном уровне гидравлических сопротивлений; быть надѐжными в эксплуатации при заданных параметрах рабочих сред; поверхность теплообмена и элементы конструкции должны обладать достаточной химической стойкостью к воздействию агрессивных сред; конструкция должна предусматривать возможность осмотра поверхности теплообмена и доступность для еѐ периодической очистки и ремонта; обладать достаточным запасом прочности от напряжений, возникающих в результате воздействия давления рабочих сред и температурных деформаций; иметь возможно меньшие габариты и металлоѐмкость. Создание современных конструкций теплообменных аппаратов должно соответствовать требованиям эргономики и технической эстетики, позволяющим наиболее полно удовлетворять запросы обслуживающего персонала, максимально обеспечивать благоприятные условия эксплуатации.

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной рабочей среды к другой. При этом процессы могут происходить как без изменения агрегатного состояния сред, так и с их изменением. Теплообменные аппараты классифицируются по различным признакам.

По назначению: подогреватели, испарители, паропреобразователи, конденсаторы, холодильники, радиаторы, калориферы и т.д.

По способу передачи теплоты: рекуперативные (поверхностные), регенеративные смесительные (контактные).

В рекуперативных аппаратах передача теплоты происходит непрерывно во времени через разделяющую твѐрдую стенку.

По роду применяемых теплоносителей рекуперативные аппараты различают: парожидкостные, жидкостно–жидкостные, газожидкостные, газо–газовые.

Металлоемкость теплообменного оборудования на производстве занимает 60-70от общей массы всего оборудования. При этом, используются аппараты, снабженные теплообменными трубами, имеющих развитую систему поверхности за счет различных конструкторских решений, в частности, за счет оребрения [1-4]. В свою очередь теплообменные аппараты классифицируют по множеству различных особенностей, касающихся типа конструкции, движения теплоносителей и типу передачи тепла, позволяющих достигать максимального эффекта, что дает возможность даже ориентировочно осознать и понять широкий диапазон как конструкций, так и возможности данного оборудования. Его конструктивные разновидности представлены на рис.1.

Рисунок 1 - Разновидности конструкций теплообменников в зависимости от принципа работы [6].

Наиболее активно в последние годы кожухотрубное теплообменное оборудование вытесняется пластинчатыми теплообменниками, так как они являются гораздо универсальнее по применению при всей своей простоте по конструктивному исполнению.

С целью получения большей эффективности передачи тепла используют следующие методы интенсификации процесса теплообмена: 1.Уменьшая термическое сопротивление конструкции. 2. Варьируя скоростные характеристики потока. 3.Применяя различное оребрение, позволяющее значительно увеличить теплообменную поверхность. Оребрение теплообменной поверхности дает возможность увеличить коэффициенты теплоотдачи между теплопередающими поверхностями. Кроме того, элементы оребрения, априори, имеют гораздо меньший, облегченный вес, что сказывается положительно на металлоемкости всей конструкции оборудования. 4. Воздействием на поток с целью его искусственной турбулизации [7]. Особенности конструктивного оребрения теплообменных труб представлены на рис.2 [6].

а — поперечное винтовое оребрение; б — поперечные кольцевые ребра; в — спиральные ребра; г — продольное оребрение; д — оребрение с помощью продольно приваренных проволок; е, ж — проволочноеоребрение:кольцевоеилиспиральное.

Рис. 2- Схема конструкций теплообменных труб с развитой поверхностью теплообмена [6]

Следующей конструкцией, позволяющей интенсифицировать процессы тепло и массообмена в аппаратах предыдущего типа, особенно при вертикальном расположении трубного пучка, является теплообменная поверхность, схема которой показана на рисунке 3. Такая конструкция позволяет разрушать сплошную пленку конденсата, включающую продукты липких возгонов и смолообразных примесей. Этот эффект достигается за счет применения колпачков, изготовленных в виде лепестков заостренной формы, установленных на вертикально расположенных трубах. Лепестки имеют зубчатые кромки с круглыми отверстиями. На теплообменной трубе они устанавливаются через определенное расстояние друг от друга по высоте так, что лепестки одного колпачка в плане располагаются между лепестками другого. Крепление колпачков к трубе осуществляют с помощью ободка 1.

1-ободок; 2- лепесток; 3- труба

Рисунок 3 - Теплообменная поверхность

Используя такие конструктивные решения для конденсации паров из возгонов руднотермических печей, можно добиться определенного эффекта. Так как образующийся конденсат, стекающий в виде отдельных струек и капель из отверстий и кромок лепестков, орошая при этом парогазовую смесь, охлаждает ее и нагревается сам, то его вязкость уменьшается. При этом уменьшается опасность налипания содержащихся в нем смолистых веществ на поверхность теплообмена.

Коллективом авторов [7-10] были предложены новые конструкции высокоэффективных теплообменных аппаратов для конденсации паров, разработанные на основе данных экспериментальных исследований и результатов моделирования процесса конденсации, адаптированные для условий запыленных парогазовых смесей; разработана методология и предложены инженерные методы расчета и проектирования теплообменных аппаратов поверхностного типа для конденсации паров из парогазовых смесей, содержащих мелкодисперсную твердую фазу. Теоретическое и экспериментальное описание тепло-и массообмена при конденсации из запыленной парогазовой смеси с учетом влияния дисперсной фазы на режим течения конденсата по теплообменной поверхности с учетом начального участка, формирующего стабилизированное течение суспензии;

- методика расчета интенсивности объемной конденсации с учетом дисперсности частиц;

- теоретическое описание процесса формирования и течения пленки суспензии по охлаждаемым поверхностям различной конфигурации при конденсации из запыленных парогазовых смесей с учетом физико-химических характеристик пыли;

- критериальные уравнения для расчета коэффициентов тепло- и массоотдачи при пленочной конденсации из запыленной парогазовой смеси;

- методика оценки влияния содержащихся в парогазовом потоке мелких частиц твердой фазы на коэффициенты тепло- и массоотдачи в поверхностных теплообменниках-конденсаторах типа «труба в трубе» и на пучке охлаждаемых труб;

- методика расчета и проектирования трубчатых тепломассообменных аппаратов, предназначенных для конденсации паров из запыленных парогазовых смесей.

Выводы. Таким образом, кратко проведенный анализ теплообменных аппаратов показал их высокую потребность как в промышленности, так и в бытовом секторе, несмотря на высокую металлоемкость. В настоящее время разработан обширнейший парк конструкций теплообменного оборудования для использования в различных рабочих средах как парогазовых так и запыленных парогазовых смесях, имеющего как определенные недостатки, так и достоинства.
С целью увеличения теплоотдачи используются различные как конструктивные, так и технологические решения, позволяющие добиваться высоких результатов. Выбор оптимальной конструкции теплообменника является задачей, разрешаемой технико-экономическим сравнением нескольких типоразмеров аппаратов применительно к заданным условиям или на основании критерия оптимизации. В настоящее время проводится дальнейшая экспериментальная и теоретическая работа по поиску нового более эффективного теплообменного оборудования