Fundamentos do trocador de calor

Definição de trocador de calor

  O trocador de calor é um dispositivo que transfere parte do calor do fluido quente para o fluido frio, ou seja, um grande recipiente fechado é preenchido com água ou outro meio, e há tubos que passam pelo recipiente.Deixe a água quente fluir pelos canos.

Devido à diferença de temperatura entre a água da tubulação e a água quente e fria do recipiente, ocorrerá troca de calor.Para o equilíbrio térmico da física do ensino médio, o calor de alta temperatura é sempre transportado para baixa temperatura, de modo que o calor da água na tubulação pode ser trocado pela água fria no recipiente.Aquecedor deserto.

Classificação e estrutura dos trocadores de calor

Os trocadores de calor podem ser divididos em:

Resfriador, condensador, aquecedor, trocador de calor, refervedor, gerador de vapor, caldeira de calor residual (ou calor residual).

De acordo com o método de troca de calor, pode ser dividido em:

Trocadores de calor de contato direto (também chamados de trocadores de calor híbridos), trocadores de calor regenerativos e trocadores de calor de parede divisória.

A seguir são apresentados principalmente trocadores de calor classificados de acordo com os métodos de troca de calor:

1) Trocador de calor de contato direto

Os trocadores de contato direto dependem do contato direto entre fluidos frios e quentes para transferência de calor.Este método de transferência de calor evita sujeira e resistência térmica na divisória de transferência de calor e em ambos os lados.Desde que o contato entre os fluidos seja bom, haverá uma maior taxa de transferência de calor.

Portanto, trocadores de calor híbridos podem ser usados ​​onde quer que os fluidos possam se misturar entre si, como lavagem e resfriamento de gases, resfriamento de água circulante, aquecimento misto vapor-água, condensação de vapor, etc. , engenharia de ar condicionado e muitos outros setores de produção.

Os trocadores de calor híbridos comumente usados ​​incluem: torres de resfriamento, lavadores de gases, trocadores de calor a jato e condensadores híbridos.

2) Trocador de calor regenerativo

O trocador de calor regenerativo é um dispositivo usado para troca de calor regenerativa.É preenchido com recheio sólido para armazenar calor.

Geralmente, a grade de fogo é construída com tijolos refratários (às vezes são usadas cintas metálicas corrugadas, etc.).

A troca de calor ocorre em duas etapas.

Na primeira fase, o gás quente passa pela grelha corta-fogo, transfere calor para a grelha corta-fogo e armazena-o.

Na segunda etapa, o gás frio passa pela grelha corta-fogo e é aquecido recebendo o calor armazenado na grelha corta-fogo.

Essas duas fases ocorrem alternadamente.Normalmente são utilizados dois regeneradores alternadamente, ou seja, quando o gás quente entra em um dispositivo, o gás frio entra no outro.É frequentemente utilizado na indústria metalúrgica, como no regenerador de fornos siderúrgicos a céu aberto.

Também é utilizado na indústria química, como pré-aquecedores de ar ou câmaras de combustão em fornos a gás, e fornos de craqueamento regenerativo em plantas artificiais de petróleo.

3) Trocador de calor de parede divisória

Neste tipo de trocador de calor, os fluidos quentes e frios são separados por um metal para que os dois fluidos não se misturem e transfiram calor.

Na produção química, os fluidos quentes e frios muitas vezes não podem entrar em contato direto, portanto o trocador de calor de parede divisória é o trocador de calor mais comumente usado.

O seguinte apresenta principalmente a classificação dos trocadores de calor de parede divisória:

a) Trocador de calor encamisado

Este tipo de trocador de calor é feito através da instalação de uma camisa na parede externa do contêiner e possui estrutura simples;no entanto, a sua superfície de aquecimento é limitada pela parede do recipiente e o seu coeficiente de transferência de calor não é elevado.

Para melhorar o coeficiente de transferência de calor e aquecer uniformemente o líquido na chaleira, um agitador pode ser instalado na chaleira.

Quando água de resfriamento ou agente de aquecimento sem mudança de fase é introduzida na camisa, divisórias espirais ou outras medidas para aumentar a turbulência também podem ser instaladas na camisa para aumentar o coeficiente de transferência de calor em um lado da camisa.

Para compensar a falta de superfície de transferência de calor, tubos enrolados também podem ser instalados dentro da chaleira.

Trocadores de calor encamisados ​​são amplamente utilizados para aquecimento e resfriamento de processos de reação.

b) Trocador de calor de tubo cobra

O trocador de calor de tubo espiralado é ainda dividido em um trocador de calor de tubo espiralado imerso e um trocador de calor de tubo espiralado pulverizado.

Os tubos cobra são feitos principalmente de tubos de metal dobrados em vários formatos adequados para o recipiente e imersos no líquido do recipiente.

Suas vantagens são: estrutura simples, pode suportar altas pressões e pode ser feita de materiais resistentes à corrosão.

Desvantagens: A turbulência do líquido no recipiente é baixa e o coeficiente de transferência de calor fora do tubo é pequeno.

Fixe os tubos de troca de calor em fileiras na estrutura de aço.

O fluido quente flui no tubo e a água de resfriamento é derramada uniformemente sobre o dispositivo.

Vantagens: O fluido quente flui no tubo e a água de resfriamento desce uniformemente acima do dispositivo.O coeficiente de transferência de calor é grande, portanto o efeito de transferência de calor do trocador de calor por pulverização é melhor do que o do trocador de calor de bobina imersa.

No entanto, precisa ser colocado ao ar livre.Ocupa uma grande área e a água espirra facilmente no ambiente envolvente, tornando a sua utilização incómoda.

c) Trocador de calor encamisado

Porque a velocidade do fluxo de fluido dentro e fora do tubo é maior.Fluidos frios e quentes podem fluir em pura contracorrente, portanto seu coeficiente de transferência de calor é grande e o efeito de transferência de calor é bom.O aquecimento de água comumente usado é um trocador de calor simples do tipo luva.

d) Trocador de calor de casco e tubo

Os trocadores de calor casco e tubo são os trocadores de calor de parede divisória mais típicos.Eles têm uma longa história de aplicação na indústria e ainda ocupam uma posição dominante entre todos os trocadores de calor.

O trocador de calor de casco e tubo consiste principalmente em um casco, um feixe de tubos, uma placa tubular e uma cabeça.O invólucro é quase todo redondo, com feixes de tubos paralelos em seu interior, e ambas as extremidades do feixe de tubos são fixadas na placa do tubo.

Existem dois tipos de fluidos que trocam calor em um trocador de calor de casco e tubo: um flui dentro do tubo e seu curso é chamado de lado do tubo;o outro flui para fora do tubo e seu curso é chamado de lado da casca.A superfície da parede do feixe de tubos é a superfície de transferência de calor.

A fim de melhorar o coeficiente de transferência de calor do fluido fora do tubo, um certo número de defletores transversais é normalmente instalado no casco.

Os defletores não apenas evitam o curto-circuito do fluido e aumentam a velocidade do fluido, mas também forçam o fluido a fluir transversalmente através do feixe de tubos várias vezes de acordo com o caminho prescrito, aumentando significativamente o grau de turbulência.Existem dois defletores comumente usados: formato redondo e formato de disco (conforme mostrado na figura abaixo).O primeiro é mais amplamente utilizado.

Cada vez que o fluido passa através do feixe de tubos no tubo é chamado de passagem no tubo, e cada vez que o fluido passa através do invólucro é chamado de passagem no invólucro.

Para aumentar a velocidade do fluido no tubo, divisórias apropriadas podem ser instaladas nas cabeças em ambas as extremidades para dividir todos os tubos em vários grupos uniformemente.

Dessa forma, o fluido pode passar por apenas parte dos tubos e retornar ao feixe de tubos várias vezes ao mesmo tempo, o que é chamado de passagem multitubo.

Da mesma forma, para aumentar a vazão fora do tubo, defletores longitudinais podem ser instalados no casco para permitir que o fluido passe várias vezes pelo espaço do casco, o que é chamado de passagem multicasco.

Em um trocador de calor de casco e tubo, devido às diferentes temperaturas do fluido dentro e fora do tubo, as temperaturas do casco e do feixe de tubos também são diferentes.Se a diferença de temperatura entre os dois for grande, ocorrerá um grande estresse térmico dentro do trocador de calor, o que pode fazer com que os tubos dobrem, quebrem ou se soltem da chapa do tubo.

Portanto, quando a diferença de temperatura entre o feixe de tubos e o invólucro exceder 50°C, medidas apropriadas de compensação da diferença de temperatura devem ser tomadas para eliminar ou reduzir o estresse térmico.

Método de compensação:

Anexe um anel de expansão à carcaça ou use um trocador de calor de tubo em forma de U e um trocador de calor de cabeça flutuante.

➪ Trocador de calor de placas tubulares fixas

Quando a diferença de temperatura entre fluidos quentes e frios não é grande, um trocador de calor de placa tubular fixa pode ser usado.

Possui estrutura simples e baixo custo, mas é difícil de limpar e não é adequado para fluidos propensos a incrustações e fluidos com grandes diferenças de temperatura.

Se a diferença de temperatura não for muito grande, um trocador de calor de placas tubulares fixo com anel de compensação pode ser usado.

e) Trocador de calor de placas

O trocador de calor a placas é composto por um conjunto de placas retangulares de transferência de calor de metal fino, que são fixadas e montadas no suporte com uma moldura.

As bordas de duas placas adjacentes são revestidas com juntas (feitas de várias borrachas ou amianto comprimido, etc.) para compressão.Existem orifícios redondos nos quatro cantos das placas para formar canais de fluido.

A diferença entre trocador de calor de placas e trocador de calor de casco e tubo:

a. Alto coeficiente de transferência de calor

Como diferentes placas corrugadas são invertidas entre si para formar um canal de fluxo complexo, o fluido flui de maneira tridimensional rotativa no canal de fluxo entre as placas corrugadas, o que pode produzir fluxo turbulento com um baixo número de Reynolds (geralmente Re = 50 ~200), então a transferência de calor é O coeficiente é alto, geralmente considerado 3 a 5 vezes maior que o do tipo casco e tubo.

b.A diferença média logarítmica de temperatura é grande e a diferença de temperatura terminal é pequena.

No trocador de calor de casco e tubo, os dois fluidos fluem no lado do tubo e no lado do casco, respectivamente.De modo geral, o fluxo é cruzado e o coeficiente de correção da diferença média logarítmica de temperatura é pequeno.No entanto, o trocador de calor de placas possui principalmente um modo de fluxo co-corrente ou contra-corrente., e seu coeficiente de correção geralmente fica em torno de 0,95.Além disso, o fluxo de fluidos frios e quentes no trocador de calor de placas é paralelo à superfície de troca de calor e não há fluxo lateral.Portanto, a diferença de temperatura na extremidade do trocador de calor de placas é pequena e a troca de calor com a água pode ser inferior a 1 ℃, enquanto os trocadores de calor de casco e tubo são geralmente de 5 ℃.

c.Pequena pegada

O trocador de calor a placas possui uma estrutura compacta e a área de troca de calor por unidade de volume é 2 a 5 vezes maior que a do tipo casco e tubo.Ao contrário do tipo casco e tubo, que requer um espaço de manutenção reservado para a extração do feixe de tubos, o trocador de calor a placas pode atingir a mesma transferência de calor.A área ocupada pelo trocador de calor é de cerca de 1/5 ~ 1/8 do trocador de calor de casco e tubo.

d.Fácil de alterar a área de troca de calor ou combinação de processos

Contanto que algumas placas sejam adicionadas ou removidas, a área de troca de calor pode ser aumentada ou reduzida;alterando o arranjo das placas ou substituindo algumas placas, a combinação de processo necessária pode ser alcançada e adaptada às novas condições de troca de calor.É quase impossível aumentar a área de transferência de calor dos trocadores de calor de casco

e.Peso leve

A espessura das placas do trocador de calor de placas é de apenas 0,4 ~ 0,8 mm, enquanto a espessura dos tubos de troca de calor do trocador de calor de casco e tubo é de 2,0 ~ 2,5 mm.O invólucro do tipo casco e tubo é muito mais pesado que a estrutura do trocador de calor a placas., Os trocadores de calor de placas geralmente têm apenas cerca de 1/5 do peso dos trocadores de calor de casco e tubo.

f.Preço baixo

Usando os mesmos materiais e a mesma área de troca de calor, o preço dos trocadores de calor a placas é cerca de 40% a 60% menor do que o dos trocadores de calor de casco e tubos.

g.Fácil de fazer

As placas de transferência de calor dos trocadores de calor a placas são estampadas e processadas com alto grau de padronização e podem ser produzidas em grandes quantidades.Os trocadores de calor de casco e tubo geralmente são feitos à mão.

h.Fácil de limpar

Contanto que os parafusos de compressão do trocador de calor de placas tipo estrutura estejam afrouxados, os feixes de placas podem ser afrouxados e as placas podem ser removidas para limpeza mecânica.Isto é muito conveniente para o processo de troca de calor que requer limpeza frequente do equipamento.

eu.Pequena perda de calor

Nos trocadores de calor de placas, apenas a placa do invólucro da placa de transferência de calor é exposta à atmosfera, portanto a perda de dissipação de calor é insignificante e nenhuma medida de isolamento é necessária.Os trocadores de calor de casco e tubos apresentam grandes perdas de calor e requerem isolamento térmico.

j.Pequena capacidade

É 10% ~ 20% do trocador de calor de casco e tubo.eu.A perda de pressão por unidade de comprimento é grande.Como a lacuna entre as superfícies de transferência de calor é pequena e as superfícies de transferência de calor são côncavas e convexas, a perda de pressão é maior do que a dos tubos lisos tradicionais.

k.Não é fácil de escalar

Devido à turbulência interna suficiente, não é fácil de dimensionar e seu coeficiente de dimensionamento é de apenas 1/3 ~ 1/10.k daquele de um trocador de calor de casco e tubo.A pressão de trabalho não deve ser muito grande e a temperatura média não deve ser muito alta, pois pode vazar no trocador de calor tipo placa.O trocador de calor é vedado com uma junta, a pressão de trabalho geralmente não deve exceder 2,5 MPa e a temperatura média deve estar abaixo de 250 ° C, caso contrário, poderá ocorrer vazamento.

l.Facilmente bloqueado

Como os canais entre as placas são muito estreitos, geralmente apenas 2 a 5 mm, quando o meio de troca de calor contém partículas maiores ou substâncias fibrosas, é fácil bloquear os canais entre as placas.