Fundamentos del intercambiador de calor

Definición de intercambiador de calor

  El intercambiador de calor es un dispositivo que transfiere parte del calor del fluido caliente al fluido frío, es decir, se llena un recipiente grande cerrado con agua u otro medio, y hay tuberías que recorren el recipiente.Deje que el agua caliente fluya por las tuberías.

Debido a la diferencia de temperatura entre el agua de la tubería y el agua fría y caliente del recipiente, se producirá un intercambio de calor.Para el equilibrio térmico de la física de la escuela secundaria, el calor de alta temperatura siempre se transporta a baja temperatura, de modo que el calor del agua en la tubería se pueda intercambiar con el agua fría en el recipiente.Desierto calefactor.

Clasificación y estructura de intercambiadores de calor.

Los intercambiadores de calor se pueden dividir en:

Enfriador, condensador, calentador, intercambiador de calor, hervidor, generador de vapor, caldera de calor residual (o calor residual).

Según el método de intercambio de calor, se puede dividir en:

Intercambiadores de calor de contacto directo (también llamados intercambiadores de calor híbridos), intercambiadores de calor regenerativos e intercambiadores de calor de pared divisoria.

A continuación se presentan principalmente los intercambiadores de calor clasificados según los métodos de intercambio de calor:

1) Intercambiador de calor de contacto directo

Los intercambiadores de contacto directo dependen del contacto directo entre fluidos fríos y calientes para la transferencia de calor.Este método de transferencia de calor evita la suciedad y la resistencia térmica en la partición de transferencia de calor y en ambos lados.Mientras el contacto entre los fluidos sea bueno, habrá una mayor tasa de transferencia de calor.

Por lo tanto, los intercambiadores de calor híbridos se pueden utilizar dondequiera que se permita que los fluidos se mezclen entre sí, como lavado y enfriamiento de gas, enfriamiento por agua circulante, calentamiento mixto vapor-agua, condensación de vapor, etc. Sus aplicaciones abarcan empresas químicas y metalúrgicas, ingeniería energética. , ingeniería de aire acondicionado y muchos otros sectores de producción.

Los intercambiadores de calor híbridos de uso común incluyen: torres de enfriamiento, depuradores de gases, intercambiadores de calor de chorro y condensadores híbridos.

2) Intercambiador de calor regenerativo

El intercambiador de calor regenerativo es un dispositivo utilizado para el intercambio de calor regenerativo.Está lleno de relleno sólido para almacenar calor.

Generalmente, la rejilla cortafuegos se construye con ladrillos refractarios (a veces se utilizan cintas onduladas metálicas, etc.).

El intercambio de calor se produce en dos etapas.

En la primera etapa, el gas caliente pasa a través de la rejilla contra incendios, transfiere calor a la rejilla contra incendios y lo almacena.

En la segunda etapa, el gas frío pasa a través de la rejilla contra incendios y se calienta recibiendo el calor almacenado en la rejilla contra incendios.

Estas dos fases ocurren alternativamente.Por lo general, se usan dos regeneradores alternativamente, es decir, cuando ingresa gas caliente a un dispositivo, ingresa gas frío al otro.Se utiliza a menudo en la industria metalúrgica, como en el regenerador de hornos siderúrgicos de hogar abierto.

También se utiliza en la industria química, como precalentadores de aire o cámaras de combustión en hornos de gas y hornos de craqueo regenerativo en plantas petroleras artificiales.

3) Intercambiador de calor de pared divisoria

En este tipo de intercambiador de calor, los fluidos fríos y calientes están separados por un metal para que los dos fluidos no se mezclen y transfieran calor.

En la producción química, los fluidos fríos y calientes a menudo no pueden entrar en contacto directo, por lo que el intercambiador de calor de pared divisoria es el intercambiador de calor más utilizado.

A continuación se presenta principalmente la clasificación de los intercambiadores de calor de pared divisoria:

a) Intercambiador de calor con camisa

Este tipo de intercambiador de calor se fabrica instalando una camisa en la pared exterior del contenedor y tiene una estructura sencilla;sin embargo, su superficie de calentamiento está limitada por la pared del recipiente y su coeficiente de transferencia de calor no es alto.

Para mejorar el coeficiente de transferencia de calor y calentar el líquido en el hervidor de manera uniforme, se puede instalar un agitador en el hervidor.

Cuando se introduce agua de refrigeración o agente calefactor sin cambio de fase en la camisa, también se pueden instalar particiones en espiral u otras medidas para aumentar la turbulencia en la camisa para aumentar el coeficiente de transferencia de calor en un lado de la camisa.

Para compensar la falta de superficie de transferencia de calor, también se pueden instalar tubos enrollados dentro del hervidor.

Los intercambiadores de calor con camisa se utilizan ampliamente para calentar y enfriar procesos de reacción.

b) Intercambiador de calor de tubo tipo serpiente

El intercambiador de calor de tubos en espiral se divide además en un intercambiador de calor de tubos en espiral sumergido y un intercambiador de calor de tubos en espiral por pulverización.

Los tubos de serpiente están hechos en su mayoría de tubos de metal doblados en varias formas que son adecuadas para el recipiente y se sumergen en el líquido del recipiente.

Sus ventajas son: estructura simple, puede soportar alta presión y puede estar fabricado con materiales resistentes a la corrosión.

Desventajas: la turbulencia del líquido en el recipiente es baja y el coeficiente de transferencia de calor fuera del tubo es pequeño.

Fije los tubos de intercambio de calor en filas sobre la estructura de acero.

El líquido caliente fluye por el tubo y el agua refrigerante se vierte uniformemente sobre el dispositivo.

Ventajas: El líquido caliente fluye por el tubo y el agua de refrigeración cae uniformemente por encima del dispositivo.El coeficiente de transferencia de calor es grande, por lo que el efecto de transferencia de calor del intercambiador de calor por aspersión es mejor que el del intercambiador de calor de serpentín sumergido.

Sin embargo, es necesario colocarlo al aire libre.Ocupa un área grande y el agua salpica fácilmente el entorno circundante, lo que hace que su uso sea incómodo.

c) Intercambiador de calor con camisa

Porque la velocidad del flujo de fluido dentro y fuera del tubo es mayor.Los fluidos fríos y calientes pueden fluir en pura contracorriente, por lo que su coeficiente de transferencia de calor es grande y el efecto de transferencia de calor es bueno.El calentamiento de agua de uso común es un simple intercambiador de calor de tipo manguito.

d) Intercambiador de calor de carcasa y tubos

Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son los intercambiadores de calor de pared divisoria más típicos.Tienen una larga historia de aplicación en la industria y todavía ocupan una posición dominante entre todos los intercambiadores de calor.

El intercambiador de calor de carcasa y tubos consta principalmente de una carcasa, un haz de tubos, una placa de tubos y un cabezal.La carcasa es mayoritariamente redonda, con haces de tubos paralelos en el interior y ambos extremos del haz de tubos están fijados a la placa de tubos.

Hay dos tipos de fluidos que intercambian calor en un intercambiador de calor de carcasa y tubos: uno fluye dentro del tubo y su carrera se llama lado del tubo;el otro fluye fuera del tubo y su carrera se llama lado de la carcasa.La superficie de la pared del haz de tubos es la superficie de transferencia de calor.

Para mejorar el coeficiente de transferencia de calor del fluido fuera del tubo, generalmente se instala una cierta cantidad de deflectores transversales en la carcasa.

Los deflectores no solo evitan que el fluido haga un cortocircuito y aumentan la velocidad del fluido, sino que también obligan al fluido a atravesar el haz de tubos varias veces según la ruta prescrita, lo que aumenta considerablemente el grado de turbulencia.Hay dos deflectores de uso común: redondos y de disco (como se muestra en la figura siguiente).El primero es el más utilizado.

Cada vez que el fluido pasa a través del haz de tubos en el tubo se llama paso del tubo, y cada vez que el fluido pasa a través de la cubierta se llama paso de la cubierta.

Para aumentar la velocidad del fluido en la tubería, se pueden instalar particiones apropiadas en los cabezales en ambos extremos para dividir todas las tuberías en varios grupos de manera uniforme.

De esta manera, el líquido puede pasar solo a través de una parte de los tubos y regresar al haz de tubos varias veces a la vez, lo que se denomina paso de múltiples tubos.

De manera similar, para aumentar el caudal fuera del tubo, se pueden instalar deflectores longitudinales en la carcasa para permitir que el fluido pase a través del espacio de la carcasa varias veces, lo que se denomina paso de múltiples carcasas.

En un intercambiador de calor de carcasa y tubos, debido a las diferentes temperaturas del fluido dentro y fuera del tubo, las temperaturas de la carcasa y del haz de tubos también son diferentes.Si la diferencia de temperatura entre los dos es grande, se producirá una gran tensión térmica dentro del intercambiador de calor, lo que puede hacer que los tubos se doblen, rompan o se suelten de la placa de tubos.

Por lo tanto, cuando la diferencia de temperatura entre el haz de tubos y la carcasa excede los 50 °C, se deben tomar medidas apropiadas de compensación de la diferencia de temperatura para eliminar o reducir el estrés térmico.

Método de compensación:

Coloque un anillo de expansión en la carcasa o utilice un intercambiador de calor de tubo en forma de U y un intercambiador de calor de cabezal flotante.

➪ Intercambiador de calor de placas de tubo fijo

Cuando la diferencia de temperatura entre los fluidos fríos y calientes no es grande, se puede utilizar un intercambiador de calor de placas de tubos fijos.

Tiene una estructura simple y bajo costo, pero es difícil de limpiar y no es adecuado para fluidos propensos a incrustarse y fluidos con grandes diferencias de temperatura.

Si la diferencia de temperatura no es muy grande, se puede utilizar un intercambiador de calor de placas de tubos fijos con un anillo de compensación.

e) Intercambiador de calor de placas

El intercambiador de calor de placas se compone de un conjunto de placas de transferencia de calor de metal delgadas rectangulares, que se sujetan y ensamblan en el soporte con un marco.

Los bordes de dos placas adyacentes están revestidos con juntas (hechas de varios cauchos o amianto comprimido, etc.) para la compresión.Hay agujeros redondos en las cuatro esquinas de las placas para formar canales de fluido.

La diferencia entre el intercambiador de calor de placas y el intercambiador de calor de carcasa y tubos:

a.Alto coeficiente de transferencia de calor

Dado que diferentes placas corrugadas se invierten entre sí para formar un canal de flujo complejo, el fluido fluye de manera tridimensional giratoria en el canal de flujo entre las placas corrugadas, lo que puede producir un flujo turbulento con un número de Reynolds bajo (generalmente Re = 50 ~200), por lo que la transferencia de calor es alta. Generalmente se considera que es de 3 a 5 veces mayor que el del tipo de carcasa y tubo.

b.La diferencia de temperatura promedio logarítmica es grande y la diferencia de temperatura terminal es pequeña.

En el intercambiador de calor de carcasa y tubos, los dos fluidos fluyen en el lado de los tubos y en el lado de la carcasa, respectivamente.En términos generales, el flujo es cruzado y el coeficiente de corrección de diferencia de temperatura promedio logarítmico es pequeño.Sin embargo, el intercambiador de calor de placas tiene principalmente un modo de flujo en paralelo o en contracorriente., y su coeficiente de corrección suele rondar el 0,95.Además, el flujo de fluidos fríos y calientes en el intercambiador de calor de placas es paralelo a la superficie de intercambio de calor y no hay flujo lateral.Por lo tanto, la diferencia de temperatura al final del intercambiador de calor de placas es pequeña y el intercambio de calor con el agua puede ser inferior a 1 ℃, mientras que los intercambiadores de calor de carcasa y tubos son generalmente de 5 ℃.

C.Pequeña huella de pie

El intercambiador de calor de placas tiene una estructura compacta y el área de intercambio de calor por unidad de volumen es de 2 a 5 veces mayor que la del tipo de carcasa y tubo.A diferencia del tipo de carcasa y tubos, que requiere un espacio de mantenimiento reservado para extraer el haz de tubos, el intercambiador de calor de placas puede lograr la misma transferencia de calor.El área ocupada por el intercambiador de calor es aproximadamente 1/5 ~ 1/8 del intercambiador de calor de carcasa y tubos.

d.Fácil de cambiar el área de intercambio de calor o la combinación de procesos

Siempre que se agreguen o retiren algunas placas, se puede aumentar o reducir el área de intercambio de calor;cambiando la disposición de las placas o reemplazando algunas placas, se puede lograr la combinación de procesos requerida y adaptarla a las nuevas condiciones de intercambio de calor.Es casi imposible aumentar el área de transferencia de calor de los intercambiadores de calor de carcasa.

e.Peso ligero

El espesor de las placas del intercambiador de calor de placas es de sólo 0,4~0,8 mm, mientras que el espesor de los tubos de intercambio de calor del intercambiador de calor de carcasa y tubos es de 2,0~2,5 mm.La carcasa del tipo carcasa y tubos es mucho más pesada que la estructura del intercambiador de calor de placas., Los intercambiadores de calor de placas generalmente pesan solo aproximadamente 1/5 del peso de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos.

F.Precio bajo

Utilizando los mismos materiales y la misma área de intercambio de calor, el precio de los intercambiadores de calor de placas es aproximadamente entre un 40% y un 60% más bajo que el de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos.

gramo.Fácil de hacer

Las placas de transferencia de calor de los intercambiadores de calor de placas están estampadas y procesadas con un alto grado de estandarización y pueden producirse en grandes cantidades.Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos generalmente se fabrican a mano.

h.Fácil de limpiar

Siempre que se aflojen los pernos de compresión del intercambiador de calor de placas tipo marco, se pueden aflojar los haces de placas y se pueden retirar las placas para su limpieza mecánica.Esto es muy conveniente para el proceso de intercambio de calor que requiere una limpieza frecuente del equipo.

i.Pequeña pérdida de calor

En los intercambiadores de calor de placas, sólo la placa de la carcasa de la placa de transferencia de calor está expuesta a la atmósfera, por lo que la pérdida por disipación de calor es insignificante y no se requieren medidas de aislamiento.Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos tienen grandes pérdidas de calor y requieren aislamiento térmico.

j.Pequeña capacidad

Es del 10% al 20% del intercambiador de calor de carcasa y tubos.i.La pérdida de presión por unidad de longitud es grande.Dado que el espacio entre las superficies de transferencia de calor es pequeño y las superficies de transferencia de calor son cóncavas y convexas, la pérdida de presión es mayor que la de los tubos lisos tradicionales.

k.No es fácil de escalar

Debido a la suficiente turbulencia interna, no es fácil escalar y su coeficiente de escala es solo 1/3 ~ 1/10.k del de un intercambiador de calor de carcasa y tubos.La presión de trabajo no debe ser demasiado grande y la temperatura del medio no debe ser demasiado alta, ya que puede haber fugas en el intercambiador de calor de placas.El intercambiador de calor está sellado con una junta, la presión de trabajo generalmente no debe exceder los 2,5 MPa y la temperatura del medio debe ser inferior a 250 °C; de lo contrario, pueden producirse fugas.

l.Fácilmente bloqueado

Dado que los canales entre las placas son muy estrechos, generalmente de solo 2 a 5 mm, cuando el medio de intercambio de calor contiene partículas más grandes o sustancias fibrosas, es fácil bloquear los canales entre las placas.