Конструкции теплообменных аппаратов

Содержание 

Введение……………………………………………………………………………...3

1 Рекуперативные (поверхностные) теплообменники………………………….....5

1.1 Трубчатые  теплообменники…………………………………………….............5

1.1.1 Кожухотрубчатые  теплообменники……………………………………….…5

1.1.2 Змеевиковые теплообменники……………………………………………....12

1.1.2.1 Погружные  теплообменники…………………………………………..…..12

1.1.2.2 Наружные  теплообменники………………………………………….....….13

1.1.2.3 Оросительные  теплообменники……………………………………..….... 14

1.1.2.4 Теплообменники с оребренными трубами……………………….…….....15

1.2 Теплообменники  с плоской поверхностью теплопередачи……………….....17

1.2.1 Пластинчатые  теплообменники…………………………………………......17

1.2.2 Спиральные  теплообменники……………………………………………......19

1.2.3 Аппараты  с двойными стенками (рубашками)…………………………..…20

2 Смесительные (контактные) теплообменники…………………………………22

3 Регенеративные  теплообменники………………………………………………25

Заключение………………………………………………………………………….26

Список  использованных источников……………………………………………...30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Введение 

       Теплообменными  аппаратами, или теплообменниками, называются устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). [4]

       Теплообменными  называют аппараты, предназначенные  для передачи теплоты от более  нагретого теплоносителя к менее нагретому теплоносителю. [6]

       В химической технологии теплообменные  аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных  агрегатных состояниях, испарения жидкостей  и конденсации паров, перегонки  и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзотермических и эндотермических реакций и т. д. Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами, сублиматорами, плавителями и т. п.

       Теплообменные аппараты классифицируются по различным  признакам: назначению, компоновке, роду рабочих сред, способу передачи теплоты и др. [6]

       По  способу передачи тепла различают  теплообменные аппараты поверхностные и смесительные. В первом случае передача тепла происходит через разделяющие твердые стенки, во втором — непосредственным контактом (смешением) нагретых и холодных сред (жидкостей, газов, твердых веществ). Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от горячих теплоносителей к холодным передается через разделяющую их стенку, поверхность которой называется теплообменной поверхностью, или поверхностью нагрева. В регенеративных аппаратах оба теплоносителя попеременно соприкасаются с одной и той же стенкой, нагревающейся (аккумулируя тепло) при прохождении горячего потока и охлаждающейся (отдавая аккумулированное тепло) при последующем прохождении холодного потока. Регенераторы являются аппаратами периодического действия, рекуператоры могут работать как в периодическом, так и в непрерывном режимах. Классификацию теплообменных аппаратов по конструктивному признаку хотелось бы рассмотреть ниже параллельно с описанием их устройств.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 Рекуперативные (поверхностные) теплообменники 

       Такие теплообменники широко распространены в промышленности, особенно теплообменники трубчатого типа.

       1.1 Трубчатые теплообменники

       1.1.1 Кожухотрубчатые теплообменники

       Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

       На  схеме показан вертикальный кожухотрубчатый теплообменник (рисунок 1) с неподвижными трубными решетками 2, в которых закрепляются трубы 3. К кожуху с помощью болтов 6 и прокладок 7 крепятся крышка 4 и днище 5.

       Один  из теплоносителей I протекает по трубам, другой II - по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу, а охлаждаемый теплоноситель - сверху вниз противотоком. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты, так как при этом происходит совпадение направления движения каждого теплоносителя с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении.

       Наиболее распространенный способ размещения труб в трубных решетках - по вершинам правильных шестиугольников (рисунок 2, а). Применяются и другие способы размещения труб (рисунок 2, б; 2, в). Важно выбрать способ размещения, который обеспечит максимально возможную компактность поверхности теплообмена в аппарате.  

       

       1 - кожух; 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 4 - крышка: 5 - днище; 6 - болт; 7 - прокладка; I и II - теплоносители

       Рисунок 1 – Схема кожухотрубчатого теплообменника жесткой конструкции

       а – по вершинам правильных шестиугольников; б – по вершинам квадратов; в – по концентрическим окружностям: [1 – корпуса; 2 - трубы]

       Рисунок 2 – Способы размещения труб в  трубных решетках

       Для обеспечения хорошей герметизации теплообменников, что предотвращает  смешение теплоносителей, разработан ряд способов крепления труб в  трубных решетках (рисунок 3). Наибольшее распространение получил способ крепления развальцовкой (рисунок 3, а; 3, б). Способ крепления труб с помощью сальниковых уплотнений (рисунок 3, г) сложен и дорог, поэтому широкого распространения не получил. Сваркой (рисунок 3, в) трубы крепятся в случае, если материал, из которого они изготовлены, не поддается развальцовке, а также при большом давлении теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника.

       

       а – развальцовка; б – развальцовка в отверстиях с канавками; в –  сварка; г – сальниковые уплотнения

       Рисунок 3 – Способы крепления труб в трубных решетках

       Рассмотренный кожухотрубчатый теплообменник (рисунок 1) является одноходовым, т. е. в этом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой - по межтрубному). В тех случаях, когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффициенты теплоотдачи, целесообразно использовать многоходовые теплообменники.

       В многоходовом по трубному пространству теплообменнике (Рисунок 4) с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое. 

       

       а – двухходовой; б – четырехходовой; 1 – крышки; 2 – перегородки в крышках; I и II - теплоносители

       Рисунок 4 – Схема многоходовых кожухотрубчатых теплообменников с жесткой конструкцией

       Очевидно, что в таких теплообменниках  при одном и том же исходе теплоносителя  скорость его движения по трубам увеличивайся кратно числу ходов. Для увеличения скорости в межтрубном пространстве в нем устанавливают ряд сегментных перегородок 7 (рисунок 5). В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для труб.

       Увеличение  скорости движения теплоносителей в  трубном и межтрубном пространствах  теплообменника влечет за собой увеличение его гидравлического сопротивления  и усложнение конструкции теплообменника. Следует отметить, что в многоходовых теплообменниках по сравнению с противоточными движущая сила процесса несколько снижается в результате того, что они работают по принципу смешанного тока.

       Если  разность температур труб и кожуха достаточно велика (больше 50 °С), то трубы  и кожух удлиняются существенно  неодинаково, что приводит к значительным напряжениям в трубных решетках, нарушению плотности соединения труб с трубными решетками, а это может привести к смешению теплоносителей или деформации труб. Поэтому при разностях температур труб и кожуха более 50°С и значительной длине труб применяют теплообменники нежесткой конструкции, в которых возможно перемещение труб по отношению к кожуху аппарата. [5]

       

       1 – кожух; 2 – перегородки; I и II - теплоносители

       Рисунок 5 – Схема многоходового кожухотрубчатого теплообменника

       На  схеме представлены некоторые конструкции кожухотрубчатых теплообменников с компенсацией неодинаковости температурных удлинений труб и кожуха (рисунок 6). Показана схема теплообменника с линзовым компенсатором 3 на корпусе (рисунок 6, а). В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 10-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа).

       Теплообменник с плавающей головкой (рисунок 6, б) применяют при значительных относительных перемещениях труб и кожуха, поскольку в нем одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях.

       В теплообменнике с U-образными трубами (рисунок 6, в) оба конца труб закреплены в одной трубной решетке, что позволяет трубам свободно удлиняться. В аппаратах этого типа, так же как и в аппарате с плавающей головкой, наружные стенки труб довольно легко очищать от накипи и загрязнений при выемке всей трубчатки из кожуха. Однако в этом аппарате усложняется монтаж труб, затруднена очистка их внутренних стенок.

       

       а - теплообменник с линзовым компепсатором (полужесткая конструкция); б - аппарат с плавающей головкой; в - аппарат с U-образными трубами: 1- кожухи; 2 - трубы; 3 - линзовый компенсатор; 4 - плавающая головка; I и II –теплоносители

       Рисунок 6 – Схема кожухотрубчатых теплообменников с компенсацией неодинаковости температурных удлинений труб и кожуха

       Элементные  теплообменники представляют собой ряд последовательно соединенных одноходовых кожухотрубчатых теплообменников (элементов), что позволяет существенно повысить скорость движения теплоносителей в межтрубном и трубном пространствах без использования перегородок. Теплоносители последовательно проходят через все элементы. В межтрубных пространствах элементных теплообменников можно создавать большие давления, так как диаметр кожуха элементов мал. В этих теплообменниках процесс протекает практически при чистом противотоке. Однако элементные теплообменники, по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками, при одинаковой поверхности теплопередачи более громоздки и требуют большего расхода металла на их изготовление.

       Двухтрубные теплообменники часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рисунок 7). Один теплоноситель I движется по внутренним трубам другой II - по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы 1 соединяются с помощью калачей 3, а наружные - с помощью соединительных патрубков 4. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3-6 м, диаметр наружной трубы - 76—159 мм, внутренней-57-108 мм.

       

       1 – внутренние трубы; 2 - наружные трубы; 3 - соединительные колена (калачи); 4 – соединительные патрубки; I и II - теплоносители

       Рисунок 7 – Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»