Конструкции теплообменных аппаратов

       Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедление» отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена. Двухтрубные теплообменники применяют для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соответственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров). [5]

       1.1.2 Змеевиковые теплообменники

       Основным  теплообменным элементом является змеевик-труба, согнутая по определенному  профилю.

       1.1.2.1 Погружные теплообменники

       На  схеме показаны погружные теплообменники (рисунок 8) с одним (а) и несколькими (б) спиральными змеевиками 1, по которым движется теплоноситель. Змеевики погружаются в жидкость (теплоноситель II), находящуюся в корпусе аппарата. Скорость движения жидкости мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи от наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот). Для увеличения этого коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в корпусе аппарата 2, внутри змеевика, стакана, который не показан на схеме (рисунок 8). В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью. Часто в погружных теплообменниках устанавливают змеевики из прямых труб  I (рисунок 8, в), соединенных калачами.

       Вследствие  простоты устройства, низкой стоимости, доступности наружных стенок змеевика для чистки и осмотра, возможности  работы змеевиков при высоких  давлениях эти теплообменники находяг достаточно широкое применение в промышленности. Погружные змеевиковые теплообменники имеют сравнительно небольшую поверхность теплообмена (до 10-15 м²). [5]

       

       а – с одним спиральным змеевиком; б - с несколькими спиральными  змеевиками; в – с прямыми трубами; 1 – погружные трубы; 2 – корпуса; I и II – теплоносители

       Рисунок 8 – Схема аппаратов с погружными теплообменниками

       1.1.2.2 Наружные теплообменники 

       Довольно  широкое применение в технике находят теплообменники с наружными змеевиками (рисунок 9), применение которых позволяет проводить процесс при высоких давлениях (до 6 МПа). К стенкам аппаратов (обычно реакторов) снаружи приваривают змеевики, изготовленные из полуцилиндров или угловой стали (рисунок 9, б; 9, в). Если же необходимо использовать теплоноситель при еще более высоком давлении (например, перегретую воду при 25 МПа), то змеевик приваривают к корпусу аппарата многослойным швом (рисунок 9, а).

       К достоинствам аппарата с приваренными змеевиками следует отнести возможность  разделения системы труб змеевика на несколько секций, питаемых независимо друг от друга. Включением и отключением отдельных секций становится возможным регулировать обогрев или охлаждение. Кроме того, материал привариваемых змеевиков может быть отличным (более дешевым) от материала корпуса аппарата.

       Гораздо сложнее изготовить аппарат, в стены  которого змеевик «залит» (рисунок 9, г); ремонт такого аппарата практически невозможен. Кроме того, коэффициент теплоотдачи в данном случае имеет низкое значение. Поэтому такие аппараты используют довольно редко.

       

       а - в с приваренными снаружи змеевиками различной формы; г - с залитыми при изготовлении в стенке змеевиками, 1 - корпуса аппаратов; 2 - змеевики; 3 -металлическая прокладка

       Рисунок 9 – Схема аппаратов с наружными змеевиками 

       1.1.2.3 Оросительные теплообменники

       Их применяют в основном для охлаждения жидкостей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода поступает в корыто 4 для сбора и газов или конденсации паров.

       Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рисунок 10) из размещенных друг над другом прямых труб 7, соединенных между собой калачами 2. Снаружи трубы орошают водой, которую подают в желоб 3 для равномерною распределения охлаждающей воды по всей воды. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.

       

       1 – трубы; 2 – соединительные колена (калачи); 3 – желоб для распределения охлаждающей воды; 4 – корыто для сбора воды

       Рисунок 10 – Схема оросительного холодильника

       Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется: при этом процесс теплообмена идет интенсивнее, вследствие чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках других типов. Но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении оросительные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. По этой же причине, если оросительный теплообменник необходимо установить в помещении, его приходится помещать в громоздкие кожухи, которые подключают к системе вытяжной вентиляция. К недостаткам этих теплообменников следует отнести также громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, легкость чистки наружных с клюк груб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.

       1.1.2.4 Теплообменники с оребреннмми трубами

       В технике достаточно часто встречаются  процессы теплообмена, в которых  коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи резко различаются по величине. Так. например, при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром коэффициент теплоотдачи от пара к стенке составляет примерно 10000-15000 Вт/(м²•К), a от стенки к нагреваемому воздуху-10-50 Вт/(м²•К). В этом случае оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повысить тепловую нагрузку теплообменника за счет увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи. Этот принцип используют при нагреве или охлаждении сильно вязких жидкостей, а также газов. [5]

       Очевидно, что материал, из которого изготовляют  ребристые трубы, должен иметь большой  коэффициент теплопроводности. Для снижения гидравлического сопротивления поверхность ребер должна быть параллельна направлению потока теплоносителя. Их форма может быть различной. Наиболее часто используют ребра прямоугольного (рисунок 11, а) и трапециевидного (рисунок 11, 6) сечения.

       

       а - прямоугольные ребра; б - трапециевидные рёбра

       Рисунок 11 – Элементы трубчатого теплообменника с поперечным оребрением

       Конструкции оребренных теплообменников весьма разнообразны (рисунок 12), причем разработаны конструкции как с оребренными трубами, так и с плоскими поверхностями теплообмена (рисунок 12, г).

       

       а – поперечное оребрение; б – продольное «плавниковое» оребрение; в – продольное оребрение; г – оребрение гафрированием плоских поверхностей теплообмена

       Рисунок 12 – Элементы теплообменников с оребрениями

       На  рисунке 13 представлен широко распространенный теплообменник для нагрева воздуха - калорифер.

       

       Рисунок 13 – Пластинчатый калорифер для подогрева воздуха

       1.2 Теплообменники с  плоской поверхностью  теплопередачи

       1.2.1 Пластинчатые теплообменники

       Поверхностью  теплообмена в этих теплообменниках  являются гофрированные параллельные пластины (рисунок 14, а), с помощью которых создается система узких каналов (рисунок 14, в) шириной 3-6 мм, с волнистыми стенками. Поскольку скорость движения жидкости в таких каналах значительна (1-3 м/с), то коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках достигают больших значений [3000-4000 Вт/(м•К)] при сравнительно невысоких гидравлических сопротивлениях. [5]

       Схематично показано движение теплоносителя I пунктирными линиями, а теплоносителя II – сплошными (рисунок 14, а). Теплоноситель I поступает через штуцер 12, движется по нечетным каналам (считая справа налево) и уходит через штуцер 2. Теплоноситель II поступает в аппарат через штуцер 1, протекает по четным каналам и выходит через штуцер 2. Пакет пластин зажимается между неподвижной головной плитой 3 и подвижной головной плитой 8. Также схематично показано взаимное движение теплоносителей I и II между пластинами (рисунок 14, 6). Пластинчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, их легко разбирать и ремонтировать. Однако герметизация пластин представляет серьезную проблему. По этой же причине их применение при высоких давлениях затруднительно.

       

       а – монтажная схема однопоточного аппарата; 1, 11 – штуцера ввода и вывода теплоносителя II; 2, 12 - штуцера ввода и вывода теплоносителя I; 3 – неподвижная плита; 4, 13 – каналы для движения теплоносителя I (пунктирные линии); 5, 14 - каналы для движения теплоносителя II; 6 – четные пластины, считая слева направо, обтекаемые теплоносителем I справа и теплоносителем II слева; 7 – направляющие стержни; 8 – подвижная плита; 9 – неподвижная стойка; 10 – стяжное винтовое устройство; б - схема движения теплоносителей I и II в одноходовом теплообменнике; в - характер потока жидкости в пространстве между двумя соседними гофрированными пластинами; г – устройство одного из типов пластин: 1 – прокладка, ограничивающая пространство между двумя пластинами, по которому движется теплоноситель I; 2, 3 – отверстия для прохода теплоносителя I; 4 – две малые кольцевые прокладки, уплотняющие отверстия 5 и 6, через которые проходит теплоноситель II

       Рисунок 14 – Схема пластинчатого теплообменника «фильтр-прессного» типа и его элементов

       1.2.2 Спиральные теплообменники

       В этих теплообменниках (рисунок 15) поверхность теплообмена образуется двумя длинными металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке 3. Между листами образованы два изолированных друг от друга канала прямоугольного сечения (высотой 2-8 мм), по которым обычно противотоком движутся теплоносители I и II. Иногда высоту канала фиксируют дистанционной полосой 7, которая также способствует упрочнению всей конструкции аппарата. С торцов каналы закрыты плоскими крышками 4 и уплотнены прокладкой 6. Крышки крепят болтами к фланцам 5. Для ввода и вывода теплоносителей у центра крышек и наружных концов спирали приваривают штуцеры.

       Спиральные  теплообменники компактны, позволяют  создавать высокие скорости движения теплоносителей (для жидкостей до 1-2 м/с) при достаточно низких гидравлических сопротивлениях. Однако эти аппараты сложны в изготовлении, не могут работать при высоких давлениях (выше 1 МПа), так как герметизация спиралей вызывает трудности. [5]

       I, 2 - металлические листы; 3 - пластина-перегородка; 4 - дистанционная полоса; I и II - теплоносители

       Рисунок 15 – Схема спирального теплообменника 

       1.2.3 Аппараты с двойными стенками (рубашками)

       Теплообменные аппараты с рубашками (рисунок 16, а) используют в химической промышленности как обогреваемые (охлаждаемые) сосуды для проведения химических реакций. Как правило, они работают под избыточным давлением и в зависимости от характера технологического процесса носят название автоклавов, нитраторов, полимеризаторов, варочных аппаратов и др. Для обеспечения более интенсивной теплоотдачи от стенки к содержимому аппарата внутри него располагают механическую мешалку. Иногда тех же целей достигают путем перемешивания содержимого аппарата с помощью барботажа паром или сжатым газом. 

       Корпус 1 аппарата снабжен с наружной стороны рубашкой 2, в которую подают греющий агент или охлаждающий теплоноситель. К корпусу аппарата рубашку крепят (рисунок 16, б) с помощью сварки или болтами (шпильками). В случае, когда рубашка приварена, ее очистка и ремонт затруднены.

       

       1 - корпуса сосудов; 2 - греющие рубашки; 3 - кольца; 4 – фланцы

       Рисунок 16 – Схема аппарата с греющей рубашкой (а) и способы ее присоединения (б-фланцевое; в - сварное)

       Поверхность теплообмена рубашек ограничена площадью стенок и днища аппарата и обычно не превышает 10 м². Давление теплоносителя в рубашке может составлять 0,6-1,0 МПа. [5]

       Удобство  осуществления нагревания с помощью  греющей рубашки состоит в  основном в том, что имеется возможность  полной очистки внутренних поверхностей аппарата, на которых часто образуются пригары, кристаллизуются продукт или примеси. Недостаток греющей рубашки обусловлен главным образом тем, что при высоком давлении и большом диаметре аппарата толщина стенки рубашки становится значительной, т. е. допустимое рабочее давление греющего пара часто относительно невелико. Поэтому становится невозможным получение высоких значений температурного напора между стенкой и нагреваемой жидкостью в аппарате.