Поверхностные теплообменники

Теплообменники  с сребренными 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), а от

Рис. 13-11. Элементы трубчатого теплообменника с поперечным оребрением:

а-прямоугольные ребра; б- трапециевидные ребра

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 сильновязких жидкостей, а также газов.

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 (рис. 13-11, а) и трапециевидного (рис. 13-11,6) сечения.

Конструкции оребренных теплообменников весьма разнообразны (рис. 13-12), причем разработаны конструкции как с оребренны-ми трубами, так и с плоскими поверхностями теплообмена (рис. 13-12, г). На рис. 13-13 представлен широко распространенный теплообменник для нагрева воздуха - калорифер.

Рис. 13-12. Элементы теплообменников с оребрениями:

о-поперечное оребрение; б-продольное «плавниковое» оребрение; e-продольное оребрение; г-оребрение гофрированием плоских поверхностей теплообмена

Рис. 13-13. Пластинчатый калорифер для  подогрева воздуха

Теплообменники  с плоской поверхностью теплопередачи

Пластинчатые  теплообменники. Поверхностью теплообмена в этих теплообменниках являются гофрированные параллельные пластины (рис. 13-14, а), с помощью которых создается система узких каналов (рис. 13-14, 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/(м² • К)] при сравнительно невысоких гидравлических сопротивлениях.

На рис. 13-14, а схематично показано движение теплоносителя / пунктирными  линиями, а теплоносителя Л-сплошными. Теплоноситель / поступает через  штуцер 12, движется по нечетным каналам (считая справа налево) и уходит через штуцер 2. Теплоноситель // поступает в аппарат через штуцер /, протекает по четным каналам и выходит через штуцер 2. Пакет пластин зажимается между неподвижной головной плитой 3 и подвижной головной плитой 8. На рис. 13-14,6 также схематично показано взаимное движение теплоносителей I я II между пластинами.

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.

Спиральные  теплообменники. В этих теплообменниках (рис. 13-15) поверхность теплообмена образуется двумя длинными металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали.

Рис. 13-14. Пластинчатый теплообменник  «фильтр-прессного» типа и его элементы:

а-монтажная схема однопоточного аппарата: /, //-штуцера ввода и вывода теплоносителя Я; 2, 12-штуцера вывода и ввода теплоносителя /; 3-неподвижная плита; 4, 13-каналы для движения теплоносителя / (пунктирные линии); 5, 14-каналы для движения теплоносителя Я; 6-четные пластины, считая слева направо (остальные пластины-нечетные), обтекаемые теплоносителем / справа и теплоносителем Я слева; /-направляющие стержни; S-подвижн'ая плита; 9-неподвижная стойка; 10-стяжное винтовое устройство;

б-схема движения теплоностелей I я II в однопоточном (одноходовом) теплообменнике;

«-характер потока жидкости в пространстве между двумя соседними  гофрированными пластинами;

г-устройство одного из типов  пластин: 1 -прокладка, ограничивающая пространство между пластинами, по которому движется теплоноситель / (снизу вверх); 2, 3-отверстия для прохода этого теплоносителя; 4-две малые кольцевые прокладки, уплотняющие отверстия 5 и б, через которые проходит теплоноситель //

Рис. 13-15. Спиральный теплообменник:

I, 2-металлические листы; 3 -пластина-перегородка; 4 -крышки; 5-фланцы; б-прокладка;

/-дистанционная полоса; I и Я-теплоносители

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 / 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.

Аппараты с  двойными стенками (рубашками). Теплообменные аппараты с рубашками (рис. 13-16, 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 (рис. 13-16,6) с помощью сварки или болтами (шпильками). В случае, когда рубашка приварена, ее очистка и ремонт затруднены.

Рис. 13-16. Аппарат с  греющей рубашкой (а) и способы  ее присоединения (б-фланцевое; в-сварное):

/-корпуса сосудов; 2-греющие  рубашки; 3-кольца; 4-фланцы

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.

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.

СМЕСИТЕЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Смесительные теплообменники являются высокоинтенсивными аппаратами, так как в них теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей, т.е. в смесительных теплообменниках отсутствует термическое сопротивление стенки. Эти теплообменники применяют в тех случаях, когда допустимо смеше-

Рис. 13-17. Противоточный  полочный барометрический конденсатор (а) и противо-точный барометрический конденсатор с кольцевыми полками (6)\ /-корпуса; 2-перфорированные полки; 3~барометрические трубы; 4-емкости; 5-ловушка; б-кольцевые полки

ние теплоносителей или когда это  смешение определяется технологическими условиями.

Наиболее часто смесительные теплообменники применяют для конденсации водяного пара, нагревания и охлаждения воды и газов (обычно воздуха). По принципу устройства смесительные теплообменники подразделяют на барботажные, полочные, насадочные, полые (с разбрызгиванием жидкости).

Широкое использование, например, находят  рассмотренные ранее барботажные смесительные теплообменники для нагрева воды (см. рис. 12-1), градирни для охлаждения воды (см. рис. 12-10), барометрические конденсаторы. На рис. 13-17, а показан полочный барометрический противоточный конденсатор смешения, предна-

Рис. 13-18. Насадочный теплообменник-конденсатор: /-корпус; 2-насадка; 3—распределительное устройство

Рис. 13-19. Схема работы регенераторов с  неподвижной насадкой:

/, 2 -регенеративные теплообменники с насадкой; 3, 4-клапаны; / и Я-холодный и горячий теплоносители

значенный для создания вакуума в аппаратах с паровой средой, в частности в выпарных установках.

В этом аппарате пар вводят в корпус 1 конденсатора с сегментными перфорированными полками 2. Воду подают на верхнюю полку, откуда она каскадно перетекает по полкам 2, имеющим небольшие борта. Основная часть воды вытекает тонкими струйками через отверстия в полках, а остальная перетекает через борт на нижерасположенную полку. При контакте с водой пар конденсируется, вследствие чего в конденсаторе и аппарате создается разрежение.

Образовавшаяся смесь конденсата и- воды самотеком сливается в барометрическую трубу 3 высотой около 10 м и затем в емкость 4. Барометрическая труба 3 и емкость 4 образуют гидрозатвор, который препятствует прониканию наружного воздуха в аппарат. Из емкости 4 воду удаляют в линию оборотной воды или канализацию. Несконденсировавшийся воздух, находившийся в паре и охлаждающей воде, пропускают через ловушку 5 и отсасывают вакуум-насосом. Это необходимо потому, что присутствие газов (воздуха) в конденсаторе может вызвать резкое снижение в нем разрежения. Конструкции барометрических конденсаторов могут быть различными. Наиболее распространенными являются рассмотренный (рис. 13-17, а) и конденсатор с кольцевыми полками б (рис. 13-17,6).

Насадочные смесительные теплообменники (рис. 13-18) представляют собой цилиндр, заполненный различными по конфигурации телами-насадкой, которая служит для развития поверхности контакта. Поскольку эти аппараты применяют для конденсации паров и охлаждения газов какой-либо жидкостью, обычно водой, то эту жидкость через распределительное устройство 3 подают на насадку;

под действием силы тяжести жидкость растекается по поверхности насадки 2, увеличивая поверхность контакта с поднимающимся снизу паром  или газом.

В полых аппаратах- цилиндрах -устанавливают специальные, весьма разнообразные разбрызгиватели для увеличения поверхности контакта между водой и паром или газом. В этих аппаратах контакт между фазами происходит на поверхности капель.