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»

       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.