Поверхностные теплообменники. 2

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

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

Трубчатые теплообменники

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

На рис. 13-1 показан вертикальный кожухотрубчатый теплообменник  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 / протекает по трубам, другой //-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 кото-

Рис. 13-1. Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции:

/-кожух; 2-трубные решетки; 3-трубы; 4-крышка; 5-днище; б-болт; 7 прокладка; / и //—теплоносители

Рис. 13-2. Способы размещения труб в трубных решетках:

а-по вершинам правильных шестиугольников; б-по вершинам квадратов; в-по концентрическим окружностям: [/-корпуса; 2-трубы (/-шаг труб; d-диаметр трубы)]

ром 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 (рис. 13-2, и). Применяются и другие способы размещения труб (рис. 13-2, б, в). Важно выбрать способ размещения, который обеспечит максимально возможную компактность поверхности теплообмена в аппарате.

Для обеспечения хорошей герметизации теплообменников, что предотвращает  смешение теплоносителей, разработан ряд способов крепления труб в  трубных решетках (рис. 13-3). Наибольшее распространение получил способ крепления развальцовкой (рис. 13-3, а, б). Способ крепления труб с помощью сальниковых уплотнений (рис. 13-3, г) сложен и дорог, поэтому широкого распространения не получил. Сваркой (рис. 13-3, в) трубы крепятся в случае, если материал, из которого они изготовлены, не поддается развальцовке, а также при большом давлении теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника.

Шаг размещения труб / при их закреплении  развальцовкой выбирают в зависимости  от наружного диаметра d_n труб в пределах

Рис. 13-3. Способы крепления  труб в трубных решетках:

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

Рис. 13-4. Многоходовые (по трубному пространству) кожухотрубчатые теплообменники жесткой конструкции:

а-двухходовый; б-четырехходовый; /-крышки; 2 -перегородки в крышках; / и Я-теплоносители

t = (1,3 н- 1,5)й?_н. Тогда диаметр D теплообменника можно найти по выражению

D = t(b-l) + 4d_H,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        (13.1)

где Ъ = 1а — 1 -число труб, размещенных на диагонали шестиугольника при шахматном расположении труб; а-число труб на стороне наибольшего шестиугольника.

Рассмотренный кожухотрубчатый  теплообменник (рис. 13-1) 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 (рис. 13-4) 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 одинако-

Рис. 13-5. Многоходовый (по межтрубному  пространству) кожухотрубчатый теплообменник:

1 -кожух; 2-перегородки; / и Л-теплоносители

вое. Очевидно, что в таких теплообменниках  при одном и том же расходе теплоносителя скорость его движения по трубам увеличивается кратно числу ходов. Для увеличения скорости в межтрубном пространстве в нем устанавливают ряд сегментных перегородок 2 (рис. 13-5). 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. В таких случаях необходимо определить экономически целесообразную скорость движения теплоносителя (см. ниже). 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.

На рис. 13-6 представлены некоторые  конструкции кожухотруб-чатых теплообменников  с компенсацией неодинаковости температурных удлинений труб и кожуха.

На рис. 13-6, а показана схема теплообменника с линзовым компенсатором 3 на корпусе. 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 (рис. 13-6,6) 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 [/-образными трубами (рис. 13-6, 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.

Элементные теплообменники представляют собой ряд последовательно соединенных одноходовых кожухотрубчатых теплообмен-

fine. 13-6. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсацией неодинаковости температурных удлинений труб и кожуха:

а-теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция); б-аппарат с плавающей головкой; «-аппарат с U-образными трубами; 1-кожухи; 2-трубы; 3-линзовый компенсатор; 4-плавающая головка; / и /7-теплоносители

ников (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 кожу-хотрубчатыми, 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 (рис. 13-7).

Один теплоноситель / движется по внутренним трубам /, другой //-по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы / 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.

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, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтруб-

Рис. 13-7. Двухтрубный теплообменник  типа «труба в трубе»:

/-внутренние трубы; 2-наружные трубы; 3-соединительные колена (калачи); 4-соединительные патрубки; / и //-теплоносители

ные теплообменники более  громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла  на единицу поверхности теплообмена. Двухтрубные теплообменник* применяют  для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соответственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров).

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

На рис. 13-8, а, б показаны погружные теплообменники с одним (а) и несколькими (б) спиральными змеевиками 1, по которым движется теплоноситель. Змеевики погружаются в жидкость (теплоноситель Я), находящуюся в корпусе аппарата. Скорость движения жидкости мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что

Рис. 13-8. Аппараты с погружными теплообменниками:

а-с одним спиральным змеевиком; б-с несколькими спиральными змеевиками; e-с прямыми трубами; /-погружные трубы; 2-корпуса; / и Я-теплоносители

Рис. 13-9. Аппараты с наружными змеевиками:

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

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 (на рис. 13-8 не показан). 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 1 (рис. 13-8, в), соединенных калачами.

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

Довольно широкое применение в  технике находят теплообменники с наружными змеевиками (рис. 13-9), 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 (рис. 13-9, б, 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 (рис. 13-9, 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» (рис. 13-9, г); ремонт такого аппарата практически невозможен. Кроме того, коэффициент теплоотдачи в данном случае имеет низкое значение. Поэтому такие аппараты используют довольно редко.

Рис. 13-10. Оросительный холодильник:

/-трубы; 2-соединительные колена (калачи); 3-желоб  для распределения охлаждающей воды;

4-корыто для сбора воды

Оросительные теплообменники применяют в основном для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров.

Оросительный теплообменник  представляет собой змеевик (рис. 13-10) из размещенных друг над другом прямых труб 1, соединенных между собой калачами 2. Снаружи трубы орошают водой, которую подают в желоб 3 для равномерного распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода поступает в корыто 4 для сбора воды. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.

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 вентиляции. 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 стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.

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.