Теплообменная аппаратура

6.2. Теплообменная аппаратура

Основные  обозначения 

c — удельная теплоемкость, Дж/(кг × К)

F, f — площадь поверхности теплообмена, м²

G — массовый расход теплоносителя, кг/с

K — коэффициент теплопередачи, Вт/(м² × К)

r — термическое сопротивление, (м² × К)/Вт

r_к — теплота конденсации

q — удельный тепловой поток, Вт/м²

Q — тепловой поток, Вт

a — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² × К)

l — коэффициент теплопроводности, Вт/(м × К)

DT — перепад температур, К

Подстрочные индексы

ст, w — стенка

т — труба; термический

ср — средний

6.2.1. Классификация теплообменных аппаратов

(В.Ф.  Фролов)

Теплообменные аппараты (ТА), или теплообменники, широко используются для передачи теплоты от сред с  высокой температурой к средам с  более низкой температурой. В некоторых  отраслях промышленности суммарная  стоимость теплообменников достигает  пятидесяти и более процентов  от стоимости всего технологического оборудования.

Существует множество  конструкций ТА, и их классификация  может проводиться по разным признакам. По характеру развития теплового  режима во времени различают ТА, работающие в стационарном (неизменном во времени) и нестационарном (периодическом  или циклическом) режимах. В большинстве  случаев ТА работают в стационарном режиме (рекуперативные ТА), что обеспечивает постоянство всех параметров (главным  образом температур) на выходе из аппарата. В поверхностных ТА теплота от горячего теплоносителя к холодному  передается через разделяющую теплоносители  поверхность (обычно это поверхности  металлических труб). В контактных ТА обладающие физико-химическим свойством  взаимной нерастворимости теплоносители  имеют друг с другом непосредственный контакт. Различают ТА по виду обменивающихся теплотой теплоносителей: жидкость—жидкость; пар—жидкость; газ—жидкость; газ—газ. В зависимости от наличия фазовых  превращений и технологического назначения ТА различают нагреватели, охладители, конденсаторы, испарители (кипятильники). По характеру движения теплоносителей внутри рабочего объема ТА бывают с вынужденным (принудительным) движением и с естественной циркуляцией  теплоносителей. По способу организации  прохождения теплоносителей через  аппарат теплообменники разделяются  на одно- и многоходовые. Встречаются ТА, в которых обмениваются теплотой не два, а три и более теплоносителей. По конструктивным признакам различают ТА трубчатые, пластинчатые, спиральные, с оребренными теплообменными поверхностями и без оребрения, с наличием компенсации температурных расширений труб и кожуха и без такой компенсации, а также по некоторым другим конструктивным признакам. Различным аспектам теплообменной аппаратуры посвящена обширная литература [1, 3–5, 8, 11–14, 16, 17, 23, 34–44].

Наиболее распространенным в химической и других отраслях промышленности является рекуперативный кожухотрубчатый теплообменник, в котором два текучих теплоносителя (капельные жидкости, газы, пары или их смеси) обмениваются теплотой через цилиндрические поверхности металлических труб (рис. 6.2.1.1). Один из теплоносителей проходит внутри труб (по трубному пространству), а второй — по межтрубному пространству между наружной поверхностью всех труб и внутренней поверхностью кожуха. Величина теплообменной поверхности в таких ТА достигает 950 м², число труб — 2500 шт. при их длине до 8 м.

Рис. 6.2.1.1. Одноходовой кожухотрубчатый теплообменный аппарат:  
1 — трубы; 2 — кожух; 3 — трубные решетки; 4 — крышки

В некоторых производствах  находят применение регенеративные ТА, которые имеют только одно рабочее пространство, куда горячий (греющий) и холодный (нагреваемый) теплоносители поступают поочередно. Такой ТА содержит некоторую массу (кирпичную или металлическую, как в холодильной технике) большой общей теплоемкости, которая воспринимает теплоту от греющего теплоносителя и затем отдает ее нагреваемому теплоносителю. Преимуществами регенеративных ТА являются сокращение их общего рабочего объема, что существенно при теплообмене больших газовых объемов, и относительная простота конструкции. Однако поочередность выхода теплоносителей обусловливает и основной недостаток аппаратов регенеративного типа — непрерывное изменение температур теплоносителей на выходе из аппарата в пределах каждого цикла нагревание—охлаждение. Расчет регенеративных ТА значительно отличается от расчетов рекуперативных аппаратов непрерывного действия (см. ниже), поскольку здесь необходимо определять величины коэффициентов теплоотдачи от обоих теплоносителей к теплообменной поверхности при непрерывном изменении ее температуры, а также необходимо решать задачу нестационарной теплопроводности насадки с переменным критерием Био (см. 4.1.4), в котором коэффициенты теплоотдачи зависят от переменной температуры поверхности стенки. Кроме того, начальным распределением температуры внутри теплоаккумулирующей массы насадки для каждого цикла работы ТА здесь служит неравномерный профиль температуры, соответствующий окончанию предыдущего цикла, что существенно усложняет расчеты. В [1, 35] описываются, как правило, приближенные методы расчетов регенеративных ТА, основанные на тех или иных упрощающих допущениях. Регенеративные ТА применяются в тех производствах, где сам технологический процесс имеет периодический характер, например в металлургических и коксохимических процессах.

Весь дальнейший материал здесь посвящен рекуперативным ТА, широко используемым в химической и  многих других отраслях промышленности.

Выбор теплообменных  аппаратов осуществляется с учетом целого комплекса технико-экономических  и эксплуатационных требований. При  одной и той же площади поверхности  теплообменники разных типов могут  оказаться практически непригодными для проведения процесса теплопередачи  в силу их конструктивных особенностей. Поэтому наряду с пониманием принципа действия того или иного теплообменника инженеру необходимо знать и эксплуатационные особенности каждой конструкции  ТА.

Конструкции ТА весьма разнообразны. В них используются различные греющие или охлаждающие  теплоносители. Самым дешевым греющим  теплоносителем являются топочные газы — продукты сгорания органических топлив: твердых (угли, сланцы), жидких (нефтепродукты) или газообразных (природный газ). Окислителем топлив служит атмосферный воздух, поэтому химический состав топочных газов отличается от воздуха лишь тем, что кислород в них частично заменен на продукты окисления водородо- и углеродосодержащих компонентов используемого топлива — пары воды и диоксид углерода. По этой причине теплофизические свойства топочных газов мало отличаются от свойств воздуха [4]. Основное преимущество топочных газов по сравнению с другими теплоносителями — это их относительно высокая температура (до 1000 °С). Однако для нагревания топочными газами необходимы их значительные объемы, поскольку объемная теплоемкость газов приблизительно на три порядка меньше, чем у капельных жидкостей. Кроме того, коэффициенты теплоотдачи от газов составляют величины порядка 40–80 Вт/(м₂ ×  К), что приводит к необходимости использования больших теплообменных поверхностей, примеси золы и сажи в топочных газах загрязняют эти значительные по величине теплообменные поверхности.

Греющий, обычно насыщенный водяной пар является наиболее распространенным греющим агентом, единственный, но существенный недостаток которого состоит в необходимости повышать давление при увеличении его температуры. Так, температура 150 °С соответствует давлению 6 атм. Конденсирующийся пар не загрязняет теплообменные поверхности и обладает высокими значениями коэффициентов теплоотдачи (до 10000 Вт/(м² × К)). Аналогичными преимуществами и недостатком обладает в качестве греющего агента горячая вода.

Использование паров (или в жидкофазном состоянии) высококипящих теплоносителей (дифенильная смесь, минеральные масла, расплавы солей) позволяет получать высокие температуры (до 250–300 °С) без повышения давления сверх атмосферного.

Нагревание с помощью  электроэнергии обладает практически всеми преимуществами: высокой температурой нагрева, компактностью, легкостью регулирования, отсутствием загрязнений и проч. Единственный недостаток электрического нагрева — его высокая стоимость, превышающая стоимость всех других источников нагревания по меньшей мере в 2,5 раза, что связано с величиной КПД электростанций на органическом или ядерном топливе, не превышающей 40 %.

Охлаждение веществ  до температуры не ниже температуры  окружающей среды можно производить  природной водой или воздухом. Вода предпочтительнее, поскольку она обладает большей объемной теплоемкостью и значительно большими коэффициентами теплоотдачи (до 2000 Вт/(м² × К)). Вода загрязняет теплообменную поверхность растворенными в ней солями, воздух может загрязнять горячие поверхности пригорающей к ним пылью. Воздушные теплообменники должны обладать значительной теплообменной поверхностью.

При необходимости  охлаждения веществ до температур ниже температуры окружающей среды используются установки искусственного холода [48].

К теплообменным аппаратам  в конкретных условиях их эксплуатации могут предъявляться весьма разнообразные  требования: возможность соблюдения заданных температурных параметров, устойчивость материала ТА к химическим воздействиям со стороны теплоносителей, достаточная механическая прочность  при высоких давлениях, возможность  очистки теплообменных поверхностей от загрязнений, низкая стоимость самого ТА и его эксплуатации и т. п. Поэтому конструкции ТА имеют значительное разнообразие.

Наиболее распространенной и универсальной конструкцией ТА является кожухотрубчатый аппарат. Самый простой вариант такого аппарата (одноходового, без перегородок в межтрубном пространстве) представлен на рис. 6.2.1.1. Аппарат позволяет работать при высоких давлениях внутри труб, диаметр которых обычно не превышает 37 мм. Крышки ТА соединяются с трубными решетками через прокладки, что делает аппарат разъемным, а внутреннюю поверхность труб — доступной для механической очистки от возможных загрязнений. Концы труб крепятся в решетках развальцовкой или с помощью сварки.

Для интенсификации теплообмена  при малых скоростях теплоносителей скорость их движения увеличивают в  многоходовых ТА с поперечными перегородками в межтрубном пространстве (рис. 6.2.5.1). При неизменном расходе теплоносителя I скорость его перемещения в трубном пространстве пропорциональна числу ходов, а коэффициент теплоотдачи a при вынужденном движении зависит от скорости как w^0,8 и w^0,5 для турбулентного и ламинарного режимов течения соответственно. Для теплоносителя II в межтрубном пространстве наличие поперечных перегородок с сегментными вырезами также приводит к увеличению скорости его движения и к обтеканию наружной поверхности трубного пучка под углом около 60°, что интенсифицирует наружную теплоотдачу пропорционально , где w_в — скорость теплоносителя в вырезе перегородки. Еще одна чисто механическая функция перегородок состоит в создании дополнительных механических опор для длинных (до 8 метров) труб ТА при его горизонтальном расположении.

Рис. 6.2.5.1. Четырехходовой ТА с сегментными перегородками в межтрубном пространстве

Одновременно с  интенсификацией теплоотдачи увеличение скорости теплоносителей приводит к  быстрому (для турбулентных потоков  пропорционально квадрату скорости) возрастанию гидравлического сопротивления  ТА, что ограничивает число ходов (до восьми) и количество перегородок (до четырех на один метр длины ТА). Кроме того, наличие нескольких ходов  по трубному пространству и установка  перегородок в межтрубном пространстве не позволяют реализовать чистый противоток теплоносителей, что приводит к снижению средней движущей разности температур теплоносителей DТ_ср (см. формулу (6.2.2.5) и комментарий к ней).

С целью уменьшения тепловых потерь в окружающую среду  более горячий теплоноситель  обычно подается в трубное пространство, а холодный — в межтрубное. Естественная для ТА разность температур теплоносителей обусловливает разность температур труб и кожуха, абсолютное удлинение  которых оказывается неодинаковым, что вследствие жесткого крепления  концов труб и кожуха к трубным  решеткам (теплообменники типа ТН) приводит к механическим напряжениям в  ТА. При DT_ср > 40 ¸50 К такие напряжения могут стать опасными и их приходится компенсировать линзовым компенсатором (гофр) на кожухе ТА (рис. 6.2.5.2, а); такие теплообменники относят к типу ТК (теплообменники с компенсатором). Термические напряжения полностью отсутствуют в ТА с плавающей головкой (тип ТП, рис. 6.2.5.2, б) и в ТА с U-образными трубками (тип ТУ, рис. 6.2.5.2, в), в которых, кроме того, становятся доступными для механической очистки наружные поверхности труб (при разборке ТА), однако в U-образном ТА механическая очистка трубного пространства затруднительна.

Кожухотрубчатые ТА считаются  наиболее надежными и устойчивыми  в эксплуатации. Кроме того, расчетные  формулы для расчетов теплопередачи  и гидравлического сопротивления  таких аппаратов разработаны  и наиболее подробно представлены, например, в [1]. Кожухотрубчатые ТА используются как для однофазных теплоносителей (нагреватели, охладители), так и  для проведения процессов конденсации  и кипения (испарения). При этом конденсаторы обычно располагаются горизонтально, а конденсирующийся пар подается в межтрубное пространство. Кипятильники (испарители) чаще располагают вертикально, если кипение с интенсивным парообразованием происходит внутри труб. Вблизи входного штуцера в межтрубном пространстве конденсаторов предусмотрен отражательный  металлический диск, разбивающий  входной поток пара во избежание локальной эрозии труб. В испарителях предусматривается объем, сепарирующий образующийся пар от кипящей жидкости; расчет необходимой величины такого объема приведен в [1]. Сравнительная характеристика кожухотрубчатых ТА и подробные сведения об их конструктивных особенностях приводятся в [49].

Подробные методы расчетов кожухотрубчатых ТА с учетом протечек теплоносителей через зазоры между  поперечными перегородками, трубками и кожухом, с учетом влияния стекающего с верхних горизонтальных трубок на нижние конденсата, а также с  учетом влияния сливающихся паровых  пузырей на движение парожидкостной смеси внутри вертикальных кипятильных  труб и многих других осложняющих  эффектов приводятся в специальной  литературе [1–4, 10, 12, 34, 35, 45].

В качестве примера  в табл. 6.2.5.1, 6.2.5.2 приведены справочные данные о некоторых теплообменниках типа ТН и ТК по ГОСТ 15122–79. Аналогичные таблицы для теплообменников типа ТП и ТУ можно найти в [59].

Пример условного  обозначения кожухотрубчатого теплообменника. Обозначение  ГОСТ 15122–79 показывает, что теплообменник с неподвижными трубными решетками в горизонтальном исполнении (буква Г в числителе) имеет кожух диаметром 1000 мм, неразъемные распределительные камеры (цифра 1 в числителе); рассчитан на условное давление 16 МПа; трубы имеют наружный диаметр 20 мм, гладкие (буква Г в знаменателе), длиной 6 м; число ходов в трубном пространстве — 4. Обозначение Б9 в числителе указывает материалы кожуха и трубок в соответствии с ГОСТ 15122–79.

Рис. 6.2.5.2. Кожухотрубчатые теплообменники с линзовым компенсатором (а), с плавающей головкой (б) и с U-образными трубками (в)

Таблица 6.2.5.1

Площадь поверхности теплообмена  в аппаратах типа ТН и ТК

Примечание. Трубы гладкие с толщиной стенки 2 мм. D — диаметр кожуха теплообменника, мм; d — наружный диаметр труб, мм; z — число ходов в трубном пространстве теплообменника; n — общее число труб; n_р — число рядов труб по вертикали (для горизонтальных аппаратов — по ГОСТ 15118–79).

Таблица 6.2.5.2

Площади проходных сечений  трубного и межтрубного  пространств в  аппаратах типа ТН и ТК

Рис. 6.2.5.3. Двухтрубный теплообменник «труба в трубе»

Рис. 6.2.5.4. Змеевиковый погружной теплообменник с механическим перемешиванием жидкости

Элементные  ТА представляют собой ряд последовательно соединенных одноходовых кожухотрубчатых ТА (рис. 6.2.1.1), что позволяет при многократно увеличенной поверхности теплообмена сохранить относительно высокую скорость движения теплоносителей как в трубном, так и в межтрубном пространствах без использования перегородок. Преимуществом такого способа интенсификации теплопередачи является возможность реализации практически чистого противотока теплоносителей. Еще одно достоинство элементной схемы состоит в возможности создавать большие давления в межтрубных пространствах, поскольку диаметр кожуха каждого из ТА здесь меньше, чем у единственного аппарата с перегородками при приблизительно одинаковой поверхности теплопередачи. Недостатком элементной схемы соединения аппаратов является повышенная металлоемкость.

При малых расходах теплоносителей для создания значительных скоростей теплоносителей используются двухтрубные ТА (труба в трубе — ТТ), представляющие собой набор последовательно соединенных элементов, составленных из двух труб (рис. 6.2.5.3) и потому выдерживающих значительные давления в обоих пространствах. Поперечные сечения внутренней трубы (обычно диаметром 37–108 мм) и кольцевого сечения межтрубного пространства (диаметр наружных труб от 76 до 159 мм) невелики, что и обеспечивает для обоих жидкофазных теплоносителей достаточные для интенсивной теплоотдачи в обоих пространствах ТТ скорости (до 3 м/с). При повышенных скоростях замедляются процессы отложения загрязнений на теплообменных поверхностях. Двухтрубные ТТ имеют общую плоскую конфигурацию и, не занимая много места, удобно монтируются в одну, две или три параллельных линии, например у стенки помещения. Быстрый и гибкий перемонтаж выгодно отличает теплообменники ТТ от других типов ТА. Недостаток двухтрубных теплообменников — относительно малая теплообменная поверхность, приходящаяся на единицу их массы. Область использования теплообменников ТТ — передача относительно небольших количеств теплоты Q < 1000 кВт) через суммарную теплообменную поверхность, обычно не превышающую 50 м². Специфика тепловых и гидравлических расчетов двухтрубных ТА представлена в [1].

Змеевиковый ТА представляет собой трубу, свернутую чаще всего в форме спирали (рис. 6.2.5.4). Иногда в спираль параллельно свернуты 2–3 трубы, внутри которых обычно проходит более горячий теплоноситель. Второй теплоноситель (чаще нагреваемая жидкость) заполняет емкость, внутри которой и находится змеевик. Жидкость нагревается либо периодически, либо непрерывно в режиме ее непрерывного протока через емкость. В таком погружном ТА для интенсификации внешней теплоотдачи от поверхности змеевика может использоваться вращающаяся мешалка, что одновременно уменьшает скорость отложения загрязнений на наружной поверхности труб змеевика. Погружные змеевиковые ТА предельно просты, наружная поверхность труб легко доступна для осмотра и механической очистки, а малый диаметр трубок (обычно 25–37 мм) позволяет работать с весьма высокими давлениями греющего пара или жидкого теплоносителя внутри трубок. Однако змеевиковые ТА обладают сравнительно незначительной теплопередающей поверхностью, обычно не превышающей 10–15 м².

Наиболее высокие  давления и, следовательно, температуры (до 6 МПа и, соответственно, до 275 °С для насыщенного водяного пара) возможны в ТА с наружными змеевиками, которые привариваются снаружи к стенкам аппарата цилиндрической формы (рис. 6.2.5.5). Вместо полуцилиндров могут привариваться цельные стальные трубки, сворачиваемые в спираль. Это дешевле в изготовлении, но и не гарантирует хорошего контакта трубки с наружной поверхностью аппарата. Высокое термическое сопротивление поверхности контакта трубок с корпусом аппарата может существенно снизить коэффициент теплопередачи. Вместо трубок и полутрубок могут использоваться стальные уголки, что обеспечивает наилучший контакт со стенкой сосуда, но одновременно несколько снижает возможность создания высоких давлений внутри профиля некруглой формы. Дополнительное достоинство аппаратов с наружными приваренными змеевиками состоит в возможности использовать для змеевиков более дешевые материалы. Это важно в случаях, когда нагреваемое внутри емкости вещество представляет собой химически агрессивную среду. Внутренняя поверхность емкости (например химического реактора) относительно просто покрывается соответствующим защитным слоем (эмалируется, гуммируется), либо корпус емкости выполняется из двухслойной стали (внутренний слой — из коррозионностойкой стали, наружный — из углеродистой), при этом контакт змеевика с химически активной средой в таких ТА отсутствует. Очистка внутренней поверхности емкости обычно не представляет трудностей. Очевидные недостатки аппаратов с наружными приваренными змеевиками — малая теплопередающая поверхность и высокая стоимость изготовления (приваривания змеевика). Особенности расчетов теплопередачи и гидравлического сопротивления ТА змеевикового типа рассматриваются в литературе по теплообменникам [1] и химическим реакторам [16].

Рис. 6.2.5.5. Теплообменник с наружным приваренным змеевиком

Рис. 6.2.5.6. Теплообменный аппарат с наружной рубашкой

Теплообменные аппараты с двойными стенками (с рубашкой) используются в качестве обогреваемых емкостей для проведения химических реакций (рис. 6.2.5.6). Давление теплоносителя, подаваемого в рубашку (греющий пар, горячая вода или какой-либо высокотемпературный теплоноситель), здесь ниже, чем в ТА с наружными змеевиками, и может составлять величину до 0,6–1,0 МПа, что в основном обусловлено потерей устойчивости корпуса аппарата, нагруженного наружным давлением, но и изготовление рубашки проще, чем наружных змеевиков. Поверхность теплопередачи здесь также может быть защищена, но ее величина не превышает 10 м² для сосудов даже значительных диаметров и высот.

Оросительные  ТА используются, как правило, для охлаждения горячих жидкостей (реже — газов) или для конденсации паров при температурах, соответствующих температуре природной воды. Орошающая вода подается сверху из водораспределителя на наружную поверхность горизонтальных труб, по которой и стекает с верхних труб на нижние в форме тонкой пленки (рис. 6.2.5.7). Оросительные ТА предельно просты и обладают малой металлоемкостью на один квадратный метр теплопередающей поверхности, поскольку не имеют конструктивно оформленного объема для охлаждающей воды. Коэффициенты теплоотдачи от наружной поверхности труб к гравитационно стекающей тонкой пленке воды имеют значительные величины. Наружная поверхность труб доступна для осмотра и механической очистки от минеральных отложений и ржавчины. С другой стороны, при работе ТА оросительного типа происходит потеря некоторой доли охлаждающей воды вследствие ее частичного испарения, кроме того, эта испаренная влага оказывается в помещении и ее необходимо удалять, если оросительный ТА не установлен специально вне помещения. Имеются определенные трудности с созданием равномерного распределения орошающей трубы воды по значительной (до 8 метров) длине труб и по их вертикальным рядам. Расчеты оросительных ТА как аппаратов пленочного типа при практическом отсутствии или с наличием заметного испарения воды с наружной поверхности пленки соответствуют условиям движения пленки по наружным поверхностям труб (см. 4.2.2) и подробно рассматриваются в литературе [1, 13, 17, 18, 37].

Рис. 6.2.5.7. Однотрубный оросительный теплообменник

Рис. 6.2.5.8. Спиральный теплообменник

В спиральных ТА поверхность теплопередачи и каналы для прохождения теплоносителей образуются двумя протяженными металлическими листами, спирально свернутыми в компактный аппарат цилиндрической внешней формы (рис. 6.2.5.8). Интенсивность  
теплообмена в таких аппаратах весьма высока ввиду значительной скорости (до 3 м/с и более) перемещения обоих теплоносителей в гладких щелевых каналах. Спиральные ТА отличаются большими значениями теплообменных поверхностей на единицу объема конструкции, в них без трудностей создается противоточное движение теплоносителей (чаще жидкофазных). Однако такие аппараты сложны в изготовлении и не могут работать при давлениях выше 0,6–1,0 МПа, поскольку торцевая герметизация металлических листов и плоских крышек таких ТА представляет серьезную механическую проблему. Разъемные уплотнения здесь недостаточно надежны, поэтому возможно попадание некоторого количества одного теплоносителя в массу другого. Зазоры между пластинами обычно не превышают нескольких сантиметров, толщина свернутых листов составляет 2–3 мм. По соображениям механической прочности величины давлений внутри каналов для одного и другого теплоносителя должны быть близкими по значению. Теплообменные поверхности спиральных ТА составляют десятки квадратных метров. Расчеты теплопередачи и гидравлического сопротивления производятся по имеющимся в литературе корреляционным соотношениям для обычно турбулентного режима движения однофазных потоков в плоских каналах с легко определяемым эквивалентным диаметром [1, 2, 8, 9]; особенности конструктивного оформления ТА спирального типа см. в [42].