Часть 2.

1. Теплообменные аппараты

В различных отраслях промышленности, на транспорте, в энергетических установках и в специальных установках новой техники применяется огромное количество разнообразных теплообменных аппаратов. Особенно велико типовое многообразие теплообменников, применяемых в химической промышленности.

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) принято называть устройства, предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, кипение, конденсация, расплавление, затвердевание и, наконец, более сложные, комбинированные процессы. Тела, отдающие или воспринимающие тепло, принято называть теплоносителями.

Классификация теплообменных аппаратов

В зависимости от назначения теплообменные аппараты называются подогревателями, конденсаторами, испарителями, паропреобразователями и т.д.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные.

В поверхностных аппаратах каждый из теплоносителей ограничен твердыми стенками, частично или полностью участвующими в процессе теплообмена между теплоносителями. Та часть поверхности этих стенок, посредством которой передается тепло, называется поверхностью нагрева.

В свою очередь поверхностные теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные.

Если теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки, то теплообменник называют рекуперативным. В аппаратах этого типа в каждой точке разделительной стенки тепловой поток при теплообмене сохраняет свое постоянное направление.

Если же два или большее число теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, то теплообменные аппараты называются регенеративными. В период соприкосновения с одним из теплоносителей стенки аппарата получают тепло и аккумулируют его; в следующий период – соприкосновения другого теплоносителя с той же поверхностью стенок – аккумулированное тепло передается теплоносителю. Направление теплового потока в каждой точке стенок во втором периоде теплообмена изменяется на противоположное.

В большинстве рекуперативных аппаратов осуществляется непрерывная передача тепла через стенку от одного теплоносителя к другому. Эти аппараты, как правило, являются аппаратами непрерывного действия. Лишь те рекуперативные аппараты, в которых производится периодическая смена подачи и отвода теплоносителей, можно отнести к аппаратам периодического действия.

Регенеративные теплообменники в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия; в них разные теплоносители поступают в различные периоды времени.

В смесительных теплообменных аппаратах тепло- и массообмен осуществляется путем непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных теплоносителей. В зависимости от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться самые различные газообразные, жидкие и твердые тела.

Конструкции аппаратов поверхностного типа

Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия весьма разнообразны. Рассмотрим только наиболее характерные из них.

Кожухотрубчатые теплообменники. Кожухотрубчатые теплообменники (рис.2-1) представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, а следовательно, и коэффициента теплообмена теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена: между двумя однородными или различными жидкостями, между паром и жидкостями или между жидкостями и газами. Они применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена.

Рис.2-1. Типы кожухотрубчатых теплообменников.

а – с жестким креплением трубных решеток; б – с обсаженными трубками;

в – с линзовым компенсатором на корпусе; г – с U-образными трубками;

д – с подвижной решеткой закрытого типа; е – с подвижной решеткой

открытого типа; ж – с сальником на штуцере; з – с сальниковым уплотнением на корпусе.

Трубки теплообменников изготовляются прямыми (за исключением теплообменников с U-образными трубками - рис.2-1,г); поэтому они легко доступны для очистки и замены в случае течи. Типовые конструкции кожухотрубчатых теплообменников разработаны НИИХИММАШ.

В большинстве случаев пар (греющий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха. Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, предусматривается возможность свободного удлинения труб за счет различного рода компенсаторов.

Особенность кожухотрубчатых теплообменников состоит в том, что проходное сечение межтрубного пространства велико по сравнению с проходным сечением трубок и может быть больше последнего в 2,5-3 раза. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей (если теплообмен происходит без изменения их агрегатного состояния) часто получаются пониженные скорости теплоносителя и малые значения коэффициентов теплообмена на стороне межтрубного пространства, что значительно снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Для выравнивания проходных сечений иногда применяют усадку концов трубок при закреплении в трубной решетке. Схема такого теплообменника показана на рис. 2-1,б.

Для уменьшения засорения золой дымовые газы пропускают внутри трубок, а воздух – через межтрубное пространство.

Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так как они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении. Для удобства монтажа и эксплуатации максимальную длину трубок для них следует брать не больше 5 м.

Во избежание резкого снижения коэффициента теплообмена от конденсирующегося пара к стенке в корпусе теплообменника должны быть предусмотрены краны для выпуска воздуха как из нижней части аппарата над поверхностью конденсата, так и из верхней его части.

Регулирование производительности парожидкостного теплообменника возможно путем изменения давления (дросселированием греющего пара), изменения расхода нагреваемого теплоносителя и изменения (повышения) уровня конденсата в аппарате, т.е. уменьшения активной поверхности теплообмена. В последнем случае для контроля уровня конденсата необходимо иметь на корпусе водоуказательное стекло.

Секционные теплообменники. Секционные трубчатые теплообменники (рис.2-2) при одинаковых расходах жидкостей имеют меньшую разницу в скоростях движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве и повышенные коэффициенты теплопередачи по сравнению с обычными трубчатыми теплообменниками.

Для небольших производительностей целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе», относящихся также к секционным, но конструктивно упрощенным аппаратам: в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра; отсутствуют трубные решетки и фланцы; все элементы аппарата соединены сваркой.

Недостатки секционных теплообменников: во-первых, высокая стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов аппарата – трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т.д.; во-вторых, большая длина пути жидкости по сравнению с одноходовой трубчатой и соответственно последовательное включение нескольких секций создают значительные гидравлические сопротивления и вызывают увеличение расхода электроэнергии на работу насоса.

Достоинством любых трубчатых теплообменников является их герметичность, т.е. возможность работать без смешения одного теплоносителя с другим при любых давлениях.

Р ис.2-2. Секционные теплообменники.

а – водоводяной подогреватель теплосети Мосэнерго; б – теплообменник «труба в трубе»;

1 – линзовый компенсатор; 2 – соединительные патрубки; 3 – калач; 4 – трубки;

5 – разборная на резьбе трубная решетка.

Спиральные теплообменники. Устройство спирального теплообменника показано на рис.2-3. Два листа толщиной 3-7 мм (в зависимости от рабочего давления в аппарате) свертывают на специальном станке в спирали, причем при помощи приваренных бобышек между ними сохраняется одинаковое по всей спирали расстояние от 5 до 15 мм. Таким образом, получаются два канала и каждый из них имеет полуцилиндрическую часть в центре аппарата и спиральную, заканчивающуюся коробкой снаружи. Каждый центральный полуцилиндр и каждая коробка имеют штуцер для входа или выхода теплоносителя. Спирали изготовляют так, что торцы листов лежат строго в одной плоскости. Затем их помещают между дисками, являющимися крышками аппарата, и стягивают болтами. Для лучшей герметизации и устранения перетекания теплоносителей между крышками и листами по всему сечению теплообменника помещают прокладку из резины, паронита, асбеста или мягкого металла. Такая конструкция обеспечивает возможность чистки поверхностей нагрева и работу без перетекания теплоносителей при давлениях до 4 ат. Для повышенных давлений и больших производительностей применяют спиральные теплообменники с усложненной, но более надежной конструкцией уплотнения торцов спиралей. Спиральные теплообменники бывают горизонтального и вертикального типов; их устанавливают часто блоками по два, четыре и восемь аппаратов.

Рис.2-3. Спиральный теплообменник.

1 – разделяющая перегородка; 2 – дистанционные штифты; 3 – прокладки.

Достоинствами спиральных теплообменников по сравнению с многоходовыми трубчатыми теплообменниками являются повышенная компактность (большая поверхность теплообмена в единице объема) при одинаковых коэффициентах теплопередачи и меньшее гидравлическое сопротивление для прохода теплоносителей; недостатками их являются сложность изготовления и меньшая плотность.

Пластинчатые теплообменники. Такие теплообменники бывают различных конструкций; их применяют обычно для теплоносителей, величины коэффициентов теплообмена которых одинаковы.

Рис.2-4. Пластинчатый воздухоподогреватель конструкции НЗЛ.

а – элемент пакета; б – модель воздухоподогревателя.

Компактные разборные пластинчатые теплообменники (рис.2-4), изготовленные из штампованных металлических листов с внешними выступами, расположенными в коридорном или шахматном порядке, могут применяться для теплообмена не только между газами, но и между жидкостями и работать при давлениях до 16 ат и температурах до 150^оС для разборных аппаратов (между пластинами которых укладываются уплотнительные прокладки) и давлениях до 20 ат и температурах до 400^оС для неразборных аппаратов (уплотнение пластин в которых достигается сваркой). Благодаря незначительному расстоянию между пластинами (6-8 мм) такие теплообменники имеют высокую компактность: удельную поверхность нагрева F/V = 200300 м²/м³. Поэтому новые конструкции пластинчатых теплообменников в ряде случаев вытесняют трубчатые и спиральные теплообменники.

Аппараты с ребристыми поверхностями нагрева. Теплообменники с ребристыми поверхностями нагрева применяются в тех случаях, когда теплообмен происходит между теплоносителями, из которых один имеет большой, а другой, наоборот, очень малый коэффициент теплообмена. Увеличивая поверхность теплообмена путем оребрения ее со стороны теплоносителя с малым коэффициентом теплообмена, тем самым увеличивают количество передаваемого тепла и со стороны неоребренной поверхности. В ребристых теплообменниках жидкость или конденсирующийся пар проходит внутри трубок, а воздух или дымовые газы, имеющие меньший коэффициент теплообмена, - по внешней ребристой поверхности.

Ребристые теплообменники изготовляются самых разнообразных конструкций. На рис.2-5 показаны основные типы ребристых теплообменников. Чугунные ребристые трубки по сравнению со стальными или латунными более громоздки и имеют больший вес, но менее чувствительны к коррозии.

Ребристые стальные и латунные трубки в небольших количествах изготовляются напрессовкой на них прямоугольных пластин или круглых шайб. Для получения надежного контакта между трубкой и ребрами и предохранения их от коррозии ребристые трубки оцинковывают или лудят. При больших масштабах производства изготовление ребристых трубок и теплообменников механизировано и автоматизировано. Автоматы навивают на трубки спирали из ленты (рис.2-5,в), образующие ребристые поверхности, или осуществляют проволочное биспиральное оребрение (рис.2-5,ж). Припайка спиралей к трубке припоем производится электротермически. Качество контакта между трубкой и ребром оказывает большое влияние на коэффициент теплопередачи. Поэтому на него следует обращать особое внимание при изготовлении ребристых трубок.

Рис. 2-5. Типы ребристых теплообменников.

а – пластинчатый; б – чугунная трубка с круглыми ребрами; в – трубка со спиральным оребрением; г – чугунная трубка с внутренним оребрением;

д – плавниковое оребрение трубок; е – чугунная трубка с двусторонним игольчатым оребрением; ж – проволочное (биспиральное) оребрение трубок; з – продольное оребрение трубок; и – многоребристая трубка.

В настоящее время разработана технология изготовления монолитных ребристых трубок путем холодной прокатки гладких толстостенных труб (рис.2-6).

Рис.2-6. Изготовление ребристых трубок путем холодной прокатки.

В различных отраслях промышленности, особенно в авиационной, находят широкое применение различные конструкции компактных ребристых теплообменников (рис.2-7). Они разработаны на давление до 16 ат и температуру до 400^оС. Аналогично компактным гофрированным пластинчатым теплообменникам большая поверхность на единицу объема в этих аппаратах достигается за счет применения тонких ребер, припаянных, приваренных контактной электросваркой или прикрепленных другим способом и обладающих хорошим термическим контактом с основной поверхностью.

Сотовые теплообменники, выполненные из профильного листа, могут применяться до 64 ат и 600^оС. Пластинчаторебристые теплообменники очень компактны, но они сложны в изготовлении и неудобны в эксплуатации вследствие быстрого загрязнения поверхности теплообмена.

Р ис.2-7. Компактные теплообменники.

а – с плоскими непрерывными ребрами; б – со сплюснутыми оребренными трубками.