Міністерство освіти та науки України

Національній технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

Факультет біотехнології і біотехніки

Кафедра біотехніки та інженерії

Альбом конструкцій

з курсу:

«Процеси і апарати фармацевтичного та мікробіологічного виробництва »

Частина І

Виконав:

студент 4-го курсу

групи &&&&, ФБТ

$$$$$$$$.

Перевірила:

2008

Зміст

1. ТЕПЛООБМІННИКИ……………………………………………………...	4
1.1. Рекуперативні теплообмінники……………………………………………......	4
1.1.1. Одноходовий кожухотрубчастий теплообмінник жорсткої конструкції……….	4
1.1.2. Багатоходовий (по трубному простору) кожухотрубчастий теплообмінник жорсткої конструкції……………………………………………………………………..	5
1.1.3. Багатоходовий (по міжтрубному простору) кожухотрубчастий теплообмінник жорсткої конструкції………………………………………………………………………	6
1.1.4. Кожухотрубчастий теплообмінник з лінзовим компенсатором………………..	7
1.1.5. Кожухотрубчастий теплообмінник з плаваючою головкою……………………	8
1.1.6. Кожухотрубчастий теплообмінник з U-подібними трубами…………………...	9
1.1.7. Двотрубні теплообмінники……………………………………………………….	10
1.1.8. Змієвиковий теплообмінник з одним внутрішнім спіральним Змієвиком………………………………………………………………………………….	11
1.1.9. Змієвиковий теплообмінник з декількома внутрішнім спіральними змієвикоми…………………………………………………………………………………	12
1.1.10. Змієвиковий теплообмінник з прямими трубами……………………………….	13
1.1.11. Змієвиковий теплообмінник із зовнішнім спіральним змієвиком……………..	14
1.1.12. Змієвиковий теплообмінник із залитим спіральним змієвиком……………….	15
1.1.13. Зрошувальний холодильник……………………………………………………...	16
1.1.14. Пластинчастий теплообмінник «фільтр-пресного» типу………………………	17
1.1.15. Спіральний теплообмінник………………………………………………………	18
1.1.16. Апарати з подвійними стінками (рубашками)…………………………………..	19
1.2. Змішувальні теплообмінники……………………………………………	20
1.2.1.Сухій протиточний полковий барометричний конденсатор……………………..	20
1.2.2. Мокрий полковий конденсатор……………………………………………………	21
1.2.3. Сухий прямоточний конденсатор низького уровня……………………………...	22
1.2.4. Насадковий теплообмінник-конденсатор………………………………………...	23
1.3. Регенеративні теплообмінники…………………………………………….	24
1.3.1. Регенератор з нерухомою насадкою………………………………………………...	24
1.4.Винаходи та корисні моделі, що відносяться до теплообмінників……	25
1.4.1. Теплообмінник типу «труба в трубі», патент № 1889 U…………………………...	25
1.4.2. Секційний кожухотрубчастий теплообмінник, патент №26908 U……………...	26
1.4.3. Пластинчасто-ребристий теплообмінник, патент №27878 U……………………..	27
1.4.4. Кожухотрубчастий теплообмінник з колекторами входу-виходу середовищ, патент №30468 U………………………………………………………………………….	28
1.4.5. Горизонтальний термосифон-теплообмінник типу «труба в трубі», патент №42631 А………………………………………………………………………………….	29
2. ВИПАРНІ УСТАНОВКИ………………………………………………………….	31
2.1. Однокорпусна випарна установка…………………………………………………..	31
2.2. Випарний апарат з горизонтальною трубчатою камерою з вертикальним циліндричним корпусом………………………………………………………………….	32
2.3. Змійовиковий випарний аппарат……………………………………………………	33
2.4. Випарний апарат з внутрішньою гріючою камерою і центральною циркуляційною трубою…………………………………………………………………..	34
2.5. Випарний апарат з горизонтальною виносною гріючою камерою……………….	36
2.6. Випарний апарат з підвісною гріючою камерою…………………………………..	37
2.7. Випарний апарат з виносною циркуляційною трубою…………………………….	39
2.8. Випарний апарат з виносною зоною кипіння………………………………………	40
2.9. Випарний апарат з виносною гріючою камерою…………………………………..	42
2.10. Багатокорпусна прямоточна випарна установка………………………………….	44
2.11. Багатокорпусна протитечійна випарна установка………………………………..	46

1. ТЕПЛООБМІННИКИ

1.Рекуперативні теплообмінники

1.1.1. Одноходовий кожухотрубчастий теплообмінник жорсткої конструкції

Рис. 1.1.1. Одноходовий кожухотрубчастий теплообмінник

жорсткої конструкції:

1 – кожух; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришка;

5 – днище; 6 – болт; 7 – прокладка; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Вертикальний кожухотрубчастий теплообмінник складається з нерухомих трубних решіток 2, в яких закріпляються труби 3. До кожуха 1 за допомогою болтів 6 і прокладок 7 кріпиться кришка 4 і днище 5.

Принцип дії

Один з теплоносіїв І протікає по трубам, інший ІІ – в міжтрубному просторі. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхні стінок труб. За звичай носій, що нагрівають подають знизу, а охолоджуючий зверху вниз протитоком. Такий рух теплоносіїв сприяє більш ефективному переносу теплоти, так як при цьому виникає співпадіння напрямку руху кожного теплоносія з напрямком руху, в якому намагається рухатися даний теплоносій під дією зміни його густини при нагріванні або охолодженні.

Переваги: простота конструкції та обслуговування, надійність експлуатації.

Недоліки: при низьких швидкостях руху теплоносія є низькими і коефіцієнти тепловіддачі, погіршення теплообміну в результаті виділення розчиненого повітря в рідині та інших газів. Для їх видалення можуть встановлюватися продувні крани, що ускладнює конструкцію.

1.1.2. Багатоходовий (по трубному простору) кожухотрубчастий теплообмінник жорсткої конструкції

Рис. 1.1.2. Багатоходовий кожухотрубчастий теплообмінник

жорсткої конструкції:

1 – кожух; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришка;

5 – днище; 6 – болт; 7 – прокладка; 8 – перегородки; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Вертикальний багатоходовий кожухотрубчастий теплообмінник складається з нерухомих трубних решіток 2, в яких закріпляються труби 3. До кожуха 1 за допомогою болтів 6 і прокладок 7 кріпиться кришка 4 і днище 5. Поперечні перегородки 8 установлені в кришку 4 та днище 5.

Принцип дії

Трубний пучок поділений на секції або ходи, по яким протікає теплоносіїв І , інший ІІ – в між трубному просторі. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхні стінок труб.

Переваги: в таких теплообмінниках при одній і тій же, в порівнянні з одноходовими теплообмінниками, витраті теплоносія І його швидкість збільшується кратно числу ходів. Це в свою чергу підвищує коефіцієнт тепловіддачі.

Недоліки: збільшення швидкості теплоносія веде за собою підвищення гідродинамічного опору і ускладнення конструкції теплообмінника.

1.1.3. Багатоходовий (по міжтрубному простору) кожухотрубчастий теплообмінник жорсткої конструкції

Рис. 1.1.3. Багатоходовий кожухотрубчастий теплообмінник

жорсткої конструкції:

1 – кожух; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришка;

5 – болт; 6 – прокладка; 7 – перегородки; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Горизонтальний багатоходовий кожухотрубчастий теплообмінник складається з нерухомих трубних решіток 2, в яких закріпляються труби 3. До кожуха 1 за допомогою болтів 5 і прокладок 6 кріпляться кришки 4. Поперечні перегородки 7 установлені в кожух 1.

Принцип дії

Один з теплоносіїв І протікає по трубам, інший ІІ – в міжтрубному просторі, поділеному за допомогою перегородок 7 на секції або ходи. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхні стінок труб.

Переваги: горизонтальне розташування при роботі; перегородки слугують додатковими опорами для труб; в таких теплообмінниках при одній і тій же, в порівнянні з одноходовими теплообмінниками, витраті теплоносія ІІ його швидкість збільшується кратно числу ходів, це в свою чергу підвищує коефіцієнт тепловіддачі.

Недоліки: збільшення швидкості теплоносія веде за собою підвищення гідродинамічного опору, ускладнення конструкції теплообмінника та ремонту.

1.1.4. Кожухотрубчастий теплообмінник з лінзовим компенсотором

Рис. 1.1.4. Кожухотрубчастий теплообмінник з лінзовим

компенсатором :

1 – кожух; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришка;

5 – днище; 6 – болт; 7 – прокладка; 8 – лінзовий компенсатор;

І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Кожухотрубчастий теплообмінник з лінзовим компенсатором складається з нерухомих трубних решіток 2, в яких закріпляються труби 3. До кожуха 1 за допомогою болтів 6 і прокладок 7 кріпиться кришка 4 і днище 5. Кожух 1 складається з двох частин з’єднаних за допомогою лінзового компенсатора 8, що визначає напівжорсткість його конструкції. В цьому апараті температурні деформації компенсуються осьовим стисненням або розтягненням компенсатора 8. Теплообмінники з лінзовим компенсатором застосовуються при відносно невеликих деформаціях (10-12 мм) та невисоких тисках у міжтрубному просторі (небільш як 0,5 МПа).

Принцип дії

Один з теплоносіїв І протікає по трубам, інший ІІ – в міжтрубному просторі. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхні стінок труб.

Переваги: можливість компенсації температурних деформацій, що виникають при значній різниці температур кожуха і труб.

Недоліки: ускладнення конструкції теплообмінника; не надійність в експлуатації; невеликі допустимі значення надлишкового тиску в апараті.

1.1.5. Кожухотрубчастий теплообмінник з плаваючою головкою

Рис. 1.1.5. Кожухотрубчастий теплообмінник з плаваючою головкою:

1 – кожух; 2 – трубна решітка; 3 – труби; 4 – кришка;

5 – днище; 6 – болт; 7 – прокладка; 8 – плаваюча головка;

9 – перегородка; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Теплообмінник складається з нерухомої трубної решітки 2 та плаваючої головки 8, в яких закріпляються труби 3. До кожуха 1 за допомогою болтів 6 і прокладок 7 кріпиться кришка 4 і днище 5. В цьому апараті температурні деформації компенсуються осьовим переміщенням головки відносно кожуха 1. В кришці 4 установлена перегородка 9, що розділяє пучок труб на дві частини з протилежним напрямком току рідини.

Принцип дії

Один з теплоносіїв І надходить до теплообмінника, протікає по першій частині трубного пучка розділеного перегородкою 9, змінює свій напрям течії в плаваючій головці 8 і повертається до простору між кришкою 4 та трубною решіткою 2 через другу частину трубного пучка, інший ІІ – в міжтрубному просторі.. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхні стінок труб та головку.

Переваги: можливість компенсації великих температурних деформацій, що виникають при значній різниці температур кожуха і труб; надійність конструкції; простота проведення ремонтних робіт та очисти апарату від накипу.

Недоліки: виникнення гідростатичного опору при зміні напрямку руху теплоносія І та обтіканні теплоносієм ІІ головки при невеликому зазорі зі стінкою; при збільшенні зазору між стінкою та головкою втрачається площа теплопередачі між теплоносіями.

1.1.6. Кожухотрубчастий теплообмінник з U-подібними трубами

Рис. 1.1.6. Кожухотрубчастий теплообмінник з U-подібними трубами:

1 – кожух; 2 – трубна решітка; 3 – U-подібні труби; 4 – кришка;

5 – перегородка; 6 – болт; 7 – прокладка; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Теплообмінник складається з нерухомої трубної решітки 2 в який закріпляються U-подібні труби 3. До кожуха 1 за допомогою болтів 6 і прокладок 7 кріпиться кришка 4. В цьому апараті температурні деформації компенсуються осьовим переміщенням самих труб відносно кожуха 1. В кришці 4 установлена перегородка 5, що розділяє пучок труб на дві частини з протилежним напрямком току рідини.

Принцип дії

Один з теплоносіїв І надходить до теплообмінника, протікає по U-подібних трубах 3 і повертається до простору між кришкою 4 та трубною решіткою 2, інший ІІ – в міжтрубному просторі. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхні стінок труб.

Переваги: можливість компенсації великих температурних деформацій, що виникають при значній різниці температур кожуха і труб; надійність та простота конструкції; нескладність проведення ремонтних робіт та очисти апарату від накипу.

Недоліки: виникнення гідростатичного опору при зміні напрямку руху теплоносія І в трубах, складність монтажу труб в трубні решітки та очистки внутрішніх поверхонь труб від накипу.

1.1.7. Двотрубні теплообмінники

Рис. 1.1.7. Двотрубні теплообмінники:

1 – внутрішня труба; 2 – зовнішня труба; 3 – з’єднувальні коліна; 4 – з’єднувальні патрубки; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Двотрубні теплообмінники представляють собою набір послідовно з’єднаних між собою елементів, що являють собою дві концентрично розташовані труби. Внутрішня труба 1 з’єднується з іншою внутрішньою трубою за допомогою з’єднувального коліна 3, а зовнішня труба 2 з’єднується з іншою зовнішньою трубою за допомогою з’єднувального патрубка 4.

Принцип дії

Один з теплоносіїв І рухається по внутрішній трубі 1, інший ІІ – у зазорі внутрішньої труби 1 і зовнішньої 2. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхні стінок внутрішніх труб.

Переваги: можливість досягнення великих швидкостей теплоносіїв при незначній витраті, що веде за собою підвищення коефіцієнта теплопередачі, запобігає швидкому утворенню накипу та забруднення на поверхнях труб.

Недоліки: виникнення гідростатичного опору при зміні напрямку руху теплоносіїв в трубах; громіздкі; більша металоємність на одиницю поверхні теплообміну в порівнянні з кожухотрубчастими теплообмінниками; невеликі значення теплових нагрузок.

1.1.8. Змієвиковий теплообмінник з одним внутрішнім спіральним змієвиком

Рис. 1.1.8. Змієвиковий теплообмінник з одним внутрішнім спіральним змієвиком:

1 – спіральний змієвик; 2 – корпус; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Змієвиковий теплообмінник складається із спірального змієвика 1, зануреного в рідину, що знаходиться в корпусі апарата 2. В даному випадку основним теплообмінним елементом є змієвик – труба зігнута по певному профілю.

Принцип дії

Один з теплоносіїв І рухається по спіральному змієвику , інший ІІ – рухається через об’єм апарата. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхню стінок спірального змієвика.

Переваги: простота конструкції; низько вартість; доступність огляду зовнішньої поверхні змієвика та його очистки; можливість роботи при високих тисках.

Недоліки: низький коефіцієнт теплопередачі через поверхню стінки змієвика із-за малої швидкості руху теплоносія через корпус апарату; мала поверхня теплообміну; складність огляду та чистки внутрішніх поверхонь змієвика.

1.1.9. Змієвиковий теплообмінник з декількома внутрішнім спіральними змієвикоми

Рис. 1.1.9. Змієвиковий теплообмінник з декількома внутрішнім спіральними змієвикоми:

1 – спіральні змієвики; 2 – корпус; 3 – гребінка; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Змієвиковий теплообмінник складається із спіральних змієвиків 1, зануреного в рідину, що знаходиться в корпусі апарата 2. В даному випадку основним теплообмінним елементом є змієвики – труби зігнута по певному профілю. Змієвики виконуються з різним діаметром спіралі і розташовуються концентрично один одного в корпусі апарата. На вході та виході змієвики приєднуються до гребінки 3.

Принцип дії

Один з теплоносіїв І рухається по спіральних змієвиках , інший ІІ – рухається через об’єм апарата. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхню стінок спіральних змієвиків.

Переваги: простота конструкції; низько вартість; доступність огляду зовнішньої поверхні змієвика та його очистки; можливість роботи при високих тисках; збільшена поверхня теплопередачі в порівнянні з змієвиковим теплообмінником з одним внутрішнім спіральним змієвиком.

Недоліки: низький коефіцієнт теплопередачі через поверхню стінки змієвика із-за малої швидкості руху теплоносія через корпус апарату; складність огляду та чистки внутрішніх поверхонь змієвика.

1.1.10. Змієвиковий теплообмінник з прямими внутрішніми трубами

Рис. 1.1.10. Змієвиковий теплообмінник з прямими трубами:

1 – труба; 2 – корпус; 3 – з’єднувальний патрубок;

4 – опора; І, ІІ – теплоносії.

Конструкція

Теплообмінник складається із прямих труб 1, сполучених між собою за допомогою з’єднувального патрубка 3. Система з’єднаних труб занурена в рідину, що знаходиться в корпусі апарата 2 і кріпиться до нього з використанням опор 4.

Принцип дії

Один з теплоносіїв І рухається по системі з’єднаних за допомогою патрубків прямих труб. Теплота від теплоносія І до іншого теплоносія ІІ (рідини), що знаходиться в корпусі апарата передається через поверхню стінок труб.

Переваги: простота та надійність конструкції; низько вартість; доступність огляду внутрішньої і зовнішньої поверхні труб та їх очистки.

Недоліки: низький коефіцієнт теплопередачі через поверхню стінки змієвика із-за відсутності або малої швидкості руху теплоносія (рідини) через корпус апарату; мала площа теплообміну; значні гідродинамічні опори.

1.1.11. Змієвиковий теплообмінник із зовнішнім спіральним змієвиком

Рис. 1.1.11. Змієвиковий теплообмінник із зовнішнім спіральним змієвиком:

1 – корпус апарату; 2 – змієвик; 3 – металева прокладка;

І і ІІ – теплоносії; а – змієвик виконаний у формі труби привареної багатошаровим швом; б – змієвик виконаний у формі розрізаної труби по твірній; г – змієвик виконаний у формі сталевого кутника.

Конструкція

Теплообмінник складається із спірального змієвика 2, що за допомогою зварних з’єднань приєднується до корпусу апарата 1. При використанні змієвика з профілем а для покращення процесу теплообмінну застосовують металева прокладка 3. В даному випадку основним теплообмінним елементом є змієвик – металевий профіль зігнутий у спіраль.

Принцип дії

Теплоносіїв І рухається по спіральному змієвику, а інший ІІ знаходиться в об’ємі апарату. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхню стінок спірального зміє вика та корпусу апарату.

Переваги: простота конструкції; низько вартість; доступність огляду внутрішньої поверхні апарату та його очистки; можливість роботи при високих тисках (до 6 МПа); можливість розділення змієвика на секції, що дозволяє легко керувати процесом теплообміну в апараті.

Недоліки: низький коефіцієнт теплопередачі через поверхню стінки змієвика із-за малої швидкості руху теплоносія через корпус апарату; мала поверхня теплообміну; складність огляду та чистки внутрішніх поверхонь змієвика.

1.1.12. Змієвиковий теплообмінник із залитим спіральним змієвиком

Рис. 1.1.12. Змієвиковий теплообмінник із залитим спіральним змієвиком:

1 – змієвик; 2 – корпус апарату; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Теплообмінник складається із спірального змієвика 1, що при виготовленні заливається в корпус апарату 2. В даному випадку основним теплообмінним елементом є змієвик – труба зігнута по певному профілю, залита в корпусі.

Принцип дії

Теплоносіїв І рухається по спіральному змієвику, а інший ІІ знаходиться в об’ємі апарату. Теплота від одного теплоносія другому передається через поверхню стінок спірального змієвика та стінки апарату.

Переваги: доступність огляду внутрішньої поверхні апарату та його очистки; можливість роботи при більш високих тисках (до 20 МПа).

Недоліки: низький коефіцієнт теплопередачі через поверхню стінки змієвика із-за малої швидкості руху теплоносія через корпус апарату; складність огляду та чистки внутрішніх поверхонь зміє вика; неможливість ремонту та заміни зміє вика; складність виготовлення; висока вартість.

1.1.13. Зрошувальний холодильник

Рис. 1.1.13. Зрошувальний холодильник:

1 – труби; 2 – з’єднальні коліна; 3 – розподільний жолоб; 4 – збірне корито; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Зрошувальний холодильник складається із прямих труб 1, що з’єднуються за допомогою з’єднальних колін 2. Над системою з’єднаних труб розташовуються розподільний жолоб 3, а під нею – збірне корито 4.

Принцип дії

Теплоносіїв І подається в розподільний жолоб для рівномірного його розподілення над трубами, а інший теплоносій ІІ рухається по трубам. Теплоносій І, контактуючи з поверхнею труб, охолоджується. Охолоджений теплоносій І потрапляє в збірне корито, а звідти на наступні етапи технологічного процесу.

Переваги: простота виготовлення; легкість очистки зовнішніх стінок труб; низька витрата охолоджуючого теплоносія; значна інтенсивність процесу теплообміну внаслідок випаровування.

Недоліки: громіздкість конструкції; нерівномірність змочування зовнішніх поверхонь труб; значні втрати; значно підвищує вологість повітря в приміщенні, тому найчастіше використовуються поза приміщенням.

1.1.14. Пластинчастий теплообмінник «фільтр-пресного» типу

Рис. 1.1.14. Пластинчастий теплообмінник «фільтр-пресного» типу:

1, 11– штуцера вводу і виводу теплоносія ІІ; 2, 12– штуцера виводу і вводу теплоносія І; 3 – нерухома плита; 4, 13 – канали для руху теплоносія І; 5, 14 – канали для руху теплоносія ІІ; 6 – пластина; 7 – направляючі стержні; 8 – рухома плита; 9 – нерухома стійка; 10 – стяжний гвинтовий пристрій; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Пластинчастий теплообмінник складається із гофрованих пластин 6, що утворюють систему вузьких каналів з хвилястими стінками. В нерухомій плиті 3 кріпляться направляючі стержні 7. Саме на них і установлюються пластини 6, рухома плита 8 та нерухома стійка 9. За допомогою стяжного гвинтового пристрою 10 здійснюється фіксація системи. Введення та виведення теплоносія І відбувається через штуцери 2, 12, а теплоносія ІІ – через штуцери 1, 11. Пластини 6 почергово змінюють своє відносне положення один відносно одного. Живлення пластин 6 забезпечується за допомогою каналів: для теплоносія І – 4, 13; для теплоносія ІІ – 5, 14.

Принцип дії

Теплоносії І і ІІ, між якими проходить теплообмін, рухаються по каналах суміжних пластин, омиваючи протилежні бокові сторони кожної пластини. Теплообмін між теплоносіями відбувається через поверхню пластин.

Переваги: високий коефіцієнт теплопередачі; малі гідродинамічні опори; легкість розбирання та очистки зовнішніх стінок пластин від забруднень внаслідок випаровування.

Недоліки: неможливість роботи при високих тисках; складність вибору еластичних, хімічно стійких матеріалів для прокладок.

1.1.15. Спіральний теплообмінник

Рис. 1.1.15. Спіральний теплообмінник:

1, 2 – металеві листи; 3 – пластина-перегородка; 4 – кришки; 5 – фланці; 6 – прокладка; 7-дистанційна пластина; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

У спірального теплообмінника внутрішні кінці листів приварені до глухої перегородки 3. Між листами утворені два ізольовані друг від друга канали прямокутного перерізу (висотою 2-8 мм), по яких за звичай протитоком рухаються теплоносії І і ІІ. Інді висоту каналу фіксують дистанційною пластиною 7, яка також сприяє зміцненню всієї конструкції апарату. З торців канали закриті плоскими кришками 4 і ущільнені прокладкою 6. Кришка кріпися болтами до фланців 5. Для введення та виведення теплоносіїв з теплообмінника в центрах кришки з зовнішніх сторін приварюються штуцера.

Принцип дії

Теплоносіїв І подається до каналу через штуцер, що знаходиться на бічній поверхні спірального теплообмінника, а інший теплоносій ІІ – через штуцер, що знаходиться в кришці з торцевої сторони теплообмінника. Теплообмін між теплоносіями відбувається через поверхню металевих листів та пластини-перегородки

Переваги: низькі гідростатичні опори при відносно великих швидкостях руху теплообмінників; високий коефіцієнт теплопередачі;

Недоліки: неможливість роботи при високих тисках (вище 1 МПа); складність герметизації спіралей при виготовленні та експлуатації; важкість проведення ремонтних та чистих робіт внутрішніх поверхонь теплообмінника.

1.1.16. Апарати з подвійними стінками (рубашками)

Рис. 1.1.16. Апарати з подвійними стінками (рубашками):

1 – корпус апарату; 2 – рубашка; 3 – фланці; І і ІІ – теплоносії.

Конструкція

Корпус апарату 1 обладнаний із зовнішньої сторони рубашкою 2, в яку подають гарячий чи охолоджуючий теплоносій ІІ. До корпусу апарату 1 кріплять рубашку 2 за допомогою зварювання, болтами або шпильками.

Принцип дії

Теплообмінники з рубашками використовуються в хімічний промисловості як охолоджуючі чи нагрівні апарати при проведенні хімічної реакції. Теплоносій І подається через фланець до корпусу апарату, а інший – до рубашки. Теплообмін відбувається через поверхню стінки апарату. Для інтенсифікації процесу теплопередачі можуть застосовувати механічні мішалки.

Переваги: низькі гідростатичні опори при відносно великих швидкостях руху теплообмінників; легкість очистки внутрішніх поверхонь апарату; надійність та зручність використання; можливість використання апарату в різних технологічних процесах.

Недоліки: неможливість роботи при високих тисках (вище 1 МПа); важкість проведення ремонтних та чистих робіт внутрішніх поверхонь рубашки від накипу та інших забруднень.

1.2. Змішувальні теплообмінники

1.2.1.Сухій протиточний полковий барометричний конденсатор

Рис. 1.2.1. Сухій протиточний полковий барометричний конденсатор :

1 – корпус апарату; 2 – перфоровані полки; 3 –барометрична труба; 4 – ємкість; 5 – вловлювач.

Конструкція

Корпус апарату 1 обладнаний із внутрішньої сторони перфорованими полкам 2. В нижній частині корпусу апарату 1 кріплять барометричну трубу 3 за допомогою болтів. Барометрична труба поміщається в ємкість 4. До апарату також приєднується вловлювач 5, призначення якого відбір несконденсованого повітря, що може викликати різке зниження розрідженості повітря. Потім відсмоктується вакуумним насосом.

Принцип дії

В корпус апарата вводять пар, воду подають на верхню полку, звідки вона каскадно перетікає по полкам, що мають невеликі борти. Вода тече через отвори в полках, а також через борти. Пар контактуючи з водою конденсується і створюється розрідження. Утворений конденсат та пара зливається через барометричну трубу в ємкість. Ємкість та поміщена в неї труба утворюють гідрозатвор

Переваги: надійність та зручність використання; відсутність гідродинамічних опорів; теплообмін відбувається при безпосередньому контакті.

Недоліки: громіздкість; змішування теплоносіїв при теплообміні.

1.2.2. Мокрий полковий конденсатор

Рис. 1.2.2. Мокрий полковий конденсатор:

1 – корпус апарату; 2 –полка; 3 - розпилювач.

Конструкція

Корпус апарату 1 обладнаний із внутрішньої сторони полкам 2. У верхній частині апарату розташований розпилювач 3. Дана конструкція використовується, коли неможливо використати конденсатор з барометричною трубою.

Принцип дії

В мокрому прямоточному конденсаторі полкового типу пара вприскується зверху за допомогою розпилювача і у вигляді плоских струй стікає по полкам. Пара рухається паралельно воді зверху вниз. Конденсат, вода та несконденсовані гази відсмоктуються за допомогою мокро-повітряного насоса.

Переваги: надійність та зручність використання; використовується при неможливості використання барометричної труби; теплообмін відбувається при безпосередньому контакті.

Недоліки: громіздкість; змішування теплоносіїв при теплообміні; відсутність гідростатичного запору, що запобігає проникненню газів та вологи зовні; необхідність використання мокро-повітряного насоса.

1.2.3. Сухий прямоточний конденсатор низького уровня

Рис. 1.2.3. Мокрий полковий конденсатор:

1 – корпус апарату; 2 –сопло; 3 – центр обіжний насос;

4 – повітряний насос.

Конструкція

Сухий прямоточний конденсатор складається з корпусу апарату 1, до якого в нижній частині кріпиться центр обіжний насос 3. У верхній частині апарату розташовано сопло 2. Для збереження вакууму пара, що утворилася при конденсації, повітря і несконденсовані гази відкачуються за допомогою повітряного насоса 4.

Принцип дії

Вода в конденсатор всмоктується розрідження, що утворюється при конденсації пари. Пар поступає у верхню частину апарату і змішується з водою, що розпилюється соплом.

Переваги: теплообмін відбувається при безпосередньому контакті теплоносіїв.

Недоліки: громіздкість; змішування теплоносіїв при теплообміні; великі затрати енергії на переміщення води та відведення конденсату; більша витрата води.

1.2.4. Насадковий теплообмінник-конденсатор

Рис. 1.2.4. Насадковий теплообмінник-конденсатор:

1 – корпус апарату; 2 –насадка; 3 – розпилювальний пристрій.

Конструкція

Насадковий теплообмінник-конденсатор складається з корпусу апарату 1, до якого в верхній частині монтується розпилювальний пристрій 3. В середині корпусу апарату розміщується розпилювальний пристрій 2. Розпилювальні пристрої можливі у різних за формою виконаннях.

Принцип дії

Охолоджуюча рідина в насадковий теплообмінник-конденсатор подається через розпилювальний на насадку. Під дією сили тяжіння вода розтікається по поверхні насадки, цим самим збільшуючи поверхню контакту з паром чи газом, що піднімається.

Переваги: теплообмін відбувається при безпосередньому контакті теплоносіїв; відсутність гідростатичних опорів; компактність; висока продуктивність.

Недоліки: змішування теплоносіїв при теплообміні; можливі втрати несконденсованої пари при відведенні повітря.

1.3. Регенеративні теплообмінники

1.3.1. Регенератор з нерухомою насадкою

Рис. 1.2.4. Регенератор з нерухомою насадкою:

1, 2 – регенеративний теплообмінник з насадкою; 3, 4 – клапани; І, ІІ – теплоносії..

Конструкція

Регенеративний теплообмінник складаються з двох апаратів циліндричної форми 1 і 2, корпуса в яких заповняються насадками. Насадки можуть бути виконані у вигляді звернутої у спіраль гофрованої металічної пластини, цеглини, кусків шамоту та інших матеріалів. Виходи і входи до теплообмінників під’єднуються до клапанів 3 і 4. В клапані за допомогою мембрани можливо змінювати потік теплоносіїв.

Принцип дії

В період нагріву насадки апарату 1 через нього пропускають гарячий теплоносій І, який охолоджується і надходить на подальшу переробку. А через апарат 2 пропускають холодний теплоносій ІІ, який відбирає тепло у насадки нагрітої у попередній цикл. Кожен цикл складається із двох періодів: розігріву та охолодження насадки. Переключення апаратів здійснюється за допомогою клапанів після кожного періоду автоматично.

Переваги: можливість досягнення великих ККД в таких апаратах; значна економія палива при нагріванні теплоносіїв до високих температур (до 1000 °С); мала відвідна температура гарячого теплоносія; дозволяє контролювати і значно знизити максимальні температури в зоні нагрівання.

Недоліки: виникнення опорів при проходженні теплоносіями клапанів; можливість потрапляння одного теплоносія в об'єм іншого; циклічність роботи

1.4. Винаходи та корисні моделі, що відносяться до теплообмінників

1.4.1. Теплообмінник типу «труба в трубі», патент №1889 U

Рис. 1.4.1. Теплообмінник типу «труба в трубі», патент №1889 \3: 1 - корпус апарату ; 2 - стінка; 3 - порожнина, середовищем, що охолоджується; 4 - порожнина, середовищем, що охолоджує; 5 -ребра внутрішньої стінки; 6 - ребра зовнішньої стінки; І, II -теплоносії.

Конструкція

Пропонований теплообмінник містить корпус 1, стінку 2, що розділяє корпус теплообмінника на порожнину 3 з теплоносієм І, що охолоджується, та порожнину 4 з теплоносієм II, що охолоджує. Стінка 2, через яку здійснюється передача тепла, оснащена з сторони, що охолоджується прямими ребрами 5, розміщеними вздовж осі трубопроводу 2. Зовні стінка 2 оснащена ребрами 6, які установлені перпендикулярно ребрам 5 та охоплюють стінку 2.

Принцип дії

Теплообмінник працює наступним чином. Середовище, що охолоджується, наприклад, димові гази надходять до порожнини 3, проходять вздовж стінки 2 між ребрами 5, віддають тепло ребрам 5 та стінці 2. Теплова енергія відбирається середовищем, що охолоджує, в порожнині 4 теплообмінника шляхом його контакту з стінкою 2 та ребрами 6.

Основні відмінності від прототипу

Теплообмінник, що містить корпус, стінку, яка розділяє порожнину корпусу на камери для робочих середовищ, оснащену з двох сторін направляючим апаратом у вигляді ребер, розміщених на кожній із сторін стінки у взаємно перпендикулярному напрямку, засоби для підведення середовищ, між якими здійснюється теплообмін, та їх відведення, який відрізняється тим, що стінка являє собою замкнений контур у вигляді трубопроводу, а ребра всередині трубопроводу розміщені вздовж його осі.

1.4.2. Секційний кожухотрубчастий теплообмінник, патент №26908 u

Рис. 1.4.2. Секційний кожухотрубчастий теплообмінник, патент №26908 U:1 - корпус апарату ; 2 - стінка; 3 - порожнина, середовищем, що охолоджується; 4 - порожнина, середовищем, що охолоджує; 5 -ребра внутрішньої стінки; 6 - ребра зовнішньої стінки; І, II -теплоносії.

Конструкція

Теплообмінник містить декілька секції 1, що сполучені між собою по трубному простору (при цьому теплоносій у міжтрубному просторі кожної секції 1 або будь-якій їхній комбінації може рухатися як послідовно, так і паралельно). Секції 1 з'єднані між собою трубчатками 2 через перехідні кільця 3, кожне з яких споряджене п-1 поздовжніми перегородками 4, де п - кількість ходів теплообмінника по трубному простору. Кожне перехідне кільце 3 може бути виконане з отворами під стрижні кріпильних елементів (шпильок або болтів), що з'єднують між собою сусідні секції 1.

Принцип дії

Залежно від витрат та інших параметрів теплоносіїв між собою з'єднують необхідну кількість секцій, при цьому залежно від умов оброблення теплоносія в трубному просторі міжтрубні простори секцій теплообмінника з'єднують між собою послідовно, паралельно або за змішаною схемою. Далі до теплообмінника підводять потоки теплоносіїв І і II, після чого відбувається процес теплообміну між ними.

Основні відмінності від прототипу

1. Секційний кожухотрубчастий теплообмінник, що містить щонайменше дві секції, що з'єднані між собою по трубному простору, який відрізняється тим, що секції з'єднані між собою трубчатками через перехідні кільця.

2. Кожне перехідне кільце виконане з отворами під стрижні кріпильних елементів, що з'єднують між собою сусідні секції.

3. Перегородки встановлені в пазах, виконаних з внутрішнього боку відповідного перехідного кільця.

1.4.3. Пластинчасто-ребристий теплообмінник, патент №27878 U

Рис. 1.4.3. Пластинчасто-ребристий теплообмінник, патент №27878 U: 1,2- відповідно плоскі і штамповані деталі; 3 - гофрована сітка; 4 - гофрована металева стрічка; 5 - ребра внутрішньої стінки.

Конструкція

Теплообмінник складається із плоских і штампованих деталей із металевого листа 1, 2 з розміщеними в каналах (не показані) для охолоджуваного середовища вставок із гофрованої сітки 3. В каналах для охолоджуючого повітря розміщені вставки із гофрованої металевої стрічки 4. Дротини сітки із захисним покриттям З в перехрестях і в контакті з листами 1,2 мають паяні з'єднання 5.

Принцип дії

Теплообмінник містить секції з каналами для переміщення охолоджуваного середовища (повітря) з розміщеними в них гофрованими стрічками із металевої сітки, а також секції з каналами для охолоджуваного середовища, що містять вставки із гофрованої сітки. Теплообмін відбувається через поверхню стінки, що розділяє потоки. Використовуються тоді, коли коефіцієнт тепловіддачі середовищ дуже відрізняються по величині.

Основні відмінності від прототипу

1. Теплообмінник пластинчато-ребристий відрізняється тим, що кожне перехрестя сітки, плетеної з металевого дроту, має покриття і має паяне з'єднання.

2. Теплообмінник пластинчато-ребристий відрізняється тим, що покриття виготовлено із дрібнодисперсних порошків N1, Сг, 8і, В.

3. Теплообмінник пластинчато-ребристий відрізняється тим, що паяні з'єднання перехресть входять до складу зносостійкого корозійностійкого покриття на дроті сітки.

4. Теплообмінник пластинчато-ребристий відрізняється тим, що покриття має склад, який забезпечує перехід його в розплавлений стан при температурі паяння теплообмінника.

5. Теплообмінник пластинчато-ребристий відрізняється тим, що перехрестя встановлені з можливістю забезпечення теплообміну всієї гофрованої сітки.

1.4.4. Кожухотрубчастий теплообмінник з колекторами входу-виходу середовищ, патент №30468 U

Рис. 1.4.4. Кожухотрубчастий теплообмінник з колекторами входу-виходу середовищ, патент №30468 U: 1 - кожух; 2, 3 - колектор входу середовищ трубного і між­трубного простору; 4 - колектор входу середовища трубного простору; 5 - зливна колекторна труба; 6, 7 - нижні трубні решітки; 8 - теплообмінний пучок; 9 - верхня трубна решітка.

Конструкція

Теплообмінник містить кожух 1, в якому розташовано теплообмінний пучок 8 у вигляді трубок Фільда, що закріплені в нижніх трубних решітках 6, 7 та верхній трубній решітці 9, колектор входу 2 і 3 середовищ трубного та міжтрубного простору, колектору 4 виходу середовища трубного простору, зливної колекторної труби 5 виходу середовища міжтрубного простору.

Принцип дії

Гарячий теплоносій через колектор входу 2 надходить в теплообмінні трубки Фільда 8 і відводиться через колектор виходу 4. Холодний теплоносій, що має високу в'язкість, через колектор входу 3 потрапляє в міжтрубний простір, підігрівається за рахунок теплоти, яка передається через трубки Фільда 8 від гарячого теплоносія і відводиться через зливну колекторну трубу виходу 5.

Основні відмінності від прототипу

У нижній частині кожуху розташовані з одного боку колектори входу середовищ трубного та міжтрубного простору, а з другого - колектор виходу середовища трубного простору, колектор виходу середовища міжтрубного простору виконано у вигляді зливної циліндричної труби, що розташована вертикально по осі теплообмінника і закріплена у нижні трубні решітки паралельно до трубок Фільда, які зафіксовано у нижніх та верхній трубній решітках.