2. Рекуперативные теплообменные аппараты.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой уст­ройства, предназначенные, для передачи теплоты от одного теплоноси­теля к другому через разделительную стенку с целью нагрева, охлаждения, испарения, конденсации, плавления, а также других более сложных физико-химических процессов.

Р екуперативные аппараты работают, как правило, в стационарных в условиях, так что направление теплового потока через поверхность теплообмена остается неизменным. Эти аппараты чрезвычайно широко используются в криогенной технике и являются обязательным элементом практически любой низкотемпературной установки.

1) Классификация Основными типами рекуперативных теплообменников, различаются по виду теплопередающей поверхности, являются прямотрубные, змеевиковые, витые, пластинчато-ребристые, сетчатые теплообменники, конкретные схемы теплообменников показаны на рис. 2.1.

В зависимости от взаимного направления потоков рабочих сред теплообменные аппараты подразделяются на (рис. 2.2.): а) прямоточные; б) противоточные; в) с однократным перекрестным током; г) с многократным перекрестным током; д)со сложной схемой движения потоков.

Рис. 2.2. Схемы взаимного движения потоков рабочих сред.

а — прямоток; б — противоток; в — однократный перекрестный ток; е — многократный пере­крестный ток; д — сложные схемы движения рабочих сред.

В зависимости от агрегатного состояния хладагентов аппараты делятся на жидкостао-жидкостные, газожидкостные и газо-газовые при этом теплообменники могут работать как без изменения агрегат­ного состояния рабочих сред, так, и с изменением агрегатного состояния одного или обоих хладагентов.

Поведение хладагентов с точки зрения наличия или отсутствия фазового перехода чаще всего определяет назначение того или иного теплообменника и дает возможность классифицировать их и по этому принципу. В частности, могут быть выделены подогреватели, охлади тел и, испарители, конденсаторы, конденсаторы-испарители, осушители и т. д.

Большинство аппаратов газоразделительных установок, рефриже­раторов и ожижителей эксплуатируется, как правило, в режиме, когда давление прямого потока существенно превышает давление обратной потока. В этом случае наблюдается заметное различие в значениях коэффициентов теплоотдачи с двух сторон разделительной стенки теплообменииков, что делает целесообразным осуществление дополнительных мер, обеспечивающих увеличение интенсивности переноса тепло­ты с той стороны поверхности теплообмена, где коэффициент теплеют дачи имеет меньшее значение.

Одним из известных способов интенсификации теплоотдачи является увеличение скорости потока за счет повышения мощности привод соответствующего насоса, компрессора или вентилятора. Однако та кой, способ не всегда оказывается возможным или целесообразным.

Существенное повышение эффективности теплообменного аппарата может быть достигнуто за счет оребрения поверхностей нагрева. По­верхности нагрева с односторонним оребрением часто используются в кожухотрубчатых и витых теплообменниках.

Существует большое число способов оребрения поверхностей нагрева. На рис. 2.3 изображены, например, некоторые выпускаемые про мышленностью типы сребренных поверхностей [73, 75]. При низких значениях коэффициентов теплоотдачи с обеих сторон разделительной стенки теплообменника в целях повышения компактности аппарата часто используют двухстороннее оребрение. Наиболее совершенным типом аппаратов с двухсторонним оребрением поверхностей нагрева являются пластинчато-ребристые, теплообменники, полу­дившие в низкотемпературных установках в последние годы широкое распространение. Конструктивные формы пластинчато-ребристых теплообменников весьма разнообразны. Однако все они набираются из па­ркетов, в каждом из которых чередуются плоские и гофрированные листы тонкого металла. Плоские листы и дополнительная гофрированная поверхность, выполняющая роль оребрения, изготавливаются из меди, и некоторых других высокотеплопроводных сплавов. В разных теплообменниках и даже в одном и том же аппарате могут, использованы различные типы оребрения.

Весьма перспективным способом интенсификации теплообмена со стороны кипящей жидкости и конденсаторах-испарителях является ис­кание пористого покрытия поверхности нагрева, ение вопроса о применении в конкретной установке теплообмен-аппарата того или иного типа обычно зависит от целого ряда связанных обстоятельств. Главными требованиями, предъявляемые в этих случаях к теплообменному аппарату, являются соблюдения на данных условий процесса, высокая производительность и эконо­мичность работы, малая масса, компактность, простота конструкции, надежность работы и удобство эксплуатации.

Первое требование — соблюдение заданных условий процесса — применительно к теплообменникам криогенных систем сводится по существу к необходимости обеспечения работы на заданном уровне тем­ператур и давлений рабочих сред и возможности регулирования этих параметров.

Высокая производительность теплообменного аппарата достигается соответствующим выбором скоростей рабочих сред, соответствующей конфигурацией поверхности нагрева, обеспечением по возможности бо­лее близких друг к другу значений коэффициентов теплоотдачи по обе стороны поверхности теплообмена, предупреждением загрязнения этой поверхности. В аппаратах, работающих с изменением агрегатного со­стояния хладагентов, большое значение имеет исключение факторов, ухудшающих конденсацию или кипение (удаление неконденсирующих­ся газов, обеспечение циркуляции кипящей жидкости, выбор соответст­вующих мест подвода и отвода пара и т. д.).

Малая масса, компактность, простота конструкции, надежность ра­боты и удобство эксплуатации обеспечиваются посредством осущест­вления ряда мер, среди которых можно отметить надлежащий выбор конфигурации и компоновки поверхности нагрева, обеспечение необходимого теплообмена.

Рис. 2.20. Принципиаль­ная схема кожухотрубного теплообменного ап­парата.

3. Прямотрубные теплообменные аппараты. Прямотрубные рекуперативные, теплообменики в технике низких температур применяются установках для разделения газовых смесей изготавливаются, как правило, в виде кожухотрубных аппаратов (рис. 2.20), кото­рые состоят из пучка труб 1, концы которых крепятся в трубных решетках 2. Трубы с трубными решетками за­ключены в кожух 3 с крышками 4. Один из хладагентов поступает в труб­ное пространство и выходит из него через патрубки, установленные на крышках. Для подвода и отвода второго хладагента, проходящего по меж­трубному пространству, служат па­трубки, размещенные в верхней и ниж­ней частях кожуха. Если разность температур трубок и кожуха невелика, аппараты выполняются жесткой кон­струкции. В противном случае исполь­зуется нежесткая конструкция, кото­рая обеспечивает компенсацию терми­ческих деформаций кожуха и тру­бок. С этой целью используют, например, линзовые компенсаторы на корпусе или сальниковое уплотнение между кожу­хом и одной из трубных решеток. Для уменьшения гидравлического сопро­тивления аппарата по межтрубному пространству и улучшения условий внешнего обтекания труб диаметр кор­пуса теплообменников в местах ввода и вывода рабочей сфедаилшгда не­сколько увеличивают. Используют сегментные или концентрические, со­стоящие из чередующихся плоских колец и дисков, перегородки. Пере­городки обоих типов имеют отверстия для труб. Характер движения потоков газа в межтрубном пространстве с установленными в нем по­перечными перегородками показан на рис. 2.22.

Уменьшение проходного сучения межтрубного пространства может быть также достигн^о\ад_':сче^ установки внутренней рубащки и стяги­вания рядов труб, расположенных по окружности, проволокой с целью уменьшения зазора между ними. На рис. 2.23 показан детандерный

Рис. 2.22. Схемы теплообменных ап­паратов с сегментными (а) и концен­трическими (б) перегородками. теплообменник воздухоразделительной установки (ВРУ) АКт-16-1. Интенсификация процесса теплообмена в межтруЗном пространстве осуществляется за счет использованид-'рубашкй и потгеречнцх пере­городок, л

Теплообменник предназначен для вымораживания двуокиси угле­рода из потока воздуха, который проходит по межтрубному простран­ству. Давление обоих потоков 6 МПа.

Равномерность обтекания пучка труб газом в кожухотрубных тепло­обменниках зависит от способа размещения труб в трубной решетке. Чаще всего разбивку осуществляют по сторонам правильных шести­угольников или по концентрическим окружностям (рис. 2.24). В первом случае общее число труб, заключенных внутри шестиугольника,

Материалами для изготовления труб служат медь, нержавеющая сталь или алюминиевые сплавы. Толщина стенок труб по условиям прочности и коррозионной стойкости должна быть не менее 0,5 мм для медных трубок и 1,5 мм для сталь­ных. Трубные решетки изготавли­вают из стали или из железомарганцевой латуни. Трубы в трубных решетках крепят с помощью пайки мягким припоем или аргонодуговой', сварки.

4. Витые теплообменные аппараты _

Наибольшее распространение в установках криогенной техники по­лучили витые теплообменники, отличающиеся достаточно высокой тех­нологичностью, большой компактностью, относительно малым гидрав­лическим сопротивлением. Компактность 5Т, м2/м3, этих аппаратов до­стигает нескольких сотен, а в отдельных случаях — нескольких тысяч,.. эсЬгЬе.ктивность р.т = 0.95-4-0.97. Схема аппарата витого типа приведена на рис. 2.31. Основным элементом тепло­обменника являются гладкие трубы 2, навитые в несколько слоев на полый заглушенный сердечник 1. На внеш­ней поверхности обечайки 4, изготав­ливаемой из листового металла, уста-' навливаются патрубки 5' для подвода и отвода теплоносителя. Зазор между соседними слоями труб, необходимый для прохода газа, обеспечивается не­сколькими продольно установленными прокладками 3, выполненными в виде медных или латунных полос толщиной 1—3 мм. Концы труб после намотки выводятся в отверстия коллекторов 6 и опаиваются. Поток высокого давле­ния направляют, как правило, в тру­бы, а обратный поток низкого давле­ния движется противопотоком в меж­трубном пространстве.

При изготовлении витых теплооб­менников применяют плотную, разре­женную или шаговую навивку гладких труб на сердечник (рис. 2.32). Аппара-,ты с плотной навивкой наиболее ком­пактны и просты в изготовлении. В теплообменниках с разреженной и шаговой навивкой обеспечиваются лучшие условия теплоотдачи в меж­трубном пространстве. Как видно из рис. 2.32, шаговая навив'ка выполняется без дистанционных прокла-до'к, и каналы для прохода теплоносителя в этом случае образу­ются вследствие чередования правой и левой намоток от одного ряда к другому.

Для повышения скорости движения потока в межтрубном простран­стве витые теплообменники при большом числе труб изготовляются многозаходными. В этом случае живое сечение уменьшается за счет снижения числа слоев навивки. Количество заходов ,труб увеличивает­ся от ряда к ряду примерно пропорционально росту, среднего диаметра навивки. При выполнении этого условия длина всех труб оказывается примерно одинаковой, и, таким образом, обеспечивается приблизитель­ное равенство гидравлических сопротивлений и расходов в них.

В итые гладкотрубные аппараты различаются не только по способу навивки труб на сердечник,* но также и по количеству потоков тепло- . носителей, участвующих в теплообмене, типу коллекторов, значениям и рабочих давление На рис. 2.33 приведен схематический чертеж двухпоточного витого* многоходового теплообменника, используемого в ВРУ КтА-12-2. Избы­точное рабочее давление газов в теплообменнике равно 0,6 МПа. По­верхность нагрева аппарата выполне-. на из 240 трубок диаметром 10x1 мм и длиной около 34 м каждая, изготов­ленных, как и корпус, из нержавею­щей стали 12Х18Н10Т. Концы трубок с помощью аргонодуговой сварки вварены с шагом 14 м(м в коллекторы фланцевого типа.

Для организации теплообмена од­новременно между несколькими рабо­чими средами используются более сложные конструкции трех- и много­поточных теплообменных аппаратов. На рис; 2.34 показано устройство трехпоточного теплообменника уста­новки К-0,04. Пстерхность теплообме­на этого аппарата выполнена из теп­лообменных элементов типа «труба * в трубе», по внутренним трубкам кото­рых движется кислород, сжатый до давления 16,5 МПа, а по • кольцевому зазору проходит поступающий на раз­деление воздух при давлении 10— 12 МПа. С внешней стороны трубы омываются потоком азота, отбираемо­го из верхней части ректификацион­ной колонны. В аппарате применены кольцевые коллекторы из меди, в ко­торые вварены муфты соответствую­щего размера для крепления в них на пайке труб малого (5X1 мм) и боль­шого (10x1,5-мм) диаметров.

На рис. 2.35 показан коллектор флан­цевого типа, разработанный для трехпо-точного теплообменника высокого дав­ления. Схема расположения коллекторов в аппарате с секцией труб для дополни­тельного (третьего), потока показана на рис. 2.36. Для уплотнения крышек кол­лекторов в теплообменниках, работаю­щих при повышенных давлениях, как правило, используются прокладки из отожженной меди, или алюминия.

Стремление к уменьшению суммарной наружной поверхности элементов и узлов криогенных установок с целью снижения внешних тёплопритоков привело к созда­нию многосекционных аппаратов, ис­пользуемых вместо двух или нескольких последовательно включенных теплообмен­ников. На рис. 2.37 изображен двухсекци­онный переохладитель ожиженных газов (азота и кубовой жидкости) ВРУ К/г-12 (БР-1), перерабатывающий 62 тыс. м3/ч воздуха. Кубовая жидкость после адсор­беров поступает в нижнюю часть пере­охладителя при давлении 0,58 МПа, где охлаждается до температуры 96 К за счет подогрева отходящего из верхней колон­ны газообразного азота (р—0,14 МПа). В трубах верхней секции переохладителя происходит охлаждение сжиженного азо­та, отводимого из конденсатора нижней ректификационной колонны при давле­нии 0,58 МПа.

Одним из недостатков витых теплооб­менников, выполненных из гладких труб, являются худшие условия теплоотдачи в межтрубном пространстве по сравне­нию с теплоотдачей в трубах. В частно­сти, в аппаратах высокого давления ко­эффициенты теплоотдачи прямого и об­ратного газообразных потоков могут различаться в 3—5 раз, а при течении в трубах ожиженных газов — в 8—10 раз. Увеличение наружной поверхности труб за счет оребрения позволяет существенно улучшить тепловые характеристики аппарата при одновременном снижении его массы и габаритов. В современных теплообменниках для этих целей используются медные трубы с попе­речными спиральными ребрами, изготовленные методам холодной про­катки. Профиль такой трубы и способы ее навивки на сердечник пока­заны на рис. 2.38.

Н аиболее распространенными способами намотки труб являются спо­собы, показанны на рис. 2.38,6 и 'в.. Роль дистанционных прокладок в этом случае выполняют ребра. Дл*я увеличения скорости рабочей сре-•, ды в межтрубном пространстве и улучшения условий обтекания оребренных труб потоком газа в зазоры между трубами часто укладывают хлопчатобумажный шнур.