2.3.2 Теплообменники "труба в трубе"

Такие теплообменники применяют при небольших расходах рабочих жидкостей и высоких давлениях. Они составляются из нескольких последовательно соединенных элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами (рисунок 2.9). Каждый элемент состоит из двух труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинированно. При этом трубы соединяются с трубами, а кольцевые пространства с кольцевыми пространствами. Достоинством таких теплообменников является соблюдение противотока, что обеспечивает наиболее полное использование теплоносителя.

1 – крышка; 2 – корпус; 3 – U - образные трубки

Рисунок 2.8 – Схема

теплообменника с

U-образными трубками

1 – наружная труба;

2 – внутренняя труба;

3 - колено; 4 – патрубок

Рисунок 2.9 – Теплообменник типа «труба в трубе»

Они позволяют достигать довольно высоких скоростей жидкости в диапазоне от 1 до 1,5 м/с, что уменьшает возможности отложения загрязнений на поверхности теплообмена и увеличивает значения коэффициентов теплоотдачи. Отметим, что эти теплообменники более громоздки, по сравнению с кожухотрубными, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена.

2.3.3 Погружные трубчатые теплообменники

Они имеют вид змеевика 1 (рисунок 2.10), погруженного в аппарат 2, заполненный жидкостью. Коэффициент теплопередачи в них невелик, т.к. жидкость снаружи змеевика движется только под действием свободной конвекции. Обычно и внутри трубок скорость движения рабочего тела невелика. Поэтому для интенсификации процесса необходимо применять мешалки, т.е. использовать вынужденную конвекцию. Обычно змеевики применяются там, где не требуется подводить большое количество тепла или в качестве дополнительной поверхности (наряду с рубашкой).

Рисунок 2.10 – Погружной змеевиковый теплообменник

Рисунок 2.11 – Оросительный теплообменник

2.3.4 Оросительные теплообменники

Такой теплообменник (рисунок 2.11) представляет собой трубу 2 с прямоугольными витками, соединенными коленами 3, закрепленными на стойке 4. Ох­лаждаемая жидкость вытекает из распределительного желоба 1 на наружную поверхность верхнего витка трубы и затем последовательно стекает на нижерасположенные и в сборный желоб 5. Жидкость, омывающая трубки, нагрева­ется или охлаждается в зависимости от температуры среды, протекающей внутри. Недостатки оросительных теплообменников: громоздкость и неравно­мерность смачивания наружной поверхности труб. Как правило, они распола­гаются вне помещения. Теплообменники этого типа применяются в холодиль­ной технике в качестве конденсаторов, работающих при высоких давлениях хладоагента для охлаждения жидкостей. Они работают при небольших тепловых нагрузках и имеют невысокие коэффициенты тепло­отдачи.

2.3.5 Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева

К этому типу относятся различные ребристые, пластинчатые и другие теплообменники. Оребрение поверхности производится с той стороны, где меньше зна­чение коэффициента теплоотдачи. Это делается для создания большей по­верхности контакта стенки с рабочей средой. Ребристый теплообменник для нагревания или охлаждения называется калорифером (рисунок 2.12). Он пред­ставляет собой две коробки 1, плоскости которых соединены рядом трубок 2, имеющих наружную ребристую поверхность.

1 - коробка; 2 - ребро; 3 – труба

Рисунок 2.12 – Секция калорифера

Через входной патрубок посту­пает вода (пар), которая заполняет коробки 1 и трубки 2. Через выходной пат­рубок вода (конденсат) отводится. Между ребрами трубок проходит воздух (газ), поток которого ограничен с боковых стенок калорифера плоскими лис­тами. Калориферы могут соединяться в батареи параллельно или последова­тельно. Ребристые калориферы изготовляются различных размеров, они от­личаются числом трубок, их длиной и т.д.

1 – крышка; 2 - перегородка; 3,4 - металлические листы

Рисунок 2.13 – Спиральный теплообменник

С

Скорость воздуха определяют в зависимости от его расчетного расхода и живого сечения межтрубного пространства (≈ 40%). Зная скорость воздуха и температуру теплоносителя, находят коэффициенты теплопередачи по гра­фикам и номограммам для каждого типа калорифера. Эти графики обычно приводятся в каталогах калориферов [6]; там же указывается гидравлическое со­противление, необходимое для расчета вентилятора.

Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, образованных металлическими листами (рисунок 2.13).

Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы за­крыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов имеются патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к плоским боковым крышкам.

1 – верхний несущий брус; 2 – неподвижная плита; 3 - пластина; 4 – подвижная плита; 5 – нижний несущий брус; 6 – направляющая стяжная шпилька; 7 - стойка

Рисунок 2.14 – Пластинчатый теплообменник

Такие теплообменники использу­ются для теплообмена между жидкостя­ми и газами. Эти теплообменники не за­биваются твердыми частицами, взве­шенными в теплоносителях, поэтому они применяются для теплообмена ме­жду жидкостями с взвешенными части­цами. Спиральные теплообменники ком­пактны, позволяют проводить процесс теплопередачи при высоких скоростях теплоносителей с высокими коэффициентами теплопередачи; гидравлическое сопротивление спиральных теплооб­менников ниже сопротивления многоходовых аппаратов при тех же скоростях теплоносителей.

Недостатком спиральных теплообменников является сложность изго­товления, ремонта и чистки.

Пластинчатые теплообменники (рисунок 2.14) монтируются на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих брусов, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей. Уплотнение пластин достигается с по­мощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабо­чие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, прохо­дят по чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия. Принцип действия пластинчатого теплообменника показан на рисунке 2.15. Как видно из этой схемы, теплообмен происходит в противотоке, причем каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны пластины.

Пластинчатые теплообменники используются в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для

Рисунок 2.15 – Принцип действия пластинчатого теплообменника

пастеризации, например молока, и стерилизации (мелассы). Эти теплообменники можно собирать в виде многосту­пенчатых агрегатов.

Пластинчатые тепло­обменники компактны, обла­дают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофри­рованием пластин.

Высокая эффективность обусловлена высоким отношением площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника за счет высоких скоростей теплоносителей, а также турбулизации потоков гоф­рированными поверхностями пластин и низкого термического сопротивления стенок пластин.

Эти теплообменники изготавливаются в виде модулей, из которых может быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи, необходимой для осуществ­ления технологического процесса. К недостаткам отно­сятся сложность изготов­ления, возможность заби­вания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами.