5.3. Элементные теплообменные аппараты.

Элементные (или секционные) теплообменные аппараты (ЭТА), как и ТАТТ, также являются упрощенной разновидностью кожухотрубчатых аппаратов (их см. ниже) при числе труб в пучке, бóльшем 1 и мéньшем 150 – 200. Такие аппараты выделены в отдельную группу. Это выделение достаточно условно, так как среди кожухотрубчатых аппаратов есть такие, у которых число труб в пучке лежит в пределах 13 – 200. Главной особенностью ЭТА является то, что они одноходовые и не имеют поперечных перегородок между трубами.

Пример ЭТА – водоводяные секционные подогреватели систем отопления и горячего водоснабжения. Их некоторые технические характеристики приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3. Технические характеристики секционных водоподогревателей (СВП)

Типы СВП	Диаметр кожуха, м	Число труб в пучке, шт	Площадь поверхности одной секции, м2	Длина пучка, м
1	0,057	4	0,37	2
2	0,057	4	0,75	4
3	0,076	7	0,65	2
4	0,076	7	1,31	4
5	0,089	12	1,11	2
6	0,089	12	2,24	4
7	0,114	19	1,76	2
8	0,114	19	3,54	4
9	0,168	37	3,40	2
10	0,168	37	6,90	4
11	0,219	64	5,89	2
12	0,219	64	12,0	4
13	0,273	109	10,0	2
14	0,273	109	20,3	4
15	0,325	151	13,8	2
16	0,325	151	28,0	4

СВП изготавливают полужёсткой конструкции, т. е. с линзовым компенсатором, а для систем горячего водоснабжения – жёсткой конструкции, без компенсации температурных расширений. Их используют при давлении сред до 1 МПа и температуре горячей воды до 180 ºС. Каждая секция СВП состоит из кожуха с приваренными к нему трубными решётками. В решётках развальцованы теплопередающие латунные трубы наружным диаметром d_н=0,016 м и толщиной 0,001 м. Отдельные секции соединены между собой «калачами». Нагреваемая вода движется внутри труб, греющая – в кожухе.

5.4.Кожухотрубчатые теплообменные аппараты.

5.4.1. Общая характеристика.

Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменные аппараты (КТА). Некоторые из них показаны на рис.5.2 – 5.22.

Классификация КТА по назначению:

• Теплообменники (нагреватели–охладители)……………………………………..Т

• Охладители жидкостей и газов водой и хладагентами………………………….Х

• Конденсаторы для конденсации и охлаждения паров водой и хладагентами…К

• Испарители для нагрева и испарения жидкостей………………………………..И

• Холодильный конденсатор для конденсации холодильных агентов…………КТ

• Холодильный испаритель для охлаждения сред в холодильных установках..ИТ

Тепловые расширения кожуха и трубного пучка компенсируются двумя способами: компенсатором тепловых удлинений, расположенным на кожухе между телом кожуха и фланцевым соединением с нижней распределительной камерой; свободноплавающей нижней или верхней распределительной камерой, установленной внутри кожуха. В этом случае тепловые расширения кожуха не препятствуют тепловым расширениям трубной системы. Применение КТА с температурным компенсатором на кожухе ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большом давлении в кожухе (1,6  8,0 МПа) следует принять теплообменный аппарат с плавающей головкой или с U  образными трубами. Применение U  образных труб в вертикальных аппаратах снимает проблему ограничений на тепловые расширения кожуха, так как трубная система не зафиксирована с одной стороны. Система из спиральновитых труб применяется только в аппаратах, где движущаяся внутри труб жидкость находится под давлением более 10 МПа.

Из сказанного следует классификация КТА по жёсткости конструкции:

• С неподвижными трубными решётками………………………………………..Н

• С температурным компенсатором на кожухе..…………………………….….К

• С плавающей головкой (сборка движущейся внутри.. ……………………….….П

кожуха трубной доски с крышкой на ней)

• С U–образным трубным пучком….……………………………………………….У

• С витыми (спиральными) трубами….…………………………………………...В

Область температур сред в стандартных КТА общепромышленного назначения следующие:

• Теплообменники ТН, ТК от – 30 °С до 350 °С,

ТП, ТУ от – 30 °С до 450 °С.

• Охладители Х, ХН, ХК от 0 °С до 300 °С,

ХП, ХУ от – 30 °С до 400 °С,

хладагенты от – 20 °С до 60 °С.

• Конденсаторы конденсируемая среда

КН, КК от 0 °С до 300 °С,

КП, КУ от 0 °С до 400 °С,

охлаждающая среда – хладагенты

от – 20 °С до 60 °С.

• Испарители ИН, ИК от – 30 °С до 350 °С,

ИП, ИУ от – 30 °С до 450 °С.

• Холодильные конденсаторы КТ конденсируемый хладагент

от 0 °С до 100 °С,

охлаждающая среда

от – 20 °С до 50 °С.

• Холодильные испарители ИТ от – 60 °С до 40 °С.

Материал узлов КТА – углеродистая и коррозионно–стойкая сталь, латунь, алюминиево–магниевые сплавы.

При изготовлении теплопередающих поверхностей КТА чаще всего используют гладкие прямые каналы круглой формы, т. е. круглые трубы, прежде всего из– за максимальной простоты технологии производства аппаратов.

Кроме того, гладкие круглые трубы по сравнению с трубами другой формы обладают минимальным гидравлическим сопротивлением при одинаковых эквивалентных живых сечениях канала. Это способствует минимизации затрат мощности на прокачку теплоносителей. При работе под давлением такие каналы имеют максимальную прочность по сравнению с другими каналами. Этим объясняется широкое применение гладкотрубных поверхностей в рекуперативных теплообменных аппаратах. С другой стороны из– за гладкой поверхности канала происходить минимальная турбулизация среды. Поэтому коэффициент теплоотдачи также минимален, что является ухудшающим событием. Таким образом, для каждого конкретного случая обоснованный выбор перечисленных конструктивных факторов – задача чисто оптимизационная.

В КТА различных технических систем, например, в конденсаторах паровых турбин, водоподогревателях тепловых электростанций и тепловых сетей обычно применяют трубы c внутренним диаметром не менее 12 мм (для удобства чистки поверхностей) и не более 38 мм, так как при увеличении диаметра труб значительно снижается компактность теплообменного аппарата и возрастает его металлоемкость. Длина трубного пучка колеблется от 0,5 до 5–6 м. Толщина стенки труб  от 0,5 до 2,5 мм.

Кожухотрубчатые аппараты выполняют с горизонтальным и вертикальным расположением корпуса. Обычно корпус располагают горизонтально в аппаратах типа жидкость–жидкость и реже газ–жидкость, пар–жидкость. Вертикальные теплообменные аппараты более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь.

Кожухотрубные аппараты вертикального типа могут выполняться с тремя трубными системами: прямотрубной, U – образной и спиральновитой.

В межтрубном пространстве при течении жидкости или неконденсирующихся газов для организованного эффективного поперечного обтекания трубного пучка, обеспечивающего более высокие значения коэффициента теплоотдачи, устанавливают поперечные перегородки различной формы.

При течении в межтрубном пространстве конденсирующегося газа (пара) благодаря поперечным перегородкам формируется более равномерная раздача пара на трубный пучок и достигается натекание теплоносителя на трубы параллельными струями. Подвод пара (газа) осуществляется с верхней образующей, отвод конденсата  снизу. Поперечные перегородки устанавливаются чаще, чем в аппарате жидкость–жидкость.