1. Конструкции теплообменных аппаратов

Теплообменники – это аппараты, в которых осуществляется теплообмен между греющей и нагреваемой средами. Греющие и нагреваемые среды называют теплоносителями. Среди других аппаратов технологической установки теплообменные аппараты являются самыми многочисленными. Они предназначены не только для поддержания технологического процесса, но и обеспечивают регенерацию теплоты (холода) отходящих потоков, сокращая тем самым расход топлива, пара, а также охлаждающих сред (воды, воздуха, хладоагента).

В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, кипение и др. Теплообменники также могут выполнять различные функции. В зависимости от этого различают подогреватели, испарители, конденсаторы, холодильники, кристаллизаторы.

Подогреватели – аппараты для нагрева дистиллятов или реагентов за счет тепла теплоносителя. Целевым процессом в них является нагрев.

Испарители – аппараты для испарения одной из сред за счет использования высокотемпературных теплоносителей.

Конденсаторы – аппараты для конденсации и охлаждения паров путем передачи теплоты охлаждающему агенту.

Холодильники – аппараты для охлаждения жидких потоков. Если при охлаждении из жидкого потока выделяются кристаллы вещества, то холодильный аппарат называют кристаллизатором. В конденсаторах, холодильниках и кристаллизаторах целевым процессом является охлаждение горячей среды.

Теплообменные аппараты по принципу взаимодействия фаз разделяют на поверхностные, смесительные и регенеративные.

В поверхностных теплообменниках теплообмен между средами может осуществляться через трубчатую, плоскую или иную поверхность (например, кожухотрубчатые, пластинчатые, спиральные теплообменники и др.). К теплообменникам с трубчатой поверхностью теплообмена относятся кожухотрубные (кожухотрубчатые) и змеевиковые теплообменники, а также теплообменники типа «труба в трубе».

К теплообменникам с плоской поверхностью теплообмена относятся пластинчатые, спиральные теплообменники, теплообменники с оребренной поверхностью теплообмена; а также с поверхностью теплообмена, образованной стенками аппарата (аппараты с рубашкой) и др.

В смесительных теплообменниках теплоноситель непосредственно смешивается с рабочей средой. К смесительным теплообменникам можно отнести градирни, конденсаторы смешения, аппараты барботажного типа.

В регенеративных теплообменниках сначала производят нагревание керамических твердых тел, размещенных в аппарате, а затем используют эту теплоту для нагревания рабочей среды.

1.1. Рекуперативные теплообменники

1.1.1. Кожухотрубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники состоят из цилиндрического кожуха (корпуса) и помещенного в нем трубного пучка.

В основу классификации кожухотрубчатых теплообменников положен способ компенсации температурных деформаций. Различают теплообменники жесткой конструкции и теплообменники с компенсацией температурных напряжений (рис. 1.1) [1].

Рис. 1.1. Схемы конструкций кожухотрубчатых теплообменников:

а – теплообменник жесткого типа (ТН); б – с линзовым компенсатором (ТЛ); в – с плавающей головкой (ТП); г – с U-образными трубами (ТU);

1 – кожух; 2 – линзовый компенсатор; 3 – плавающая головка;

4 – U-образные трубы

К теплообменникам жесткой конструкции относятся теплообменники типа ТН, конструкции которых не имеют самостоятельной компенсации температурных деформаций корпуса и теплообменных труб (буква Н означает неподвижность трубных решеток). В таких теплообменниках разность температур теплоносителей не превышает 30 °С [2, 3].

В конструкции теплообменников с компенсацией температурных напряжений устанавливают элемент, позволяющий компенсировать расширение или сужение материала корпуса или трубного пучка. Например, теплообменники типа ТЛ имеют температурную компенсацию корпуса (буква Л означает, что корпус снабжен линзовыми компенсаторами). В теплообменниках типа ТП температурная компенсация трубного пучка обеспечивается за счет того, что одна из решеток свободна и вместе с крышкой может «плавать» внутри корпуса (буква П означает, что аппарат с плавающей головкой). Теплообменники TU имеют одну трубную решетку пучка труб, свободный конец которого образуется U-образно гнутыми теплообменными трубами [2].

Кожухотрубчатые теплообменники жесткой конструкции

На рисунке 1.2 представлен эскиз кожухотрубчатого теплообменника жесткой конструкции, который состоит из корпуса (кожуха) 2 и приваренных к нему трубных решеток 5 с пучком труб 4. К трубным решеткам крепятся распределительная камера 1 и сферическое днище 6. Перегородки трубного пространства 3 придают пучку труб большую устойчивость, обеспечивая прямолинейность теплообменных труб, что очень важно для эксплуатации.

Рис. 1.2 Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции:

1 – распределительная камера; 2 – корпус; 3 – перегородки трубного пучка;

4 – теплообменные трубы; 5 – трубная решетка; 6 – днище

В таком теплообменнике один теплоноситель (I) движется внутри труб в трубном пространстве, а другой (II) – в межтрубном, омывая пучок труб снаружи.

Конструктивная особенность этих теплообменников заключается в том, что пучок труб, собранный в двух трубных решетках, вместе с ними жестко закреплен в корпусе теплообменника. Это обеспечивает простоту конструкции и малый вес ее на единицу площади теплообмена по сравнению с другими теплообменниками [1].

Основным недостатком теплообменников жесткой конструкции является плохая восприимчивость к температурным напряжениям, что в значительной степени ограничивает их применение.

Для интенсификации теплообмена устанавливают несколько трубных перегородок, регулирующих поток жидкости или газа. По числу ходов в теплообменных трубках эти теплообменники могут быть одно-, двух-, четырех- и многоходовыми. Теплообменник, представленный на рисунке 1.2, является двухходовым.

В том случае, когда эта разность превышает 0 ^оС, корпус аппарата снабжают линзовыми компенсаторами, которые воспринимают температурные деформации. Линзовые компенсационные устройства рекомендуется применять для аппаратов, у которых температурные деформации не превышают 10-15 мм при условном давлении в межтрубном пространстве 0,25 МПа.

Как правило, линзовые компенсаторы устанавливают на корпусах небольших диаметров, работающих при невысоких давлениях. В случае больших диаметров аппаратов и больших значений давления линзы должны быть толстостенными, что снижает их компенсирующую способность. Компенсирующая способность корпуса определяется числом и размерами компенсаторов на нем [2].

При большой длине труб и больших значениях линейных удлинений целесообразно использовать теплообменники с плавающей головкой.

Кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой

Общий вид кожухотрубчатого теплообменника с плавающей головкой приведен на рисунке 1.3. Одна из трубных решеток теплообменника не прикреплена к корпусу, поэтому температурные деформации воспринимаются корпусом и трубным пучком. Благодаря этому корпус и трубный пучок не испытывают температурных напряжений [4].

Теплообменники такой конструкции в нефтеперерабатывающей промышленности находят наиболее широкое применение.

Аппарат работает следующим образом. Один из теплоносителей поступает через штуцер в распределительную камеру 7, затем через часть труб пучка 2 в камеру, образованную подвижной трубной решеткой и ее крышкой, – плавающую головку 3. Изменив в камере направление движения, поток проходит оставшуюся часть труб и вновь поступает в распределительную камеру. Объем камеры разделен плоской перегородкой на две (или более) части. С помощью перегородок можно создать в теплообменниках по трубному пространству 2, 4 и большее число потоков. Теплообменники называют соответственно двух-, четырех- и многоходовыми. Другой теплоноситель поступает в корпус 1 и, омывая теплообменные трубы, покидает его.

Рис. 1.3. Кожухотрубчатый теплообменник c плавающей головкой:

1 – корпус; 2 – трубный пучок; 3 – плавающая головка; 4 – днище; 5 – опора; 6 – крышка; 7 – распределительная камера

Конструкция теплообменников с плавающей головкой разъемная: трубный пучок можно извлечь из корпуса, благодаря чему становятся доступными чистка и осмотр поверхности труб и корпуса.

Для поддержания высокой эффективности теплообмена поверхности теплообменных труб (внутренние и наружные) нужно систематически очищать от отложений грязи и солей. Характер и количество отложений зависят от свойств продукта, а также от температуры и скорости потоков. Чистку производят промывкой горячей водой, керосином, соляровым маслом, кислотами (например, смесью соляной кислоты и уникода), а также механическим способом [1].

Кожухотрубчатые аппараты с U-образными трубами

Кожухотрубчатые аппараты с U-образными теплообменными трубами применяют в тех случаях, когда трубы не загрязняются в процессе работы или когда образующуюся на их стенках грязь можно легко смыть водой либо растворить в керосине. Эти теплообменники отличаются простотой конструкции и надежностью при эксплуатации. Отсутствие в них узла плавающей головки и крышки корпуса значительно снижает опасность течей. Температурная компенсация свободного конца трубного пучка обеспечивается креплением к неподвижной трубной решетке обоих концов каждой трубы, согнутой в форме буквы U. Схема такого теплообменника приведена на рисунке 1.1 г.

В целом, габаритные размеры этих теплообменников напоминают размеры теплообменников с плавающей головкой, но общая длина их несколько меньше. При одинаковых диаметрах корпуса и труб число U-образных труб в рассматриваемых аппаратах больше, чем в теплообменниках с плавающей головкой. Необходимое число ходов по трубному пространству обеспечивается перегородками в распределительной камере и соответствующей схемой сборки труб в трубной решетке.

Механическая чистка теплообменников с U-образными трубами практически исключена, поэтому в процессе эксплуатации необходимо принимать все меры для предотвращения образования на стенках труб твердых нерастворимых и несмываемых осадков.

Основными достоинствами всех кожухотрубчатых теплообменников являются их компактность и малый расход металла на единицу поверхности теплообмена.

Среди недостатков таких конструкций можно отметить их склонность к загрязнению теплообменных поверхностей. Это приводит к увеличению толщины отложений на поверхностях труб, постепенному снижению коэффициента теплопередачи и снижению интенсивности теплопередачи.