Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Рекуперативные и регенеративные теплообменные аппараты. Учебное пособие
.pdf
3. РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
3.1. Конструкции рекуперативных ТОА
По конструкции и форме поверхности рекуперативные ТОА весьма разнообразны и определяются областью их применения и назначением. Рассмотрим несколько наиболее часто применяющихся конструкций.
Кожухотрубные (кожухотрубчатые) теплообменники - самый широко
применяемый вид рекуперативных ТОА, выпускаемый промышленностью
наибольшим количеством серий и типоразмеров.
Основу конструкции ТОА – пучок труб, закрепленных своими концами в
отверстиях толстых металлических дисков с отверстиями – трубных решетках
или трубных досках. Трубный пучок помещается в цилиндрический кожух, с
торцов пучок закрывается крышками эллиптического или прямоугольного сечения. В кожухе аппарата имеется два штуцера для подвода и отвода теплоносителя, аналогичные штуцеры имеются в крышках (рис.1).
В результате внутри пространства, ограниченного кожухом и крышками
аппарата, образуются две разобщенные полости, называемые трубным и
межтрубным пространством. Основной характеристикой этих пространств является площадь проходного сечения, поскольку именно она влияет на скорость
движения ТН внутри ТОА. Особенность кожухотрубных ТОА состоит в том,
что проходное сечение межтрубного пространства больше проходного сечения
трубок и может быть больше последнего в 1,5 – 3 раза.
Рис. 1. Горизонтальный пароводяной теплообменный аппарат:
1 – вход пара; 2 – выход конденсата; 3 – отвод неконденсирующихся газов;
4 – штуцер для подключения манометра; 5 и 6 – вход и выход воды
соответственно
11
С увеличением общего количества трубок это неравенство растет в
большую сторону, что при одинаковом агрегатном состоянии ТН может привести к значительному снижению интенсивности теплообмена в межтрубном
пространстве.
ТОА бывают вертикального, горизонтального и наклонного исполнений.
Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так как они занимают меньше места, более удобно располагаются в рабочем помещении и легче
компонуются с другим оборудованием, но при этом требуют соответствующей
высоты помещения.
Трубки теплообменников изготовляются прямыми (за исключением теплообменников с U- и W-образными трубками) – это делает их легкодоступными
для очистки и замены в случае течи. Наружный диаметр труб находится в диапазоне от 12 до 57 мм. Меньшие диаметры применяются реже в связи со сложностью очистки внутренней поверхности, большие верхнего диапазона оказываются неэффективными с точки зрения теплообмена и существенно снижают
компактность ТОА в целом. Существуют конструкции ТОА с другой конфигурацией сечения трубки: треугольные, каплеобразные, эллиптические и т.п.
Длина теплообменных труб редко превышает 5 м для горизонтальных и 6
м для вертикальных аппаратов.
Кожухотрубные ТОА – единственная конструкция рекуперативных теплообменников, работающих во всем диапазоне давлений: от глубокого вакуума
до сверхвысоких давлений ТН. Предельные значения температур ТН определяются конструкционными свойствами материалов.
Недостатками кожухотрубных ТОА являются:
- сложность, материалоемкость и металлоемкость конструкции аппарата
и, как следствие, сложность изготовления и обслуживания;
- использование различных металлов (например, корпус – сталь, трубки –
латунь), различный нагрев элементов ТОА приводит к различному удлинению/сжатию с последующим возникновением механических напряжений;
- низкое значение компактности2 аппарата – 40-60 м2/м3;
- разность площадей проходного сечения трубного и межтрубного пространства.
Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, предусматривается возможность свободного удлинения труб за
счет различного рода устройств.
На рис. 2 представлены три возможных варианта компенсации температурных напряжений: «в» - с линзовым компенсатором на корпусе, «е» - с «плавающей» трубной решеткой, «д» - с «плавающей» верхней камерой.
2
Компактность или удельная поверхность – площадь поверхности теплообмена в еди-
нице внутреннего объема аппарата, м
2/м3
12
Рис.
2
. Варианты конструкций кожухотрубных ТОА
13
Для снижения неравенства площадей проходных сечений трубного и
межтрубного пространств используют различные технические решения. На рис.
2, б изображен ТОА для высоких давлений ТН, у которого трубки большого
диаметра заужены в трубных досках методом усадки.
Еще одним вариантом является использование в межтрубном пространстве перегородок различных конструкций. Их применение позволяет решить
сразу несколько проблем, связанных с работой ТОА. Об этом – в п. 3.4.5.
Снижение числа трубок пучка позволяет добиться приблизительного равенства площадей проходного сечения. Но это, в свою очередь, накладывает
ограничение на предельное значение площади поверхности теплообмена. Для
достижения расчетной площади приходится набирать несколько ТОА, соединяя
их последовательно по трубному и межтрубному пространству (рис. 3).
Рис. 3. Схема двухсекционного ТОА
Секционные ТОА (рис. 3) широко использовались в практике теплоснабжения – в них происходил подогрев водопроводной воды для горячего водоснабжения на центральных тепловых пунктах за счет тепла сетевой воды. В
этих ТОА количество труб редко превышало 50-60.
Конструкция и эксплуатация секционных теплообменников выявила
целый ряд недостатков:
14
- высокая стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на
секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов аппарата
— трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т. д.;
- большая длина пути жидкости создает значительные гидравлические
сопротивления и вызывает увеличение расхода электроэнергии на работу
насоса.
При небольших расходах ТН либо при высоких давлениях может использоваться предельная конструкция кожухотубных ТОА – типа «труба в трубе». В
них в кожухе располагается коаксиально всего одна труба.
На рис. 4 показан ТОА типа «труба в трубе», применяемый на компрессорных станциях для охлаждения воздуха высокого давления после компрессоров.
Рис. 4. Схема воздухоохладителя типа «труба в трубе»
В случаях значительной разницы коэффициентов теплоотдачи широко
используются кожухотрубные ТОА с оребренными трубками. О различных вариантах оребрения и методах их расчета в п. 3.4.9.
При высоких давлениях ТН или при значительном перепаде их давлений
(от 10 МПа и более) применяются ТОА с трубками витой формы. На рис. 5 показано устройство межступенчатого воздухоохладителя компрессорной станции – змеевикового ТОА. Об особенностях теплообмена и методах расчета при
движении ТН по винтовой поверхности - в п. 3.4.2.
15
Рис. 5. Конструкция змеевикового ТОА
При проектировании ТОА возникает вопрос о размещении теплоносителей в трубное либо межтрубное пространство. Рекомендации по выбору для
кожухотрубных ТОА приведены в п. 3.6.
Спиральные теплообменники достаточно широко применяются в промышленности в связи с целым рядом преимуществ по сравнению с другими
конструкциями (в первую очередь с кожухотрубными).
В настоящее время спиральные ТОА изготавливаются серийно согласно
СТО 00220256-003-2006 «Теплообменники спиральные стальные. Технические
условия».
Конструкция ТОА представляет собой два листа из рулонной стали
(обычной малоуглеродистой или легированной) толщиной 3,5 и 6 мм (в зависимости от рабочего давления в аппарате) шириной от 400 до 1100 мм. Одним
краем рулон крепится к центральной толстой пластине («керну»), а затем
относительно нее свертывают на специальном станке в спирали. При этом
специальными устройствами между витками сохраняется одинаковое по всей
спирали расстояние 8 или 12 мм (рис. 6). Таким образом, получаются два канала, и каждый из них имеет полуцилиндрическую часть в центре аппарата
и спиральную часть, заканчивающуюся коробкой снаружи. Каждый центральный полуцилиндр и каждая коробка имеют штуцер для входа или выхода теплоносителя. Спирали изготовляют так, что торцы листов лежат
строго в одной плоскости. Торцы листов могут завариваться специальной
стальной лентой с обеих сторон – глухие каналы, с одной стороны – тупиковые каналы или вообще быть сквозными.
16
Рис. 6. Конструкция спирального ТОА
Затем полученную спираль помещают между дисками, являющимися
крышками аппарата, и стягивают болтами. Для лучшей герметизации и
устранения перетекания теплоносителей между крышками и листами по всему сечению теплообменника помещают прокладку из резины, паронита, асбеста, мягкого металла или полимера. Такая конструкция обеспечивает возможность чистки поверхностей нагрева и работу без перетекания теплоносителей при давлениях до 0.4 МПа (для сквозных и тупиковых каналов). Для
повышенных давлений (до 1 МПа) и больших производительностей применяют спиральные теплообменники с глухими каналами.
Спиральные теплообменники бывают горизонтального и вертикального типов; их устанавливают часто блоками по два, четыре и восемь аппаратов. Стандартные ТОА имеют площадь теплообмена до 100 м2.
Спиральные ТОА используются для систем «жидкость-жидкость» в
качестве подогревателей и охладителей, «жидкость-пар» в качестве конденсаторов, нагревателей и испарителей, для охлаждения и нагревания парогазовых смесей. Применение для газов ограничено малым поперечным сечением канала.
Одно из назначений спиральных теплообменников — нагревание и
охлаждение высоковязких жидкостей. Так как вязкая жидкость проходит по
одному каналу, то устраняется проблема равномерного распределения вязкой жидкости по трубам. Легкость очистки и условия течения позволяет использовать загрязненные ТН.
17
Достоинствами спиральных ТОА по сравнению с кожухотрубными являются:
- повышенная компактность;
- движение ТН осуществляется в условиях чистого противотока;
- поток ТН не имеет резких изменений направления движения;
- при равенстве скоростей – большее значение коэффициента теплоотда-
чи вследствие вторичной циркуляции, подробнее в п. 3.4.2.
- при равенстве площадей – меньшее гидравлическое сопротивление;
- удобство обслуживания и очистки.
Недостатками спиральных ТОА являются:
- ограниченный диапазон рабочих давлений ТН;
- ограничение на перепад давлений между ТН;
- меньшая прочность и герметичность аппарата вследствие механическо-
го уплотнения торцов спиралей.
Пластинчатые теплообменные аппараты являются разновидностью
поверхностных рекуперативных теплообменных аппаратов с поверхностью
теплообмена, изготовленной из тонкого листа. Пластинчатые ТОА стали применяться широко относительно недавно, хотя изобретены были более ста лет
назад3.
Принципиально конструкция пластинчатых ТОА с момента изобретения
не изменилась: тонкие металлические пластины набираются в пакет с небольшим зазором. В этих зазорах располагаются потоки «горячего» и «холодного»
теплоносителей (рис. 7). В простейшем случае пластины могут быть плоскими,
с гладкими стенками и иметь любую форму. Подобная форма теплообменного
элемента позволяет достичь размещения в единице пространства максимально
возможной площади поверхности теплообмена. В результате компактность
пластинчатых ТОА является максимальной среди всех конструкций рекуперативных теплообменников (до 5000 м2/м3).
Недостатками изготовлявшихся в прошлом первых конструкций теплообменников с большими расстояниями (15—40 мм) между пластинами являлась малая герметичность и применимость лишь для газов из-за незначительных допустимых перепадов давлений между теплоносителями (несколько
сотен паскалей).
В настоящее время серийно изготавливаются разборные, полуразборные
(блочные) и неразборные пластинчатые ТОА.
Разборные пластинчатые ТОА имеют ряд неоспоримых преимуществ:
3
В литературе имеются данные, свидетельствующие о том, что принципы устройства
пластинчатых аппаратов для нагревания н охлаждения жидкостей в тонком слое и некоторые
их конструктивные решения были предложены еще в конце 19 века
18
Рис. 7. Схема пластинчатого
теплообменного элемента
- легкость разборки для очистки, визуального контроля либо замены по-
врежденных коррозией пластин;
- возможность быстрого изменения площади поверхности теплообмена
при изменении технологического режима эксплуатации ТОА.
В настоящее время разработано большое число теплообменников, поверхность теплообмена которых выполнена из гофрированных пластин с незначительным расстоянием между пластинами (6—8 мм) (рис. 7).
ТОА (рис. 7) представляет собой конструкцию, монтирующуюся на двух
опорах: задней – 10, и передней (она же передняя плита со штуцерами) – 1.
Опоры соединены двум я направляющими штангами: нижней – 11, на которой
посажены теплопередающие пластины 2, 3, 5, 6, 7, и верхней 9, служащей
направляющей для пластин. Пакет пластин с уплотняющими прокладками стягивается задней плитой 8 шпильками 12 к передней плите.
Эти теплообменники очень компактны и по технико-экономическим, а
для разборных конструкций и по эксплуатационным показателям превосходят
лучшие кожухотрубные ТОА. В настоящее время отечественными и зарубежными производителями выпускается большое количество типоразмеров пластин и уплотнительных материалов. Разборные ТОА работают в диапазоне давлений до 2.5 МПа и температуре от 30 до 150 ℃.
19
Наряду с разборными используются также и неразборные конструкции:
паяные и сварные, позволяющие работать при больших давлениях ТН.
Рис. 8. Конструкция пластинчатого разборного ТОА
3.2. Основные расчеты при проектировании теплообменных аппаратов
В практике расчета и проектирования теплообменных аппаратов принято
различать тепловой конструктивный, тепловой поверочный, компоновочный,
гидравлический, механический и технико-экономический расчеты.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]