Поверхностные аппараты

3.1. Теплообменники.

Это аппараты, в которых один поток нагревается за счет использования тепла другого потока, получаемого в том же технологическом процессе и нуждающегося в охлаждении.

Теплообменники позволяют сократить подвод из вне необходимого тепла или хладоагента. Поэтому в этот же раздел относят котлы – утилизаторы и регенераторы холода.

3.1.1. Змеевиковые аппараты.

Подобные конструкции представляют собой трубный змеевик, проложенный по дну ёмкости или резервуара. Теплоносителем обычно служит водяной пар. В следствии возможности размещения в ёмкости или резервуаре лишь небольшой поверхности теплообмена, низкого коэффициента теплопередачи, громоздкости и, значит, опасности в пожарном отношении, такие аппараты применяют лишь для разогрева легкозастывающих нефтей и нефтепродуктов.

3.1.2. Спиральные аппараты.

Подобная конструкция (рис.56) состоит из двух листов, свёрнутых в спираль и образующих каналы, по которым движутся теплообменивающиеся среды. Достоинством аппаратов этой конструкции является компактность, лёгкость создания высоких скоростей движения теплообменивающихся сред и, как следствие, более высокое значение полного коэффициента теплопередачи. Гидравлическое сопротивление таких аппаратов относительно невелико. К недостаткам можно отнести сложность изготовления и трудность обеспечения герметичности соединений.

Рис.55. Схема спирального теплообменного аппарата

1,2 – Листы, свёрнутые в спираль; 3 – перегородка; 4 – крышки; 5 – прокладка.

3.1.3. Аппараты типа «труба в трубе».

Жесткая конструкция представлена на рис. 56, а разборная на рис.57.

Рис.56. Схема теплообменного аппарата типа «труба в трубе» жесткого типа.

Рис.57. Схема разборного теплообменного аппарата типа «труба в трубе»

В таких аппаратах теплообмен происходит между средами, двигающимися по трубкам и кольцевому пространству, которое образуется между трубами большого и малого диаметров. В таких аппаратах легко обеспечиваются высокие скорости движения, что позволяет достигать высоких коэффициентов теплопередачи. Также легко организуется противоток. Рабочие поверхности подобных теплообменников в меньшей степени подвержены загрязнению. В таких теплообменниках так же легко обеспечивается оребрение поверхности теплообмена, что позволяет в 4 – 5 раз увеличить поверхность контактирования фаз. Такое мероприятие оказывается особенно полезным в том случае, когда со стороны одной из сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ, вязкая жидкость, поток имеет ламинарный характер и т.п.).

На рис.58. приведены варианты оребрения трубы.

Рис.58. Схема оребрения труб.

а) рёбра закреплены в канавках; б) корытообразные рёбра; в) оребрение накаткой.

Недостатками теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми являются большие габариты и высокая металлоёмкость на единицу поверхности теплообмена.

Теплообменники данной конструкции используются при сравнительно небольшой разности температур теплообменивающихся сред.

При жестком варианте в кольцевое пространство подаётся среда не способная загрязнить его. При разборном варианте данное ограничение снимается.

3.1.4. Кожухотрубчатые аппараты.

а) схема подобного аппарата с неподвижной трубной решеткой приведена на рис.59.

Рис.59. Схема теплообменного аппарата с неподвижными трубными решетками.

1. Кожух; 2. Трубки; 3. Трубная решетка; 4. Крышки; 5. Штуцеры.

Существенное различие между температурами трубок и кожуха приводит к большему удлинению первых по сравнению со вторыми, что нарушает герметичность развальцовки трубок в решетке и ведёт к смешению сред.

Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред не более 50⁰С да ещё и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому в него должна направляться среда не вызывающая отложений.

Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции и малая стоимость.

б) теплообменные аппараты с температурным компенсатором (рис.60) имеют неподвижные трубные решетки и снабжены устройством в виде линз для компенсации различия их температур.

Рис.60. Схема теплообменного аппарата с линзовым (температурным) компенсатором.

в) теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) – рис.61. являются наиболее распространённым типом поверхностных аппаратов.

Рис.61. Схема теплообменного аппарата с плавающей головкой.

Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возникать лишь при существенном различии температур трубок. В теплообменных аппаратах подобного типа трубные пучки сравнительно легко могут быть удалены из корпуса. Что облегчает их ремонт, чистку или замену.

г) Теплообменники сU – образными трубками (рис.62) имеют одну трубную решетку, в которую ввальцованы оба конца U- образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры.

Рис.62. Схема теплообменного аппарата с U – образными трубками

Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней поверхности труб.

д) Теплообменные аппараты с двойными трубками (рис.63) имеют две трубные решетки, размещенные с одной стороны аппарата.

Рис.63. Схема теплообменного аппарата с двойными трубками.

1. Корпус; 2. Трубки; 3.Трубные решетки; 4. Штуцеры.

В одной трубной решетке развальцованы трубы меньшего диаметра, верхние концы которых открыты, в другой – трубы большего диаметра, нижние концы которых заглушены. Такая конструкция обеспечивает независимое удлинение труб. В аппаратах этого типа одна из теплообменивающихся сред поступает через штуцер в пространство между крышкой и верхней трубной решеткой, откуда направляется вниз по трубкам малого диаметра. По выходе из них поток возвращается по кольцевому пространству между трубками, собирается в пространстве между трубными решетками, а затем выводится из аппарата.

е) многоходовые теплообменные аппараты (рис.64) могут быть созданы с любым числом ходов по трубному и межтрубному пространству.

Рис.64. Схема многоходового теплообменного аппарата

Однако, продольные перегородки с помощью которых можно изменять число ходов в межтрубном пространстве, распространения не получили, ибо очень трудно обеспечить герметичность между этими перегородками и корпусом.

Поперечные перегородки различных типов показаны на рис.65.

Наибольшее распространение получили сегментные перегородки. Важно, чтобы зазор между внутренной поверхностью кожуха и перегородкой был минимальным, что позволяет сократить утечку жидкости, проходящей через межтрубное пространство и не участвующей в теплообмене. Вместе с тем, зазор должен быть достаточным для удобства извлечения пучка труб при его ремонте.

Таким образом, перегородки повышают скорости потоков теплообменивающихся сред, улучшают обтекаемость поверхности теплообмена и создают большую турбулентность потоков.

Рис.65. Схема поперечных перегородок трубного пучка.

а) сегментные; б) секторные с продольной перегородкой; в) и г) варианты кольцевых перегородок

3.2. Конденсаторы – холодильники

Это аппараты, предназначенные для охлаждения жидкого потока или конденсации и охлаждения паров с использованием специального охлаждающего агента (вода, воздух, испаряющийся аммиак, пропан и др.) Охлаждение и конденсация в этих аппаратах являются целевыми процессами, а нагрев охлаждающего агента – побочным.

3.2.1. Погружные аппараты.

Специфической особенностью аппаратов этого типа является наличие ёмкости – ящика, в которую погружены теплообменные трубы. В ящике находится охлаждающая среда (чаще всего вода).

Различают змеевиковые и секционные аппараты. Принципиальное устройство однопоточного погружного конденсатора – холодильника показано на рис. 66.

Рис.66. Схема однопоточного погружного змеевикового конденсатора – холодильника.

I - пары на охлаждение и конденсацию; II – сконденсированный и охлажденный продукт; III – хладоагент (вода); IV – нагретый хладоагент.

Теплообменная поверхность состоит из труб, соединённых при помощи сварки или на флянцах; переход из одной трубы в другую осуществляется при помощи двойников. Охлаждаемый поток последовательно проходит трубы, расположенные в горизонтальном ряду, затем переходит в трубы следующего ряда и т .д.

При большом расходе охлаждающегося потока для уменьшения гидравлического сопротивления применяют коллекторные змеевиковые конденсаторы – холодильники (рис.67), в которых охлаждаемый поток при помощи специального коллектора разбивается на несколько параллельных потоков.

Рис.67. Схема коллекторного погружного конденсатора – холодильника

I – пары на охлаждение и конденсацию; II – сконденсированный и охлажденный продукт; III – охладитель (вода); IV – нагретый хладоагент.

Если при конденсации паров объём потока резко уменьшается, то можно применить коллекторные погружные аппараты с переменным числом потоков. В начале аппарата, где движутся в основном пары, число параллельных потоков должно быть более высоким, чем в конце аппарата, где конденсация паров завершена и идёт охлаждение конденсата.

К недостаткам аппаратов подобного типа относится их громоздкость и повышенный расход металла. Кроме того, в ящике свободное сечение для прохода хладоагента (воды) велико, вследствии чего скороссть его движения мала и относительно малы коэффициенты теплоотдачи от стенок змеевика к хладоагенту.

3.2.2. Оросительные аппараты.

Они представляют собой змеевик, состоящий из соединённых двойниками труб, которые расположены горизонтальными и вертикальными рядами (рис.68).

Рис.68. Схема оросительного коллекторного конденсатора – холодильника

1. Пары на охлаждение и конденсацию; II. Сконденсированный и охлаждённый продукт; III. Охладитель (вода); IV. Нагретый хладоагент.

Чаще всего это коллекторские змеевики. В верхней части аппарата имеется распределительное приспособление для орошения наружной поверхности змеевиков, как правило, водой. Оно выполнено либо в виде желобов, либо в виде перфорированных труб, либо специальных распылителей.

В следствии высоко значения скрытой теплоты испарения воды даже незначительное её испарение сопровождается отводом большого количества тепла. Опыт работы показывает, что около 50 % тепла отводится испаряющейся водой. Таким образом, в оросительном холодильнике – конденсаторе расход воды примерно в 2 раза меньше, чем в обычном водяном холодильнике.

К недостаткам таких аппаратов относится их громоздкость, интенсивная коррозия, отложение накипи и оледенение зимой.

3.2.3. Аппараты воздушного охлаждения (АВО).

В этих аппаратах в качестве охлаждающего агента используется поток атмосферного воздуха, нагнетаемый вентиляторами, в который, при необходимости, впрыскивается вода.

Сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи со стороны потока воздуха компенсируется оребрением наружной поверхности труб, высокими скоростями потока воздуха и впрыскиванием в него воды, а так же использованием для изготовления труб меди, латуни, бронзы и различных алюминиевых сплавов.

АВО подразделяются на следующие типы:

Горизонтальные … АВГ

Зигзагообразные … АВЗ

Малопоточные … АВМ

Для вязких продуктов … АВГ – В

Для высоковязких продуктов … АВГ – ВВ

Вкачестве примера на рис.69 приведена схема аппарата горизонтального типа, а на рис 70 шатровые и зигзагообразные аппараты.

Рис.69. Схема горизонтального аппарата воздушного охлаждения.

1, Секция оребрённых труб; 2. Колесо вентилятора; 3. Электродвигатель; 4. Коллектор впрыска очищенной воды; 5. Жалюзи.

Последние конструкции позволяют иметь большую поверхность теплообмена при той же занятой площади. Количество воздуха, прокачиваемого через аппарат, должно изменяться при сезонном изменении температуры; это достигается за счет изменения числа оборотов вентилятора и угла поворота заслонок жалюзей.

Рис.70. Схема аппаратов воздушного охлаждения.

а) Шатрового типа; б) зигзагообразного типа.

3.3. Нагреватели, испарители, кипятильники.

В этих аппаратах нагрев или частичное испарение осуществляется за счет использования тепла высокотемпературных потоков. Нагрев или испарение одной среды является целевым процессом, тогда как охлаждение горячего потока является побочным.

3.3.1. Аппараты с паровым пространством (рис.71).

Рис.71. Подогреватель – кипятильник конструкции Гипронефтемаша.