4. Конструкції теплообмінників

Залежно від способу передачі тепла розрізняють дві основні групи теплообмінників:

1) поверхневі теплообмінники, у яких перенесення тепла між середовищами відбувається через поверхню теплообміну – глуху стінку;

2) теплообмінники змішування, у яких тепло передається від одного середовища до іншого за їх безпосереднього контакту.

Поверхневі теплообмінники найпоширеніші, їх конструкції різноманітні. Для їх виготовлення використовують різні метали та сплави (вуглецеві та леговані сталі, мідь, титан, тантал та інші), графіт, тефлон тощо. Вибір матеріалу диктується переважно корозійною стійкістю та теплопровідністю, причому конструкція теплообмінного апарату суттєво залежить від властивостей обраного матеріалу.

Конструкції теплообмінників повинні бути простими, зручними для монтажу та ремонту. В окремих випадках конструкція теплоообмінника має забезпечувати мінімальне забруднення поверхні теплообміну та бути легко доступною для огляду та очищення.

Кожухотрубні теплообмінники – належать до найпоширеніших теплообмінників (рис. 11.11). Вони складаються з корпусу, або кожуха 1, і приварених до нього трубних решіток 2. У трубних решітках закріплено пучок труб 3. До трубних решіток кріпляться кришки 4.

Рис. 11.11. Кожухотрубні одноходовий (а) і багатоходовий (б) теплообмінники :

1 – корпус (обечайка); 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки; 5 – перегородки у кришках; 6 – перегородки у міжтрубному просторі

У кожухотрубному теплообміннику одне з середовищ І, що обмінюються теплом, рухається всередині труб (у трубному просторі), а інше ІІ – у міжтрубному просторі. Середовища зазвичай спрямовують противотоком одне до одного. При цьому середовище, що нагрівається, спрямовують знизу догори, а середовище, що віддає тепло, – у протилежному напрямку. Такі напрями руху кожного з середовищ співпадають з напрямами, у якому буде рухатись середовище під впливом зміни густини внаслідок нагрівання або охолодження.

Труби у решітках зазвичай розміщують по периметрах правильних шестикутників, тобто по вершинах рівносторонніх трикутників, рідше вико­ристовують розміщення труб по конщентричних колах. В окремих випад­ках труби розміщують по периметрах прямокутни­ків (рис. 11.12).

Теплообмінники можуть бути одно- та багатоходовими. У ба­гатоходових теплооб­мінниках у кришках встановлено додат­кові перегородки 5 (див. рис. 11.11 б), які розділяють труби на секції, або ходи, по яких послідовно руха­ється рідина, що тече у трубному просторі теплообмінника. Кіль­кість труб у всіх секціях приблизно однакова.

Рис. 11.12. Способи розміщення труб у теплообмінниках:

а – по периметрах правильних шестикутників; б – по концентричних колах; в – по периметрах прямокутників (коридорне розташування)

Внаслідок меншої площі сумарного попе­речного перерізу труб однієї секції порівняно з поперечним перері­зом усього пучка труб швидкість рідини у трубному просторі ба­гатоходового тепло­обмінника зростає у число разів рівне числу ходів. Для збільшення швидкості та подовження шляху руху середовища у міжтрубному просторі слугують сегментні перегородки 6.

Підвищення інтенсивності теплообміну у багатоходових теплообмінниках супроводжується зростанням гідравлічного опору та ускладненням конструкції теплообмінника. Тому число ходів зазвичай не перевищує 5-6.

Одноходові та багатоходові теплообмінники можуть бути горизонтальними та вертикальними. Вертикальні теплообмінники простіші в експлуатації та займають менші виробничі площі. Горизонтальні теплообмінники зазвичай багатоходові та працюють за більших швидкостей середовищ.

Якщо середня різниця температур труб і кожуха у теплообмінниках жорсткої конструкції, тобто з нерухомими трубами, стає значною – рівною або більшою за 50 °С, то виникаючі напруження у трубних решітках можуть призвести до порушення зварних швів. Тому за таких умов застосовують кожухотрубні теплообмінники нежорсткої конструкції, що допускають деяке переміщення труб всередині апарату.

Для зменшення температурних деформацій використовують теплообмінники з лінзовим компенсатором 1, що піддається пружній деформації (рис. 11.13 а). Такий теплообмінних характеризується простою конструкцією, але може застосовуватись лише за невеликих тисків у міжтрубному просторі – до 6 атм.

За необхідності забезпечення великих переміщень труб і кожуха застосовують теплообмінник з плаваючою головкою 2 (рис. 11.13 б). У ньому нижня трубна решітка рухома, що дозволяє усьому пучку труб вільно переміщуватись незалежно від корпусу апарату. Проте такі теплообмінники конструктивно складніші і важчі.

У кожухотрубному теплообміннику з U-подібними трубами самі труби 3 є компенсуючими пристроями (рис. 11.13 в). Такі теплообмінники мають простішу конструкцію та меншу масу, можуть бути дво- та багатоходовими. Головний недолік – складність очищення внутрішньої поверхні труб і складність розміщення великої кількості труб у трубній решітці.

Рис. 11.13. Кожухотрубні теплообмінники з компенсуючими пристроями:

а – з лінзовим компенсатором; б – з плаваючою голівкою; в – з U-подібними трубами; 1 – компенсатор; 2 – рухома трубна решітка; 3 – U-подібні труби

Для підвищення швидкості руху сере­довища у міжтруб­ному просторі без викорис­тання перего­родок, що ускладню­ють очищен­ня апарата, використо­вують елементні те­плообмінники. Кож­ний елемент такого те­плообмінника є най­простішим кожу­хо­трубним теплооб­мінником. Середови­ща, що нагрівається та охолоджується, послі­довно проходять через окремі елементи, що складаються з пучка труб у кожусі невеликого діаметра. В елементних теплообмінниках взаємний рух середовищ наближається до схеми чистого протитоку. Проте конструкція такого теплообмінника є громіздкою і вартість вища за звичайні теплообмінники.

Двохтрубчаті теплообмінники, або теплообмінники «труба у трубі», складаються з кількох з’єднаних послідовно трубчатих елементів, утворених двома концентрично розташова­ними трубами (рис. 11.14). Один те­плоносій рухається по внутрішніх трубах 1, а другий – по кіль­цевому простору між внутріш­німи та зовніш­німи 2 трубами. Внут­рішні труби (діаметром 57-108 мм) з’єднуються калачами 3, а зовнішні (діаметром 76-159 мм) – патрубками 4.

Рис. 11.14. Двохтрубчатий теплообмінник: 1 – внутрішні труби; 2 – зовнішні труби; 3 – калач; 4 – патрубок

Завдяки невеликим поперечним перерізам трубного та міжтрубного простору у двохтрубчатих теплообмінниках досягається достатньо високі швидкості руху рідини порядка 1-1.5 м/с. Це дозволяє отримувати вищі коефіцієнти теплопередачі та досягати вищих теплових навантажень на одиницю маси апарату порівняно з кожухотрубними теплообмінниками. Зменшується також імовірність відкладання забруднень на поверхні теплообміну. Водночас такі теплообмінники громіздкі та потребують більшу кількість металу на одиницю поверхні теплообміну. Такі теплообмінники можуть ефективно працювати за невеликих витрат теплоносіїв, а також за високих тисків. Якщо необхідна велика поверхня теплообміну, такі апарати виконують з кількох секцій.

Рис. 11.15. Змійовиковий теплообмінник: 1 – спіральний змійовик; 2 – корпус апарата; 3 – внутрішній стакан; 4 – конструкція для кріалення змійовика

До змійовикових теплообмінників належать погружні та зрошувальні. У погружному змійовиковому теплообміннику (рис. 11.15) крапельна рідина, газ або пара рухаються по спіральному змійовику 1, виконаному з труб діаметром 15-75 мм, який занурений у рідину, що знаходиться у корпусі 2 апарата. Внаслідок великого об’єму корпусу, у якому знаходиться змійовик, швидкість рідини у корпусі незначна, що зумовлює низькі значення коефіцієнта тепловіддачі ззовні змійовика. Для його збільшення підвищують швид­кість руху у корпусі шляхом встановлення у ньому внутрішьного стакана 3, але при цьому значно зменшується корисний об’єм корпусу. Труби змійовика кріпляться на конструкції 4.

У теплообмінниках цього типу змійовики часто виконуються з прямих труб, з’єднаних калачами. За великих витрат середовища, що рухається по змійовику з прямих труб, її спочатку спрямовують у спільний колектор, з якого вона надходить у паралельні секції труб і вилучається також через загальний колектор. За такого паралельного включення секцій знижується швидкість і зменшується довжина шляху потоку, що приводить до зменшення гідравлічного опору апарата.

Тепло у таких теплообмінниках передається практично шляхом вільної конвекції, тому вони працюють за невеликих теплових навантажень. Проте такі теплообмінники прості, дешеві, зручні для очищення та ремонту. Їх використовують за поверхонь нагріву до 10-15 м².

Рис. 11.16. Зрошувальний теплообмінник: 1 – секція прямих труб; 2 – калачі; 3 – розподільний жолоб; 4 – піддон

Зрошувальний теплообмінник (рис. 11.16) є змійовиком 1 з розміщених одна над одною прямих труб, які з’єднані між собою калачами 2. Труби зазвичай розташовані у вигляді паралельних вертикальних секцій із загальними колекторами для подачі та відведення охолоджуючого середовища. Згори змійовики зрошуються водою, рівномірно розподіленою у вигляді крапель за допомогою жолоба 3. Відпрацьована вода виводиться з піддона 4, встановленого під змійовиками.

Зрошувальні теплообмінники використовуються зазвичай як холодильники та конденсатори, причому близько половини тепла відводиться під час випаровування охолоджуючої води. У результаті витрата води різко знижується порівняно з її витратою у холодильниках інших типів. Головними недоліками є громіздкість, нерівномірність змочування зовнішньої поверхні труб, корозія труб киснем повітря, наявність крапель і бризок, що потрапляють у навколишнє середовище.

Зрошувальні теплообмінники працюють за невеликих теплових навантажень і коефіцієнти теплопередачі у них невисокі.

Рис. 11.17. Схема пластинчастого теплообмінника: 1 – парні пластини; 2 – непарні пластини; 3, 4 – штуцери для входу та виходу теплоносія І; 5, 6 – штуцери для входу та виходу теплоносія ІІ; 7 – нерухома чільна плита; 8 – рухома чільна плита; 9 – стягуючий гвинтовий пристрій

У пластинчастих теплообмінниках (рис. 11.17) поверхня теплообміну утворю­єть­ся гофрованими пара­лельними плас­тинами 1, 2, за допомогою яких створюється система вузьких каналів зав­шир­шки 3-6 мм з хвилястими стінка­ми. Рідини, між якими відбувається теплообмін, руха­ються у каналах між сусідніми пластина­ми, омиваючи протилежні бічні сторо­ни кожної пластини.

Пластина має на передній поверхні три прокладки (рис. 11.18). Велика прокладка 1 обмежує канал для руху рідини І між пластинами, а також отвори 2 і 3 для входу рідини І у канал і виходу з нього; дві малі кільцеві прокладки 4 ущільнюють отвори 5 і 6, через які надходить та видаляється рідина ІІ, що рухається противотоком.

Рідина І надходить через штуцер 3 (див. рис. 11.17), рухається по непарних каналах (рахуючи зліва направо) і вилучається через штуцер 4. Рідина ІІ подається через штуцер 5, рухається по парних каналах і видаляється через штуцер 6.

Пакет пластин затискається між нерухомою плитою 7 і рухомою плитою 8 за допомогою зажиму 9.

Рис. 11.18. Пластина пластинчастого теплообмінника: 1, 4 – прокладки; 2, 3 – отвори для рідини І; 5, 6 – отвори для рідини ІІ

Внаслідок значних швидкостей, з якими рухаються рідини між пластинами, досягаються високі коефіцієнти тепло­передачі – до 3800 Вт/м² за малого гідравлічного опору. Пластинчасті теплообмінники легко розбираються та очищуються від забруднень. Головний недолік – неможливість роботи за високих тисків і важкість вибору еластичних матеріалів для прокладок.

Рис. 11.19. Елементи оребреного теплообмінника: а – прямокутні ребра; б – трапецевидні ребра

До числа компактних та ефективних теплообмінників належать конструкції з оребреними поверхнями. Застосування оребрення з боку теплоносія, що характеризується низькими значеннями коефіцієнтів тепловіддачі (гази, в’язкі рідини), дозволяє значно підвищити теплові навантаження апаратів. Окрім трубчастих теплообмінників з трубами, що мають поперечні ребра прямокутного (рис. 11.19 а) або трапецевидного (рис. 11.19 б) перерізу, розроблені конструкції з поздовжними, плавниковими, дротяними, гольчастими, неперервними спіральними ребрами тощо.

Труби з поперечними ребрами різної форми використовуються в апаратах для нагрівання повітря – калориферах (рис. 11.20), а також в апаратах повітряного охолодження. При нагріванні повітря зазвичай використовують насичену водяну пару, що надходить до колектора 1 і далі до пучка оребрених труб 2. Конденсат відводиться з колектора 3. Іноді застосовують поздовжні ребра, які для турбулізації граничного шару на певній відстані надрізаються.

Рис. 11.20. Пластинчастий калорифер: 1 – колектор для входу пари; 2 – оребрена труба; 3 – колектор для прийому конденсату

У спіральному тепло­обміннику (рис. 11.21) поверх­ня теплообміну утворюється двома металевими листами 1 і 2, згорнутими по спіралі. Внутрішні кінці листів приварені до глухої перегородки 3, а їх зовнішні кінці зварені один з одним. З торців спіралі закриті встано­вленими на прокладках кришками 4 і 5. Отже, всере­дині апарата утво­рюються два ізольованих один від одного спіраль­них канали (завширшки 2-8 мм), по яких, зазвичай противотоком, рухаються теплоносії. Теплоносій І надходить через нижній штуцер і вилучається через бічний штуцер у правій кришці теплообмінника, а теплоносій ІІ входить через лівий бічний штуцер і видаляється через верхній штуцер. Спіральні теплообмінники компактні, працюють за високих швидкостей теплоносіїв (для рідин 1-2 м/с) і мають невеликий гідравлічний опір. Проте вони складні у виготовленні і працюють за тисків, що не перевищують 10 атм.

Рис. 11.21. Спіральний теплообмінник: 1, 2 – листи, згорнуті у спіралі; 3 – перегородка; 4, 5 – кришки