4. Конструкции и расчет теплообменных аппаратов

По способу передачи тепла теплообменные аппараты (теплообменники) делят на две основные группы: поверхностные теплообменникиитеплообменники смешения. В поверхностных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит через твердую поверхность (стенку), в теплообменниках смешения – при непосредственном контакте и перемешивании сред, что допустимо лишь при определенных условиях, значительно ограничивающих применение аппаратов такого типа.

Поверхностные теплообменники бывают рекуперативные, в которых участвующие в процессе теплообмена среды разделены перегородкой, ирегенеративные, в которых одна и та же поверхность теплообмена через определенные промежутки времени соприкасается то с горячим, то с холодным теплоносителем. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячего теплоносителя и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодному теплоносителю. Таким образом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные теплообменные аппараты большей частью работают в стационарном режиме.

Независимо от принципа действия, теплообменные аппараты, применяющиеся в различных областях техники, как правило, имеют свои специальные названия. Эти названия определяются технологическим назначением и конструктивными особенностями теплообменных устройств.

В зависимости от назначения теплообменные аппараты подразделяют на нагреватели, испарители и кипятильники, холодильники и конденсаторы.

В нагревателях, испарителях и кипятильниках нагрев или испарение осуществляется с использованием специальных теплоносителей (водяной пар, высокотемпературные органические теплоносители и т.д.). Целевым назначением этих аппаратов является нагрев или испарение соответствующего технологического потока, тогда как охлаждение или изменение агрегатного состояния теплоносителя (конденсация) определяются передачей тепла нагреваемому потоку.

Холодильники и конденсаторы служат для охлаждения потока или конденсации паров с применением специальных хладоагентов (вода, воздух, фреон и т.д.). Происходящие при этом нагрев и изменение агрегатного состояния (испарение) охлаждающего агента являются побочными процессами.

1. Поверхностные теплообменники

Поверхностные теплообменники в зависимости от конструктивного выполнения бывают трубчатые, пластинчатые, спиральные, теплообменники с рубашкой, с оребренной поверхностью и др.

Трубчатыетеплообменники в свою очередь подразделяются на кожухотрубные, типа «труба в трубе», элементные (секционные) и змеевиковые.

Рисунок 8.12 – Кожухотрубчатый теплообменник: 1 – корпус; 2 – трубные решетки; 3 – трубы; 4 – днища; 5 – фланцы; 6 – болты; 7 – лапы

Кожухотрубныетеплообменники получили в промышленности наибольшее применение благодаря своей компактности, простоте в изготовлении и надежности в работе.

На рис. 8.12 показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса (или кожуха) 1 и приваренных к нему трубных решеток 2 с пучком труб 3. Выступающие из корпуса части решеток являются одновременно фланцами 5, к которым на прокладках и болтах 6 крепятся сферические или плоские днища 4. Теплообменники крепятся на лапах 7.

В кожухотрубчатом теплообменнике один теплоноситель (I) движется внутри труб в трубном пространстве, а второй (II) – в межтрубном, омывая пучок труб снаружи. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую теплоту, – в противоположном направлении.

Трубы в решетках объемно размещены равномерно по периметрам правильных шестиугольников, что обеспечивает компактность расположения. Иногда трубы располагают по концентрическим окружностям. При необходимости обеспечения очистки наружных поверхностей труб применяется коридорное расположение – по сторонам квадратов (рис. 8.15, д, е, ж).

Теплообменник, изображенный на рис. 8.12, является одноходовым. Вследствие большого суммарного проходного сечения труб и межтрубного пространства скорости протекания теплоносителей невелики и коэффициенты теплоотдачи в этом теплообменнике сравнительно низки. Для увеличения скорости протекания в трубном и межтрубном пространствах устанавливают перегородки, уменьшая сечение потока жидкости. На рис. 8.13 представлен такоймногоходовыйтеплообменник, который имеет два хода по трубному пространству и семь ходов по межтрубному. Вследствие меньшей площади сечения скорость жидкости в многоходовом теплообменнике возрастает (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов.

Рисунок 8.13 – Многоходовый кожухотрубчатый теплообменник: 1 – кожух; 2 – перегородки в межтрубном пространстве; 3 – перегородки в трубном пространстве

Кожухотрубчатые теплообменники располагаются вертикально или горизонтально. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливаются обычно многоходовыми и работают при больших скоростях теплоносителей, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их плотностей и температур, а также устранить образование застойных зон.

При большой разности температур за счет неодинаковых температурных удлинений в сварочных швах присоединения кожухов к фланцам в местах заделки труб в решетках возникают значительные напряжения, которые могут превысить предел прочности материала. Для предотвращения разрушения аппарата применяются конструкции, в которых пучок труб перемещается относительно кожуха, компенсируя температурные удлинения. Такие конструкции применяются при разноститемператур пучка труб и кожуха, превышающие 50° С.

Наиболее простой является конструкция теплообменника с линзовым компенсатором, расположенным на кожухе (рис. 8.14, а), применяемого при небольших перемещениях. При большой длине труб и больших перемещениях применяются теплообменники с плавающей головкой (рис. 8.14,б). Верхняя часть корпуса теплообменника этой конструкции присоединена на фланце к верхней трубной решетке. Нижняя трубная решетка, которая с нижней частью корпуса 1 непосредственно не связана, имеет самостоятельное днище 3, укрепленное на болтах и прокладках. Таким образом, пучок труб может свободно перемещаться относительно наружного корпуса, не вызывая в деталях температурных напряжений.

Рисунок 8.14 – Теплообменники с компенсирующими устройствами: а– с линзовым компенсатором;б– с плавающей головкой;в– сU-образными трубами; 1 – кожух; 2 – трубы; 3 – внутреннее днище

На рис. 8.14, впоказана конструкция теплообменника с компенсирующим устройством в видеи-образных труб. Корпус 1 не связан жестко с трубами 2, и каждый элемент может удлиняться, не вызывая термических напряжений в местах присоединения.

Крепление труб в трубных решетках в зависимости от свойств применяемых материалов, давления, необходимой герметичности выполняют различными способами (рис. 8.15).

Самый распространенный способ крепления стальных труб – развальцовка (рис. 8.15, а). Чисто обработанные концы труб и отверстий в трубной решетке (при минимальных зазорах) специальным инструментом – развальцовкой – раскатывают изнутри, деформируют и плотно соединяют с телом трубной решетки. В случае работы конструкции при повышенном давлении и необходимости увеличения ее прочности в поверхностях отверстий трубных решеток выполняют канавки, в которые при развальцовке затекает материал трубок; образуются удерживающие пояски (рис. 8.15,б). В некоторых случаях, если позволяют свойства материалов, трубы соединяют с трубной решеткой сваркой (рис. 8.15,в) или пайкой (рис. 8.15,г). Иногда трубы крепят с помощью разъемных сальниковых устройств, позволяющих при необходимости их легко заменить.

Рисунок 8.15 – Способы крепления и размещения труб в трубных решетках: а– развальцовка;б– развальцовка с канавками;в– сварка;г– пайка;д– расположение по шестиугольникам;е– расположение по окружностям;ж– коридорное расположение

Теплообменник типа«труба в трубе» (рис. 8.16) состоит из нескольких элементов, расположенных один над другим. Каждый элемент состоит из наружной трубы 2 и концентрически расположенной в ней внутренней трубы 1. Уплотнение между ними достигается установкой сальников или сваркой. Внутренние трубы элементов соединены последовательно переходными коленами (калачами) 3, а наружные трубы – патрубками 4. Среда I движется по внутренним трубам, а среда II – по кольцевым каналам элементов. При большой скорости перемещения сред этот теплообменник обеспечивает высокую интенсивность теплообмена, однако он громоздкий по сравнению с трубчатыми теплообменниками и металлоемкий.

Рисунок 8.16 – Теплообменник типа «труба в трубе»: 1 – внутренняя труба; 2 – наружная труба; 3 – соединительные калачи; 4 – патрубки

Рисунок 8.17 – Теплообменник с двойными трубами: 1 – кожух; 2, 4 – трубные решетки; 3 – наружные трубы; 5 – внутренние трубы

Иногда в одном элементе такого теплообменника размещают не одну трубу, а от 5 до 15. Такие элементные (секционные) теплообменники широко применяют в холодильной технике, а также при нагревании паром жидкостей, движущихся по трубам со скоростью до 3 м/с, благодаря чему уменьшается отложение накипи на трубах и увеличивается коэффициент теплопередачи.

Теплообменники с двойными трубами (рис. 8.17) состоят из кожуха 1, к фланцам которого прикреплена трубная решетка 2 с укрепленными на ней трубами 3, противоположные концы которых заварены. Внутрь каждой трубы введена труба меньшего диаметра 5, концы которой укреплены на второй трубной решетке 4. Теплоноситель I подается в пучок труб меньшего диаметра, поступает в кольцевые зазоры между трубами и удаляется через штуцер между трубными решетками. Теплоноситель II поступает в корпус и омывает трубы большего диаметра снаружи. В теплообменниках этого типа трубы могут удлиняться независимо от корпуса теплообменника.

Змеевиковыетеплообменники бывают погруженными и оросительными.

Погружные змеевиковые теплообменники(рис. 8.18) изготавливаются из труб 3, свернутых в спирали и заключенных в кожух 1, заполненный жидкостью. Для увеличения скорости потока среды, омывающей наружную поверхность змеевика, в некоторых конструкциях предусмотрен внутренний стакан 2. Этитеплообменники применяются как для конденсации паров, так и для нагревания и охлаждения жидкостей. В зависимости от длины труб змеевика его располагают в аппарате в один или два ряда. Коэффициент теплоотдачи у него невысок из-за свободной конвекции у поверхности труб. При установкев таких аппаратах мешалок последние должны вращаться в направлении, противоположном движению жидкости в змеевике.

Рисунок 8.18 – Погружной змеевиковый теплообменник: 1 – кожух; 2 – внутренний стакан; 3 – змеевик

Рисунок 8.19 – Оросительный теплообменник: 1 – секция прямых труб; 2 – калачи; 3 – распределительный желоб; 4 – поддон

Оросительныетеплообменники (рис. 8.19) представляют собой змеевики 1 из размещенных друг над другом прямых труб, которые соединены между собой калачами 2. Трубы обычно располагают в виде параллельных вертикальных секций с общими коллекторами для подачи и отвода охлаждаемой среды. Сверху змеевики орошаются водой, равномерно распределяемой в виде капель и струй при помощи желоба 3 с зубчатыми краями. Отработанная вода отводится из поддона 4, установленного под змеевиками.

Теплообменники этой конструкции применяются в основном в качестве холодильников и конденсаторов. При этом большая часть тепла отводится при испарении охлаждающей воды, в результате чего ее расход значительно сокращается по сравнению с погружными теплообменниками. Достоинством оросительных теплообменников является также легкость очистки наружной поверхности труб. Следует отметить, что змеевиковые теплообменники имеют небольшую теплообменную поверхность, поэтому их используют при относительно малых тепловых нагрузках.

Рисунок 8.20 – Оребренный холодильник: а– элемент трубы с оребрением;б– калорифер

Оребренные теплообменники. В тех случаях, когда один из теплоносителей имеет низкий коэффициент теплоотдачи (газы, вязкие жидкости), производят оребрение поверхности теплообмена со стороны этого теплоносителя. Этим достигают интенсификации теплообмена за счет увеличения поверхности. На рис. 8.20 показана труба, на наружной поверхности которой выполнены ребра, увеличивающие поверхность соприкосновения с омывающим газом. Такие конструкции, собранные из секций оребренных труб, широко применяются для нагрева воздуха и других газов и носят названиекалориферов. Греющий теплоноситель – водяной пар – поступает в трубы калорифера, а воздух прогоняется вентилятором вдоль ребер перпендикулярно трубам.

Пластинчатые теплообменникинашли широкое применение для охлаждения и нагревания различных жидкостей, паров и газов с рабочими средами, содержащими твердые взвеси, высоковязких жидкостей с рабочими температурами до 300 °С при давлениях до 1,6 МПа.

В пластинчатом теплообменнике (рис. 8.21) поверхность теплообмена образуется гофрированными параллельными пластинами 1, 3, 4, 5, 6. Пластины стянуты зажимами между головными плитами А и Б, между пластинами расположены резиновые прокладки. Пространство между пластинами представляет собой систему узких каналов шириной 3–6 мм с волнистыми стенками. Теплоносители, обменивающиеся теплотой, движутся в каналах между смежными пластинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пластины. Горячий теплоноситель I, поступающий в верхний штуцер справа, заполняет пространство между пластинами 5–6 и 3–4 и уходит через нижний штуцер слева. Теплоноситель II поступает в нижний штуцер слева, входит в пространство между пластинами 1–3 и 4–5 и выходит через верхний штуцер справа.

Рисунок 8.21 – Пластинчатый теплообменник: А, Б – головные плиты; 1, 3, 4, 5, 6 – гофрированные пластины с отверстиями; 2 – прокладки между пластинами 1–3, 4–5; 7 – прокладки между пластинами 3–4, 5–6

Вследствие высоких скоростей движения теплоносителей между пластинами, турбулизации потоков и теплообмена в тонком слое коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменниках значительно выше, чем в других теплообменниках при малом гидравлическом сопротивлении. Такие теплообменники требуют меньшей поверхности теплообмена, необходимой для передачи заданной тепловой нагрузки, компактны, удобны для сборки и разборки. Они дают возможность компоновать пластины в пакеты (группу пластин, между которыми теплоноситель движется только в одном направлении) при выборе оптимальной схемы и необходимой поверхности теплообмена.

Изготавливаются различные модификации пластинчатых теплообменников с пластинами из сталей различных марок, алюминия, титана и других металлов, разборной и неразборной конструкции.

Классификация пластинчатых теплообменников возможна по нескольким признакам:

– по способу соединения пластин между собой – разборные, паяные, сварные и полусварные;

– по ширине межпластинчатых каналов – узкоканальные и ширококанальные;

– по движению потоков – противоточные, прямоточные и аппараты с перекрестным током;

– по количеству ходов теплоносителей – одноходовые и многоходовые;

– специальные паровые пластинчатые теплообменные аппараты и выпарные станции.

Техническая характеристика и основные параметры некоторых типов пластинчатых теплообменников приведены в таблице 8.1.

Рисунок 8.22 – Спиральный теплообменник: 1, 2 – листы спирали; 3 – перегородка; 4 – крышки

Вспиральном теплообменнике(рис. 8.22) поверхность теплообмена образуется двумя металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке 3, а их наружные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты установленными на прокладках крышками 4. Таким образом, внутри аппарата образуются два изолированных спиральных канала шириной 4–8 мм, по которым противотоком движутся теплоносители. Теплоноситель I входит в нижний штуцер и удаляется через левый боковой штуцер, а теплоноситель II поступает в правый боковой штуцер и отводится через верхний штуцер.

Эти теплообменники имеют высокий коэффициент теплопередачи, компактны, имеют малое гидравлическое сопротивление, но сложны в изготовлении и не могут работать при больших избыточных давлениях.

Теплообменники с рубашкой(рис. 8.23) используют для обогрева и охлаждения реакционных и других аппаратов. У них поверхность теплообмена образуется стенками самого аппарата. Корпус аппарата 1 заключен в рубашку 2,прикрепляемую к аппарату на фланцах или сваркой. В полость между аппаратом и рубашкой подается теплоноситель. Если аппарат охлаждается, теплоноситель вводится в нижнюю часть и удаляетсяиз верхней части аппарата. При нагревании паром ввод осуществляется в верхние штуцеры, а конденсат удаляется из нижней части.

Рисунок 8.23 – Аппарат с рубашкой: 1 – корпус; 2 – рубашка

Поверхность нагрева в этом случае ограничивается размерами аппарата, а применяемые давления не превышают 0,6 – 1,0 МПа, так как при более высоких давлениях значительно возрастает толщина стенок рубашки. Такие аппараты изготавливают с поверхностью нагрева до 10 м², а для повышения коэффициента теплоотдачи их оборудуют мешалкой.

Для процессов теплообмена, протекающих в химически агрессивных средах, используют теплообменники из неметаллических материалов – стекла, керамики, тефлона и др. Такие материалы обычно имеют более низкий коэффициент теплопроводности, чем металлы. Исключение составляет графит, пропитанный феноло-формальдегидными смолами, он имеет коэффициент теплопроводности λ, равный 92–116 Вт/(м·К).

Блочный теплообменник из графита(рис. 8.24) состоит из отдельных графитовых блоков 1, имеющих сквозные вертикальные каналы 2 круглого сечения и перпендикулярные им каналы 3. Теплоноситель I движется по вертикальным каналам, а теплоноситель II – по горизонтальным каналам 3, проходя последовательно все блоки. Горизонтальные каналы различных блоков сообщаются друг с другом через боковые проточные камеры 4. Графитовые блоки уплотняются между собой и стягиваются торцовыми крышками 5 на болтах.

Рисунок 8.24 – Блочный теплообменник из графита: 1 – графитовые блоки; 2 – вертикальные каналы; 3 – горизонтальные каналы; 4 – боковые передаточные камеры; 5 – торцовые крышки

Кроме прямоугольных блоков применяют также цилиндрические блоки, в которых горизонтальные каналы располагаются радиально. Движение теплоносителей в блочных теплообменниках возможно как одно-, так и многоходовое.

Теплообменные аппараты из фторопластапредназначены для нагревания, охлаждения или конденсации коррозионных и особо чистых сред. Основная рабочая часть теплообменника – теплообменный элемент, состоит из пучка тонкостенных гибких фторопластовых трубок с внутренним диаметром 2–5 мм (толщина стенок составляет 10 % от диаметра). Концы пучка трубок обварены и соединены в коллектор (фторопластовую решетку), который служит для закрепления теплообменного элемента в корпусе аппарата и для подвода к нему рабочей среды. Благодаря малой толщине стенок, несмотря на невысокую теплопроводность фторопласта, в теплообменных аппаратах достигается достаточная величина коэффициентов теплопередачи. Гидрофобность фторопластовой поверхности способствует снижению отложений и облегчает их удаление, что обеспечивает практически постоянную величину коэффициента теплопередачи на протяжении всего периода эксплуатации. Эффективно использование теплообменников из фторопласта в качестве конденсаторов, так как процесс конденсации на несмачиваемых фторопластовых поверхностях имеет капельный характер.

Фторопластовые теплообменники бывают двух конструкций: кожухотрубчатые и погружные.

Рисунок 8.25 – Фторопластовый кожухотрубчатый теплообменник: 1 – теплообменный элемент; 2 – металлический кожух

На рис. 8.25 представлен кожухотрубчатый фторопластовый теплообменник. Теплообменный элемент 1 вмонтирован в металлический кожух 2. Коллекторы закрепляются в съемных металлических стаканах. Герметичность между трубным и межтрубным пространством обеспечивается уплотнениями из эластичных материалов, установленными между фторопластовым теплообменным элементом и металлическим стаканом. Схема уплотнения теплообменного аппарата в кожухе приведена на рис. 8.26.

Рисунок 8.26 – Схема уплотнения теплообменного элемента: 1 – кожух; 2 – отбойник; 3 – пучок труб; 4 – коллектор; 5 – уплотнение; 6 – крышка

Трубчатые фторопластовые пучки применяют также как самостоятельные теплообменники типа погружных змеевиков для нагревания или охлаждения (рис. 8.27).

Рисунок 8.27 – Теплообменный элемент погружного фторопластового теплообменника

Такие теплообменники устанавливают в рабочем объеме аппарата и присоединяют через коллектор к коммуникациям. При необходимости (для получения большей поверхности нагрева) используют несколько пучков. Соединение коллекторов теплообменных элементов между собой и с коммуникациями – резьбовое или фланцевое. Длина трубок в погружных фторопластовых теплообменных аппаратах достигает 10–15 м.

Фторопластовые теплообменники обладают малым гидравлическим сопротивлением, технологичны в изготовлении и сборке, удобны в монтаже, надежны в эксплуатации.

Для тепловой обработки высоковязких жидкостей и сыпучих материалов, обладающих низкой теплопроводностью, используют шнековые теплообменники(рис. 8.28).

Рисунок 8.28 – Шнековый теплообменник: 1 – корпус; 2 – рубашка; 3, 4 – полые шнеки; 5 – сальники полых шнеков

Материал, подлежащий нагреву, поступает у одного конца корпуса 1 с рубашкой 2 и перемешивается вращающимися навстречу друг другу шнеками 3 и 4, которые перемещают его к противоположному, разгрузочному концу корпуса. Иногда для увеличения поверхности теплообмена шнеки изготавливают полыми, и в них через полые валы, снабженные сальниками 5, теплоноситель подается в полые витки шнека.

Рисунок 8.29 – Регенеративный теплообменник непрерывного действия: 1 – камера нагревания насадки; 2 – переток насадки; 3 – камера охлаждения насадки; 4 – сборник охлаждения насадки; 6 – вход и выход греющего газа; 7 – вход и выход нагреваемого газа; 8 – бункер охлажденной насадки

Интенсификация теплообмена в шнековых теплообменниках достигается за счет непрерывного обновления поверхности материала, соприкасающегося со стенками аппарата, что, в свою очередь, определяется одновременным механическим перемешиванием и перемещением материала с помощью шнеков.

Регенеративные поверхностные теплообменникибывают непрерывно действующими и периодически действующими. Характерным для них является наличие твердых тел, которые попеременно соприкасаются с горячим и холодным теплоносителями. При соприкосновении с горячим теплоносителем нагревается твердое тело, при соприкосновении с холодным теплоносителем нагревается теплоноситель.

Непрерывно действующими регенеративными теплообменниками являются нагревательные установки с циркулирующим зернистым материалом (насадкой).

Теплообменник-регенератор (рис. 8.29) состоит из двух последовательно расположенных камер. Проходя через верхнюю камеру, слой нагревается потоком горячих газов, а при проходе через нижнюю камеру отдает аккумулированное тепло потоку холодных газов. Охлажденная насадка непрерывно транспортируется из нижнего сборника в верхний бункер, откуда дозирующим аппаратом вновь подается в верхнюю камеру регенератора.

Рисунок 8.30 – Схема регенеративного теплообменника периодического действия: 1, 2 – вход и выход греющего теплоносителя; 3,4 – вход и выход нагреваемого теплоносителя

Периодически действующий регенеративный теплообменник (рис. 8.30) имеет корпус прямоугольного или круглого сечения, заполненного твердой насадкой – кирпичом различной формы, кусками шамота, дисками, смотанными из гофрированной ленты и т.д. Обычно регенераторы работают попарно: в одно и то же время через один из них протекает горячий газ, отдавая тепло насадке, а через другой – холодный газ, отнимающий тепло у насадки, разогретой в предыдущем цикле. Цикл состоит из двух периодов: разогрева насадки и ее охлаждения. Переключение регенераторов после каждого периода с горячего на холодный ход и наоборот производится автоматически.