1.4.2 Трубчатые теплообменники.

Это наиболее распространенная группа поверхностных теплообменников. В нее входят: двухтрубные, кожухотрубчатые и змеевиковые (ороситель­ные и с погружным змеевиком).

Двухтрубные аппараты, или аппараты типа «труба в трубе» очень прос­ты по устройству. Они представляют собой (рис.2) несколько расположенных друг над другом элементов, каждый из которых состоит из двух труб: наружной большего диаметра и концентрически расположенной в ней внутренней трубы. Соединены элементы между собой последовательно при помощи съемных соединительных колен (калачей).

Благодаря небольшому поперечному сечению в этих аппаратах можно создать большие скорости теплоносителей, как по трубному, так и по кольце­вому сечению, даже при небольших расходах теплоносителей,

При значительных расходах теплоносителей устанавливается несколько параллельных секций двухтрубных аппаратов, работающих от общего кол­лектора.

Рисунок 1. Аппарат с рубашкой:

1 – корпус;

2 – рубашка;

3 – фланцевое соединение;

I, II – теплоносители.

Преимущества двухтрубных аппаратов:

1) простота изготовления;

2) надежная работа при малых расходах теплоносителей.

Недостатки:

1) малая поверхность теплопередачи (поверхность внутренней трубы) в единице объема и, следовательно, громоздкость аппарата;

2) трудность очистки кольцевого пространства;

3) значительно большая, чем поверхность теплопередачи, поверхность теплопотерь в окружающую среду, в связи с чем их выгоднее исполь­зовать в качестве холодильников, а не подогревателей;

4) большая металлоемкость.

Кожухотрубчатые аппараты.

Эти аппараты относятся к числу наиболее часто применяемых в самых различных отраслях промышленности. Они представляет собой пучок парал­лельных труб небольшого диаметра, размещенных с помощью трубных реше­ток в трубе большого диаметра, называемой кожухом (рис.3).

Один из теплоносителей (I) движется по трубам, второй (П) - в про­странстве между трубами и кожухом (так называемом межтрубном прост­ранстве).

Преимущества кожухотрубчатых аппаратов:

1) компактность, благодаря большой поверхности теплопередачи в единице объема аппарата;

2) малая поверхность теплопотерь, образуемая кожухом, по сравнению с поверхностью теплопередачи, создаваемой поверхностью всех находящихся в кожухе труб;

3) сравнительно небольшая металлоемкость.

Недостаток – сложность очистки межтрубного пространства от отложений Теплоносители обычно движутся противотоком, причем более загрязнен­ный, или дающий отложения теплоноситель подается в трубы, которые легче чистить. При резко отличающихся расходах в трубы подается тот теплоно­ситель, расход которого меньше.

На рис.4 показаны способы крепления труб в трубной решетке. Чаще всего трубы закрепляют в решетках развальцовкой, причем особенно прочное соединение (для работы при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые при развальцовке заполняются материалом трубы. Кроме того, для крепле­ния труб в отдельных случаях может использоваться сварка, если материал трубы не поддается развальцовке, и пайка, в случае соединения медных и латунных труб. Используемое изредка сальниковое уплотнение труб яв­ляется сложным, дорогим и ненадежным.

Размещаются трубы в решетках тремя способами (рис.5):

1) по сторонам и вершинам правильного шестиугольника;

2) по сторонам и вершинам квадрата;

3) по концентрическим окружностям.

Рисунок 2. Теплообменник типа «Труба в трубе»

1 – наружная труба;

2 – внутренняя труба;

3 – калач;

I, II – теплоносители.

Рисунок 3. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками

1 – кожух;

2 – трубная решетка;

3 – трубы;

4 – патрубок;

5 – днище;

6 – опорная лапа;

I, II – теплоносители.

Трубы отстоят друг от друга на расстоянии шага (расстояние между центрами соседних труб), который чаще всего принимается равным (1,25–1,3)d_н где d_н - наружный диаметр трубок.

Расстояние от крайних труб до кожуха принимается равным (0,8–1,0)d_н

Число труб, расположенных по периметрам правильных шестиугольников, будет, таким образом, равно n=3x²+3x+1, где x – число шестиугольников.

Однако при числе шестиугольников, большем шести, количество труб увеличивается на то число, которое может быть размещено на сегментах последнего шестиугольника.

Внутренний диаметр кожуха может быть в этом случае найден из выраже­ния D=2(xt+t₁), где x – число шестиугольников; t – шаг, t₁– расстояние от крайней трубы до кожуха.

Аппарат, изображенный на рис.3, имеет неподвижные, приваренные к корпусу трубные решетки. Это аппарат жесткой конструкции. Его можно при­менять лишь в случае, если средняя разность температур труб и кожуха не превышает 50°С так как в противном случае возникают темпера­турные напряжения вследствие различного теплового удлинения труб и кожуха.

При неодинаковом удлинении труб и кожуха могут разрушиться сварные швы и нарушиться плотность соединения труб с решеткой, что приведет к совершенно недопустимому смешению теплоносителей.

Для компенсации разности температурного удлинения труб и кожуха применяются аппараты нежесткой конструкции, в которых трубы (или кожух) могут при необходимости свободно удлиняться.

На рис.6 и рис.7 показаны несколько способов компенсации неравномерности удлинения. Наиболее простой конструкцией является теплообменник с лин­зовым компенсатором на корпусе (рис.6, а), подвергающийся упругой деформа­ции. Однако линзовые компенсаторы можно применять лишь при небольших избыточных давлениях в межтрубном пространстве (не более 1 МПа).

Более широко применяются аппараты с плавающей головкой (рис.6, б и в), имеющие одну жестко закрепленную и вторую, свободно перемещающуюся трубные решетки. В этих аппаратах возможна любая разность тем­ператур теплоносителей вследствие свободного удлинения труб независимо от корпуса аппарата. Положительным фактором в этих ап­паратах является также возможность демонтажа трубного пучка для ремон­та и очистки. При необходимости обеспечения особенно надежного разоб­щения трубного и межтрубного пространств штуцер от плавающей головки выводится через крышку аппарата при помощи сальникового уплотнения (рис.7, г).

Рисунок 4. Способы уплотнения труб в трубных решетках:

а) развальцовкой;

б) развальцовкой с отверстиями и канавками;

в) сваркой.

Рисунок 5. Схемы размещения труб в трубных решетках:

а) по сторонам и вершинам правильного шестиугольника;

б) по сторонам и вершинам квадратов;

в) по концентрическим окружностям.

Компенсация неравномерности удлинения возможна также в теплообмен­никах с U- образными трубами, где сами трубы выполняют функцию компенсирующих устройств (рис.7, д). При этом упрощается и облегча­ется конструкция аппарата. Однако у этого способа есть и весьма серь­езные недостатки: трудность очистки внутренней поверхности труб и сложность размещения большого числа труб в трубной решетке.

Аппарат, приведенный на рис.3 , называют также одноходовым, так как и один, и второй теплоносители проходят через аппарат один раз.

Для интенсификации работы теплообменных аппаратов в них устанавливаются перегородки, заставляющие теплоносители несколько раз проходить по аппарату. Такие аппараты называют многоходовыми. На рис. 8, а пока­зан четырехходовой по трубному пространству аппарат. Благодаря пере­городкам, установленным в крышках теплообменника, трубный пучок разделен на отдельные секции, или ходы, по которым последовательно про­ходит жидкость. Обычно разбивку на ходы производят таким образом, что­бы число труб в каждом ходе было примерно одинаковым. Так как жидкость поступает теперь в сечение труб, в несколько раз (в соответствии с числом ходов) меньшее, то скорость её движения в соответствующее число раз возрастает. Так, в четырехходовом теплообменнике скорость в трубах при прочих равных условиях в 4 раза больше, чем в одноходовом с тем же числом труб. Увеличение скорости приводит и увеличению коэффициента теплоотдачи и интенсификации теплопередачи в целом.

Для увеличения скорости и удлинения пути движения теплоносителя в межтрубном пространстве могут служить поперечные перегородки (рис.8, б), представляющие собой сегменты, приваренные к стенкам, с отверстиями для труб. Эти перегородки могут служить также промежуточны­ми опорами для пучка труб, уберегая их от прогиба. Наличие большого числа перегородок усложняет конструкцию аппарата и увеличивает его гидравлическое сопротивление как за счет роста ско­рости движения теплоносителей, так и за счет увеличения числа допол­нительных местных сопротивлений. Поэтому обычно, руководствуясь технико-экономическими соображениями, число ходов ограничивают пятью-шестью; в отдельных случаях его доводят до восьми.

Кожухотрубные аппараты могут располагаться вертикально (рис.8, а) или горизонтально (рис.8, б), в зависимости от местных условий. Кроме этого, следует учитывать, что вертикально расположенный аппарат за­нимает меньше места, чем горизонтальный, но зато требует большей за­траты энергии для подъема жидкости на большую высоту.

Чаще всего применяют трубы с диаметрами 25x2, 38x2, 57x2,5 мм, длина труб обычно достигает 6 м, число их в трубной решетке 1500 -1700 штук.

При необходимости удлинения пути теплоносителей теплообменники мо­гут соединяться последовательно; при необходимости иметь большее число труб, чем допускается в одном аппарате, устанавливается несколько аппаратов, соединенных параллельно.

Рисунок 6. Кожухотрубные теплообменники с компенсирующими устройствами:

а) с линзовыми компенсаторами;

б) с плавающей головкой закрытого типа;

в) с плавающей головкой открытого типа;

I, II – теплоносители.

Змеевиковые теплообменники

Их можно подразделить на две группы:

1) аппараты с погружными змеевиками;

2) оросительные аппараты.

В погружном змеевиковом аппарате (рис.9) один теплоноситель движется по спиральному змеевику, выполненному из труб диаметром (15-75 мм), который погружен в жидкость, находящуюся в корпусе аппарата. Вследствие большого объема корпуса скорость жидкости в нем невелика, что приводит к низким значениям коэффициента теплоотдачи снаружи змеевика.

Для увеличения скорости жидкости и интенсификации процесса теплопе­редачи устанавливают в корпусе специальный внутренний стакан, умень­шающий сечение для прохода жидкости в корпусе аппарата.

Преимущества погружных змеевиковых теплообменников заключаются в простоте устройства, дешевизне изготовления, доступности поверхности теплообмена для очистки и ремонта, а также в малой чувствительности к изменению режима вследствие наличия большого объема жидкости в сосуде.

Недостатки этих аппаратов: малые коэффициенты теплопередачи, так как тепло в межтрубном пространстве практически передается путем свободной конвекции; трудность очистки внутренней поверхности труб, громоздкость.

Оросительные теплообменники (рис.10) представляют собой змеевики из размещенных друг над другом прямых труб, соединенных между собой пос­ледовательно сваркой или на фланцах при помощи соединительных колен (калачей). Применяют их чаще всего в качестве холодильников и конден­саторов.

Трубы, по которым движется охлаждаемое вещество, расположены в виде параллельных вертикальных секций (на рисунке показана одна секция) с общими коллекторами для подвода и отвода охлаждаемой среды. Сверху змеевики орошаются водой, равномерно распределяемой в виде капель и струй по поверхности труб при помощи желоба с зубчатыми краями.

Стекающая по поверхности труб вода охлаждает вещество, проходящее по трубам, и собирается в поддоне (корыте), установленном под змеевиками.

Расход воды в этих холодильниках значительно меньше по сравнению с холодильниками других типов, так как около (1–2) % охлаждающей воды испаряется с поверхности труб, отводя примерно половину всего тепла.

Сравнительно малый расход воды, простота конструкции, легкость ос­мотра и очистки наружной поверхности труб (при соединении труб на фланцах легко очищается и внутренняя поверхность труб) – все это можно отнести к преимуществам данной конструкции теплообменников. Однако существенными недостатками их являются громоздкость, слабое участие в теплопередаче нижних поверхностей труб, особенно при небольших расхо­дах воды; ускоренная коррозия труб, повышенная влажность и загрязнен­ность атмосферы цеха в результате испарения технической воды.

Рисунок 7. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами (продолжение):

а) с сальниковым компенсатором;

б) с U-образными трубами;

I, II – теплоносители.

Рисунок 8. Кожухотрубные теплообменники с неподвижными трубными решетками:

а) многоходовой по трубному пространству;

б) многоходовой по межтрубному пространству;

I, II – теплоносители.

Рисунок 9. Змеевиковый теплообменник:

1 – спиральный змеевик;

2 – корпус аппарата;

3 – внутренний стакан;

4 – конструкция для крепления змеевика.

Рисунок 10. Оросительный теплообменник:

1 – желоб;

2 – соединительное колено;

3 – труба;

4 – корыто.

Обычно их устанавливают на открытом воздухе и ограждают деревян­ными решетками, чтобы уменьшить унос воды в виде брызг.

Аппараты воздушного охлаждения

Для конденсации и охлаждения рабочих сред применяют в основном аппараты с водяным охлаждением. Ограниченные ресур­сы технической воды и существенные капитальные затраты на создание систем оборотного водоснабжения требуют поиска иных способов охлаждения. В некоторых случаях целесообразно применять теплообменные аппараты воздушного охлаждения (АВО). В этих аппаратах охлаждение продукта, протекающего внутри трубного пучка, осуществляется за счет обдувки пучка труб снаружи потоком воздуха, подаваемого мощными вентиляторами.

В зависимости от расположения оребренного трубного пучка АВО классифицируются на горизонтальные, вертикальные (малогабаритные) и с наклонным расположением трубного пучка (шатровые, зигзагообразные).

На рис.11 показано устройство аппарата воздушного охлаждения с горизонтальным расположением трубного пучка (секции) - АВГ. Аппарат состоит из нескольких секций 1 с горизонтально расположенными оребренными трубами 2. Концы труб каждой секции развальцованы в двух трубных решетках прямоугольной формы. К трубным решеткам через фланцевое соединение на болтах крепят крышки 3 со штуцерами для ввода и вывода охлаждаемой жидкости. Трубные секции монтируют на раме 4, опирающейся на стойки 5. Секции крепят к рамам жестко только с одного конца, что обеспечивает свободное тепловое расширение элементов секции при нагревании. К раме и стойкам крепят всасывающий коллектор 6 и диффузор 7 вентилятора:

На отдельном фундаменте 8 смонтирован осевой вентилятор, рабочее колесо которого 9 насажено на вертикальный вал редуктора 10. Привод осуществляется от специального двухскоростного электродвигателя 11.

Вентилятор нагнетает воздух через межтрубное пространство секций, за счет чего происходит охлаждение горячей жидкости в трубах до температуры, на 10–20°С превышающей температуру окружающего воздуха.

Для снижения температуры охлаждающего воздуха на выходе из вентилятора в летний период его могут увлажнять. Обессоленная вода в увлажнитель подается из отдельной системы водоподготовки. Увлажнитель представляет собой трубу с отверстиями, направленными в сторону оси воздушного потока. В зимнее время для предотвращения замораживания жидкости внутри труб в секциях, воздух на выходе из вентилятора можно подогревать, расположив в диффузоре 7 змеевик с паровым подогревом.

Количество подаваемого через аппарат воздуха регулируется рядом устройств, в том числе поворотом лопастей вентилятора. Поворот лопастей может выполняться при остановленном вентиляторе: либо вручную, либо специальным механизмом дистанционного поворота лопастей. Другим устройством для регулирования количества воздуха, проходящего через секции, являются жалюзи, установленные сверху секции.

Рисунок 11. Аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа (АВГ)

1 – секция;

2 – оребренные трубы;

3 – крышка;

4 – рама;

5 – стойка;

6 – всасывающий коллектор;

7 – диффузор;

8 – фундамент;

9 – рабочее колесо;

10 – вал редуктора;

11 – электродвигатель.

Применение АВО должно быть обосновано технико-экономическим расчетом и сопоставлено с показателями применения аппаратов водяного охлаждения.