1.1 Классификация теплообменников

1.1.1 Трубчатые теплообменники

Кожухотрубные теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников.

В кожухотрубчатом теплообменнике (рисунок 1) одна из обменивающихся теплом сред 1 движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая 2- в межтрубном пространстве.

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, - в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. Теплообменник, изображённый на рисунке 1а, является одноходовым. При сравнительно небольших расходах жидкости её движения в трубах таких теплообменников низка и, следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно увеличив их высоту (длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и значительной высоты неудобны для монтажа, требуют высоких помещений и повышенного расхода металла на изготовление деталей, не участвующих непосредственно в теплообмене. Поэтому более рационально увеличивать скорость теплообмена путём применения многоходовых теплообменников (рисунок 1б) [1].

где 1 - корпус (обечайка); 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 4 - крышки; 5 - перегородки в крышках; 6 - перегородки в межтрубном пространстве.

Рисунок 1 - Кожухотрубчатые одноходовой а) и многоходовой б) теплообменники.

С помощью поперечных перегородок, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы, по которым последовательно движется жидкость, протекающая в трубном пространстве теплообменника. Обычно разбивку на ходы производят таким образом, чтобы во всех секциях находились примерно одинаковое число труб.

Вследствие меньшей площади суммарного, поперечного сечения труб, размещенных в одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастает в число раз, равное числу ходов.

Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производительную площадь.

Горизонтальные теплообменники изготавливают обычно многоходовыми и работают при больших скоростях, участвующих в теплообмене сред.

Если средняя разность температур труб и кожуха в теплообменниках жесткой конструкции становится значительно, то трубы и кожух удлиняются неодинаково, что вызывает значительные напряжения в трубных решетках, что может привести к разрушению сварных швов.

При необходимости обеспечения больших перемещений труб и кожуха используют теплообменник с плавающей головкой.

В кожухотрубном теплообменнике с U-образными трубами сами трубы выполняют функцию компенсирующих устройств. При этом упрощается и облегчается конструкция аппарата. В теплообменниках такой конструкции, являющихся двух- или многоходовыми, достигается довольно интенсивный теплообмен. Недостатки теплообменников с U-образными трубами: трудность очистки внутренней поверхности труб, сложность размещения большого числа труб в трубной решетке.

Двухтрубчатые теплообменники, называемые также теплообменниками «труба в трубе», состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концетрически расположенными трубами. Один теплоноситель движется по внутренним трубам, а другой по кольцевому зазору.

Благодаря небольшим поперечным сечениям трубчатого и межтрубчатого пространства в двухтрубчатых теплообменниках даже при небольших расходах достигаются довольно высокие скорости жидкости. Это позволяет получать большие высокие коэффициенты теплопередачи и достигать более высоких тепловых нагрузок, чем в кожухотрубчатых теплообменниках. Кроме того, с увеличением скоростей теплоносителей уменьшается возможность отложения загрязнения на поверхности теплообмена.

Вместе с тем эти теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, и требуют большего расхода металла на единицу

поверхности теплообмена, которая в аппаратах такого типа образуется только внутренними трубами.

Двухтрубчатые теплообменники могут эффективно работать при небольших расходах теплоносителей, а также при высоких давлениях.

Если требуется большая поверхность теплообмена, то эти аппараты выполняют из нескольких параллельных секций. Трубы в решетках обычно равномерно размещают по, периметрам правильных шестиугольников, т.е. по вершинам равносторонних треугольников (рисунок 2а), реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям (рисунок 2б). В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рисунок 2в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников<1>.

а) по периметрам правильных шестиугольников; б) по концентрическим окружностям; в) по периметрам прямоугольников (коридорное расположение)

Рисунок 2 - Способы размещения труб в теплообменниках.

Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой причем особенно прочное соединение (при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками,

которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки. Кроме того, используют закрепление труб сваркой, если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой, применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции.

Теплообменник а) жесткой конструкции; б,в,г,д,е) нежесткой конструкции; ж)полужесткой конструкции.

Рисунок 3 - Типовые конструкции теплообменников.

Аппараты жесткой конструкции (рисунок 3а) используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб, эти теплообменники отличаются простотой устройства. В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений и температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке (рисунок 3б) или корпусе (рисунок 3в), пучком U–образных труб (рисунок 3г), подвижной трубной решетки закрытого и открытого типа (рисунок 3д, е). В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе (рисунок 3ж).