6.2.1 Классификация теплообменных аппаратов

Классификация теплообменных аппаратов достаточно обширна.

6.2.1.1 В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей различают теплообменники:

а) газовые теплообменники, в которых теплообмен осуществляется между газами (подогреватели газов топочными газами и др.);

б) парогазовые теплообменники, в которых теплообмен осуществляется между паром и газом (паровые подогреватели для воздуха, пароперегреватели и др.);

в) паро- или газожидкостные теплообменники, перенос тепла в них происходит между паром (или газом) и жидкостью (холодильники для газов, паровые подогреватели, конденсаторы и др.);

г) жидкостные теплообменники  теплообмен происходит между жидкостями (жидкостные холодильники, подогреватели и др.).

6.2.1.2 По режиму работы теплообменники подразделяются на периодически действующие и непрерывно действующие.

6.2.1.3 По основному назначению теплообменники классифицируются на подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

6.2.1.4 По способу передачи тепла теплообменники подразделяются на поверхностные и смесевые:

а) в поверхностных теплообменниках перенос тепла между теплоносителями происходит через разделяющую их твердую стенку. При этом непосредственный контакт теплоносителей исключен;

б) в смесевых теплообменниках тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.

Поверхностные теплообменники, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках перенос тепла осуществляется через разделительные стенки. Тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление (рисунок 6.2а).

В регенеративных теплообменниках теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. Направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется (рисунок 6.2б).

а б

Рисунок 6.2 – Схема движения потоков в рекуперативных (а)

и регенеративных (б) теплообменниках

6.2.1.5 В зависимости от формы теплопередающей поверхности теплообменники делят на трубчатые и нетрубчатые:

а) основным нагревательным элементом трубчатых теплообменников являются трубы (кожухотрубчатые ТО и др.);

б) основной нагревательный элемент нетрубчатых теплообменников изготавливают в виде листов или пластин (спиральные и пластинчатые теплообменники).

В химической технологии применяются теплообменники, изготовленные из самых различных металлов (углеродистых и легированных сталей, меди, титана, тантала и др.), а также из неметаллических материалов (графита, тефлона и др.). Выбор материала диктуется, в основном, его коррозионной стойкостью и теплопроводностью, причем конструкция теплообменного аппарата существенно зависит от свойств выбранного материала.

Наибольшее распространение в химической технологии получили поверхностные теплообменные аппараты, особенно теплообменники трубчатого вида, которые подразделяются на кожухотрубчатые, змеевиковые и ТО с оребренными трубами.

6.2.2 Кожухотрубчатые теплообменные аппараты

О

а б

1 – трубы; 2 – кожух; 3 – трубные решетки; 4 – крышка; 5 – днище;

6 – патрубки конструкции; 7 – линзовый компенсатор

Рисунок 6.3 – Кожухотрубчатый теплообменник

жесткой конструкции (а) и с линзовым компенсатором (б)

сновным элементом кожухотрубчатого теплообменника (рисунок 6.3) является пучок труб 1, который размещают в цилиндрическом корпусе 2 (кожухе). Пространство между трубками и боковой поверхностью кожуха называется межтрубным. Концы труб крепятся к трубным решеткам 3 развальцовкой, сваркой, пайкой. К фланцам кожуха присоединяются съемные крышка 4 и днище 5 с патрубками 6 для подвода и отвода теплоносителя I. На кожухе также имеются патрубки 6 для ввода и вывода теплоносителя II. Концы труб в трубных решетках крепятся развальцовкой, сваркой, пайкой.

Достоинства кожухотрубчатых теплообменников:

1) компактность;

2) небольшой расход металла;

3) легкость очистки труб изнутри (за исключением теплообменников с U-образными трубами).

Недостатками таких теплообменников являются:

1) трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями (этот недостаток в известной мере устраняется в многоходовых и элементных теплообменниках);

2) трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта;

3) трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки (чугун и т.д.).

Классификация кожухотрубчатых теплообменников представлена в таблице 6.1.

Таблица 6.1  Классификация кожухотрубчатых теплообменников

В соответствии с требованиями технологического процесса и удобства монтажа
Вертикальные	Горизонтальные			Наклонные
В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса
Жесткой конструкции Используются при небольших разностях температур корпуса и пучка труб	Полужесткой конструкции Температурные деформации от 10 до 15 мм компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе				Нежесткой конструкции Возможно независимое перемещение теплообменных труб и корпуса с целью устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений
Кожухотрубчатые теплообменники
Одноходовые		Многоходовые
		по трубному п ространству	по межтрубному п ространству

Для повышения скорости движения теплоносителя в теплообменниках устраивают перегородки (рисунок 6.4).

а

а – сегментные; б – диск-укольца

Рисунок 6.4 – Перегородки в межтрубном пространстве

Следующей особенностью конструкции кожухотрубчатых теплообменников является компоновка труб в корпусе (рисунок 6.5).

Треугольная

По концентрическим окружностям

Коридорная S1 = S2 S1 ≠ S2

Ш ахматная

Рисунок 6.5 – Компоновка труб в корпусе

Еще одним важным фактором при рассмотрении кожухотрубчатых теплообменников является выбор скорости теплоносителя. В таблице 6.2 приведены рекомендуемые значения скоростей для различных сред.

Таблица 6.2  Рекомендуемые значения скоростей теплоносителей

Среда	Условия движения	Скорость, м/с
Маловязкая жидкость (вода, бензин)	Нагнетательная линия Всасывающая линия	1,0-3,0 0,8-1,2
Вязкая жидкость (легкие и тяжелые масла, растворы солей)	Нагнетательная линия Всасывающая линия	0,5-1,0 0,2-0,8
Маловязкие и вязкие жидкости	Самотек	0,1-0,5
Газ при большом напоре	Нагнетательная линия компрессоров	15-30
Газ при небольшом напоре	Нагнетательная линия вентиляторов	5-15