Виды теплообменных аппаратов.

Передача тепла от одной среды к другой осуществляется в теплообменниках. В зависимости от способа передачи тепла различают:

• поверхностные теплообменники, где перенос тепла между средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена - глухую стенку. Стенка выполнятся из металла, обладающего хорошей теплопроводностью и высотой прочности. Лишь в особых случаях, при коррозионно -активных средах, она изготовляется из керамики, стекла, графита. Графит имеет то преимущество, что наряду с химической стойкостью обладает хорошей теплопроводностью.

• теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

• регенеративные теплообменники, в них нагрев жидких сред происходит за счет соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами (насадкой, заполняющей аппарат), периодически нагреваемыми другими теплоносителями.

Рассмотрим поверхностные теплообменники.

Поверхностные теплообменники имеют различное конструктивное оформление. Наиболее часто встречающиеся конструкции теплообменников: кожухотрубные одноходовые и многоходовые; кожухотрубный теплообменник с линзовым компенсатором; кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубками; элементные теплообменники; теплообменники типа "труба в трубе"; спиральные, пластинчатые, змеевиковые и рубашечные теплообменники; оросительные и воздушные холодильники.

Кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным аппаратом вследствие компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок, концы которых закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища), что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетах чаще всего развальцовкой, сваркой или реже для предупреждения термических напряжений с помощью сальников.

В кожухотрубных теплообменных аппаратах процесс теплообмена проводится по принципу противотока (преимущественно). При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую - навстречу ей, или наоборот. Правильным является первый путь, т.к. он соответствует "естественному стремлению" обоих сред. Выбор, какую среду направить в межтрубное пространство, и какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий, например:

• среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, а следовательно, и для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;

• внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;

• среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;

• среду с очень высокой или, наоборот, с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

Работу кожухотрубных теплообменников можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.

Наиболее простой путь обеспечения высоких скоростей состоит в устройстве многоходовых теплообменников. Число ходов в трубном пространстве может доходить до 8 - 12. При этом часто не удается сохранить принцип противотока. Наличие смешанного тока буден несколько снижать движущую силу процесса теплопередачи, что соответственно снизит эффективность работы. С помощью перегородок увеличивается скорость движения той среды, у которой меньше значение коэффициента теплоотдачи. Следует иметь в виду, что в длинных, особенно в многоходовых, теплообменниках уменьшается смешение поступающей среды со всем ее количеством, находящемся в аппарате, и этим предупреждается возможное дополнительное уменьшение средней разности температур.

В кожухотрубных теплообменниках при большой разности температур между средами возникают значительные термические напряжения, особенно в момент пуска или остановки аппарата, вызванные различным удлинением трубок и кожуха под воздействием различных температур. Во избежание возникновения таких напряжений используются следующие меры:

• Установка в корпусе аппарата линзового компрессора.

• Установка в теплообменнике только одной трубной решетки, в которой закреплены трубки U - образной формы.

• Устройство теплообменников с «плавающей головкой».

• Закрепление трубок в одной из трубных решеток с помощью сальников.

• Сальниковое соединение трубной решетки с кожухом.

Основными элементами кожухотрубных теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки, как в трубном, так и межтрубном пространствах.

Кожухотрубные 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 кожухотрубные теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции.

Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В кожухотрубных теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U-образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого и открытого типа.

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе . Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10—15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см².

Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменники этого типа смонтированы из труб, каждая из которых окружена трубой несколько большего диаметра. Одна среда течет по внутренней трубе, другая - по кольцевому каналу. Внутренние трубы соединены последовательно «калачами», а наружные - патрубками. При необходимости получить большую поверхность теплопередачи возможно не только последовательное, но и параллельное и комбинированное соединение таких секций с помощью коллекторов. В теплообменнике типа «труба в трубе» с соответствующим подбором диаметров труб для обеих теплообменивающих сред можно назначить любую скорость, а следовательно получить соответственно высокие значения величин . Недостатком таких теплообменников является большой расход металла на единицу тепло передающей поверхности вследствие затрат на бесполезные для теплообмена внешние трубы, что приводит к значительному увеличению стоимости аппарата. Этот недостаток становится менее ощутимым, если внешние трубы изготовлены из обычной углеродистой стали, а внутренние - из дорогостоящего материала в условиях агрессивных сред. Теплообменники типа «труба в трубе» особенно широко применяются тогда, когда среды подаются под высоким давлением (десятков и сотен атмосфер).

Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет со­бой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутрен­ние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или ко­ленами. Двухтрубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соеди­ненных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто приме­няют как жидкостные или газо-жидкостные. Подбором диамет­ров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим ра­бочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую ско­рость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэф­фициент сред при высоком давлении, просто­та изготовления, монтажа и обслу­живания.

Недостатки двухтрубного тепло­обменника — громоздкость, высокая стоимость вследствие большого рас­хода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого про­странства.