4.2. Поверхностные теплообменные аппараты.

В поверхностных теплообменниках оба теплоносителя разделены стенкой и теплота передается через нее от одного к другому.

П оверхностные теплообменники – наиболее распространенные.

4.2.1. Кожухотрубные теплообменники применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена, т.е. для конденсации теплоносителей в различных технологических процессах, а также для нагревания и охлаждения жидкостей и газов. В большинстве случаев пар (горячий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубам.

Кожухотрубный теплообменник см. рис. 4.1 представляет собой аппарат, состоящий из пучка труб 4, жестко закрепленных в трубных решетках 3 и ограниченных кожухом 1 и крышками 2 со штуцерами и опирающийся на лапы 5.

Крышки и трубы образуют трубное пространство, а между кожухом и наружной поверхностью труб имеется межтрубное пространство.

Трубное и межтрубное пространства, по которым движутся теплоносители, разделены между собой поверхностью теплообмена, причем каждое из них может быть поделено перегородками на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости движения теплоносителей, а, следовательно, и интенсивности теплообмена. В этих аппаратах с помощью перегородок в крышках трубы делятся на секции, в которые последовательно проходит жидкость. Число труб в секциях одинаково. В многоходовом теплообменнике по сравнению с одноходовым той же поверхности скорость и коэффициент теплоотдачи возрастают соответственно числу ходов.

Для повышения коэффициента теплоотдачи со стороны жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, в нем также устанавливаются перегородки. Перегородки могут быть продольными и поперечными.

П ерегородки в межтрубном пространстве изменяют направление движения теплоносителя так, что наружная поверхность труб омывается преимущественно в поперечном направлении, т.е. по прин-ципу смешенного тока.

Способ соединения в трубных решетках определяется свойствами материалов, применяемых для данной конструкции. Трубы в трубных решет-ках закрепляют развальцовкой, свар-кой, пайкой см. рис. 4.2. Чаще исполь-зуют развальцовку. Иногда трубы кре-пят с помощью сальниковых уст-ройств, допускающих свободное про-дольное перемещение труб.

Размещение труб в решетках осуществляется по периметрам правильных

шестиугольников см. рис. 4.3, а, концентрическим окружностям см. рис. 4.3, б, и вершинам квадратов см. рис. 4.3, в.

Наиболее часто трубы размещают по периметрам правильных шестиугольников.

Д иаметр труб и шаг трубного пучка, (расстояние между осями соседних труб) существенно влияют на компактность и массу теплообменника. Для стандартных труб с наружным диаметром d_н = 16, 20, 25, 38,5 мм, размешенных по периметрам правильных шестиуголь-ников, принимают шаг равный при развальцовке t = (1,3…1,6)d_н при свар-ке t = 1,25d_н.

Кожухотрубные теплообменники распо-лагаются вертикально или горизонтально.

При разности температур между тепло-носителями свыше 50ºС возникают температур-ные напряжения, кото-рые могут превысить предел прочности мате-риала, в результате появляются неплотности, нарушается герметич-ность.

Для компенсации неодинакового удлинения труб и корпуса аппарата используют теплообменники с линзовыми компенсаторами, с плавающей головкой, с U- образными трубами, а также теплообменники с сальниковыми устройствами.

Кожухотрубные теплообменники имеют следующие условные обозначения конденсаторы – К, испарители – И, теплообменники – Т, холодильники – Х. Вторая буква условного обозначения показывает наличие конструктивных устройств для компенсации температурных деформаций ТН – теплообменник с плавающей головкой ХК – холодильник с температурным конденсатором на кожухе, ИУ – испаритель с U – образными трубками.

4.2.2. Двухтрубные теплообменники, иначе называемые теплообменники типа “труба в трубе”, состоят из нескольких элементов, расположенных один над другим см. рис.4.4. Каждый элемент состоит из двух труб наружной трубы 4 и концентрически расположенной в ней трубы 3. Внутренние трубы соединены между собой последовательно переходными коленами (калачами) 1, наружные – патрубками с фланцами 2.

Для нагревания или охлаждения газообразных сред, поступающих в межтрубное пространство, применяют внутренние трубы с оребрением в виде пластин или наварных шипов.

Высокие скорости теплоносителей в этих теплообменниках позволяют получать высокие коэффициенты теплопередачи, но громоздкость ограничивает их применение.

4.2.3. Оросительные трубчатые теплообменники состоят из расположенных друг над другом прямых горизонтальных труб 2, соединенных между собой коленами (калачами) 3, и орошаемых с наружи водой см. рис. 4.5.

В оросительном трубчатом теплообменнике охлаждаемая жидкость поступает в нижнюю трубу и удаляется из верхней трубы, на которую поступает вода, равномерно распределяемая в виде капель и струек из оросительного устройства с зубчатыми краями (распределительного желоба) 1, а внизу попадает в сборный желоб 5. Для создания большой поверхности теплообмена оросительные теплообменники выполняют многосекционными.

О роситель-ные теплообмен-ники отличаются простотой изготов-ления, легкостью монтажа, очистки и эксплуатации. К недостаткам их следует отнести громоздкость, низ-кий коэффициент теплопередачи, чувствительность к изменениям темпе-ратуры охлажда-ющей среды.

Применяются эти теплообменни-ки почти исключи-тельно в качестве холодильников для жидкостей и газов или конденсаторов.

4.2.4. Погружные змеевиковые теплообменники. Такой теплообменник см. рис. 4.6 представляет собой спиральный змеевик 2, заключенный в корпус 1. Для увеличения скорости потока среды, окружающей наружную поверхность змеевика, в корпусе устанавливают внутренний стакан 3.

Змеевик, по которому движется один теплоноситель, погружен в другой теплоноситель, находящийся в корпусе.

Погружные змеевиковые теплообменники отличаются чрезвычайной простотой устройства, но вследствие низких значений коэффициента теплопередачи из-за свободной конвекции у поверхности труб характеризуются низкой производительностью.

4.2.5. Пластинчатые теплообменники. Конструкция пластинчатого теплообменника зависит от предъявляемых к нему производственных требований. Отличительной особенностью этих теплообменников является то, что поверхность их нагрева состоит из гофрированных пластин, соединяемых последовательно и снабженных промежуточными прокладками. С помощью пластин создается система узких каналов шириной 3-6 мм с волнистыми стенками. Теплоносители движутся в каналах между смежными пластинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пластины.

Пластины стянуты стяжным винтовым механизмом между головными плитами. Теплоноситель І движется по нечетным каналам, теплоноситель ІІ – по четным.

Все пластины в теплообменнике собираются в пакеты. Пакетом называют группу пластин, между которыми теплоноситель движется в одном направлении.

Собранные в пакеты пластины образуют плоскопараллельные каналы, по которым проходят теплоносители.

В одном пластинчатом теплообменнике с помощью промежуточных пластин часто создают процессы нагревания и охлаждения различными тепло – и хладоносителями.

Благодаря малому расстоянию между пластинами, достигаются большие скорости движения теплоносителей и высокие коэффициенты теплопередачи при сравнительно низком сопротивлении.

Теплоносители можно пропускать через пластинчатый теплообменник проти-

вотоком, прямотоком и по смешанной схеме.

Недостаток этих аппаратов состоит в том, что диапазон рабочих температур и сред ограниченной термической и химической стойкостью прокладочных материалов.

4.2.6. Спиральные теплообменники. Такой теплообменник см. рис. 4.7. состоит из двух спиралей, входящих одна в другую и образующих таким образом каналы 1 и 2 четырехугольного сечения, боковые стенки которых образуют две торцевые крышки 4 и 5. Перегородка 3 в центре теплообменника разделяет плоскости входа и выхода теплоносителей.

Спирали изготавливают так, что торцы листов лежат строгого в одной плоскости. Затем их помещают между дисками, являющимися торцевыми крышками аппарата и стягивают болтами. Для герметизации между крышками и листами по всему сечению теплообменника помещают прокладку из резины, паронита и т.п. Это обеспечивает работу теплообменника при избыточном давлении д о 1 МПа.

Спиральные теплообменники быва-ют горизонтального и вертикального типа, их устанавливают часто блоками по 2, 4, 8 аппаратов.

В спиральных теплообменниках обеспечивается возможность движения жидкости с высокими скоростями и создания чистого противотока, что дает максимально достижимую среднюю разность температур и высокие коэффициенты теплопередачи.

Эти теплообменники компактны, но тяжелы в изготовлении.

4.2.7. Оребренные теплообменники. Такие теплообменники применяются с целью увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя, имеющего низкие значения коэффициента теплопередачи по сравнению со вторым теплоносителем, участвующим в теплообмене.

Типы оребрения поверхностей теплообмена ребристые трубки, трубка со спиральным оребрением, чугунная труба с внутренним оребрением, проволочное беспиральное оребрение, плавниковое оребрение, многоребристая трубка.

Оребрение, используемое как в пластинчатых, так и в трубчатых теплообменниках, является также эффективным средством повышения компактности аппарата. В трубчатом теплообменнике установка ребер возможна только с одной стороны, в пластинчатом – с обеих сторон рабочей поверхности.

4.2.8. Теплообменники с поверхностью теплообмена, образованной стенками аппарата. Для обогрева и охлаждения реакционных аппаратов применяют различные устройства, в которых поверхность теплообмена образуется стенками самого аппарата. К числу таких устройств относятся рубашки см. рис. 4.8.

Цилиндрически корпус аппарата 1 помещается в кожух рубашку 2 таким образом, что между внутренней поверхностью кожуха и наружной поверхностью корпуса аппарата образуется герметически замкнутое пространство, в которое через верхний штуцер подается греющий теплоноситель, а через нижний штуцер отводится конденсат или охлажденная вода. При охлаждении холодный теплоноситель поступает снизу через нижний штуцер. Корпус закрывается крышкой 4, на которой имеются штуцеры, люки, привод мешалки 3.

4.2.9. Шнековые теплообменники. Интенсификация теплообмена в шнековом теплообменнике см. рис. 4.9 осуществляется за счет непрерывного обновления поверхности материала, который соприкасается со стенками аппарата. Обновление поверхности происходит в результате вращения винтообразных валов навстречу друг другу с одновременным переме-шиванием материала вдоль шнека.

М атериал, обладающий низкой теп-лопроводностью (высо-ковязкие жидкости, сыпучие вещества), подвергающийся тепло-вой обработке, посту-пает через загрузочное отверстие в корпус 1 теплообменника с рубашкой 2 и пере-мешивается с помощью шнеков 3 и 4. При этом происходит тепловая обработка (нагревание или охлаждение) матери-ала, который перемеща-ется к противополож-ному концу корпуса, т.е. к разгрузочному бунке-ру.

Теплоноситель подается в рубашку иногда, для увеличения поверхности теплообмена валы шнеков делаются полыми, для герметичности снабжаются сальниками 5 и внутрь по всей длине шнека и в пустотелые витки подают теплоноситель.

Регулирование обогрева может осуществляться как с помощью теплоносителя, так и скоростью перемещения материала.

При небольшой опорной поверхности теплообменник данной конструкции имеет относительно большую поверхность нагрева.

Шнековые теплообменники занимают мало места, высокоэффективны и могут быть приспособлены к различным производственным условиям путем объединения нескольких аппаратов в один агрегат.

Шнековые теплообменники требуют затрат сравнительно большого количества энергии.