Тема 2. Конструкція теплообмінних апаратів

Мета: ознайомитися з конструкцією теплообмінних апаратів

Основні види теплообмінників

Трубчаті теплообмінники

Змійовикові теплообмінники

Пластинчаті теплообмінники

Оребрені теплообмінники

Спіральні теплообмінники

Теплообмінні пристосування реакційних апаратів

Теплообмінники інших типів

Порівняльна характеристика теплообмінних апаратів

Конденсатори змішування

 

Теоретичні відомості

Основні види теплообмінників

У залежності від способу передачі тепла розрізняють дві основні групи теплообмінників:

1. поверхневі теплообмінники, в яких перенесення тепла між середовищами, які обмінюються теплом відбувається через розділяючу їх поверхню теплообміну – глуху стінку,

2. теплообмінники змішування, в яких тепло передається від одного середовища до іншого при їх безпосередньому стиканні.

Поверхневі теплообмінники найбільш розповсюджені, і їх конструкції досить різноманітні.

Конструкції теплообмінників повинні відрізнятися простотою, зручністю монтажу і ремонту. У деяких випадках конструкція теплообмінника повинна забезпечувати можливо менше забруднення поверхні теплообміну і бути легко доступною для огляду і очищення.

У хімічній технології застосовуються теплообмінники, виготовлені з різноманітних матеріалів (вуглецевих і легованих сталей, міді, титану, танталу і ін.), а також з неметалевих матеріалів, наприклад графіту, тефлону і ін. Вибір матеріалу диктується в основному його корозійною стійкістю і теплопровідністю, причому конструкція теплообмінного апарата суттєво залежить від властивостей вибраного матеріалу.

 

Трубчаті теплообмінники

Кожухотрубчаті теплообмінники. Ці теплообмінники відносяться до найбільшчастозастосовуючих поверхневих теплообмінників. На рис. 8.1, а показаний кожухотрубчатий теплообмінник жорсткої конструкції, який складається з корпусу, чи кожуха 1, і приварених до нього трубних грат 2. У трубних решітках закріплений пучок труб 3. До трубних грат кріпляться (на прокладках і шурупах) кришки 4.

У кожухотрубчатому теплообміннику одне з обмінюючихся теплом середовищ І рухається всередині труб (у трубному просторі), а друге ІІ – у між трубному просторі.

Середовища зазвичай направляють протитечією одне до одного. При цьому нагріваюче середовище направляють знизу вверх, а середовище, віддаюче тепло, - в протилежному напрямі. Такий напрям руху кожного середовища співпадає з напрямом, у якому прагне рухатися дане середовище під впливом зміни її щільності під час нагрівання чи охолодження.

Крім цього, при вказаних напрямах руху середовищ досягається більш рівномірне розміщення швидкостей і ідентичні умови теплообміну за площею поперечного січення апарата. В іншому випадку, наприклад під час подачі більш холодного (нагріваючого) середовища зверху теплообмінника, більш нагріта частина рідини, як більш легка, може скупчуватися у верхній частині апарату, утворюючи «застійні» зони.

Рисунок. 8.1. Кожухотрубчаті одноходовий (а) і багатоходовий (б) теплообмінники: 1 – корпус (обичайка); 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки; 5 – перегородки в кришках; 6 – перегородки в між трубному просторі

 

Труби в решітках зазвичай рівномірно розміщують по периметрах правильних шестикутників, т.т. по вершинах рівносторонніх трикутників (рис. 8.2, а), рідше застосовують розміщення труб по концентричних окружностях (рис. 8.2, б). В окремих випадках, коли необхідно забезпечити зручне очищення зовнішньої поверхні труб, їх розміщують по периметрах прямокутників (рис. 8.2, в). Усі вказані способи розміщення труб переслідують мету – забезпечити можливо більш компактне розміщення необхідної поверхні теплообміну всередині апарату. У більшості випадків найбільша компактність досягається під час розміщення труб по периметрах правильних шестикутників.

Рисунок. 8.2. Способи розміщення труб в теплообмінниках: а – по периметрах правильних шестикутників; б – по концентричних окружностях; в – по периметрах прямокутників (коридорне розміщення)

 

Труби закріплюють в решітках зазвичай розвальцюванням (рис. 8.3, а, б), особливо міцне з’єднання (необхідне у випадку роботи апарата при підвищених тисках) досягається під час встановлення в трубних решітках отворів із кільцевими канавками, які заповнюються металом труби в процесі її розвальцювання (рис. 8.3, б). Крім цього, застосовують закріплення труб зварюванням (рис. 8-13, в), якщо матеріал труби не піддається витяжці і допустиме жорстке з’єднання труб із трубною решіткою, а також паянням (рис. 8.3, г), яке застосовується для з’єднання головним чином мідних і латунних труб. Рідко застосовують з’єднання труб із решіткою за допомогою сальників (рис. 8.3, д), допускаючи свобідне поздовжнє переміщення труб і можливість їх швидкої заміни. Таке з’єднання дозволяє значно зменшити температурну деформацію труб, але є складним, дорогим і недостатньо надійним.

Рисунок. 8.3. Закріплення труб в трубних решітках: а – розвальцюванням; б – розвальцюванням з канавками; в – зварюванням; г – паянням; д – сальниковими пристосуваннями

 

Теплообмінник, зображений на рис. 8.1, а, є одноходовим. При порівняно невеликих витратах рідини швидкість її руху в трубах таких теплообмінників низька і, відповідно, коефіцієнти тепловіддачі невеликі. Для збільшення останніх при даній поверхні теплообміну можна зменшити діаметр труб, відповідно збільшивши їх висоту (довжину). Проте теплообмінники невеликого діаметра і значної висоти незручні для монтажу, потребують високих приміщень і підвищеної витрати металу на виготовлення деталей, не приймаючих безпосередньо участі в теплообміні (кожух апарата). Тому більш раціонально збільшувати швидкість теплообміну шляхом застосування багатоходових теплообмінників.

У багатоходовому теплообміннику (рис. 8.1, б) корпус 1, трубні решітки 2, закріплені в них труби 3 і кришки 4 ідентичні зображеним на рис. 8.1, а. За допомогою поперечних перегородок 5, встановлених у кришках теплообмінника, труби розділені на секції, чи ходи, по яких послідовно рухається рідина, протікаючи в трубному просторі теплообмінника. Зазвичай розбиття на ходи здійснюють таким чином, щоб у всіх секціях знаходилась приблизно однакова кількість труб.

Внаслідок меншої площі сумарного поперечного січення труб, розміщених у одній секції, порівняно з поперечним січенням всього пучка труб швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника збільшується (по відношенню до швидкості в одноходовому теплообміннику) в кількість разів, рівній кількості ходів. Так, у чотирьохходовому теплообміннику (рис. 8.1, б) швидкість у трубах при інших рівних умовах у чотири рази більша, ніж у одноходовому. Для збільшення швидкості і подовження шляху руху середовища в міжтрубному просторі (рис. 8.1, б) призначені сегменті перегородки 6. У горизонтальних теплообмінниках ці перегородки є одночасно проміжними опорами для пучка труб.

Підвищення інтенсивності теплообміну в багатоходових теплообмінниках супроводжується збільшенням гідравлічного опору і ускладненням конструкції теплообмінника. Це диктує вибір економічно доцільної швидкості, яка визначається кількістю ходів теплообмінника, яка зазвичай не перевищує 5-6. Багатоходові теплообмінники працюють за принципом змішаного струму, що, як відомо, приводить до деякого зниження рухаючої сили теплопередачі в порівнянні з чисто протитечійним рухом середовищ, які приймають участь у теплообміні.

В одноходових і особливо в багатоходових теплообмінниках теплообмін може погіршуватися внаслідок виділення розчинних у рідині (чи парі) повітря та інших неконденсуючих газів. Для їх періодичного видалення в верхній частині кожуха теплообмінників встановлюють продувочні краники.

Одноходові і багатоходові теплообмінники можуть бути вертикальними чи горизонтальними. Вертикальні теплообмінники більш прості в експлуатації і займають меншу виробничу площу. Горизонтальні теплообмінники виготовляють зазвичай багатоходовими і працюють при більших швидкостях середовищ, які приймають участь у теплообміні для того, щоб звести до мінімуму розшаровування рідин внаслідок різниці їх температур і щільностей, а також усунути утворення застійних зон.

Якщо середня різниця температур труб і кожуха в теплообмінниках жорсткої конструкції, т.т. з нерухомими, привареними до корпусу трубними гратами, стає значною (приблизно рівною чи більшою 50 °С), то труби і кожух подовжуються неоднаково. Це викликає значні напруження в трубних решітках, може порушити щільність з’єднання труб із решітками, привести до руйнування зварювальних швів, недопустимого змішування середовищ, які обмінюються теплом. Тому при різницях температур і кожуха, більших 50 °С, чи при значній довжині труб застосовують кожухотрубні теплообмінники нежорсткої конструкції, допускаючі деяке переміщення труб відносно кожуха апарата.

Для зменшення температурних деформацій, обумовлених великою різницею температур труб і кожуха, значною довжиною труб, а також відмінністю матеріалу труб і кожуха, застосовують кожухотрубні теплообмінники з лінзовим компенсатором (рис. 8.4, а), в яких на корпусі є лінзовий компенсатор 1, який піддається пружній деформації. Така конструкція відрізняється простотою, проте застосовується при невеликих збиткових тисках у міжтрубних просторах, зазвичай не перевищуючих 6×10⁵ Н/м² (6 ат).

За необхідності забезпечення великих переміщень труб і кожуха застосовують теплообмінник із плаваючою головкою (рис. 8.4, б). Нижня трубна решітка 2 є рухомою, що дозволяє всьому пучку труб свобідно переміщуватися незалежно від корпуса апарата. Цим запобігаються небезпечна температурна деформація труб і порушення щільності їх з’єднання з трубними решітками. Проте компенсація температурних подовжень досягається в даному випадку за рахунок ускладнення і обважнення конструкції теплообмінника.

У кожухотрубчатому теплообміннику з U-подібними трубами (рис. 8.4, в) самі труби 3 виконують функцію компенсуючих пристосувань. При цьому спрощується і полегшується конструкція апарата, який має лише одну нерухому трубчату решітку. Зовнішня поверхня труб може бути легко очищена під час виймання всієї трубчатки з корпусу апарата. Крім цього, в теплообмінниках такої конструкції, які є дво- чи багатохідними, досягається досить інтенсивний теплообмін. Недоліки теплообмінників з U-подібними трубами: складність очищення внутрішньої поверхні труб, складність розміщення великої кількості труб у трубній решітці.

Рисунок. 8.4. Кожухотрубні теплообмінники з компенсуючими пристосуваннями: а – з лінзовим компенсатором; б – з плаваючою головкою; в – з U-подібними трубками; 1 – компенсатор; 2 – рухома трубна решітка; 3 - U-подібні решітки

 

У хімічній промисловості застосовуються також теплообмінники з подвійними трубами (рис. 8.5). З однієї сторони апарату розміщені дві трубні решітки, причому в решітці 1 закріплений пучок труб 2 меншого діаметра, відкритих із обох кінців, а в решітці 3 – труби 4 більшого діаметра з закритими лівими кінцями, встановлені концентрично відносно труб 2. Середовище І рухається по кільцевих просторах між трубами 2 і 4 і виводиться з міжтрубного простору теплообмінника по трубах 2. Друге середовище ІІ рухається зверху вниз по міжтрубному простору корпусу теплообмінника, обмиваючи труби 4 ззовні. У теплообмінниках такої конструкції труби можуть подовжуватися під дією температури незалежно від корпусу теплообмінника.

Рисунок. 8.5. Кожухотрубчатий теплообмінник з подвійними трубами: 1, 3 – трубна решітка, 2 – внутрішні труби, 4 – зовнішні труби

Елементні теплообмінники. Для підвищення швидкості руху середовища в міжтрубному просторі без застосування перегородок, ускладнюючих очищення апарата, застосовують елементарні теплообмінники. Кожен елемент такого теплообмінника являє собою найпростіший Кожухотрубчатий теплообмінник. Нагріваюче і охолоджуюче середовища послідовно проходять через окремі елементи, які складаються з пучка труб у кожусі невеликого діаметра. Теплообмінник, який складається з таких елементів (ходів), допускає значні збиткові тиски в міжтрубному просторі; його можна розглядати як модифікацію багатоходового кожухотрубчатого теплообмінника.

В елементних теплообмінниках взаємний рух середовищ наближається до ефективної схеми чистої протитечії. Проте внаслідок розділення загальної поверхні теплообміну на окремі елементи конструкція стає більш громіздкою і вартість теплообмінника збільшується.

Двотрубчаті теплообмінники. Теплообмінники цієї конструкції, які називають також теплообмінниками типу «труба в трубі», складаються з декількох послідовно з’єднаних трубних елементів, утворених двома концентрично розміщеними трубами (рис. 8.6). Один теплоносій рухається по внутрішніх трубах 1, а інший – по кільцевій щілині між внутрішніми 1 і зовнішніми 2 трубами. Внутрішні труби (зазвичай діаметром 57-108 мм) з’єднуються калачами 3, а зовнішні труби, які мають діаметр 76-159 мм, - патрубками 4.

Завдяки невеликим поперечним січенням трубного і міжтрубного простору в двохтрубчатих теплообмінниках навіть при невеликих витратах досягаються досить високі швидкості рідини, які дорівнюють зазвичай 1-1,5 м/сек. Це дозволяє отримувати більш високі коефіцієнти теплопередачі і досягати більш високих теплових навантажень на одиницю маси апарата, ніж у кожухотрубчатих теплообмінниках. Крім цього, зі збільшенням швидкостей теплоносіїв зменшується можливість відкладання забруднень на поверхні теплообміну.

Поряд із цим ці теплообмінники більш громіздкі, ніж кожухотрубчаті, і потребують більшої витрати металу на одиницю поверхні теплообміну, яка в апаратах такого типу утворюється тільки внутрішніми трубами.

Двотрубні теплообмінники можуть ефективно працювати при невеликих витратах теплоносіїв, а також при великих тисках. Якщо потрібна більша поверхня теплообміну, то ці апарати виконують з декількох паралельних секцій.

Рисунок. 8.6. Двотрубчатий теплообмінник: 1 – внутрішні труби; 2 – зовнішні труби; 3 – калач; 4 – патрубок

 

Змійовикові теплообмінники

Занурні теплообмінники. У занурному змієвиковому теплообміннику (рис. 8.7) крапельна рідина, газ або пар рухаються по спіральному змієвику 1, виконаному з труб діаметром 15-75 мм, який занурений в рідину, що знаходиться в корпусі 2 апарата. Внаслідок великого об’єму корпуса, в якому знаходиться змієвик, швидкість рідини в корпусі незначна, що обумовлює низькі значення коефіцієнта тепловіддачі ззовні змійовика. Для його збільшення підвищують швидкість рідини в корпусі шляхом встановлення в ньому внутрішнього стакана 3, але при цьому значно зменшується корисновикористовуючий об’єм корпусу апарата. Разом із тим в деяких випадках великий обсяг рідини, заповняючої корпус, має і позитивне значення, оскільки забезпечує більш стійку роботу теплообмінника при коливаннях режиму. Труби змійовика кріпляться на конструкції 4.

У теплообмінниках цього типу змійовики часто виконують також із прямих труб, з’єднаних калачами. При великих витратах речовини, яка рухається по змійовику, який складається з прямих труб, її спочатку направляють у загальний колектор, з якого вона надходить в паралельні секції труб і видаляється також через загальний колектор. При такому паралельному включенні секцій знижується швидкість і зменшується довжина шляху потоку, що приводить до зниження гідравлічного опору апарата.

Тепловіддача в міжтрубному просторі занурних теплообмінників мало інтенсивна, оскільки тепло передається практично шляхом свобідної конвекції. Тому теплообмінники такого типу працюють при низьких теплових навантаженнях. Не дивлячись на це занурні теплообмінники знаходять досить широке застосування внаслідок простоти будови, дешевизни, доступності для очищення і ремонту, а також зручності роботи при високих тисках і в хімічно активних середовищах. Вони застосовуються при поверхнях нагріву до 10-15 м².

Якщо в якості нагріваючого агента в занурному теплообміннику застосовується насичений водяний пар, то відношення довжини змієвика до його діаметра не повинно перевищувати певної межі; наприклад, при тисках пари 2×10⁵-5×10⁵ Н/м² (2-5 ат) це відношення не повинно бути більше 200-275. В іншому випадку скупчення парового конденсату в нижній частині змійовика викличе значне зниження інтенсивності теплообміну при значному збільшенні гідравлічного опору.

Рисунок. 8.7. Змієвиковий теплообмінник: 1 – спіральний змійовик; 2 – корпус апарата; 3 – внутрішній стакан; 4 – конструкція для кріплення змійовика

 

Зрошувальні теплообмінники. Такий теплообмінник (рис. 8.8) являє собою змійовики 1 з розміщеними одна над одною прямими трубами, які з’єднані між собою калачами 2. Труби зазвичай розміщені у вигляді паралельних вертикальних секцій (на рисунку показана тільки одна секція) з загальними колекторами для подання і відводу охолоджуючого середовища. Зверху змійовики зрошуються водою, яка рівномірно розподіляється у вигляді крапель і струмин за допомогою жолоба 3 з зубчатими краями. Відпрацьована вода відводиться з піддону 4, встановленого під змійовиком.

Зрошувальні теплообмінники застосовуються головним чином в якості холодильників і конденсаторів, причімблизько половини тепла відводиться під час випаровування охолоджуючою водою. У результаті витрата води різко знижується у порівнянні з її витратою в холодильниках інших типів. Відносно мала витрата води – важлива перевага зрошувальних теплообмінників, які, крім цього, відрізняються також простотою конструкції і легкістю очищення зовнішньої поверхні труб.

Не дивлячись на те, що коефіцієнти теплопередачі в зрошувальних теплообмінниках, працюючих за принципом перехресного струму, трохи вищі, ніж у занурних, їх суттєвими недоліками є: громіздкість, нерівномірність змочування зовнішньої поверхні труб, нижні кінці яких при зменшенні витрати зрошувальної води дуже погано змочуються і практично не приймають участі в теплообміні. Крім того, до недоліків цих теплообмінників відносяться: корозія труб киснем повітря, наявність крапель і бризг, які попадають в навколишній простір.

У зв’язку з випаровуванням води, яке збільшується при недостатньому зрошенні, теплообмінники цього типу частіше всього встановлюють на відкритому повітрі; їх огороджують дерев’яними решітками (жалюзі), головним чином для того, щоб звести до мінімуму винесеннябризг води.

Зрошувальні теплообмінники працюють при невеликих теплових навантаженнях і коефіцієнти теплопередачі в них невисокі. Їх часто виготовляють з хімічно стійких матеріалів.

Рисунок. 8.8. Зрошувальний теплообмінник: 1 – секція прямих труб 2 – калачі 3 – розподільчий жолоб 4 –піддон

 

4. Пластинчаті теплообмінники

У пластинчастому теплообміннику (рис. 8.9) поверхня теплообміну утворюється гофрованими паралельними пластинами 1, 2 за допомогою яких створюється система вузьких каналів шириною 3—6 мм із хвилястими стінками. Рідини, між якими відбувається теплообмін, рухаються в каналах між суміжними пластинами, обмиваючи протилежні бічні сторони кожної пластини. Пластина (рис. 8.10) має на передній поверхні три прокладки. Більша прокладка 1 обмежує канал для руху рідини I між пластинами, а також отвори 2 і 3 для входу рідини I у канал і виходу з нього; дві малі кільцеві прокладки 4 ущільнюють отвори 5 і 6, через які надходить і видаляється рідина II, що рухається протитечією.

На рис. 8.9 рух рідини I показано схематично пунктирною лінією, а рідини II — суцільною лінією. Рідина I надходить через штуцер 3, рухається по непарних каналах (рахуючи з права на ліво) і видаляється через штуцер 4. Рідина II подається через штуцер 5, рухається по парних каналах і видаляється через штуцер 6.

Пакет пластин затискається між нерухомою плитою 7 і рухомою плитою 8 за допомогою гвинтовогозатиску 9.

Внаслідок значних швидкостей, з якими рухаються рідини між пластинами, досягаються високі коефіцієнти теплопередачі, аж до 3800 Вт/м² [3000 ккал/(м²·год·град)] і більше при малому гідравлічному опорі.

Пластинчаті теплообмінники легко розбираються і очищаються від забруднень. До їх недоліків відносяться: неможливість роботи при високих тисках і труднощі вибору еластичних хімічно стійких матеріалів для прокладок.

Рисунок. 8.9. Схема пластинчатого теплообмінника: 1 – парні пластини; 2 – непарні пластини; 3, 4 – штуцери для входу і виходу теплоносія І; 5,6 – те ж для теплоносія ІІ; 7 – нерухома головна плита; 8 – рухома головна плита; 9 - стягуючий головний пристрій

Рисунок. 8.10. Пластина пластинчатого теплообмінника: 1, 4 – прокладки; 2, 3 – отвори для рідини І; 5, 6 - отвори для рідини ІІ

 

Оребрені теплообмінники

До компактних і ефективних теплообмінників, створених останнім часом, відносяться різні конструкції теплообмінних апаратів із оребреними поверхнями. Застосування оребрення зі сторони теплоносія, який відрізняється низьким значенням коефіцієнтів тепловіддачі (гази, дуже в’язкі рідини), дозволяє значно підвищити теплові навантаження апаратів.

Крім трубних теплообмінників із трубами, які мають поперечні ребра прямокутного (рис. 8.11, а) чи трапецієподібного січення (рис. 8.11, б), розроблені конструкції з поздовжніми, плавниковими, дротяними, голковими безперервними спіральними ребрами і ін.

Рисунок. 8.11. Елементи оребреного теплообмінника: а – прямокутні ребра; б – трапецеподібні ребра

 

Труби з поперечними ребрами різної форми широко застосовуються, зокрема, в апаратах для нагрівання повітря – калориферах (рис. 8.12), а також у апаратах повітряного охолодження. Під час нагрівання повітря зазвичай застосовують насичений водяний пар, який надходить в колектор 1 і далі в пучок оребрених труб 2. Конденсат відводиться з колектора 3. Деколи застосовуються поздовжні ребра, які для турбулізації прикордонного шару (що особливо важливо при ламінарній течії теплоносія) та певній відстані надрізаються.

Рисунок. 8.12. Пластинчатий калорифер: 1 – колектор для входу пари; 2 – оребрена труба;

3 – колектор для прийому конденсату

Конструкції оребрених теплообмінників різні. Схема пристосування сучасного пластинчато-ребристого теплообмінника, працюючого за принципом протитечії, наведена на рис. 8.13. Теплообмінники такого типу застосовуються, наприклад, в низькотемпературних установках для розділення повітря.

Рисунок. 8.13. Схема пристосування пластинчасто-ребристого теплообмінника

 

 

Спіральні теплообмінники

У спіральному теплообміннику (рис. 8.14) поверхня теплообміну утворюється двома металевими листами 1 і 2, скрученими по спіралі. Внутрішні кінці листів приварені до глухої перегородки 3, а їх зовнішні кінці зварені один із одним. Із торців спіралі закриті встановленими на прокладках плоскими кришками 4 і 5. Таким чином, всередині апарата утворюються два ізольованих один від одного спіральних канали (шириною 2-8 мм), по яких, зазвичай протитечією, рухаються теплоносії. Як показано на рис.8.14, теплоносій І надходить через нижній штуцер і видаляється через боковий штуцер у правій кришці теплообмінника, а теплоносій ІІ входить у лівий боковий штуцер і видаляється через верхній штуцер.

Існують також конструкції спіральних теплообмінників перехресного струму, які застосовуються головним чином для нагріву і охолодження газів і конденсації парів.

Спіральні теплообмінники досить компактні, працюють при високих швидкостях теплоносіїв (для рідини 1-2 м/сек) і мають при рівних швидкостях середовищ менший гідравлічний опір, ніж трубні теплообмінники різних типів. Поряд із цим ці апарати складні у виготовленні і працюють при обмежених збиткових тисках, не перевищуючих 10×10⁵ Н/м² (10 ат), оскільки намотка спіралей ускладнюється зі збільшенням товщини листів; крім цього, виникають труднощі під час створення щільного з’єднання між спіралями і кришками.

Рисунок. 8.14. Спіральний теплообмінник: 1, 2 - листи згорнуті в спіралі; 3 – перегородка; 4, 5 – кришки