Виті, занурені, повітряного охолоджування теплообмінники

 

Виті теплообмінники компонуються з ряду концентричних змійовиків, укладених в кожух. Теплоносії рухаються усередині труб і міжтрубному просторі усередині кожуха. Широко застосовуються в апаратурі високого тиску для процесів поділу газових сумішей методом глибокого охолоджування.

У заглибних теплообмінниках змійовики занурюються в судину з нерухомим робочим середовищем. Через низьку тепловіддачу з боку нерухомого середовища заглибні змійовики недостатньо ефективні. Їх доцільно застосовувати, коли рідинне середовище кипить, або має механічні включення.

Теплообмінники повітряного охолодження застосовують як холодильники–конденсатори, особливо у випадках нестачі води на охолодження. На зварній рамі розташовують теплообмінні секції, що складаються з пучка оребрених горизонтальних труб. Усередині труб прокачується охолоджуване середовище, а між ребрами вентилятором прокачується повітря. Вентилятор розташований внизу і подає повітря через дифузор. Для підвищення ефективності, особливо в літній час, форсунками в повітряний потік впорскуються краплини води. При низьких температурах вентилятор може бути відключений. Витрата прокачуваного повітря, а отже і теплопродуктивність, можна регулювати зміною кута нахилу лопаток вентилятора. Секції виготовляються прямокутного типу: одно- і багатоходові.

 

Інтенсифікація теплообміну

Головним чинником, що знижує процес теплопередачі, є термічний опір приграничного шару, а також утворення застійних зон, особливо в міжтрубному просторі. Для ліквідації застійних зон встановлюють розподільні камери. Для руйнування приграничного шару в міжтрубному просторі використовують турбулізатори, які виготовляють у вигляді різних типів оребрення на трубах, особливо з боку низьких коефіцієнтів тепловіддачі. Крім того, оребрення збільшує поверхню теплообміну і коефіцієнт тепловіддачі. Застосовують труби з подовжніми, розрізними спіралеподібними ребрами; поперечними ребрами різного профілю (круглі, квадратні, прямокутні й т.ін.), спіральні ребра. Ефективність ребра залежить від його форми, висоти і матеріалу, воно повинно бути одним цілим з трубою (приварено, припаяно і т.д.). У трубному просторі використовують турбулізуючі вставки (спіралі, діафрагми, диски) і насадки (кільця, кульки) які поміщаються в трубу. Окрім вставок використовують шорстку поверхню у вигляді канавок як усередині, так і ззовні труб. Турбулізатори сприяють швидшому переходу до турбулентного режиму при однакових витратах. Оребрення і турбулізатори збільшують гідравлічний опір теплообмінників.

З точки зору використання явища турбулізації є створення пластинчасто-спірального теплообмінника, спіралі якого виконуються з гофрованих листів; утворення поверхні теплообміну з штампованих у вигляді хвилі металевих листів, які при стиковці утворюють трубний і міжтрубний простір; застосування нових матеріалів для створення гнучких труб – з фторопласту, полімерних труб; розробка трубного пучка з решітками, товщина яких близька до товщини стінки труб; застосування надвисоких частот СВЧ як джерело теплової енергії.

 

Розрахунки теплообмінників

 

Існують такі види розрахунків: тепловий, конструктивний, гідравлічний, розрахунок на міцність корпусу і елементів теплообмінника.

 

Випарні апарати

Типові конструкції випарних апаратів

 

Строгої загальноприйнятої класифікація випарних апаратів немає, проте їх можна класифікувати за рядом ознак:

1. За розташуванням поверхні в просторі – горизонтальні, вертикальні, рідше похилі;

2. За видом теплоносія - парові, газові, з електрообігрівом, обігрівом високотемпературними теплоносіями: олією, водою при високому тиску;

3. За організацією процесу кипіння – у великому об'ємі й у трубах та каналах;

4. За режимом циркуляції – з природною і примусовою циркуляцією;

5. За кратністю циркуляції – з одноразовою і багаторазовою циркуляцією;

6. За поверхнею нагріву – з паровою оболонкою, змієвикові, з трубчастою поверхнею.

До конструкцій пред'являється такі вимоги: простота, надійність, технологічність виготовлення, монтажу і ремонту, стандартизації вузлів і деталей, дотримання режиму (Р, t, час перебування), високі значення коефіцієнту теплопередачі К.

Випарні апарати з природною циркуляцією

 

Такі апарати випускаються з центральною циркуляційною трубою (рис. 3,7, а), або з двома виносними циркуляційними трубами. Апарат складається з корпусу 1, в нижній частині якого розташовується парова камера з кип'ятильними трубками 2, закріпленими в нижню і верхню трубні плити 3. Нижня частина корпусу закривається еліптичною або конічною кришкою 8. По осьовій частині парової камери розташована центральна циркуляційна труба 6. Розчин подається на верхню трубну плиту і заповнює днище і нижню частину кип'ятильних труб. У міжтрубний простір подається пара. Під дією різниці температур розчин закипає і парорідинна суміш підіймається по кип'ятильних трубах, а на трубній плиті відбувається відокремлення пари від рідини. Пара, яка називається вторинною, піднімається в камеру 7, обтікає відбійник 4 і через сепаратор 5 виходить з апарату. Відбійник і сепаратор забезпечують гравітаційно-інерційну сепарацію пари, внаслідок чого краплини рідини відділяються від пари. Рідина поступає в циркуляційну трубу, де вона має дещо меншу температуру, а отже й густину. Природна циркуляція виникає під дією різниці густин рідини в циркуляційній трубі і в кип'ятильних трубах. Швидкість рідини на вході в труби називається швидкістю циркуляції. Для збільшення рушійної сили природної циркуляції циркуляційні труби виконують виносними. Ці труби не обігріваються, тому густина рідини в них ще більша, в результаті чого рушійна сила циркуляції зростає.

Теплота від гріючої пари передається шляхом теплопередачі, який складається з тепловіддачі при конденсації гріючої пари, переносу теплоти теплопровідністю через стінку труби і тепловіддачі при кипінні рідини в трубах і каналах. Гази, що не конденсуються, виводяться з парової камери трубопроводом з вентилем (пристроєм) 9, оскільки тиску паровій камері більший, ніжу камері вторинної пари. Апарат встановлюють на лапи 10. При випаровуванні розчинів, що кристалізуються, в апаратах встановлюють конічні днища. В процесі роботи в кип'ятильних трубах слід підтримувати оптимальний п'єзометричний рівень рідини, оскільки це сприяє збільшенню коефіцієнту тепловіддачі. Упарений розчин видаляється з нижньої частини днища. Величина необхідного згущення забезпечується кратністю циркуляції.

 

Плівкові випарні апарати

 

Одним з недоліків апаратів з природною циркуляцією є великий час перебування розчину в апараті. При тривалій дії температури речовина може змінювати свої властивості. Тому для випаровування таких розчинів застосовується плівкові апарати з одноразовою циркуляцією розчину (рис. 3.7, б). Розчин подається в нижню камеру 1, закипає в трубах 2, парорідинна емульсія ударяється об поверхню сепаратора 3 із зігнутими лопатками, набуває обертального руху і відцентровою силою відкидається до периферії, завдяки чому відбувається сепарація пари. Потім пара проходить через сітчастий сепаратора 4 і виводиться з апарату. Довжина труби в таких апаратах складає від 5 до 9 м. На більшій частині довжини труби розчин кипить в плівці рідини, що підіймається вгору. Гідростатичний стовп в трубах невисокий, тому знижуються втрати корисної різниці температур від гідростатичної депресії. Зниження витрати розчину може призвести до розриву і висихання плівки у верхній частині труби. Робота апарату в такому режимі небажана.

Існують конструкції плівкових апаратів з гравітаційностікаючою вниз плівкою рідини. В таких апаратах гідростатичний стовп розчину відсутній. Проте вони не знайшли широкого застосування через складність розподілу розчину, що випаровується, по трубках апарату.

Недоліки: утруднений ремонт через велику довжину труб, розчин не має рівномірну концентрацію, при передачі розчину з одного корпусу в інший потрібна установка гідравлічного затвору для уникненні прориву пари, ці апарати дорожчі, ніж з природною циркуляцією.