Кожухотрубний багатоходовий теплообмінник

 

1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки; 5 – перегородки в кришках; 6 – перегородки у міжтрубному просторі

Рисунок 2 – Схема кожухотрубного багатоходового теплообмінника

Застосування. Кожухотрубний багатоходовий теплообмінник застосовується для підігрівання рідин та конденсатів, а також раціонально застосовувати в системі теплообміну рідина – рідина і газ – газ, при великих теплових загрузках.

В цьому теплообміннику корпус 1, трубні решітки 2, закріплені в них труби 3 та кришки 4 ідентичні зображеним на рисунку 1. За допомогою поперечних перегородок 5, установлених в кришках теплообмінника, труби розділені на секції, або ходи, по яким послідовно рухається рідина, яка протікає в трубному просторі теплообмінника. Зазвичай розбивку на ходи проводять таким чином, щоб в усіх секціях знаходилась однакова кількість труб.

У зв'язку меншої площі сумарного поперечного перерізу труб, розміщених в одній секції, в порівнянні з поперечним перерізом всього пучка труб, швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника збільшується (по відношенню до швидкості в одноходовому теплообміннику) в число разів, рівне числу ходів. Так, в чотирьохходовому теплообміннику (рисунок 2) швидкість в трубах при інших рівних умовах в чотири рази більше, ніж в одноходовому. Для збільшення швидкості та подовження шляху руху рідини в між трубному просторі слугують сегментні перегородки 6. В горизонтальних теплообмінниках ці перегородки слугують одночасно проміжними опорами для пучка труб. Багатоходові теплообмінники працюють по принципу змішаного струму.

Переваги. Більша швидкість теплообміну в порівняні з одноходовими кожухотрубними теплообмінниками.

Недоліки. Низька рушійна сила теплопередачі, та неможливість використання при різницях температур більше 50⁰С.

Кожухотрубний теплообмінник з подвійними трубами

 

 

1,3 – трубні решітки; 2 – внутрішні труби; 4 – зовнішні труби.

Рисунок 3. – Схема кожухотрубного теплообмінника з подвійними трубами

Застосування. Теплообмінники з подвійними трубами використовуються в основному в контактно-каталітичних і реакційних процесах.

З однієї сторони апарату розміщені дві трубні решітки, причому у решітці 1 закріплений пучок труб 2 меншого діаметра, відкритих з обох кінців, а в решітці 3 – труби 4 більшого діаметра із закритими лівими кінцями, встановленими концентрично відносно труб 2.

Середовище І рухається по кільцевих просторах між трубами 2 та 4 і виводиться з міжтрубного простору теплообмінника по трубах 2. Інше середовище ІІ рухається зверху вниз по міжтрубному простору корпусу теплообмінника, омиваючи труби 4 зовні. У теплообмінниках такої конструкції труби можуть подовжуватися під дією температури незалежно від корпусу теплообмінника.

Переваги: невеликі перерізи внутрішньої труби, що дає можливість досягати значних швидкостей руху теплоносіїв, що в свою чергу призводить до підвищення коефіцієнту теплопередачі.

Недоліки: дорожчий, ніж кожухотрубний одноходовий теплообмінник (металоємні); складність монтажу; більш громіздкі.

 

Двотрубний теплообмінник

 

1 – внутрішні труби; 2 – зовнішні труби; 3 – калач; 4 – патрубок.

Рисунок 4 – Схема двотрубного теплообмінника

 

Застосування. В контактно-каталітичних та реакційних процесах, що відбуваються при високих температурах, коли необхідно забезпечити вільне подовження всіх труб. Для процесів із порівняно невеликими тепловими навантаженнями і відповідно малими поверхнями теплообміну.

Теплообмінники цієї конструкції складаються з кількох послідовно з’єднаних трубних елементів, утворених двома концентрично розміщеними трубами. Один теплоносій рухається по внутрішніх трубхм 1, а інший – по кільцевому зазору між внутрішніми 1 та зовнішніми 2 трубами. Внутрішні труби з’єднуються калачами 3, а зовнішні труби – патрубками 4.

Переваги: високі швидкості руху рідин; порівняно високі коефіцієнти теплопередачі; менша ймовірність відкладання накипу та забруднення поверхонь теплообміну; можливість ефективно працювати при невеликих витратах теплоносіїв.

Недоліки: більш громіздкі, ніж кожухотрубні; металоємні.

 

 

Змієвиковий теплообмінник

 

1 – спіральний змійовик; 2 – корпус апарату; 3 – внутрішній стакан; 4 – конструкція для кріплення змійовика

Рисунок 5 – Схема змієвикового теплообмінника

Застосування.При високих тисках і в хімічно активних середовищах, при поверхнях нагрівання до 10÷15 м².

У занурюваному змієвиковому теплообміннику краплинна рідина, газ або пар рухаються по спіральному змійовику 1, виконаному з труб діаметром 15÷75 мм, який занурений у рідину, що перебуває в корпусі 2 апарату. Внаслідок великого об'єму корпусу, в якому знаходиться змійовик, швидкість рідини в корпусі незначна, що обумовлює низькі значення коефіцієнта тепловіддачі ззовні змійовика. Для його збільшення підвищують швидкість рідини всередині корпусу шляхом встановлення в ньому внутрішнього стакану 3, але при цьому значно зменшується корисно використовуваний об'єм корпуса апарату. Разом з тим в деяких випадках більший об'єм рідини, що заповнює корпус, має і позитивне значення, оскільки забезпечує більш стабільну роботу теплообмінника при коливаннях режиму. Труби змійовика кріпляться на конструкції 4.

Переваги. Знаходять широке застосування внаслідок простоти будови, дешевизни, доступності для очистки й ремонту.

Недоліки. Тепловіддача в міжтрубному просторі занурених теплообмінників малоінтенсивна, оскільки тепло передається практично шляхом вільної конвекції. Тому теплообмінники такого типу працюють при низьких теплових навантаженнях.

 

Зрошувальний теплообмінник

 

1 – секції прямих труб; 2 – калачі; 3 – розподілювальний жолоб; 4 – піддон

Рисунок 6 – Схема зрошувального теплообмінника

 

Застосування. Зрошувальні теплообмінники застосовуються головним чином в якості холодильників та конденсаторів, причому близько половини тепла відводиться при випаровуванні охолоджуючої води. В результаті витрати води різко знижаються в порівнянні з її витратами в холодильниках інших типів.

Такий теплообмінник представляє собою змійовики 1 з розміщених один над одним прямих труб, які з'єднані між собою калачами 2. Труби зазвичай розміщені в вигляді паралельних вертикальних секцій (на рис.7 показана лише одна секція) з загальними колекторами для подачі та відводу охолоджуючого середовища (води). Згори змійовики зрошуються водою, рівномірно розділеною у вигляді крапель та струменів за допомогою жолоба 3 з зубчатими краями. Відпрацьована вода відводиться з піддона 4, встановленого під змійовиками.

У зв'язку з випаровуванням води, що підсилюється при недостатньому зрошуванні, теплообмінники цього типу частіше за все встановлюють на відкритому повітрі; їх огороджують дерев'яними решітками (жалюзі), головним чином для того, щоб звести до мінімуму розповсюдження бризок води. Незважаючи на те, що коефіцієнти теплопередачі, які працюють по принципу перехресного струму, трохи вище, ніж в занурених, їх суттєвими недоліками є: громіздкість, нерівномірність змочування зовнішньої поверхні труб, нижні кінці яких при зменшенні витрат зрошувальної води дуже погано змочуються та практично не беруть участі в теплообміні, корозія труб киснем повітря, наявність крапель та бризок, які попадають в навколишній простір.

Переваги. Відносно малі витрати води - важлива перевага зрошувальних теплообмінників, які, крім того, відрізняються також простотою конструкції та легкістю очистки зовнішньої поверхні труб.

Недоліки. Зрошувальні теплообмінники працюють при невеликих теплових навантаженнях та коефіцієнти теплопередачі в них не високі. їх часто виготовляють з хімічно стійких матеріалів. Громіздкість, нерівномірність змочування зовнішньої поверхні труб, кородування труб киснем повітря.

 

Пластинчастий теплообмінник

 

1 – парні пластини; 2 – непарні пластини; 3,4 – штуцери для входу та виходу теплоносія 1; 5,6 – те ж, що і для теплоносія 2; 7 – нерухома головна плита; 8 – рухома головна плита; 9 – стягуючий гвинтовий пристрій.

Рисунок 7 – Схема пластинчастого теплообмінника

 

Застосування. Процеси теплообміну між рідинами

В пластинчатому теплообміннику поверхня теплообміну утворюється гофрірованими паралельними пластинами 1,2, за допомогою яких створюється система вузьких каналів шириною 3-6 мм з хвилястими стінками. Рідини, між якими відбувається теплообмін, рухаються в каналах між сміжними пластинами, омиваючи протилежні бокові сторони кожної пластини.

Пластина має на передній поверхні три прошарки. Більший прошарок обмежує канал для руху рідини 1 між пластинами, а також отвори для входу рідини 1 в канал та виходу з нього; дві малі кільцеві прокладки ущільнюють отвори, через які надходить та виходить рідина 2, яка рухається противотоком.

На рисунку 6 рух рідини 1 показано схематично пунктирною лінією, а рідини 2 – щільною лінією. Рідина 1 надходить через штуцер 3, рухається по непарним каналам (рахуючи справа наліво) та виходить через штуцер 6.

Пакет пластин затискається між нерухомою плитою 7 та рухомою плитою 8 за допомогою гвинтового зажиму 9.

Внаслідок значних швидкостей, з якими рухаються рідини між пластинами, досягаються високі коефіцієнти теплопередачі, аж до 3800 вт/кв.м і більше при малому гідравлічному опорі.

Переваги Пластинчасті теплообмінники легко розбираються та очищаються від забруднень. Підвищені теплові навантаження.

Недоліки. До них відносяться: неможливість роботи при високих тисках та важкість вибору еластичних хімічно стійких.

Спіральний теплообмінник

 

1,2 – листи, звернуті в спіралі; 3 – перегородка; 4,5 – кришки

Рисунок 8. Схема спірального теплообмінника

 

Застосування. Використовують для нагрівання та охолодження газів, рідин та парогазових сумішей. Область застосування обмежена невеликою різницею температур та тисків.

В спіральному теплообміннику поверхня теплообміну утворюється двома металевими листами 1 і 2, звернутими по спіралі. Внутрішні кінці листів приварені до глухої перегородки 3, а їх зовнішні кінці зварені один з одним. З торців спіралі закриті встановленими на прошарках плоскими кришками 4 та 5. Таким чином, всередині апарата утворюються два ізольованих один від іншого спіральних канали (шириною 2÷8 мм), по яким, зазвичай противотоком, рухаються теплоносії. Як показано на рис. 10, теплоносій 1 надходить через штуцер та видаляється через боковий штуцер в правій кришці теплообмінника, а теплоносій 2 входить в верхній штуцер та видаляється через боковий штуцер в лівій кришці.

Переваги Спіральні теплообмінники досить компактні, працюють при високих швидкостях теплоносіїв (для рідин 1÷2 м/с) та володіють при рівних швидкостях середовищ меншим гідравлічним опором, ніж трубчасті теплообмінники різних типів.

Недоліки. Ці апарати складні в виробництві та працюють при обмежених надлишкових тисках, які не перевищують 10атм, оскільки намотка спіралей ускладнюється зі збільшенням товщини листів; крім того, виникають труднощі при створенні щільного з'єднання між спіралями та кришками.

Блочний теплообмінник

 

1 – графітові блоки; 2 – вертикальні круглі канали; 3 – горизонтальні круглі канали; 4 – бокові перетічні камери; 5 – торцеві кришки

Рисунок 9 – Схема блочного теплообмінника з графіту

 

Застосування. Для процесів теплообміну, що відбуваються в хімічно агресивних середовищах.

Блочний теплообмінник складається з окремих графітових блоків 1, що мають наскрізні вертикальні канали 2 круглого перетину та перпендикулярні їм канали 3. Теплоносій І рухається по вертикальним каналам, а теплоносій ІІ – по горизонтальним каналам 3, проходячи послідовно всі блоки. Горизонтальні канали різних блоків з’єднуються один з одним через бокові перетічні камери 4. Графітові блоки ущільнюються між собою прокладками з резини чи тефлону та стягуються торцевими кришками 5 на болтах. Крім прямокутних блоків використовують також циліндричні блоки, в яких горизонтальні канали розміщуються радіально.

Переваги: застосування для хімічно агресивних середовищ, де застосування інших теплообмінників недопустиме.

Недоліки: застосовуються при невисоких тисках; необхідність обробки графіту для запобігання його забруднення.