Теплообменники - краткий обзор

Процессы теплообмена имеют огромное значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. В теплообменных аппаратах теплоотдача от одной среды к другой через разделяющую их стенку обусловлена рядом факторов и является сложным процессом, который принято разделять на три элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. На практике эти явления не обособлены, находятся в каком-то сочетании и существуют одновременно. Для теплообменников первостепенное значение имеет конвективный теплообмен или теплоотдача, которая осуществляется при совокупном и единовременном действии теплопроводности и конвекции.

Процессы теплообмена существуют в теплообменных ап­паратах разных типов и конструкций.

По способу передачи тепла теплообменники делят на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопро­водного материала, а в смесительных аппаратах тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.

Смесительные теплообменники по устройству проще поверхностных: тепло в них используется с более высоким КПД. Но эти аппараты пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям произ­водства допустимо смешение рабочих сред.

Поверхностные теплообменники, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменниках теплообмен между различными рабочими средами происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно стандартное направление. В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки время от времени меняется. Рассмотрим рекуперативные поверхностные аппараты непрерывного действия, наиболее распространенные в промышленности.

Пластинчатые теплообменники

Очень сильно стали распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

Эти аппараты состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми уплотнениями, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины изготавливают из тонколистовой стали (толщина 0,5-0,6 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены “в елку” (шаг гофр 10,5; 21,5; 30 мм; высота 4—7 мм).

К пластинам приклеивают или присоединяют (бесклеевая технология) резиновые уплотнения круглой и специальной формы для герметизации пластинчатого аппарата; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Перемещение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может происходить прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может составлять от 1 до 360 м2, число пластин—от 5 до 603.

В пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя не выше 150°С (с учетом свойств резиновой прокладки EPDM), давление не может превышать 25 кгс/см2.

Витые теплообменники

Поверхность нагрева витых аппаратов слагается из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители перемещаются по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники выгодно отличаются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

Спиральные аппараты

В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми люками. Уплотнение каналов в спиральных аппаратах осуществляют разными способами. Наиболее част способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом исключается смешивание теплоносителей, а в случае повреждения прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой вид уплотнения дает возможность легко чистить каналы.

Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон (“глухой” канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом “глухой" канал недоступен для механической очистки.

Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь изредка, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает изменение свойств теплоносителей.

Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.

Спиральный теплообменник отличается компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.

Недостатки спиральных теплообменников — сложность производства и ремонта, невозможность применения их при давлении рабочих сред свыше 10 кгс/см2.

Кожухотрубчатые теплообменники

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

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

Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса задействуют кожухотрубчатые теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции.

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

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

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

Двухтрубные аппараты типа “труба в трубе”

Аппараты 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, практически всегда, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие аппараты часто изготавливают как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб, можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Преимущества двухтрубного аппарата: высокий коэффициент теплопередачи, широко применим для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.

Недостатки двухтрубного аппарата — большие размеры, большая стоимость вследствие большого израсходования металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Графитовые теплообменники

Эти теплообменники составляют обособленную группу. Высокая коррозионная стойкость и хорошая теплопроводность делают графит незаменимым в некоторых производствах. Промышленностью выпускаются блочные, кожухотрубчатые, оросительные теплообменники и погружные теплообменные элементы.

Блочный графитовый теплообменник представляет собой один или несколько прямоугольных или цилиндрических блоков, имеющих две системы непересекающихся, перпендикулярных отверстий, создающих перекрестную схему движения теплоносителей. Каждая система отверстий имеет графитовые крышки для ввода и вывода рабочих сред. На крышки накладывают металлические плиты и систему стягивают болтами, создавая в графите наименее опасные напряжения сжатия.

Кожухотрубчатый графитовый теплообменник состоит из труб, трубных решеток и крышек из графита, а также металлического кожуха с сальниковым уплотнением для компенсации температурных удлинений. Трубы приклеены к решеткам замазкой “Арзамит”. Уплотняющие прокладки изготовлены из фторопласта.

Общее число труб:

n = F / d*l

F – поверхность теплообмена; d – диаметр трубы; l – длина туб.

<Число труб одного хода в трубном пространстве:

n0 = 3,54*10-4(Gmp / d2*b*w) ,

где Gтр – расходтеплоносителя в твубном пространстве; d -внутренний диаметр трубок; b - плотность теплоносителя ; w – скорость теплоносителя.

Число ходов в трубном пространстве: z = n/n0.

Элементные (секционные) теплообменники

Эти теплообменники состоят из последовательно соединенных элементов—секций. Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубчатого аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме — противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлические сопротивления и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные теплообменники менее компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов ап­парата—трубных решеток, фланцевых соединений, компенсато­ров и др. В этом отношении пластинчатые теплообменники также имеют сильное преимущество. Поверхность теплообмена одной секции применяемых элементных теплообменников составляет 0,75—30 м2, число тру­бок — от 4 до 140.

Погружные теплообменники

Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погружные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема.

Оросительные теплообменники

Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи «калачей». Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные аппараты — довольно некомпактные аппараты; они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред или необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (например, для охлаждения кислот применяют аппараты из кислотоупорного ферросилида, который плохо обрабатывается).

Ребристые теплообменники

Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется большим термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер.

Ребристые аппараты широко применяют в сушильных установках, отопительных системах и как экономайзеры.