Классификация теплообменной аппаратуры. Конструкции и принцип действия теплообменников трубчатых, пластинчатых, спиральных, змеевиковых, оросительных.

 

Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты.

Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес на предприятиях химической промышленности теплообменного оборудования составляет в среднем 15–18 %, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленностях 50 %. Значительный объем теплообменного оборудования на химических предприятиях объясняется тем, что почти все основные процессы химической технологии (выпаривание, ректификация, сушка и др.) связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты.

Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим признакам:

• по конструкции — аппараты, изготовленные из труб (кожухо-трубчатые, «труба в трубе», оросительные, погружные змеевико-вые, воздушного охлаждения); аппараты, поверхностность теплообмена которых изготовлена из листового материала (пластинчатые, спиральные, сотовые); аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и др.);
• по назначению — холодильники, подогреватели, испарители, конденсаторы;
• по направлению движения теплоносителей — прямоточные, противоточные, перекрестного тока и др.

В общем выпуске теплообменных аппаратов для химической и смежных отраслей промышленности в России около 80 % занимают кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и в то же время достаточно универсальны, т. е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком диапазоне их давлений и температур.

Теплообменники типа «труба в трубе» и змеевиковые стальные в общем объеме теплообменной аппаратуры составляют около 8 %, а оросительные из чугуна — около 2 %.

Доля спиральных и пластинчатых теплообменников и аппаратов воздушного охлаждения пока невелика, но на вновь строящихся технологических линиях аппараты этого типа занимают все большее место.

Условия проведения процессов теплообмена в промышленных аппаратах чрезвычайно разнообразны. Эти аппараты применяют для рабочих сред с различным агрегатным состоянием и структурой (газ, пар, капельная жидкость, эмульсия и др.) в широком диапазоне температур, давлений и физико-химических свойств. Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий размерный ряд поверхности теплообмена (от нескольких до нескольких тысяч квадратных метров в одном аппарате). В размерном ряду теплообменники различаются по допускаемым давлениям и температурам рабочей среды, а также по материалам, из которых изготовлен аппарат.

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам. Выбор конструкции аппарата для определенных условий теплообменного процесса зависит в основном от эрудиции и интуиции конструктора. Однако существуют рекомендации общего характера, которыми можно руководствоваться при выборе конструкции теплообменника и схемы движения в нем теплоносителей:

• при высоком давлении теплоносителей предпочтительнее трубчатые теплообменники; в этом случае в трубное пространство желательно направить теплоноситель с более высоким давлением, поскольку из-за малого диаметра трубы могут выдержать большее давление, чем корпус;
• коррозионный теплоноситель в трубчатых теплообменниках целесообразно направлять по трубам, так как в этом случае при коррозионном изнашивании не требуется замена корпуса теплообменника;
• при использовании коррозионных теплоносителей предпочтительнее теплообменные аппараты из полимерных материалов, например фторопласта и его сополимеров, обладающих уникальной коррозионной стойкостью;
• если один из теплоносителей загрязнен или дает отложения, то целесообразно направлять его с той стороны теплообмена, которая более доступна для очистки (в змеевиковых теплообменниках — это наружная поверхность труб, в кожухотрубчатых — внутренняя);
• для улучшения теплообмена не всегда требуется увеличение скорости теплоносителя (так, например, при конденсации паров для улучшения теплообмена необходимо обеспечить хороший отвод конденсата с теплообменной поверхности, для чего следует подобрать аппарат соответствующей конструкции).

 

На рисунке двухходовой вертикальный кожухотрубный теплообменник:

1 – крышка; 2 – распределительная камера; 3, 8 – перегородки; 4 – кожух;

5 – трубный пучок; 6 – опоры; 7 – стержень; 9 – трубная решетка;

10 – обтекатель; 11…14 – патрубки; 15 – линзовый компенсатор

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а сами решетки приварены к кожуху. В связи с этим при работе аппарата возникают температурные напряжения, которые при повышении допустимых значений являются причиной нарушения герметичности или появления пластических деформаций элементов конструкции. По этой причине теплообменники типа ТН используются при небольшой разности температур кожуха и труб.

Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает величину 50-60 ºС, необходимо использовать полужесткие конструкции типов ТК и ПК либо конструкции с полной компенсацией температурных напряжений (типы ТУ и ТП). Компенсирующая способность линзовых компенсаторов пропорциональна числу элементов, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется из-за снижения жесткости кожуха. Применение линзовых компенсаторов снижает максимально допустимое давление в межтрубном пространстве. В теплообменниках типа ТУ максимальная разность температур стенок кожуха и труб может достигать 100 ºС, а при дальнейшем ее увеличении могут возникнуть опасные напряжения в трубной решетке.

Преимущество теплообменников типа ТУ состоит в возможности чистки наружной поверхности трубного пучка. В то же время чистить внутреннюю поверхность довольно сложно.

Существенный недостаток этого типа – невозможность замены внутренних труб пучка при выходе их из строя. Кроме того, теплообменник типа ТУ менее всего представляет собой компактную конструкцию. По-видимому, эти недостатки ограничивают их широкое применение.

Теплообменники типа ТП на практике встречаются чаще, так как здесь обеспечивается наилучшая компенсация температурных деформаций за счет применения «свободно плавающей головки». Такая конструкция часто используется в испарителях.

На рис. показаны конструкции кожухотрубных теплообменников с полной компенсацией температурных напряжений типа ТП (верхняя часть рисунка) и ТУ (нижняя часть рисунка). Такой теплообменник состоит из кожуха 3, трубного пучка 4, распределительной камеры 2, правой 5 и левой 6 крышек. Левая трубная решетка 1 зажата между фланцами 7 и 8, соединяющими кожух и распределительную камеру. Правая трубная решетка теплообменника ТП установлена внутри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной крышкой 9 «плавающую головку».

 

Для увеличения скорости межтрубного потока и его турбулизации на трубках 4 закреплены ходовые перегородки 10. Теплообменник установлен на двух опорах 11. Для правильного расположения трубного пучка внутри кожуха и облегчения сборки теплообменники типа ТП с диаметром выше 800 мм снабжаются роликовыми опорными платформами 12.

Компенсация температурных напряжений в трубчатых теплообменниках типа ТС достигается также путем использования сальникового устройства
(рис. 3.7), которое может располагаться как на корпусе (левая часть), так и на патрубке (правая часть). Последний вариант предпочтителен, так как периметр уплотнения, а следовательно, и усилие сжатия сальника в такой конструкции имеет меньшее значение.

Аппараты с сальниковыми уплотнениями используются при невысоких давлениях (порядка 0,6 МПа)

Двухтрубные теплообменники довольно часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис. 3.8).

Один из теплоносителей движется по внутренним трубам, другой - в кольцевом зазоре, образованном внутренними и наружными – трубами. Внутренние трубы соединяются калачами, а наружные патрубками. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3–6 м, Диаметр наружной трубы – 159 мм, внутренней – от 10 до 57 мм.

В связи с незначительными сечениями внутренней трубы и кольцевого зазора в теплообменниках достигаются достаточно высокие скорости движения теплоносителей (до трех метров в секунду), что способствует увеличению коэффициентов теплопередачи, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Основным достоинством двухтрубных теплообменников является осуществление процессов теплообмена с теплоносителями при высоких давлениях. В свою очередь, двухтрубные теплообменники более металлоемки, чем кожухотрубчатые.

Схемы кожухотрубчатых теплообменников: а – с жестким креплением трубных решеток с сегментными перегородками; б – с жестким креплением трубных решеток с кольцевыми перегородками; в – с линзовым компенсатором на корпусе; г – с U-образными трубами; д – с двойными трубами (труба в трубе); е – с «плавающей» камерой закрытого типа; 1 – цилиндрический корпус; 2 – трубы; 3 – трубная решетка; 4 – верхняя и нижняя камеры; 5, 6, 9 – сегментная, кольцевая и продольная перегородки в межтрубном пространстве; 7 – линзовый компенсатор; 8 – перегородка в камере; 10 – внутренняя труба; 11 – наружная труба; 12 – «плавающая» камера

 

Довольно широкое применение в химической технологии находят теплообменники с наружными змеевиками, применение которых позволяет проводить процесс при высоких давлениях. К стенкам аппаратов (обычно реакторов) снаружи приваривают змеевики, изготовленные из полуцилиндров или угловой стали.

К достоинствам аппарата с приваренными змеевиками следует отнести возможность разделения системы труб-змеевиков на отдельные секции, питаемые независимо друг от друга. Включением и отключением отдельных секций можно регулировать обогрев или охлаждение аппарата. Немаловажным достоинством теплообменников подобного типа является то, что материал привариваемых змеевиков может быть более дешевым, чем материал корпуса аппарата.

Оросительные теплообменники применяют в основном для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик из размещенных друг над другом прямых труб, соединенных между собой калачами. Снаружи трубы орошаются водой, подаваемой в желоб для равномерного распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода стекает в поддон. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.

Орошающая теплообменник вода при стекании вниз по наружным стенкам труб частично испаряется. Процесс теплообмена достаточно интенсивный, вследствие чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках меньше, чем в холодильниках других типов. Но при этом возможны необратимые потери воды. К недостаткам таких теплообменников следует отнести их громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, легкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.

Теплообменники с оребренными трубами. В технике довольно часто встречаются процессы теплообмена, в которых коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи значительно отличаются по величине. Так, например, при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром коэффициент теплоотдачи от пара к стенке составляет примерно 10000–15000 Вт/(м2К), а от стенки к нагреваемому воздуху – 10–50 Вт/(м2К). Оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повысить тепловую нагрузку теплообменника за счет увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи. Оребренные трубы также используются при нагреве или охлаждении сильновязких жидкостей.

Конструкции оребренных теплообменников весьма разнообразны причем разработаны конструкции, как с оребренными трубами, так и с плоскими поверхностями теплообмена.

Оросительные змеевиковые теплообменники предназначаются для охлаждения жидких сред и конденсации пара. Их собирают из прямых горизонтальных труб, соединенных калачами. Пакеты таких змеевиков устанавливают и закрепляют на каркасе. Внутри труб змеевика проходит охлаждаемая среда, а снаружи поверхность орошается охлаждающей средой – водой или другой жидкостью. Над верхним рядом труб размещается желоб с перфорированным дном или с зубчатыми краями, служащими для распределения орошающей жидкости. Под нижним рядом труб размещается поддон для сбора этой жидкости и отвода ее в сборный резервуар. В многоярусных змеевиках необходимо устанавливать над каждой или через одну горизонтальную трубу распределительные зубчатые козырьки для равномерного распределения охлаждающей жидкости на нижерасположенной трубе. В некоторых случаях целесообразно организовать охлаждение змеевиков с частичным испарением орошающей жидкости. При испарительном охлаждении расход жидкости следует регулировать так, чтобы нижние змеевики не были «сухими».

Простота устройства, доступность для осмотра, ремонта и очистки труб, несколько меньший расход охлаждающей воды (жидкой среды) по сравнению с погружными змеевиковыми теплообменниками способствуют распространенному применению их в промышленности и на транспорте. В то же время необходимо отметить, что часть воды при таком способе охлаждения другого теплоносителя теряется, теплообменники чувствительны к колебаниям подачи воды в орошающий желоб, занимают много места.

Оросительные теплообменные аппараты представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи «калачей». Оросительные теплообменные аппараты 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 теплообменные аппараты — довольно громоздкие 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).

 

Пластинчатые теплообменники собираются из пакетов гофрированных пластин, по краям которых уложены резиновые прокладки.

При сжатии пакета между пластинами образуются щелевые каналы, куда подаются теплоносители. Таким образом, основной деталью пластинчатого теплообменника является гофрированная штампованная стальная пластина, имеющая по контуру резиновую прокладку. В углах пластины имеются отверстия для подвода или отвода теплоносителей. Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потоков теплоносителей проточную часть пластины делают гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположенными в «елочку».

Поскольку скорость движения теплоносителей в щелевых каналах значительна (1–3 м/с), то коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках достигают больших значений порядка 4000 Вт/(м2К) при сравнительно невысоких гидравлических сопротивлениях.

Материалом пластин является нержавеющая сталь, титан, алюминий, мельхиор, материал прокладки – резина на клею, синтетический каучук.

Пластинчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, их легко разбирать и ремонтировать. Однако герметизация пластин представляет серьезную проблему. По этой же причине применение их при высоких давлениях затруднительно

 

Пластины, схема движения теплоносителей,

исполнение пластинчатого теплообменника на консольной раме

Пластинчатые поверхности теплообмена: а – элемент из плоских пластин; б, в, г, д, е, ж, з – из штампованных пластин с различной конфигурацией канала; б и д – одноходовый со сфероидальными выступами против впадин; в – то же, трехходовый; г – с выступами против выступов; ж – с волнообразными каналами; з – с волнообразными и серповидными каналами, е – с серповидными каналами для воды и зигзагообразными каналами для воздуха; 1 – штампованная пластина; 2 – точечная сварка; 3 – зигзагообразный канал; 4 – волнообразный канал; 5 – дистанционная бобышка; 6 – серповидный капал; 7 – серповидно-волнообразный канал

При сборке и сварке штампованных пластин этого варианта создаются криволинейные зигзагообразные (3) и волнообразные (4) каналы, способствующие повышенной турбулизации потоков теплоносителей. Изменением ширины волнообразных каналов отношение проходных сечений для обоих теплоносителей при конструировании можно изменить в произвольных пределах. Например, если сварить попарно две пластины, то движение одного из теплоносителей может быть осуществлено в несколько ходов, как это показано на (рис., в), то есть образуется многократный перекрестный ток. При компоновке пакета по типу (рис., г) создаются зигзагообразные каналы равного или неравного для обоих теплоносителей сечения. Направление движения каждого из теплоносителей в этом случае все время меняется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Возможны и другие варианты компоновки пакетов из пластин повышенной турбулентности (рис. е, ж, з).

В соответствии с (рис. ж) каждые две пластины скрепляются друг с другом через бобышки (5), приваренные к ним точечной сваркой. В данном случае для обоих теплоносителей создаются волнообразные каналы. Наряду с отмеченными достоинствами штампованных поверхностей теплообмена этот вариант сборки пакетов может быть более компактным и менее склонным к засорению со стороны обоих теплоносителей.

Компоновка по схеме (рис. 2.9, з) предусматривает движение одного из теплоносителей по серповидному каналу (6), а другого – по серповидноволнообразному каналу (7) переменного сечения, благодаря чему усиливается турбулизация потока. Из-за отсутствия дистанционных бобышек изготовление таких пакетов проще, чем в варианте (ж). Вообще теплообменники по типу (ж) и (з) целесообразно применять в тех случаях, когда проходное сечение для одного из теплоносителей должно быть значительно меньше, чем для другого, например при теплоносителях вода и воздух.

На (рис. 2.9, е) представлен еще один элемент пластинчатого теплообменника с серповидными (меньшего сечения) каналами для воды и зигзагообразными (большого сечения) каналами для воздуха. Допускаемое давление воды в каналах (4÷6)10⁵ Па, а давление воздуха должно быть близким к атмосферному.