Теплообменники: описание видов и конструкции

 
Рис. 3. Горизонтальный спиральный теплообменник 
 
 
 
 

Конструкция кожухотрубчатых  теплообменников 

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.  

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки. 

С годами кожухотрубные  теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это  обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей  и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением

диапазон давления от вакуума до высоких значений

в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим  сторонам вследствие большого разнообразия вариантов 

удовлетворение  требований по термическим напряжениям  без существенного повышения  стоимости аппарата

размеры от малых  до предельно больших (5000 м2)

возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению

использование развитых поверхностей теплообмена  как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.

возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта  

Однако такое  широкое разнообразие условий применения кожухотрубных теплообменников  и их конструкций никоим образом  не должно исключать поиск других, альтернативных решений, таких, как применение пластинчатых, спиральных или компактных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются приемлемыми и их применение может привести к экономически более выгодным решениям.  

Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Классическая схема кожухотрубчатого теплообменника показана на рисунке:  
 
 

 
 
 
 

Теплопередающая поверхность аппаратов может  составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч  квадратных метров. Так, конденсатор  паровой турбины мощностью 150 Мвт состоят из 17 тысяч труб с общей поверхностью теплообмена около 9000 м2. 

Схемы кожухотрубчатых  аппаратов наиболее распространенных типов представлены на рисунке:

 
 

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой  трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.  

Трубчатка кожухотрубчатых  теплообменников выполняется из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы.  

В кожухотрубчатых  теплообменниках проходное сечение  межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена.  

Трубные доски (решетки) служат для закрепления в них  пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки или  сальниковых креплений. Трубные  доски приваривают к кожуху (рис. а, в), зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки (рис. б, г) или соединяют болтами только с фланцем свободной камеры (рис. д, е). материалом досок служит обычно листовая сталь толщиной не менее 20 мм.  

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой (рис. а, к), нежесткой (рис. г, д, е, з, и) и полужесткой (рис. б, в, ж) конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные.  

На рисунке  а) изображен одноходовой теплообменник  с прямыми трубками жесткой конструкции. Кожух и трубки связаны трубными решетками и поэтому нет возможности компенсации тепловых удлинений. Такие аппараты просты по устройству, но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50оС). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве.  

В кожухотрубчатых  теплообменниках проходное сечение  межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи. На рисунке 1,б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.  
 

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. Поверхность теплообмена одной секции применяемых элементных теплообменников составляет 0,75—30 м2, число трубок — от 4 до 140.

 

Витые теплообменники  

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

 

Графитовые  теплообменники  

Эти теплообменники составляют отдельную группу. Высокая  коррозионная стойкость и значительная 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. 

 
 

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 теплообменники — 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).  

Ребристые теплообменники  

Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной  поверхности оребрением с той  стороны, которая характеризуется наибольшими 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 теплообменники широко применяют в сушильных  установках,

отопительных  системах и как экономайзеры. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы. 

1. Лебедев П.Д., Щукин А.А. «Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое проектирование). Учеб. пособие для энергетических вузов. «Энергия», Москва, 1970.

2. Лебедев П.Д.  «Теплообменные сушильные и холодильные  установки». Учебник для студентов  технических вузов. 2-е издание.  «Энергия», Москва, 1972.

3. Основные процессы  и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С.Борисов,  В.П.Брыков, Ю.И.Дытнерский и др. Под.  ред. Ю.И.Дытнерского, 2-е изд., перераб.  и дополн. М.: Химия, 1991. – 496 с. 

4. Ульянов Б.А., Бадеников В.Я., Ликучёв В.Г. Процессы и аппараты химической технологии. Учебное пособие – Ангарск: Издательство Ангарской государственной технической академии, 2005 г. – 903 с.