Классификация и конструкции теплообменников

Теплообменники — это аппараты, в которых осуществляется теп­лообмен между греющей и нагреваемой средами. Греющие и на­греваемые среды называют теплоносителями.

В теплообменных аппаратах могут происходить различные теп­ловые процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденса­ция, кипение и др. Теплообменники могут выполнять разные функции. В зависимости от назначения различают подогреватели испарители, конденсаторы, скрубберы, кипятильники, выпарные аппараты и др.

Теплообменные аппараты по принципу взаимодействия фаз разделяют на поверхностные, смесительные и регенератив­ные.

В поверхностных теплообменниках теплообмен между средами может осуществляться через трубчатую, плоскую или иную по­верхность (соответственно в кожухотрубчатых, пластинчатых и других аппаратах).

В смесительных теплообменниках теплоноситель смешивается непосредственно с рабочей средой. К таким теплообменникам от­носятся градирни, конденсаторы смешения и аппараты с барботажем газа.

В регенеративных теплообменниках проводят нагревание кера­мических твердых тел, размещенных в аппарате, а затем приме­няют их для нагревания рабочей среды.

Рис. 14.2. Способы размещения труб в трубных решетках: а — по периметрам правильных шестиугольников; б — по окружностям; в — коридорное расположение

что обеспечивает компактность их расположения, или по концент­рическим окружностям (рис. 14.2, б). Для облегчения очистки на­ружных поверхностей труб иногда применяется коридорное распо­ложение — по сторонам квадратов (рис. 14.2, в).

Для интенсификации процесса теплоотдачи в ряде конструкций теплообменных аппаратов предусмотрено размещение перегородок, увеличивающих число ходов для теплоносителей, что приводит к возрастанию скорости их потоков. Такие теплообменники называют многоходовыми.

При большой разности температур теплоносителей вследствие неодинакового теплового удлинения элементов конструкции ап­парата в сварных швах возникают значительные механические напряжения, которые могут превысить предел прочности мате­риала. Для предотвращения разрушения аппарата создают конст­рукции, в которых пучок труб перемещается относительно кожу­ха для компенсации теплового удлинения. Такие конструкции ис­пользуют при разности температур пучка труб и кожуха, превы­шающей 50 ‘С.

При малом удлинении труб приемлема конструкция теплооб­менника с линзовым компенсатором 2 (рис. 14.3, а), расположен­ным на кожухе 1. При большой длине труб и значительных пере­мещениях применяют теплообменники с плавающей головкой (рис. 14.3, б). Верхняя часть кожуха 1 теплообменника этой конструк­ции присоединена к верхней трубной решетке, а нижняя трубная решетка имеет самостоятельное днище — плавающую головку Таким образом, пучок труб может свободно перемещаться отно­сительно наружного корпуса, не вызывая в деталях механических напряжений.

На рис. 14.3, в приведена конструкция теплообменника с ком­пенсирующим устройством в виде U-образных труб. Кожух / не связан жестко с трубами 4, и каждый элемент может удлиняться, не вызывая напряжений в месте присоединения.

Рис. 14.3. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими уст­ройствами:

а — с линзовым компенсатором; б — с плавающей головкой; в — с U-образными трубами; 1 — кожух; 2 — линзовый компенсатор; 3 — плавающая головка;

4 — U-образные трубы; I, II — потоки теплоносителей

Трубы в трубной решетке укрепляют различными способами: развальцовкой, сваркой, склеиванием или пайкой. Иногда их кре­пят с помощью разъемных сальниковых устройств, благодаря ко­торым при необходимости трубы легко заменить. Выбор способа крепления зависит от свойств материалов, из которых изготовле­ны трубы и решетка, а также рабочего давления.

Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменник этого типа (рис. 14.4) представляет собой несколько отрезков труб 2, каждый из которых заключен в трубу 1 большего диаметра. Внутренние трубы соединены друг с другом последовательно «калачами» 3, наружные — патрубками с фланцами. Отдельные элементы тепло­обменника собирают в вертикальные секции. В такой конструкции благодаря малой площади сечения внутренней трубы и узкому кольцевому зазору даже при небольшом расходе теплоносителей достигается высокая скорость их потоков, что обеспечивает эф­фективную теплоотдачу. К недостаткам таких конструкций можно отнести громоздкость и металлоемкость.

Змеевиковые теплообменники. Змеевик 3 (рис. 14.5) изготавли­вают из труб, свернутых в спирали, и заключают в кожух 1. Для увеличения скорости потока среды, омывающей наружную по­верхность змеевика, в некоторых конструкциях предусмотрен внуг-

ренний стакан 2. Основными недостатками таких теплообменни­ков являются малый коэффициент теплоотдачи теплоносителя II, омывающего змеевик, и незначительная площадь поверхности теплообмена.

Спиральные теплообменники. В таких теплообменниках (рис. 14.6) поверхность теплообмена образуется двумя металлическими лис­тами — 1 и 2, свернутыми в спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой разделительной перегородке 3, а их наруж­ные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты крыш­ками 4, установленными на прокладках. Таким образом, внутри аппарата образуются два изолированных спиральных канала ши­риной 8 и 12 мм, по которым противотоком движутся теплоноси­тели. Теплоноситель /входит в верхний штуцер и удаляется через правый боковой штуцер, а теплоноситель II поступает в левый боковой штуцер и отводится через нижний штуцер. Эти теплооб­менники компактны, имеют малое гидравлическое сопротивле­ние, но не могут быть использованы при большом давлении рабо­чей среды.

Теплообменники с оребренными трубами. В том случае, когда один из теплоносителей имеет низкий коэффициент теплоотдачи (например, газы, вязкие жидкости), применяют теплообменники с оребренными трубами. Оребрение позволяет интенсифициро­вать процесс за счет увеличения площади поверхности теплооб-

Рис. 14.6. Горизонтальный спиральный теплообменник:

1, 2 — листы; 3 — разделительная перегородка; 4 — крышки; I, II — потоки теплоносителей

мена. На рис. 14.7 представлена конструкция такого теплообмен­ника. Теплообменники, собранные из секций оребренных труб, широко используются для нагрева воздуха и других газов и носят название калориферов. Греющий теплоноситель (например, водя­ной пар) поступает в трубы калорифера, а воздух подается венти­лятором вдоль ребер перпендикулярно трубам.

Рис. 14.7. Оребренный холодильник-калорифер

Охлаждающая вода поступает в верхнюю часть аппарата и сте­кает с полки на полку, образуя завесу из капель, брызг и струй. Пар подается в нижнюю часть корпуса и, поднимаясь вверх, со­прикасается со стекающей водой и конденсируется.

Вода, смешанная с конденсатом, выводится через барометри­ческую трубу, образующую барометрический затвор, а несконденсированные газы удаляются из верхней части аппарата ваку­умным насосом.