Трубчатые теплообменники

3.1 Кожухотрубчатые теплообменники.

 

Они достаточно просты в изго­товлении, отличаются возможностью развивать большую поверх­ность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Теплота от одного теплоносителя другому пере­дается через поверхность стенок труб. Обычно нагреваемый теплоно­ситель подается снизу, а охлаждае­мый теплоноситель - сверху вниз противотоком. Такое движение теп­лоносителей способствует более эф­фективному переносу теплоты, так как при этом происходит совпадение направления движения каждого теп­лоносителя с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении. Наибо­лее распространенный способ размещения труб в трубных решет­ках-по вершинам правильных шестиугольников. При­меняются и другие способы размещения труб. Важно выбрать способ размещения, который обеспечит максимально воз­можную компактность поверхности теплообмена в аппарате.

Для обеспечения хорошей герметизации теплообменников, что предотвращает смешение теплоносителей, разработан ряд способов крепления труб в трубных решетках. Наибольшее рас­пространение получил способ крепления развальцовкой. Способ крепления труб с помощью сальниковых уплотнений сложен и дорог, поэтому широкого распространения не получил. Сваркой трубы крепятся в случае, если мате­риал, из которого они изготовлены, не поддается развальцовке, а также при большом давлении теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника.

Шаг размещения труб t при их закреплении развальцовкой выбирают в зависимости от наружного диаметра d_H труб в пределах t = (1,3 -и 1 ,5) d_H. [5]

 

 

 

Рассмотренный кожухотрубчатый теплообменник (рис. 3) яв­ляется одноходовым, т. е. в этом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой-по межтрубному). В тех случаях, когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффи­циенты теплоотдачи, целесообразно использовать многоходовые теплообменники.

В многоходовом по трубному пространству теплообменнике (рис. 4) с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое.

Очевидно, что в таких теплообменниках при одном и том же расходе теплоносителя скорость его движения по трубам увеличива­ется кратно числу ходов. Для увеличения скорости в межтрубном пространстве в нем устанавливают ряд сегментных перегородок. В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для труб.

Увеличение скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменника влечет за собой увели­чение его гидравлического сопротивления и усложнение конструк­ции теплообменника. В таких случаях необходимо определить экономически целесообразную скорость движения теплоносителя. Следует отметить, что в многоходовых теплообменни­ках по сравнению с противоточными движущая сила процесса несколько снижается в результате того, что они работают по принципу смешанного тока.

Если разность температур труб и кожуха достаточно велика (больше 50 °С), то трубы и кожух удлиняются существенно неодина­ково, что приводит к значительным напряжениям в трубных решет­ках, нарушению плотности соединения труб с трубными решетками, а это может привести к смешению теплоносителей или деформации труб. Поэтому при разностях температур труб и кожуха более 50 °С и значительной длине труб применяют теплообменники нежесткой конструкции, в которых возможно перемещение труб по отноше­нию к кожуху аппарата.

На рис. 5 представлены некоторые конструкции кожухотруб- чатых теплообменников с компенсацией неодинаковости темпера­турных удлинений труб и кожуха.

На рис. 5- а показана схема теплообменника с линзовым ком­пенсатором 3 на корпусе. В этом аппарате температурные деформа­ции компенсируются осевым сжатием или расширением компенса­тора. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 10-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа).

Теплообменник с плавающей головкой (рис. 5-б) применяют при значительных относительных перемещениях труб и кожуха, поскольку в нем одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях.

В теплообменнике с U-образными трубами (рис. 5-в) оба конца труб закреплены в одной трубной решетке, что позволяет трубам свободно удлиняться. В аппаратах этого типа, так же как и в аппарате с плавающей головкой, наружные стенки труб доволь­но легко очищать от накипи и загрязнений при выемке всей трубчатки из кожуха. Однако в этом аппарате усложняется монтаж труб, затруднена очистка их внутренних стенок.

Рис. 5. Кожухотрубчагые теплообменники с компенсацией неодинаковости темпе­ратурных удлинений труб и кожуха:

а- теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция); б-аппарат с плаваю­щей головкой; в-аппарат с U-образными трубами; 1 -кожухи; 2-трубы; 3 -линзовый компенса­тор; 4-плавающая головка; I и II -теплоносители

Элементные теплообменники представляют собой ряд последо­вательно соединенных одноходовых кожухотрубчатых теплообменников (элементов), что позволяет существенно повысить скорость движения теплоносителей в межтрубном и трубном пространствах без использования перегородок. Теплоносители последовательно проходят через все элементы. В межтрубных пространствах эле­ментных теплообменников можно создавать большие давления, так как диаметр кожуха элементов мал. В этих теплообменниках процесс протекает практически при чистом противотоке. Однако элементные теплообменники, по сравнению с многоходовыми кожу- хотрубчатыми, при одинаковой поверхности теплопередачи более громоздки и требуют большего расхода металла на их изготов­ление. [6]

Двухтрубные теплообменники часто называют теплообменника­ми типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последова­тельно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис. 13-7)

Один теплоноситель / движется по внутренним трубам 7, другой //-по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы 1 соединяются с помощью калачей 3, а наружные-с помощью соединительных патрубков 4. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно состав­ляет 3-6 м, диаметр наружной трубы-76-159 мм, внутренней-57-108 мм.

Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора неве­лики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скоро­сти движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб.

Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена. Двухтрубные теплообменники применяют для про­цессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соот­ветственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров).

 

3.2 Змеевиковые теплообменники

 

Основным теплообменным эле­ментом является змеевик-труба, согнутая по определенному про­филю.

На рис. 7, а, б показаны погружные теплообменники с одним (а) и несколькими (б) спиральными змеевиками 1, по которым движется теплоноситель. Змеевики погружаются в жидкость (тепло­носитель II), находящуюся в корпусе аппарата.

Скорость движения жидкости мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что

обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи от наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот). Для увеличе­ния этого коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в корпусе аппарата, внутри змеевика, стакана. В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью. Часто в погружных теплообменниках устанавливают змеевики из прямых труб, соединен­ных калачами.

Вследствие простоты устройства, низкой стоимости, доступно­сти наружных стенок змеевика для чистки и осмотра, возможности работы змеевиков при высоких давлениях эти теплообменники находят достаточно широкое применение в промышленности. По­гружные змеевиковые теплообменники имеют сравнительно не­большую поверхность теплообмена (до 10-15 м²).

Довольно широкое применение в технике находят теплообменни­ки с наружными змеевиками (рис. 8), применение которых позво­ляет проводить процесс при высоких давлениях (до 6 МПа). К стен­кам аппаратов (обычно реакторов) снаружи приваривают змеевики, изготовленные из полуцилиндров или угловой стали (рис. 8, б, в). Если же необходимо использовать теплоноситель при еще более высоком давлении (например, перегретую воду при 25 МПа), то змеевик приваривают к корпусу аппарата многослойным швом (рис. 8, а).

К достоинствам аппарата с приваренными змеевиками следует отнести возможность разделения системы труб змеевика на не­сколько секций, питаемых независимо друг от друга. Включением и отключением отдельных секций становится возможным регулиро­вать обогрев или охлаждение. Кроме того, материал приваривае­мых змеевиков может быть отличным (более дешевым) от материа­ла корпуса аппарата.

Гораздо сложнее изготовить аппарат, в стены которого змеевик «залит» (рис. 8, г); ремонт такого аппарата практически невозмо­жен. Кроме того, коэффициент теплоотдачи в данном случае имеет низкое значение. Поэтому такие аппараты используют довольно редко.

Оросительные теплообменники применяют в основном для охла­ждения жидкостей и газов или конденсации паров.

Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис 9) из разме­щенных друг над другом прямых труб 7, соединенных между собой калачами 2. Снаружи трубы орошают водой, которую подают в желоб 3 для равномерною распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отрабо­танная вода поступает в корыто 4 для сбора воды. По трубам протекает охлаждае­мый теплоноситель. [1]

Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется: при этом процесс теплообмена идет интенсивнее, вследствие чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках дру­гих типов. Но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении ороситель­ные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. По этой же причине, если оросительный теплообменник необходи­мо установить в помещении, его приходится помещать в громозд­кие кожухи, которые подключают к системе вытяжной вентиляции. К недостаткам этих теплообменников следует отнести также 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. [7]

 

 

3.3 Теплообменники с оребренными трубами

 

В технике достаточно часто встречаются процессы теплообмена, в которых коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи резко различаются по величине. Так, например, при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром коэффициент теплоотдачи от пара к стенке составляет примерно 10000-15000 Вт/(м²- К) а от стенки к нагреваемому воздуху- 10-50 Вт/(м²- К). В этом случае оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повы­сить тепловую нагрузку теплообменника за счет увеличения поверх­ности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффици­ентом теплоотдачи. Этот принцип используют при нагреве или охлаждении сильновязких жидкостей, а также газов.

Очевидно, что материал, из которого изготовляют ребристые трубы, должен иметь большой коэффициент теплопроводности. Для снижения гидравлического сопротивления поверхность ребер должна быть параллельна направлению потока теплоносителя. Их форма может быть различной. Наиболее часто используют ребра прямоугольного (рис. 10, а) и трапециевидного (рис. 10, б) се­чения.

Конструкции оребренных теплообменников весьма разнообраз­ны (рис. 11), причем разработаны конструкции как с оребренны- ми трубами, так и с плоскими поверхностями теплообмена (рис. 11, г). На рис. 12 представлен широко распространенный тепло­обменник для нагрева воздуха-калорифер. [1]

 

 

 

Рис. 11. Элементы теплообменников с оребрениями:

а поперечное оребрение; б продольное «плавниковое» оребрение. в-продольное оребрение; г-оребрение гофрированием плоских поверхностей теплообмена