Класифікація та типи теплообмінних апаратів

При проектуванні і конструюванні теплообмінних апаратів необхідно максимально задовольнити численні і в більшості випадків суперечливі вимоги, що пред'являються до теплообмінників. Основні з них: дотримання умов протікання технологічного процесу; можливо більш високий коефіцієнт теплопередачі; низький гідравлічний опір апарату; стійкість теплообмінних поверхонь до корозії; доступність поверхні теплопередачі для чищення; технологічність конструкції з точки зору виготовлення; економне використання матеріалів.

Теплообмінні апарати поділяються залежно від форми поверхні, виду теплоносія, способу передачі теплоти. Відповідно до останнього показником їх можна класифікувати на поверхневі (рекуперативні), змішувальні (контактні) і регенеративні.

Поверхневі теплообмінники являють собою найбільш поширену і важливу групу теплообмінних апаратів, які використовуються в хімічній технології. У поверхневих теплообмінниках теплоносії розділені стінкою, при цьому теплота передається через поверхню цієї стінки. Якщо поверхня теплообміну в таких теплообмінниках формується з труб, то їх називають трубчастими (трубними). В іншій групі поверхневих теплообмінників поверхнею теплообміну є стінка апарату або металеві плоскі листи. Такі теплообмінники називаються пластинчастими.

У змішувальних (або контактних) теплообмінниках теплообмін відбувається при безпосередньому зіткненні теплоносіїв. До змішувальним теплообмінникам відносяться, наприклад, градирні. В регенеративних теплообмінниках процес перенесення теплоти від гарячого теплоносія до холодного поділяється в часі на два періоди і відбувається при поперемінному нагріванні і охолодженні насадки. Теплообмінники цього типу найчастіше застосовуються для регенерації теплоти відхідних газів.

У хімічній і нафтохімічній промисловості найширше поширення набули поверхневі теплообмінники, найчастіше трубчастого типу. Теплообмінники цього типу називаються Кожухотрубчасті або кожухотрубні. Вони досить прості у виготовленні, дозволяють розвивати велику поверхню теплообміну в одному апараті, надійні в роботі.

Цей тип теплообмінної апаратури набув найбільшого поширення завдяки простоті конструкції і технології виготовлення. Згідно з державним стандартом кожухотрубні теплообмінники виготовляють наступних типів: ТН - з нерухомими трубними решітками та жорстким кожухом; ТК - з нерухомими трубними гратами і температурним компенсатором на кожусі; ТУ - з нерухомими трубними решітками та U-подібними теплообмінними трубами; ТП - з плаваючою головкою; ТС - з сальником на плаваючій голівці.

Залежно від призначення вони можуть бути підігрівниками, холодильниками, конденсаторами і випарниками і метою збільшення швидкості руху теплоносіїв, виготовляються двох-, чотирьох-, шести- і двенадцатіходовимі.

Мал. 3.5. Двохходовий вертикальний кожухотрубний теплообмінник:

1 - кришка; 2 - розподільна камера; 3, 8 - перегородки; 4 - кожух;

5 - трубний пучок; 6 - опори; 7 - стрижень; 9 - трубна решітка;

10 - обтічник; 11 ... 14 - патрубки; 15 - лінзовий компенсатор

На рис. 3.5 зображений кожухотрубний вертикальний двухходовой теплообмінник типу ТН (ліва частина) та ТК (права частина).

Теплообмінник складається з циліндричного зварного кожуха 4, трубного пучка 5, розподільної камери 2 і двох кришок 1, з'єднаних з кожухом фланцями. Трубна решітка 9 приварена до корпусу.

Перегородка 3 служить для освіти двох ходів по трубах. Перегородки 8, зафіксовані стрижнем 7, служать для забезпечення зиґзаґоподібного руху теплоносія в міжтрубному просторі. За рахунок зиґзаґоподібного руху збільшується швидкість теплоносія і, отже, коефіцієнт теплопередачі. Для захисту трубок від ерозії та стирання рухомим середовищем всередині кожуха навпаки вхідного патрубка встановлений обтічник 10, що представляє вигнуту пластину, приварену до корпусу.

Внаслідок жорсткого кріплення трубних решіток до кожуха і трубок до грат при виникненні різниці температур в місцях їх кріплення виникають температурні напруги, обумовлені різним подовженням кожуха і трубок.

Для часткової компенсації температурних напружень, які можуть досягати істотних значень, в даних теплообменниках встановлюється лінзовий компенсатор 15. Він складається з двох частин, відштампованих зі сталевих кілець у вигляді напівхвиль і зварених між собою по периметру.

Особливістю апаратів типу ТН є те, що труби жорстко з'єднані з трубними решітками, а самі решітки приварені до кожуха. У зв'язку з цим при роботі апарату виникають температурні напруги, які при підвищенні допустимих значень є причиною порушення герметичності або появи пластичних деформацій елементів конструкції. З цієї причини теплообмінники типу ТН використовуються при невеликій різниці температур кожуха і труб.

Якщо розрахункова різниця температур кожуха і труб перевищує величину 50-60 ºС, необхідно використовувати напівтверді конструкції типів ТК і ПК або конструкції з повною компенсацією температурних напружень (типи ТУ і ТП). Компенсирующая здатність лінзових компенсаторів пропорційна числу елементів, однак застосовувати компенсатори з числом лінз більше чотирьох не рекомендується через зниження жорсткості кожуха. Застосування лінзових компенсаторів знижує максимально допустимий тиск в міжтрубному просторі. У теплообмінниках типу ТУ максимальна різниця температур стінок кожуха і труб може досягати 100 ºС, а при подальшому її збільшенні можуть виникнути небезпечні напруги в трубній решітці.

Перевага теплообмінників типу ТУ полягає в можливості чистки зовнішньої поверхні трубного пучка. У той же час чистити внутрішню поверхню досить складно.

Двотрубні теплообмінники досить часто називають теплообмінниками типу «труба в трубі». Вони являють собою набір послідовно з'єднаних елементів, що складаються з двох концентрично розташованих труб (рис. 3.8).

Один з теплоносіїв рухається по внутрішнім трубам, інший - в кільцевому зазорі, утвореному внутрішніми і зовнішніми - трубами. Внутрішні труби з'єднуються калачами, а зовнішні патрубками. Довжина елемента теплообмінника типу «труба в трубі» зазвичай становить 3-6 м, діаметр зовнішньої труби - 159 мм, внутрішній - від 10 до 57 мм.

У зв'язку з незначними перетинами внутрішньої труби і кільцевого зазору в теплообмінниках досягаються досить високі швидкості руху теплоносіїв (до трьох метрів в секунду), що сприяє збільшенню коефіцієнтів теплопередачі, уповільнення відкладення накипу і забруднень на стінках труб. Основною перевагою двотрубних теплообмінників є здійснення процесів теплообміну з теплоносієм при високому тиску. У свою чергу, двотрубні теплообмінники більш металомістких, ніж кожухотрубчасті.

У змієвикових теплообменниках основним теплообмінних елементом є зігнута у вигляді змійовика труба. До них відносяться заглибні теплообмінники з одним і декількома спіральними змійовиками, по яких рухається один з теплоносіїв. Змійовики занурюються в рідину, що знаходиться в корпусі апарату і представляє другий теплоносій. Швидкість руху другого теплоносія невелика у зв'язку з великим перетином корпусу апарату, що обумовлює низькі значення коефіцієнтів тепловіддачі з боку зовнішньої стінки змійовика.

Простота пристрою, низька вартість, доступність зовнішніх стінок змійовика для чищення та огляду, можливість підтримки високого тиску в змеевиках забезпечують досить широке застосування заглибних теплообмінників в промисловості. Одним з основних недоліків змієвикових теплообмінників погружного типу слід відзначити порівняно невисоку поверхню теплообміну (до 10-15 м2).

Досить широке застосування в хімічній технології знаходять теплообмінники з зовнішніми змійовиками. застосування яких дозволяє проводити процес при високому тиску. До стінок апаратів (зазвичай реакторів) зовні приварюють змійовики, виготовлені з полуцилиндров або кутової сталі.

До переваг апарату з привареними змеевиками слід віднести можливість поділу системи труб-змійовиків на окремі секції, що живляться незалежно один від одного. Включенням і відключенням окремих секцій можна регулювати обігрів або охолодження апарату. Важливою перевагою теплообмінників подібного типу є те, що матеріал приварюється змійовиків може бути дешевшим, ніж матеріал корпусу апарату.

Зрошувальні теплообмінники застосовують в основному для охолодження рідин і газів або конденсації парів. Зрошувальний теплообмінник являє собою змійовик з розміщених один над одним прямих труб, з'єднаних між собою калачами. Зовні труби зрошуються водою, яка подається в жолоб для рівномірного розподілу води, що охолоджує по всій довжині верхньої труби змійовика. Відпрацьована вода стікає в піддон. По трубах протікає охолоджуваний теплоносій.

Орошающая теплообмінник вода при стікання вниз по зовнішніх стінок труб частково випаровується. Процес теплообміну досить інтенсивний, внаслідок чого витрата води на охолодження в зрошувальних теплообменниках менше, ніж в холодильниках інших типів. Але при цьому можливі незворотні втрати води. До недоліків таких теплообмінників слід віднести їх громіздкість, нерівномірність змочування зовнішньої поверхні труб, нижні ряди яких можуть взагалі не смачиваться і практично не брати участь в теплообміні. Тому, незважаючи на простоту виготовлення, легкість чищення зовнішніх стінок труб і інші достоїнства, зрошувальні теплообмінники знаходять обмежене застосування.

Теплообмінники з оребренними трубами. У техніці досить часто зустрічаються процеси теплообміну, в яких коефіцієнти тепловіддачі по обидва боки поверхні теплопередачі значно відрізняються за величиною. Так, наприклад, при нагріванні повітря конденсується водяною парою коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки становить приблизно 10000-15000 Вт / (м 2 К), а від стінки до нагрівається повітрю - 10-50 Вт / (м 2 К). Ребра труб з боку повітря дозволяє істотно підвищити теплове навантаження теплообмінника за рахунок збільшення поверхні теплообміну з боку теплоносія з низьким коефіцієнтом тепловіддачі. Оребрені труби також використовуються при нагріванні або охолодженні сильнов'язких рідин.

Конструкції оребрених теплообмінників вельми різноманітні причому розроблені конструкції, як з оребренними трубами, так і з плоскими поверхнями теплообміну.

Пластинчасті теплообмінники збираються з пакетів гофрованих пластин, по краях яких покладені гумові прокладки (рис. 3.9).

При стисненні пакета між пластинами утворюються щілинні канали, куди подаються теплоносії. Таким чином, основною деталлю пластинчастого теплообмінника є гофрована штампована сталева пластина, що має по контуру гумову прокладку. У кутах пластини є отвори для підведення або відведення теплоносіїв. Для збільшення поверхні теплообміну і турбулізації потоків теплоносіїв проточну частину пластини роблять гофрованої або ребристої, причому гофри можуть бути горизонтальними або розташованими в «ялинку».

Оскільки швидкість руху теплоносіїв в щілинних каналах значна (1-3 м / с), то коефіцієнти теплопередачі в пластинчастих теплообмінниках досягають великих значень близько 4000 Вт / (м 2 К) при порівняно невисоких гідравлічних опорах.

Матеріалом пластин є нержавіюча сталь, титан, алюміній, мельхіор, матеріал прокладки - гума на клею, синтетичний каучук.

Пластинчасті теплообмінники досить прості у виготовленні, їх легко розбирати і ремонтувати. Однак герметизація пластин становить серйозну проблему. З цієї ж причини застосування їх при високому тиску важко.

Теплообменная секція складається з 4, 6 або 8 рядів труб 3 (рис. 3.12), розміщених по вершинах рівностороннього трикутника в трубних решітках 1. Труби закріплені розвальцюванням або розвальцюванням зі зварюванням. Секції можуть бути одно- або багатоходовими.