НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов непрерывного действия и поверхностного типа весьма разнообразны, поэтому рассмотрим только наиболее характерные.

Рассмотрим классификацию поверхностных теплообменных аппаратов по отдельным группам.

Кожухотрубчатые теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами и крышками с патрубками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Перегородки предназначены для увеличения скорости и, следовательно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей. Темплообменники этого типа предназначаются для теплообмена: между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газами. Они применяются в случаях, когда требуется большая поверхность теплообмена.

При нагреве жидкости паром в большинстве случаев пар вво­дится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2–3 раза большее проходного сечения внутри труб. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, скорости теплоносителя в межтрубном пространстве более низкие и коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. На рис. 2.1 показаны различные типы кожухотрубчатых теплообменников. Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров, Так, конденсатор современной паровой турбины мощностью 300 МВт имеет более 20 тыс. труб с общей поверхностью теплообмена около 15 тыс. м².

Рис.2.1. Типы кожухотрубчатых теплообменников:

а – одноходовой; б – многоходовой; в – пленочный; г –с линзовым компенсатором; д – с плавающей головкой закрытого типа; е –с плавающей головкой открытого типа; ж – с сальниковым компенсатором; з – с U-образными трубами;

1 – кожух; 2–трубная решетка; 3 –трубы; 4 – входная камера; 5 – выходная камера; 6 –продольная перегородка; 7 – камера; 8 – перегородки в камерах; 9 – линзовый компенсатор; 10 – плавающая головка; 11 – сальник; 12 –U-образные трубы; I, II – теплоносители

Корпус (кожух) кожухотрубчатого теплообменника пред­ставляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом спосо­бом соединения с трубной решеткой и крышками. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не делается тоньше 4 мм. К ци­линдрическим кромкам кожуха привариваются фланцы для со­единения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха привариваются патрубки и опоры аппарата.

Трубки кожухотрубчатых аппаратов изготовляют прямыми или изогнутыми (U-образными) диаметром от 12 до 57 мм. Ма­териал трубок выбирается в зависимости от среды, омывающей ее поверхность. Применяются трубки из стали, латуни и из спе­циальных сплавов.

Трубные решетки служат для закрепления в них труб при помощи развальцовки, заварки, запайки или сальниковых со­единений. Трубные решетки зажимаются болтами между флан­цами кожуха и крышки или привариваются к кожуху, или со­единяются болтами только с фланцами свободной камеры (рис. 2.1). Материалом трубных решеток служит обычно листо­вая сталь, толщина которой, зависит от расчетного давления, но составляет не менее 20 мм.

Крышки кожухотрубчатых аппаратов имеют форму плоских плит, конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллипсов.

Кожухотрубчатые теплообменники выполняют жесткой кон­струкции (рис. 2.1, а–в)и с компенсирующими устройствами (рис. 2.1, г–з), одно- и многоходовые, прямо-, противо- и поперечноточные, горизонтальные, вертикальные и наклонные. Вер­тикальные аппараты имеют большее распространение, так как они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении. Исходя из условий удобства монтажа и эксплуатации, максимальную длину трубок для них выбирают не более 5 м.

Компенсация различного температурного удлинения труб и кожуха достигается различными способами: закреплением труб в решетках на сальниках, устройством подвижной трубной решетки, установкой линзового компенсатора на корпусе (рис. 2.1, г–з).

Секционные теплообменники представляют собой разновидность трубчатых аппаратов, состоящих из нескольких по­следовательно соединенных секций, каждая из которых пред­ставляет собой кожухотрубчатый теплообменник с малым чис­лом труб и кожухом небольшого диаметра (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Секционные теплообменники:

а – водяной подогреватель теплосети; б – теплообменник «труба в трубе»;

1 – линзовый компенсатор; 2 –соединительные патрубки; 3 – калач; 4 –трубки;

5 – разборная (на резьбе) трубная решетка

В секционных теплообменниках при одинаковых расходах жидкостей скорости движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве почти равны, что обеспечивает повышенныекоэффициенты теплопередачи по сравнению с обычными трубчатыми теплообменниками. Простейшим из этого типа теплообменников является теплообменник «труба в трубе»: в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра. Все элементы аппарата соединены сваркой.

Недостатком секционных теплообменников является высокая стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов аппарата – трубных решеток, фланцевых соединений, переход­ных камер, компенсаторов и т. д. Кроме того, значительные гидравлические сопротивления вследствие различных поворотов и переходов вы­зывают повышенный расход электроэнергии на привод прокачи­вающего теплоноситель насоса.

Кожухи серийных секционных теплообменников изготовляют из труб длиной до 4 м, внутренним диаметром от 50 до 305 мм. Число труб в секции от 4 до 151, поверхность нагрева от 0,75 до 26 м², трубы латунные диаметром 16/14 мм. Отношение по­верхности нагрева к объему теплообменника достигает 80 м²/м³, а удельный конструкционный вес составляет 50–80 кг/м² по­верхности нагрева.

Спиральные теплообменники состоят из двух спи­ральных каналов прямоугольного сечения, по которым дви­жутся теплоносители I и II (рис. 2.3).

Рис.2.3. Типы спиральных теплообменников:

а – горизонтальный спиральный теплообменник; б – вертикальный спиральный теплообменник;

1, 2 – листы; 3 – разделительная перегородка; 4 –крышки

Каналы образуются ме­таллическими листами, которые служат поверхностью тепло­обмена. Внутренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой. Для обеспечения жесткости конструкции и фик­сирования расстояния между спиралями приваривают бобышки. Спирали изготовляют так, что торцы листов лежат в одной плоскости. С торцов спирали закрывают крышками и стягивают болтами. Для лучшей герметизации и устранения перетекания теплоносителей между крышками и листами по всему сечению теплообменника помещают прокладку из резины, паронита, ас­беста или мягкого металла. Спиральные теплообменники выпол­няются горизонтальными и вертикальными; часто их устанав­ливают блоками по два, четыре и восемь аппаратов.

Горизонтальные спиральные теплообменники применяют для теплообмена между двумя жидкостями. Для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью используют вертикальные теплообменники. Такие теплообменники применяют в качестве конденсаторов и паровых подогревателей для жидкости.

Преимуществами спиральных теплообменников являются компактность, которая обеспечивается большей поверхностью теплообмена в единице объема по сравнению с многоходовыми трубчатыми теплообменниками при одинаковых коэффициентах теплопередачи, а также меньшее гидравлическое сопротивление для прохода теплоносителей.

Недостатки: сложность изготовления и ремонта и пригодность работы под избыточным давлением до 1,0 МПа.

Спиральные теплообменники изготовляются с поверхностью теплообмена 15 м² (ширина спирали 375 мм) и 30 м² (ширина спирали 750 мм); ширина спирального канала7 мм.

Пластинчатые теплообменники имеют плоские поверхности теплообмена. Обычно такие теплообменники применяютдля теплоносителей, коэффициенты теплоотдачи которых одинаковы.

В настоящее время широкое распространение получили компактные разборные пластинчатые теплообменники, состоящие из штампованных металлических листов с внешними выступами, расположенными в коридорном или шахматном порядке. Такие конструкции применяются для теплообмена между жидкостями и газами и работаютпри перепадах давлений до 12 МПа. На рис. 2.4 представлено несколько конструкций теплообменников такого типа. Благодаря незначительному расстоянию между пластинами (6–8 мм) такие теплообменники имеют высокую компактность: удельную поверхность нагрева F/V=200÷300 м²/м³. Поэтому пластинчатые теплообменники в ряде случаев вытесняют труб­чатые и спиральные.

На величину поверхности теплообмена любого рекуператив­ного теплообменного аппарата, в том числе и пластинчатого, и на относящуюся к ней долю капитальных затрат, а также на стоимость эксплуатации влияет величина разности температур греющего теплоносителя на входе и нагреваемого теплоносителя на выходе при противотоке. Чем меньше это величина – тем больше поверх­ность теплообмена, выше стоимость аппарата и тем меньше эксплуатационные расходы.

Рис. 2.4. Пластинчатые теплообменники:

а – элемент пакета; б – модель воздухоподогревателя; в, г –пластинчато-ребристая по­верхность теплообменника газ–газ

Отличительной особенностью пластинчатых теплообменников является то, что такие характеристики, как компактность и ме­таллоемкость, при прочих равных условиях в основном опреде­ляющие экономическую эффективность применения теплооб­менного аппарата, у них наилучшие из всех возможных типов рекуперативных теплообменных аппаратов.

Это предопределяет применение пластинчатых теплообменников в таких устройствах, как передвижные и транспортные тепловые установки, авиационные двигатели, криогенные системы, т.е. там, где при высокой эффективности процесса необходимы компактность и малая масса.

Вместе с тем теплообменникам такой конструкции присущи и определенные недостатки, а именно: трудоемкость чистки внутри каналов при ремонте, сложность технологических операций при частичной замене поверхности теплообмена, практическая невозможность изготовления и длительной эксплуатации теплообменников из чугуна и хрупких материалов.

Пленочные конденсаторы поверхностного типа применяются в холодильных и других промышленных установках.В вертикальных конденсаторах пары аммиака (или другого вещества) поступают в межтрубное пространство и конденсируются на внешней поверхности вертикальных труб, имеющих длину 3–6 м. Охлаждающая вода поступает в бак, дном которого является верхняя трубная решетка, и из него стекает по внутренней поверхности трубок (в виде пленки).

Достоинствами пленочных конденсаторов являются более интенсивный теплообмен и пониженный расход охлаждающей воды.

Ребристые теплообменники применяются в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи для одного из теплоносителей значительно ниже, чем для второго. Поверхность теп­лообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициент теплоотдачи a увеличивают по сравнению с поверхностью теплообмена со стороны другого теп­лоносителя. В таких аппаратах поверхность теплообмена имеет на одной стороне ребра различной формы (рис. 2.5). Как видно из рисунка, ребристые теплообменники изготовляют самых раз­личных конструкций. Ребра выполняют поперечными, продоль­ными, в виде спиралей и т. д.

Исследования показали, что для каждого типа ребристой поверхности существует определенная оптимальная высота ребер и межреберных расстояний, которые при прочих равных условиях определяют его наибольшую теплопроизводительность и компактность.

Расчет ребристых поверхностей производится по известным формулам теплопередачи, в которых используются численные значения коэффициентов теплоотдачи, справедливые, как правило, для определенного диапазона условий (чаще всего чисел Rе) и определяемые из опытов для конкретных условий работы ребристых теплообменных аппаратов.

Известно, что коэффициент теплопередачи через ребристую стенку зависит от площадей теплоотдающих поверхностей и коэффициентов теплоотдачи с обеих сторон стенки, толщины последней, теплопроводности материала стенки и загрязнений, возможных с обеих ее сторон.

Рис. 2.5. Типы ребристых теплообменников:

а – пластинчатый; б – чугунная трубка с круглыми ребрами; в – трубка со спиральным оребрением; г – чугунная трубка с внутренним оребрением

Количество теплоты, Вт, передаваемое через ребристую поверхность, можно представить в виде

. (2.1)

Коэффициент теплопередачи через ребристую стенку, Вт/(м²∙К),

, (2.2)

где a₁ – коэффициент теплоотдачи с гладкой стороны, Вт/(м²∙К); a_2пр – приведенный коэффициент теплоотдачи со стороны ребристой поверхности, Вт/(м²∙К); R_заг – термическое сопро­тивление загрязнений ребристой поверхности, м²∙К/Вт; t_cp1и t_cp2 – средние температуры теплоносителей, °С; d_с и l_с – толщина и коэффициент теплопроводности материала стенки; F_c– площадь гладкой поверхности стенки, м²; F_р.с = F_р + F_п– пло­щадь ребристой поверхности стенки, м², равная сумме площади ребер F_ри площади стенки в промежутках между ребрами F_п.

Термические сопротивления слоев загрязнений учитываются в зависимости от того, с какой стороны они находятся, величи­ной d^//l^/F₁ или d^///l^//F₂ или их суммой, если загрязнение имеется с обеих сторон.

Расчетный, или приведенный, коэффициент теплоотдачи реб­ристой поверхности a_2пр, отнесенный к внешней (ребристой) по­верхности нагрева и учитывающий неравномерность теплооб­мена по поверхности ребра, определяется из уравнения

, (2.3)

где a₂ – коэффициент теплоотдачи к воздуху от поверх­ности, свободной от ребер, определяемый по критериальному уравнению, соответствующему условиям теплообмена стенки со средой; F'_р– поверхность ребер на 1 м длины, м²/м; F'_п– внешняя поверхность, не занятая ребрами, на 1 м длины, м²/м; F^/ _р.с– полная внешняя поверхность 1 м длины теплообменного аппарата; q₁ – разность между температурами основной по­верхности теплообменного аппарата и воздуха; q₀ – разность между температурами поверхности ребер и воздуха, меньшая, чем q₁ вследствие изменения температуры на поверхности ребер.

Отношение q₀/q₁ находится как функция конкретных условий обтекания ребристой поверхности, материала ребер и их геометрии (толщины, высоты и расположения на оребренной поверхности).

Таким образом, расчет довольно сложен, поскольку для его проведения необходим обширный справочный материал, вклю­чающий в себя вспомогательные формулы и константы для все­возможных условий обтекания.

При оребрении стремятся к выполнению условия a₁ F_c»a₂ F_р.с.

Отношение величин оребренной поверхности F_p._с и гладкой F_cназываюткоэффициентом оребрения и выбирают обычно в пределах конструктивных возможностей от 4 до 10.

Длятонких чистых поверхностей нагрева, когда можно принять d_с»0,в ряде случаев можно считать, что k » a_{меньшее}.

Если в предыдущем примере принять гладкую поверхность трубы, увеличенную путем оребрения в 10 раз, а коэффициенты теплоотдачи принять прежними, то коэффициент теплопередачи, определяемый по величине гладкой внутренней поверхности F_c, k_с = 460 Вт/(м²∙К), а отнесенный к ребристой поверхности (без учета неравномерности распределения температур по поверх­ности ребер) k_р.с = 46 Вт/(м²∙К). Поэтому при оценке эффек­тивности теплообмена ребристых теплообменников следует знать, к какой поверхности относится коэффициент теплопере­дачи.

Оросительные теплообменники состоят из змеевиков, орошаемых снаружи жидким теплоносителем (обычно водой), и применяются главным образом в качестве холодильни­ков или конденсаторов. На рис. 2.6 показана схема такого теп­лообменника. Змеевики выполняют из прямых горизонтальных труб, расположенных друг над другом и последовательно соеди­ненных между собой сваркой или на фланцах. Орошающая вода подается на верхнюю трубу, стекает с нее на нижележащую трубу и, пройдя последовательно по поверхности всех труб, сте­кает в поддон, расположенный под холодильником. Около 1–2 % общего количества орошающей воды обычно испаряется. Вследствие сильного испарения орошающей воды оросительные холодильники обычно устанавливают на открытом воздухе.

Рис. 2.6. Оросительный теплообменник:

1 – желобдля подачи воды; 2– калач;3 –трубка; 4 –поддон

Достоинствами ороситель­ных теплообменников явля­ются простота устройства и дешевизна.

К недостаткам следует от­нести громоздкость, сильное испарение воды и чувствитель­ность к колебаниям подачи воды, при недостатке воды нижние трубы не смачиваются и почти не участвуют в про­цессе теплообмена.

Испарители и паро­преобразователи широко применяются для уменьшения и восполнения потерь конден­сата, а также во многих тех­нологических процессах. Паропреобразователи вырабатывают пар пониженного давления на греющем паре более высокого давления, сохраняя при этом конденсат. Испарители применяются на электростанциях для восполнения потерь конденсата.

Конструкциипаропреобразователей ииспарителей мало отличаются. Разница состоит в том, что в большинстве случаев испарителиработают под более низким давлением. Они разделяются на аппараты с естественной циркуляцией воды между трубками и с принудительной циркуляцией воды в кипятильных трубках. На рис.2.7 показаны вертикальный и горизонтальный испарители.

Рис. 2.7. Типы испарителей:

а –вертикальный испаритель; б – горизонтальный испаритель;

1 – корпус; 2 – греющая секция; 3 – перего­родка; 4 –трубка для отсоса воздуха из греющей камеры в корпус вторичного пара; 5 – поплавковый регулятор питания; 6 – трубопровод химически очищенной воды; 7 – спускной патрубок для опорож­нения; 8 – пеноразмывочное устройство; 9 – лаз; 10 –уровень химически очищен­ной воды

В вертикальном испарителе естественная циркуляция воды в трубках происходит вследствие разности плотностей пароводяной эмульсии в кипятильных трубках и воды в кольцевом зазоре – между корпусом и трубной системой, где ей сообщается значительно меньшее количество теплоты на единицу объема. В горизонтальном испарителе со свободной циркуляцией воды между трубками вода для равномерного распределения подается в нескольких местах по длине корпуса. Трубная система выполнена из нескольких секций U-образных трубок, вмонтированных в распределительные коробки (коллекторы).

Погружные теплообменники состоят из змеевиков, помещенных всосуд с жидким теплоносителем. Другой теплоноситель движется внутри змеевиков. При большом количестве этого теплоносителя для сообщения ему необходимой скорости применяютзмеевики из нескольких параллельных секций.

На рис.2.8 приведена схема погружного теплообменника, состоящегоиз цилиндрических змеевиков, установленных в круглом сосуде. Змеевик выполнен из концентрически расположенных параллельных секций.

Рис. 2.8. Погружной теплообменник с цилиндрическими змеевиками:

1 – змеевик; 2 – сосуд; I, II – теплоносители

Достоинствами погружных теплообменников являются простота изготовления,доступность поверхности теплообмена для осмотра и ремонта, малая чувствительность к изменениям режима вследствие наличия большого объема жидкости в сосуде.

К недостаткам аппаратов такого типа можно отнести громоздкость, низкие коэффициенты теплоот­дачи жидкости к поверхности змеевика, трудность внутренней очистки труб.

В аппаратах для термической обработки агрессивных сред применяют защиту металлических стенок антикоррозионными покрытиями: эпоксидными или фенолформальдегидными смо­лами, стеклопластиками, полимеризационными пластмассами и др. В последнее время в качестве конструкционного мате­риала для теплообменников, работающих на агрессивных сре­дах, применяется графит, пропитанный фенолформальдегидной смолой, или графитопласт. Графит имеет высокий коэф­фициент теплопроводности, и выполненные из него теплообмен­ники получаются более компактными, чем теплообменники из других неметаллических материалов.