Трубчатые теплообменники

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

На рис. 1.24 показан вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками 2, в которых закрепляются трубы 3. К кожуху 1 с помощью болтов 6 и прокладок 7 крепятся крышка 4 и днище 5.

Один из теплоносителей I протекает по трубам, другой II - межтрубному пространству. 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 (рис. 1.25, а). Применяются и другие способы размещения труб (рис. 1.25, б, в). Важно выбрать способ размещения, который обеспечит максимально возможную компактность поверхности теплообмена в аппарате.

Рис. 1.24. Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции:

1-кожух; 2- трубные решетки; 3-трубы; 4-крышка; 5-днище: 6-болт; 7-прокладка; I и II -тепло­носители.

Рис. 1.25. Способы размещения труб в трубных решетках:

а - по вершинам правильных шестиугольников; б - по вершинам квадратов; в - по концентрическим окружностям: [ 1 -корпуса; 2 -трубы (t - шаг труб; d - диаметр трубы)]

Для обеспечения хорошей герметизации теплообменников, что предотвращает смешение теплоносителей, разработан ряд способов крепления труб в трубных решетках (рис. 1.26.). Наибольшее распространение получил способ крепления развальцовкой (рис. 1.26, а, б). Способ крепления труб с помощью сальниковых уплотнений (рис. 1.26, г) сложен и дорог, поэтому широкого распространения не получил. Сваркой (рис. 1.26, в) 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 1,5) d_H. Тогда диаметр D теплообменника можно найти по выражению

D = t(b-1)+ 4d_Н, (1.6)

где b=2a-1 - число труб, размещенных на диагонали шестиугольника при шахматном расположении труб; а - число труб на стороне наибольшего шестиугольника.

Рис. 1.26. Способы крепления труб в трубных решетках:

а - развальцовка; б - развальцовка в отверстиях с канавками; в -сварка; г - сальниковые уплотнения

Рассмотренный кожухотрубчатый теплообменник (рис. 1.24.) 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.

Рис. 1.27. Многоходовые (по трубному пространству) кожухотрубчатые теплообменники жесткой конструкции:

а -двухходовый; б -четырехходовый; 1 -крышки; 2 -персгородки в крышках; I и II -теплоносители

В многоходовом по трубному пространству теплообменнике (рис. 1.27.) 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 2 (рис. 1.28.). В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для труб.

Рис. 1.28. Многоходовой (по межтрубному пространству) кожухотрубчатый теплообменник:

1 - кожух; 2 - перегородки; I и II - теплоносители

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. 1.29 представлены некоторые конструкции кожухотрубчатых теплообменников с компенсацией неодинаковости темпера­турных удлинений труб и кожуха.

На рис. 1.29, 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. 1.29, 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. 1.29, 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.

На рис. 1.29, г, д показан теплообменный аппарат с двойными трубками. Температурная компенсация осуществляется благодаря зазору между торцами труб (рис. 1.29, г).

На рис. 1.29, е показан теплообменник с сальником на штуцере 5. Такая конструкция позволяет компенсировать значительные температурные удлинения. Однако, такая конструкция компенсатора достаточно сложна и требует дополнительного обслуживания при эксплуатации аппарата.

Рис. 1.29. Кожухотрубчатые 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; г, д – аппарат с трубками фильтра (с двойными трубками); е – аппарат с сальниковым компенсатором; 1 – кожухи; 2 – трубы; 3 – линзовый компенсатор; 4 – плавающая головка; 5 – сальниковый компенсатор; I и II – теплоносители.

Секционные ТА и аппараты «труба в трубе». Секционные теплообменники состоят из нескольких последовательно соединенных секций (рис. 1.30, а), представляющих собой небольшой трубный пучок 2, размещенный в кожухе 1, выполненном из трубы большего диаметра. При малых тепловых нагрузках секция может выполняться не из пучка труб, а из одной трубы 2, т.е. по типу "труба в трубе" (рис. 1.30, б).

Рис. 1.30. Схема теплообменника:

а - секционного; б - типа "труба в трубе"; в – двухтрубного типа «труба в трубе»; 1 – внутренние трубы; 2 – наружные трубы; 3 – соединительные колена (калачи); 4 – соединительные патрубки; I и II – теплоносители.

Секционные аппараты типа "труба в трубе" могут быть разборными и неразборными, одно-, двух- и многопоточными. Аппараты типа "труба в трубе" делятся на аппараты жесткой конструкции, полужесткой с линзовыми компенсаторами, с сальниками на одном или обоих концах труб. Внутренние трубы могут иметь продольные ребра или поперечную винтовую накатку. Аппараты такого типа используются обычно для нагревания или охлаждения газообразных сред. Основные параметры и размеры ТА "труба в трубе" регламентированы ОСТ 2602-2033-80. Их изготовляют следующих типов: разборные одно- и двухпоточные малогабаритные (к малогабаритным типам относятся аппараты с площадью проходного сечения внутренней трубы до 35 см²); неразборные однопоточные малогабаритные; разборные однопоточные; неразборные однопоточные; разборные много поточные.

Разборные одно- и многопоточные секционные аппараты типа "труба в трубе" находят широкое применение в различных отраслях промышленности при температуре -40¸450 °С и давлении 1,6¸10 МПа. Путем последовательного или параллельного соединения отдельных секций можно получить ТА с различной площадью поверхности теплообмена.

Секционные трубчатые теплообменники при одинаковых расходах жидкостей имеют меньшую разницу в скоростях движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве и повышенные коэффициенты теплопередачи по сравнению с обычными трубчатыми теплообменниками.

Недостатки секционных теплообменников: во-первых, высокая стоимость единицы поверхности нагрева, так что деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов аппарата - трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т. д.; во-вторых, большая длина пути жидкости по сравнению с одно ходовой трубчаткой, что создает значительные гидравлические сопротивления и вызывает увеличение расхода электроэнергии на работу насоса.

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

На рис. 1.31, а, б показаны погружные теплообменники с одним (а) и несколькими (б) спиральными змеевиками 1, по которым движется теплоноситель. Змеевики погружаются в жидкость (теплоноситель //), 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 2, внутри змеевика, стакана 3 (рис. 1.31, г). 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 1 (рис. 1.31, в), соединен­ных калачами.

Рис. 1.31.. Аппараты с погружными теплообменниками:

а - одним спиральным змеевиком; б - с несколькими спиральными змеевиками; в - c прямыми трубами; г – со стаканом; 1 -погружные трубы; 2 - корпуса; 3 -стакан; / и // - теплоносители

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. 1.32), 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. 1.32, 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. 1.32, а).

Рис. 1.32. Аппараты с наружными змеевиками:

а – в – с приваренными снаружи змеевиками различной формы; г – с залитыми при изготовлении в стенке змеевиками; 1 - корпуса аппаратов; 2 - змеевики; 3 - металлическая прокладка

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. 1.32, г); ремонт такого аппарата практически невозможен. Кроме того, коэффициент теплоотдачи в данном случае имеет низкое значение. Поэтому такие аппараты используют довольно редко.

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

Рис. 1.33. Оросительный холодильник:

1 -трубы; 2 - соединительные колена (калачи); 3 - желоб для распределения охлаждающей воды; 4 - корыто для сбора воды

Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис. 1.33) из разме­щенных друг над другом прямых труб 1, соединенных между собой калачами 2. Снаружи трубы орошают водой, которую подают в желоб 3 для равномерного распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода поступает в корыто 4 для сбора воды. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.

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, разбрызгивание воды и попадание ее в рабочую зону. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, легкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.

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 10000-15 000 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.

Рис. 1.38. Типы ребристых теплообменников:

а – пластинчатый; б – чугунная трубка с круглыми ребрами; в – трубка со спиральным оребрением; г – чугунная трубка с внутренним оребрением; д – плавниковое оребрение трубок; е – чугунная трубка с двухсторонним игольчатым оребрением; ж – проволочное биспиральное оребрение трубок; з – продольное оребрение трубок; и – много ребристая трубка; к – трубка из цельнокатаных, резанных и изогнутых ребер.

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 и трапециевидного сечения.

Конструкции оребренных теплообменников весьма разнообразны, причем разработаны конструкции как с оребренными трубами, так и с плоскими поверхностями теплообмена.

Дата добавления: 2014-01-20