В химической промышленности теплообменное оборудование составляет по весу и стоимости 15  18 % от всего оборудования, а в нефтеперерабатывающей – до 50 %

Классификация и основные требования к теплообменным аппаратам.

Теплообменные аппараты классифицируют по различным признакам. На рисунок 107 представлены классификация и номенклатура теплообменных аппаратов. По способу передачи тепла их можно разделить на две группы: поверхностные и смешения. Теплообменники имеют конструктивные особенности в зависимости от назначения, от направления движения рабочих сред, от компоновки теплообменной поверхности, градиента температур теплоносителей, материала из которого изготовлен аппарат, от конфигурации теплообменной поверхности. Требования к промышленным теплообменным аппаратам в зависимости от конкретных условий применения весьма разнообразны. Основными требованиями являются: обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении; компактность и наименьший расход материала; надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки ев от загрязнений; унификация узлов и деталей; технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т.д.

При создании новых, более эффективных теплообменных аппаратов стремятся: уменьшить удельные затраты материалов, труда, средств и затрачиваемой при работе энергии по сравнению с теми же показателями существующих теплообменников. Удельными затратами для теплообменных аппаратов называются затраты, отнесенные к тепловой производительности в заданных условиях.

Интенсивностью процесса или удельной тепловой производительностью теплообменного аппарата называется количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при заданном тепловом режиме.

Интенсивность процесса теплообмена характеризуется коэффициентом теплопередачи К. На интенсивность и эффективность влияют также форма поверхности теплообмена; эквивалентный диаметр и компоновка каналов, обеспечивающие оптимальные скорости движения сред; средний температурный напор; наличие турбулизирующих элементов в каналах; оребрение и т.д. Кроме конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена существуют режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и ре жима течения жидкости у поверхности теплообмена. Режимные методы включают: подвод колебаний к поверхности теплообмена, создание пульсаций потоков, вдувание газа в поток либо отсос рабочей среды через пористую стенку, наложение электрических или магнитных полей на поток, предотвращение загрязнений поверхности теплообмена путем сильной турбулизации потока и т.д.

Типовые конструкции

Процессы теплообмена осуществляются в теплообменных аппаратах различных типов и конструкций.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного мате риала, а в смесительных аппаратах тепло передается при непосредственном перемешивании рабочих сред.

Смесительные теплообменники проще по конструкции чем поверхностные: тепло в них используется полнее. Но они пригодны лишь в тех случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В регенеративных теплообменниках теплоноситель попеременно соприкасается с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется. Рассмотрим рекуперативные поверхностные теплообменники непрерывного действия, наиболее распространенные в промышленности.

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. В кожухотрубчатом теплообменнике (рисунок 109) одна из обменивающихся теплом сред 1 движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая 2– в межтрубном пространстве.

1 - корпус (обечайка); 2 - трубные решетки; 3 - трубы; 4 - крышки; 5 - перегородки в крышках; 6 - перегородки в межтрубном пространстве.

Рисунок 109 - Кожухотрубчатые одноходовой а) и многоходовой б) теплообменники.

Среду обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло – в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании и охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя "застойные" зоны.

Трубы в решетках обычно равномерно размещают по, периметрам правильных шестиугольников, т.е. по вершинам равносторонних треугольников (рисунок 110а), реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям (рисунок 110б). В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рисунок 110в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников. 

а) по периметрам правильных шестиугольников; б) по концентрическим окружностям; в) по периметрам прямоугольников (коридорное расположение).

Рисунок 110 - Способы размещения труб в теплообменниках.

Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой (рисунок 111а, б) причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки (рисунок 111б). Кроме того, используют закрепление труб сваркой (рисунок 111в), если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой (рисунок 111г), применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников (рисунок 111д), допускающих свободное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.

а) развальцовкой; б) развальцовкой с канавками; в) сваркой; г) пайкой; д) сальниковыми устройствами.

Рисунок 111 - Закрепление труб в трубных решетках.

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки, как в трубном, так и в межтрубном пространствах.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа . В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции.

Рисунок 112 - Типовые конструкции теплообменников.

Аппараты жесткой конструкции (рисунок 112а) используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб, эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений и температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке (рисунок 112б) или корпусе (рисунок 112в), пучком U–образных труб (рисунок 112г), подвижной трубной решетки закрытого и открытого типа (рисунок 112д, е).

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе (рисунок 112ж). Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10- 15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см² .

Элементные (секционные) теплообменники

Рисунок 113 - Элементный теплообменник.

Эти теплообменники состоят из последовательно соединенных элементов–секций (рисунок 113). Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубчатого аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлическое сопротивление и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные теплообменники менее компактны и более дороги из–за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата –трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов и др. Поверхность теплообменников составляет 0,75- 30 м² , число трубок от 4 до 140.

Двухтрубные теплообменники типа "Труба в трубе"

Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев (рисунок 114). Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой "калачами" или коленами. Двух трубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева состоят из ряда секций, параллельно соединенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газо–жидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена. 

Рисунок 114 - Теплообменник типа “Труба в трубе”.

Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.

Недостатки двухтрубного теплообменника: громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Витые теплообменники

Поверхность нагрева витых теплообменников (рисунок 115) компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменники широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменники характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

Погружные теплообменники

Теплообменники этого типа состоят из плоских или цилиндрических змеевиков (аналогично витым), погруженных в сосуд с жидкой рабочей средой. Вследствие малой скорости омывания жидкостью и низкой теплоотдачи снаружи змеевика погруженные теплообменники являются недостаточно эффективными аппаратами. Их целесообразно использовать, когда жидкая рабочая среда находится в состоянии кипения или имеет механические включения, а также при необходимости приме нения поверхности нагрева из специальных материалов (свинец, керамика, ферросилид и др.), для которых форма змеевика наиболее приемлема.

Оросительные теплообменники

Оросительные теплообменники представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой (рисунок 116). Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи "калачей".

Рисунок 116 - Оросительный теплообменник.

Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные теплообменники– довольно громоздки аппараты, они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред или необходимости применения поверхности нагрева из специальных мате риалов (например, для охлаждения кислот применяют аппараты из кислотоупорного ферросилида, который плохо обрабатывается).

Ребристые теплообменники

Ребристые теплообменники применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрение с той стороны, которая характеризуется набольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменники (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер.

Ребристые теплообменники широко применяют в сушильных установках, отопительных системах и как экономайзеры. 

1 - коллектор для входа пара; 2 - оребренная труба; 3- коллектор для приема конденста.

Рисунок 117 - Пластинчатый калорифер. 

Рисунок 118 - Схема устройства пластинчато-ребристого теплообменника.

Помимо трубчатых теплообменников с трубами, имеющими поперечные ребра прямоугольного или трапециевидного сечения, разработаны конструкции с продольными, плавниковыми, проволочными, игольчатыми непрерывными спиральными ребрами и др.

Трубы с поперечными ребрами различной формы широко используются, в частности, в аппаратах для нагрева воздуха –калориферах (рисунок 117), а также в аппаратах воздушного охлаждения. При нагреве воздуха обычно применяют насыщенный водяной пар, поступающий в коллектор 1 и далее в пучок оребренных труб 2. Конденсат отводится из коллектора 3. Иногда используются продольные ребра, которые для турбулизации пограничного слоя (что особенно важно при ламинарном течении теплоносителя) на определенном расстоянии надрезаются.

Конструкции оребренных теплообменников разнообразны. Схема устройства современного пластинчато–ребристого теплообменника, работающего по принципу противотока, приведена на рисунке 118. Теплообменники такого типа используются, например, в низкотемпературных установках для разделения воздуха.

Спиральные теплообменники

В спиральном теплообменнике (рисунок 119) поверхность теплообмена образуется двумя 1 металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке З, а их наружные концы сварены друг с другом. С торцов спирали закрыты установленными на прокладках плоскими крышками 4 и 5. Таким образом внутри аппарата образуются два изолированных один от другого спиральных канала (шириной 2–8 мм), по которым, обычно противотоком, движутся теплоносители. Как показано на рисунок 12, теплоноситель 1 поступает через нижний штуцер и удаляется через боковой штуцер в правой крышке теплообменника, а теплоноситель 2 входит в верхний штуцер и удаляется через боковой штуцер в левой крышке.

1, 2 - листы, свернутые в спирали; 3 - перегородка; 4, 5 - крышки.

Рисунок 119 - Спиральный теплообменник.

Имеются также конструкции спиральных теплообменников перекрестного тока, применяемые главным образом для нагрева и охлаждения газов и конденсации паров.

Спиральные теплообменники весьма компактны, работают при высоких скоростях теплоносителей (для жидкостей 1–2 м/с) и обладают при равных скоростях сред меньшим гидравлическим сопротивлением, чем трубчатые теплообменники различных типов. Вместе с тем эти аппараты сложны в изготовлении и работают при ограниченных избыточных давлениях, не превышающих 10х105 н/м² (10 ат), так как намотка спиралей затрудняется с увеличением толщины листов; кроме того, возникают трудности при создании плотного соединения между спиралями и крышками.

Пластинчатые теплообменники

В последнее время распространены пластинчатые разборные теплообменники, отличающиеся интенсивным теплообменом, просто той изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

Рисунок 120 - Пластинчатый теплообменник.

Это теплообменники состоят из отдельных пластин, разделенных резиновыми прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов (рисунок 120). Пластаны штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными или расположены ‘в елку’ ( шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4-7 мм ).

К пластинам приклеивают резиновые прокладки круглой и специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м², число пластин– от 7 до 303. НИИХИММАШ рекомендует следующие стандартные размеры пластин: площадь поверхности в м²–0,2 ; 0,3; 0,5; длина Н в мм– 1000, 1250, 1400; ширина B в мм– 315, 380, 500.

В разборных пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 150⁰ С (с учетом свойств резиновой прокладки), давление не должно превышать 10 кгс/см² .

Графитовые теплообменники

Эти теплообменники составляют отдельную группу. Высокая коррозионная стойкость и значительная теплопроводность делают графит незаменимым в некоторых производствах. Промышленностью выпускаются блочные, кожухотрубные, оросительные теплообменники и погружные теплообменные элементы.

Для устранения пористости графит предварительно пропитывают фенолоформальдегидными смолами. Пропитанный графит является химически стойким материалом в весьма агрессивных средах (например, в горячей соляной, разбавленной серной, фосфорной кислотах и др.) и отличается высокими коэффициентами теплопроводности, равными 92- 116 вт/(м град),или 70- 90 ккал/(м ч град).

Кроме прямоугольных блоков применяют также цилиндрические блоки, в которых горизонтальные каналы располагаются радиально.

Рабочее давление в блочных теплообменниках не превышает 2,9 10⁵ Н/м² (3 ат).

9.2.11 Теплообменники воздушного охлаждения

В последнее время в промышленности получают все более широкое применение теплообменники воздушного охлаждения. Это объясняется ограниченностью водных ресурсов и необходимостью уменьшения количества сточных вод, загрязняющих водоемы и требующих для очистки сложных гидротехнических сооружений. Как показывают расчеты, использование воздушных холодильников конденсаторов взамен других известных аппаратов экономически оправдано.

Основными элементами теплообменников воздушного охлаждения являются пучок оребренных труб и мощный осевой вентилятор, создающий интенсивный поток воздуха через трубный пучок (рисунок 124). Кроме горизонтального расположения трубного пучка применяют вертикальные теплообменные секции, а также наклонные (в холодильниках шатрового и зигзагообразного типа).

Теплообменники смешения

В теплообменниках смешения можно осуществить нагревание или охлаждение газов и жидкостей, а также процессы испарения и конденсации.

1 - вход продукта; 2 - выход продукта; 3 - вход воды для увлажнения воздуха.

Рисунок 124 - Воздушный холодильник.

Основным условием их эффективной работы является высокая степень контакта между газом и теплоносителем, что достигается оформлением аппарата в виде колонны с насадкой, практически не отличающейся по конструкции от абсорбционных аппаратов.

Теплообменники смешения характеризуются высокими коэффициентами теплопередачи и большой производительностью, а также незначительным гидравлическим сопротивлением. Они особенно удобны для конденсации водяного пара водой и поэтому часто применяются в производствах, где реакции проводятся в присутствии водяного пара как разбавителя.

Теплообменники смешения удобно применять и в тех случаях, когда в качестве хладоагента используется ожиженный целевой продукт. Например, в производствах хлористого метила и метилена реакционный газ охлаждается в холодильнике смешения, орошаемом хлористым метиленом.

Теплообменники смешения очень удобно применять при работе с агрессивными средами. Стенки аппарата могут быть футерованы коррозионно–стойким материалом, а насадка изготовлена из такого же материала, причем это не оказывает абсолютно никакого влияния на условия теплопередачи, так как последняя происходит в пленке жидкости на поверхности нас и стенок. Таким образом, теплообменники смешения во всех случаях могут быть изготовлены из дешевых материалов.

Возможность применения смесительных теплообменников ограничена тем, что далеко не всегда допустимо смешение реакционных газов с теплоносителями. Объясняется это двумя обстоятельствами: 1) вредным влиянием теплоносителя на компоненты реакционной смеси; 2) нежелательностью разбавления смеси парами или жидкими теплоносителями.

Например, при производстве этилового спирта прямой гидратацией этилена не следует использовать конденсаторы смешения, так как это вызовет разбавление спирта водой, что приведет к повышению расхода пара в процессе ректификации.

В качестве теплообменников смешения могут использоваться, помимо аппаратов с насадкой, также колонны с механическим распыливанием жидкости, однако это вряд ли целесообразно, так как усложнения конструкции не дает особых преимуществ. Весьма эффективными теплообменниками смешения оказались пенные аппараты.

С анализом российского рынка теплообменников Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок теплообменного оборудования».

www.newchemistry.ru