Конструкции теплообменных аппаратов

Теплообменники–аппараты для передачи теплоты от одних сред(горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям).

Классификация теплообменников:

I. Поверхностные теплообменники–перенос теплоты междутеплоносителями происходит через разделяющую их стенку:

1. Кожухотрубные теплообменники –состоят из пучка труб,помещенноговнутрь цилиндрического корпуса (обечайки). Трубы завальцованы в трубных решетках или приварены к ним. Кожухотрубные теплообменники бывают одно – и многоходовые (по пути движения теплоносителя в трубах), выполняются с перегородками в трубном пространстве или без них. Для компенсации температурных деформаций,возникающих вследствиеразличного температурного удлинения труб и корпуса, применяют теплообменники с плавающей головкой (одна трубная решетка свободно перемещается в корпусе, другая жестко закреплена) с U – образными трубками,слинзовыми компенсаторами.

2. Спиральные теплообменники,состоящие из двух спиральных каналов,навитых из рулонного металла вокруг центральной перегородки (керна). Спирали образуют каналы прямоугольного сечения, боковыми стенками которых служат торцевые крышки.

3. Пластинчатые теплообменникисостоят из набора гофрированныхпластин, разделенных (гофрированными) прокладками. Пластины и прокладки образуют изолированные герметичные каналы для встречного движения двух теплоносителей.

4. Оребренные теплообменникиимеют оребренную поверхность со сторонытеплоносителя с низким значением коэффициента теплоотдачи (газы, жидкости с высокой вязкостью), что позволяет значительно повысить тепловые нагрузки аппаратов.

5. Теплообменники типа «труба в трубе»состоят из ряда последовательныхэлементов, образуемых двумя соосными трубами разных диаметров. Один из теплоносителей движется по внутренней трубе, а второй в кольцевом пространстве между трубами.

II. Теплообменники смешения –теплота передается от одной среды к другойпри непосредственном их соприкосновении.

III. Регенеративные теплообменники –нагрев жидких сред происходит засчет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами.

IV. Специальные типы теплообменников:оросительные и погружныетеплообменники, теплообменные аппараты со встроенными змеевиками и аппараты с рубашками, блочные и шнековые теплообменники.

Трубки обычно имеют диаметр d≥10 мм и изготовляются из материалов, хорошо проводящих тепло. Большим недостатком одноходовых теплообменников, предназначенных для нагревания или охлаждения жидкостей, является несоответствие между пропускной способностью пучка трубок и площадью теплообмена. Так, трубка диаметром 20 мм при скорости потока 1 м/сек может пропустить около 1000 л/час жидкости; при этом площадь поверхности трубки при обычной длине 3,5 м составляет всего около 0,2 м², что явно недостаточно для существенного подогрева такого большого количества жидкости. Поэтому приходится уменьшать скорость движения жидкости в трубке, что приводит к снижению коэффициента теплоотдачи. Этот недостаток можно устранить в первую очередь путем группировки труб в отдельные пучки (ходы) и устройства соответствующих перегородок. В этом случае мы достигаем эффекта не за счет снижения скорости потока, а в результате увеличения его пути в несколько раз.

Такой теплообменник называется многоходовым(рис. 1.8). Здесь рабочая жидкость проходит через трубное пространство в несколько ходов, протекая последовательно через все пучки труб.

Рис. 1.8. Схема многоходового теплообменника:

а) по трубному пространству; б) по межтрубному пространству

При небольшом числе ходов (два-три) перегородки делают по хордам, при большем - радиально или концентрически. Конструктивно удобнее устраивать четное число ходов, но не более 16. Если в межтрубном пространстве теплоносителем является жидкость, то для увеличения ее скорости также устраивают перегородки - продольные и поперечные. Продольные перегородки делят межтрубное пространство на столько же ходов, сколько имеет трубное. Эти перегородки обеспечивают принцип противотока рабочих тел. Поперечные перегородки (рис. ) выполняют, например, с проходом в виде сектора или сегмента.

Теплообменные аппараты «труба в трубе»(рис. 1.10)состоят из двух коаксиально закрепленных труб. Первый теплоноситель, например, жидкость, перемещается по внутренней трубе 1. Второй теплоноситель проходит в кольцевом пространстве, образованном трубой 1 и с основной с ней наружной трубой 2.

Рис. 1.10. Теплообменный аппарат типа «труба в трубе»:

1 – внутренняя труба, 2 – наружная труба, 3 – соединительная труба, 4 - соединительный патрубок

Для увеличения поверхности теплообмена в одном аппарате элементы, образованные двумя трубами, соединяют последовательно с помощью изогнутых соединительных труб 3. Межтрубное пространство элементов сообщается через соединительные патрубки 4.

Теплообменники типа «труба в трубе» просты по конструкции и поддаются механической чистке. Замена отдельных элементов несложная. Главное преимущество этих аппаратов состоит в том, что можно обеспечить оптимальные скорости движения теплоносителей, подбирая соответствующие диаметры труб.

Существенный недостаток аппаратов «труба в трубе» — значительные габариты, т.е. небольшая поверхность теплообмена в единице объема аппарата.

Подобные аппараты применяют и для обогрева паром. В этом случае диаметр внешней трубы намного больше диаметра внутренней. Пар подается в верхний элемент, а конденсат отводится из нижнего.

Поверхность теплообмена в змеевиковых теплообменных аппаратах(1.11)образована трубчатым змеевиком 2, внутри которогопропускается горячий или холодный теплоноситель.

Пластинчатые теплообменники(рис. 1.12). Поверхность теплообмена в них состоит из гофрированных пластин с четырьмя отверстиями по углам.

Рис. 1.12. Пластинчатый теплообменник:

А, Б – стенки аппарата, 1-5 – гофрированные пластины

Проложив между пластинами 2 и 3 специальные фасонные прокладки и прижимая пластины друг к другу, можно образовать канал синусоидального профиля, по которому жидкость может перетекать из верхнего левого отверстия в нижнее левое.

Эти два отверстия объединены общей большой прокладкой, в то время как два других отверстия окружены малыми (кольцевыми) прокладками, и из них жидкость не может ни выходить, ни входить в канал.

Если к двум сжатым пластинам 2 и 5 прижать пластину 4, объединив прокладкой нижнее правое отверстие с верхним правым, то будет образовано два канала. В первом, между пластинами 2 и 3, один теплоноситель перетекает сверху вниз, а во втором канале, между пластинами 3 и 4, другой теплоноситель проходит снизу вверх.

Пластинчатые теплообменники, занимая малый объем, обладают большой (до 1500 м²/м³) поверхностью теплообмена и большими значениями коэффициента теплопередачи. Среди других преимуществ аппаратов этого типа следует отметить возможность быстрой сборки и разборки при ревизии и механической чистке поверхности. Кроме того, поверхность теплообмена может легко изменяться, так как зависит от числа используемых пластин. Главное преимущество пластинчатых теплообменников заключается в возможности объединения в одном аппарате нескольких пакетов пластин, в каждом из которых движется своя пара теплоносителей.

Спиральные теплообменные аппараты(рис. 1.13).Поверхность теплообмена в них образована двумя металлическими лентами 1 и 2, свернутыми в виде спиралей, концы которых приварены к глухой перегородке 3.

Рис. 1.13. Спиральный теплообменный аппарат:

1-2 – металлические листы, 3 – глухая перегородка, 4-5 – патрубки, 6,9 – крышки, 7-8 – патрубки

С двух сторон к образованным таким образом спиральным каналам прижаты через уплотнительные прокладки крышки 6 и 9. Один теплоноситель поступает через патрубок 4 и выходит через патрубок 8. Второй теплоноситель поступает через патрубок 7 и выходит через патрубок 5. В аппарате может осуществляться и прямоток, и противоток теплоносителей.

Спиральные теплообменники компактны. Подбором ширины каналов в них обеспечивается оптимальная скорость движения жидкости. Они характеризуются меньшими, чем трубчатые, гидравлическими сопротивлениями. Спиральные теплообменники можно разбирать для механической чистки поверхности.

Недостаток аппаратов этого типа — невозможность использования их при высоких (свыше 4·10⁵ Па) давлениях.

Калориферы(рис. 1.14)занимают промежуточное положение между трубчатыми и плоскостенными аппаратами.

Рис. 1.14. Паровой калорифер:

1-2 – коллекторы; 3 – ребра

Горячий теплоноситель (пар или горячая вода) подается в кол-лектор 1 и по нескольким рядам трубок переходит в коллектор 2. С внешней стороны трубы обдуваются воздухом.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху во много раз меньше, чем от пара к внутренней поверхности трубы, поэтому внешнюю поверхность многократно увеличивают, приваривая к ней плоские пластины — ребра 3. Калориферы такой конструкции применяют для подогрева воздуха в сушильных установках.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие процессы называются тепловыми?

2. Дайте определение движущей силы тепловых процессов.

3. Сформулируйте определения температурного поля, изотермической поверхности и температурного градиента.

4. Какими способами осуществляется перенос тепла в теплообменных процессах?

5. Запишите закон теплопроводности Фурье. Сформулируйте физический смысл и укажите размерность коэффициента теплопроводности.

6. В каких единицах измеряется коэффициент температуропроводности?

7. Запишите уравнения теплопроводности плоской и цилиндрической стенок.

8. Сформулируйте законы теплового излучения.

9. Что называется процессом теплоотдачи? От каких факторов зависит коэффициент теплоотдачи, в каких единицах измеряется?

10. Назовите основные критерии теплового подобия и сформулируйте их физический смысл.

11. Каким образом определяется коэффициент теплоотдачи в случае пленочной конденсации?

12. Что такое теплопередача? Укажите физический смысл, размерность коэффициента теплопередачи.

13. Каким образом определяется средняя движущая сила процесса теплопередачи при различных взаимных направлениях теплоносителей?

14. Что является целью расчета теплообменного аппарата?

15. Дайте классификацию теплообменных аппаратов.

16. Назовите основные греющие агенты в зависимости от температуры нагреваемой среды.

17. Каким образом осуществляется умеренное и глубокое охлаждение?

18. Какие типы конденсаторов различают по способу охлаждения?

19. Что такое выпаривание?

20. Дайте классификацию выпарных установок.

21. Перечислите основные типы выпарных аппаратов.

22. Запишите тепловой и материальный балансы однокорпусного выпаривания.

23. Сформулируйте понятия первичного и вторичного паров.

24. Что такое температурные потери и полезная разность температур?

25. Каким образом рассчитывается температура кипения раствора?

26. В чем заключается физическая сущность многокорпусного выпаривания.

27. Что является целью расчета выпарного аппарата?

28. Теплообменные аппараты с трубчатой поверхностью нагрева.

29. Кожухотрубные теплообменные аппараты.

30. Змеевиковые аппараты.

31. Пластинчатые теплообменники.

32. Спиральные теплообменные аппараты.

33. Калориферы.

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ