Классификация и типы теплообменных аппаратов

При проектировании и конструировании теплообменных аппаратов необходимо максимально удовлетворить многочисленные и в большинстве случаев противоречивые требования, предъявляемые к теплообменникам. Основные из них: соблюдение условий протекания технологического процесса; возможно более высокий коэффициент теплопередачи; низкое гидравлическое сопротивление аппарата; устойчивость теплообменных поверхностей к коррозии; доступность поверхности теплопередачи для чистки; технологичность конструкции с точки зрения изготовления; экономное использование материалов.

Теплообменные аппараты подразделяются в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителя, способа передачи теплоты. В соответствии с последним показателем их можно классифицировать на поверхностные (рекуперативные), смесительные (контактные) и регенеративные.

Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее распространенную и важную группу теплообменных аппаратов, используемых в пищевой промышленности. В поверхностных теплообменниках теплоносители разделены стенкой, при этом теплота передается через поверхность этой стенки. Если поверхность теплообмена в таких теплообменниках формируется из труб, то их называют трубчатыми (трубными). В другой группе поверхностных теплообменников поверхностью теплообмена являются стенка аппарата или металлические плоские листы. Такие теплообменники называются пластинчатыми.

В смесительных (или контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. К смесительным теплообменникам относятся, например, градирни.

В регенеративных теплообменниках процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки. Теплообменники этого типа чаще всего применяются для регенерации теплоты отходящих газов.

В пищевой промышленности самое широкое распространение получили поверхностные теплообменники, особенно трубчатого типа. Теплообменники этого типа называются кожухотрубчатыми или кожухотрубными. Они достаточно просты в изготовлении, позволяют развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.

Этот тип теплообменной аппаратуры получил наибольшее распространение благодаря простоте конструкции и технологии изготовления. Согласно государственному стандарту, кожухотрубные теплообменники изготовляют следующих типов: ТН – с неподвижными трубными решетками и жестким кожухом; ТК – с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе; ТУ – с неподвижными трубными решетками и U-образными теплообменными трубами; ТП – с плавающей головкой; ТС – с сальником на плавающей головке.

В зависимости от назначения они могут быть подогревателями, холодильниками, конденсаторами и испарителями и с целью увеличения скорости движения теплоносителей изготовляются двух-, четырех-, шести- и двенадцатиходовыми.

На рис. 3.9 изображен кожухотрубный вертикальный двухходовой теплообменник типа ТН (левая часть) и ТК (правая часть).

Теплообменник состоит из цилиндрического сварного кожуха 4, трубного пучка 5, распределительной камеры 2 и двух крышек 1, соединенных с кожухом фланцами. Трубная решетка 9 приварена к корпусу.

Перегородка 3 служит для образования двух ходов по трубам. Перегородки 8, зафиксированные стержнем 7, служат для обеспечения зигзагообразного движения теплоносителя в межтрубном пространстве. За счет зигзагообразного движения увеличивается скорость теплоносителя и, следовательно, коэффициент теплопередачи. Для защиты трубок от эрозии и истирания движущейся средой внутри кожуха напротив входного патрубка установлен обтекатель 10, представляющий изогнутую пластину, приваренную к корпусу.

Вследствие жесткого крепления трубных решеток к кожуху и трубок к решеткам при возникновении разности температур в местах их крепления возникают температурные напряжения, обусловленные различным удлинением кожуха и трубок.

Для частичной компенсации температурных напряжений, которые могут достигать существенных значений, в данных теплообменниках устанавливается линзовый компенсатор 15. Он состоит из двух частей, отштампованных из стальных колец в виде полуволн и сваренных между собой по периметру.

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а сами решетки приварены к кожуху. В связи с этим при работе аппарата возникают температурные напряжения, которые при повышении допустимых значений являются причиной нарушения герметичности или появления пластических деформаций элементов конструкции. По этой причине теплообменники типа ТН используются при небольшой разности температур кожуха и труб.

Рис. 3.9. Двухходовой вертикальный кожухотрубный теплообменник:

1 – крышка; 2 – распределительная камера; 3,8 – перегородки; 4 – кожух; 5 – трубный пучок; 6 – опоры; 7 – стержень; 9 – трубная решетка; 10 – обтекатель; 11…14 – патрубки; 15 – линзовый компенсатор

Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает 50–60 ºС необходимо использовать полужесткие конструкции типов ТК и ПК либо конструкции с полной компенсацией температурных напряжений (типы ТУ и ТП). Компенсирующая способность линзовых компенсаторов пропорциональна числу элементов, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется из-за снижения жесткости кожуха. Применение линзовых компенсаторов снижает максимально допустимое давление в межтрубном пространстве. В теплообменниках типа ТУ максимальная разность температур стенок кожуха и труб может достигать 100 ºС, а при дальнейшем ее увеличении могут возникнуть опасные напряжения в трубной решетке.

Преимущество теплообменников типа ТУ состоит в возможности чистки наружной поверхности трубного пучка. В то же время чистить внутреннюю поверхность довольно сложно.

Существенный недостаток ТУ - невозможность замены внутренних труб пучка при выходе их из строя. Кроме того, теплообменник типа ТУ менее всего представляет собой компактную конструкцию. По-видимому, эти недостатки ограничивают их широкое применение.

Теплообменники типа ТП на практике встречаются чаще, так как здесь обеспечивается наилучшая компенсация температурных деформаций за счет применения «свободно плавающей головки». Такая конструкция часто используется в испарителях.

Рис. 3.10. Двухходовой горизонтальный кожухотрубный теплообменник: 1 – трубная решетка; 2 - распределительная камера; 3 – корпус; 4 – трубный пучок; 5 – днище;

6 – крышка; 7, 8 – фланцы; 9 – плавающая головка; 10 – перегородки; 11 – опора;

12 – роликовая платформа

На рис. 3.10 показана конструкция кожухотрубных теплообменников с полной компенсацией температурных напряжений типа ТП (верхняя часть) и ТУ (нижняя часть). Он состоит из кожуха 3, трубного пучка 4, распределительной камеры 2, правой 5 и левой 6 крышек. Левая трубная решетка 1 зажата между фланцами 7 и 8, соединяющими кожух и распределительную камеру. Правая трубная решетка теплообменника ТП установлена внутри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной крышкой 9 «плавающую головку».

Для увеличения скорости межтрубного потока и его турбулизации на трубках 4 закреплены ходовые перегородки 10. Теплообменник установлен на двух опорах 11. Для правильного расположения трубного пучка внутри кожуха и облегчения сборки теплообменники типа ТП с диаметром от 800 мм и выше снабжаются специальными роликовыми опорными платформами 12.

Рис. 3.11. Теплообменник типа ТС:

1 – корпус; 2 – крышки; 3 – трубная доска; 4 – трубный пучок; 5 – фланцы; 6 – нажимной фланец (втулка); 7 – сальниковая набивка; 8 – плавающая головка; 9 – патрубки

Компенсация температурных напряжений в трубчатых теплообменниках типа ТС достигается также путем использования сальникового устройства (рис. 3.11), которое может располагаться как на корпусе (левая часть), так и на патрубке (правая часть). Последний вариант предпочтителен, так как периметр уплотнения, а следовательно, и усилие сжатия сальника в такой конструкции имеет меньшее значение.

Аппараты с сальниковыми уплотнениями используются при невысоких давлениях (порядка 0,6 МПа).

Двухтрубные теплообменники довольно часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Теплообменник «труба в трубе»

Один из теплоносителей движется по внутренним трубам, другой в кольцевом зазоре, образованном внутренними и наружными трубами. Внутренние трубы соединяются калачами, а наружные патрубками. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3—6 м, Диаметр наружной трубы - 159 мм, внутренней - от 10 до 57мм.

В связи с незначительными сечениями внутренней трубы и кольцевого зазора в теплообменниках достигаются достаточно высокие скорости движения теплоносителей (до трех м/с), что способствует увеличению коэффициентов теплопередачи, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Основным достоинством двухтрубных теплообменников является осуществление процессов теплообмена с теплоносителями при высоких давлениях. В свою очередь двухтрубные теплообменники более металлоемки, чем кожухотрубчатые.

В змеевиковых теплообменниках основным теплообменным элементом является согнутая в виде змеевика труба. К ним относятся погружные теплообменники с одним и несколькими спиральными змеевиками, по которым движется один из теплоносителей. Змеевики погружаются в жидкость, находящуюся в корпусе аппарата и представляющую второй теплоноситель. Скорость движения второго теплоносителя невелика в связи с большим сечением корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи со стороны наружной стенки змеевика.

Простота устройства, низкая стоимость, доступность наружных стенок змеевика для чистки и осмотра, возможность поддержания высоких давлений в змеевиках обеспечивают достаточно широкое применение погружных теплообменников в пищевых производствах. Одним из основных недостатков змеевиковых теплообменников погружного типа следует отметить сравнительно не высокую поверхность теплообмена (до 10—15 м²).

Довольно широкое применение в пищевых производствах находят теплообменники с наружными змеевиками, применение которых позволяет проводить процесс при высоких давлениях. К стенкам аппаратов снаружи приваривают змеевики, изготовленные из полуцилиндров или угловой стали.

К достоинствам аппарата с приваренными змеевиками следует отнести возможность разделения системы труб-змеевиков на отдельные секции, питаемые независимо друг от друга. Включением и отключением отдельных секций можно регулировать обогрев или охлаждение аппарата. Немаловажным достоинством теплообменников подобного типа является то, материал привариваемых змеевиков может быть более дешевым, чем материал корпуса аппарата.

Оросительные теплообменники применяют в основном для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик из размещенных друг над другом прямых труб, соединенных между собой калачами. Снаружи трубы орошаются водой, подаваемой в желоб для равномерного распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода стекает в поддон. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.

Орошающая теплообменник вода при стекании вниз по наружным стенкам труб частично испаряется. Процесс теплообмена достаточно интенсивный, вследствие чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках меньше, чем в холодильниках других типов. Но при этом возможны необратимые потери воды. К недостаткам таких теплообменников следует отнести их громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, легкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.

Теплообменники с оребренными трубами. В технике довольно часто встречаются процессы теплообмена, в которых коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплопередачи значительно отличаются по величине. Так, например, при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром коэффициент теплоотдачи от пара к стенке составляет примерно 10000-15000 Вт/(м²К), а от стенки к нагреваемому воздуху – 10-50 Вт/(м²К). Оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повысить тепловую нагрузку теплообменника за счет увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи. Оребренные трубы также используются при нагреве или охлаждении сильновязких жидкостей.

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

Пластинчатые теплообменники собираются из пакетов гофрированных пластин, по краям которых уложены резиновые прокладки рис. 3.13.

Рис.3.13. Пластины, схема движения теплоносителей, исполнение пластинчатого

теплообменника на консольной раме

При сжатии пакета между пластинами образуются щелевые каналы, куда подаются теплоносители. Таким образом, основной деталью пластинчатого теплообменника является гофрированная штампованная стальная пластина, имеющая по контуру резиновую прокладку. В углах пластины имеются отверстия для подвода или отвода теплоносителей. Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потоков теплоносителей проточную часть пластины делают гофрированной или ребристой, причем гофры могут быть горизонтальными (а) или расположенными в «елочку» (б).

Поскольку скорость движения теплоносителей в щелевых каналах значительна (1-3 м/с), то коэффициенты теплопередачи в пластинчатых теплообменниках достигают больших значений порядка 4000 Вт/(м²К) при сравнительно невысоких гидравлических сопротивлениях.

Материалом пластин является нержавеющая сталь, титан, алюминий, мельхиор, материал прокладки - резина на клею, синтетический каучук.

Пластинчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, их легко разбирать и ремонтировать. Однако герметизация пластин представляет серьезную проблему. По этой же причине применение их при высоких давлениях затруднительно.

В спиральных теплообменниках (рис. 3.14) поверхность теплообмена образована двумя тонкими металлическими листами 1 и 2, приваренными к разделительной перегородке 3 и свернутыми в виде спиралей. В результате образуется два спиральных канала прямоугольного поперечного сечения, которые имеют боковые и осевые патрубки для подвода теплоносителей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные штифты 4. В стандартных теплообменниках зазор между пластинами равен 8 или 12 мм. Уплотнение спиральных каналов производится торцевыми крышками 5.

Спиральные теплообменники компактны, позволяют создавать высокие скорости движения теплоносителёй (для жидкостей до 1-2 м/с) при достаточно низких гидравлических сопротивлениях.

Рис. 3.14. Спиральный теплообменник

Однако эти аппараты сложны в изготовлении, не могут работать при давлениях выше 1 МПа, так как герметизация спиралей вызывает определенные трудности.

В пищевых производствах для охлаждения и конденсации жидких и парогазовых сред хорошо зарекомендовали себя аппараты воздушного охлаждения, имеющие следующие преимущества: низкие расходы воды, а следовательно, и эксплуатационные расходы; низкую стоимость монтажных и ремонтных работ; возможность регулирования процесса теплообмена.

Рабочий диапазон температур в зависимости от типа оребрения и материала труб –40-400^ОС, условное давление 0,6 - 6,4 МПа.

Регулирование температурного режима работы теплообменного аппарата может осуществляться путем: включения, отключения вентилятора или изменения скорости вращения вала при наличии двухскоростных электроприводов; изменения угла наклона лопастей вентилятора; изменения положения жалюзных заслонок; подачи воды в распылительные форсунки.

Во избежание переохлаждения продукта в трубах в зимнее время предусмотрен змеевиковый паровой подогреватель из оребренных труб.

На рис. 3.15, 3.16 приведена конструкция аппарата воздушного охлаждения. На сварной раме 1 размещены теплообменные секции 2. Они состоят из пучка поперечно оребренных труб. Снизу к раме прикреплены диффузор 3 и коллектор 4, в центре которого находится осевой вентилятор 5. Вентилятор вместе с угловым редуктором и электродвигателем 7 смонтирован на отдельной раме 8. Для повышения эффективности работы в его конструкции предусмотрены распыливающие водяные форсунки 9, автоматически включающиеся при повышенной температуре окружающей среды.

Рис. 3.15. Аппарат воздушного охлаждения

Зимой можно отключать электродвигатель вентилятора. Кроме этого, интенсивность теплообмена можно регулировать изменением угла наклона лопастей вентилятора, от которого зависит расход прокачиваемого воздуха. Для этого в аппарате предусмотрен механизм дистанционного поворота лопаток с ручным или пневматическим приводом и жалюзи, устанавливаемые над теплообменными секциями. Жалюзийные заслонки можно проворачивать вручную или автоматически с помощью пневмопривода.

Рис. 3.16. Аппарат воздушного охлаждения (виды и разрезы)

Теплообменная секция состоит из 4, 6 или 8 рядов труб 3 (рис. 3.16), размещенных по вершинам равностороннего треугольника в трубных решетках 1. Трубы закреплены развальцовкой или развальцовкой со сваркой. Секции могут быть одно- или многоходовыми.

Смесительные теплообменники являются высокоинтенсивными аппаратами, так как в них теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей и отсутствует термическое сопротивление стенки. Эти теплообменники применяют в тех случаях, когда допустимо смешение теплоносителей или когда это смешение допускается технологическими условиями. В большинстве случаев это аппараты непрерывного действия. В зависимости от назначения они имеют различные технические названия. Наиболее часто смесительные теплообменники применяют для конденсации водяного пара, нагревания и охлаждения воды и газов (обычно воздуха). По принципу устройства смесительные теплообменники подразделяются на полые, полочные, насадочные барботажные.

Для осушения или увлажнения воздуха в установках кондиционирования применяются кондиционеры. Очистка воздуха или газа от пыли путем промывки их водой осуществляется в скруберах. Нагрев жидкостей за счет тепла воздуха, газа или пара производится в смесительных подогревателях или конденсаторах; а охлаждение больших количеств циркуляционной воды достигается благодоря ее тепло - и массообмену с воздухом в градирнях.

В последнее время находят применение в пищевой промышленности барометрические конденсаторы. Полочный барометрический конденсатор смешения предназначен для создания вакуума в аппаратах с паровой средой и, в частности, в выпарных установках.

В этом аппарате (рис. 3.17) водяной пар вводят в корпус 1 конденсатора с сегментными перфорированными полками 2. Воду подают на верхнюю полку, откуда она перетекает по полкам 2, имеющим небольшие борта. Основная часть воды вытекает тонкими струйками через отверстия в полках, а остальная перетекает через борт на нижерасположенную полку. При контакте с водой пар конденсируется, вследствие чего в конденсаторе и аппарате создается разрежение.

Рис. 3.17. Барометрический конденсатор

Образовавшаяся смесь конденсата и воды самотеком сливается в барометрическую труба 3 высотой около 10 м и затем в емкость 4. Барометрическая труба 3 и емкость 4 образуют гидрозатвор, который препятствует прониканию воздуха в аппарат. Из емкости 4 воду удаляют в линию оборотной воды или канализацию. Несконденсировавшийся воздух, находившийся в паре и охлаждающей воде, пропускают через ловушку 5 и отсасывают вакуум-насосом.

Регенеративные теплообменники обычно состоят из двух аппаратов цилиндрической формы, корпуса которых заполняют насадкой в виде свернутой в спираль гофрированной металлической ленты, кирпича, кусков шамота, листового металла и других материалов. Эта насадка попеременно нагревается при соприкосновении с горячим теплоносителем, затем, соприкасаясь с холодным теплоносителем, отдает ему свою теплоту.

В период нагрева насадки через один аппарат пропускают горячий газ, который охлаждается и поступает на дальнейшую переработку, а через другой аппарат — холодный газ, отнимающий теплоту у насадки, разогретой в предыдущем цикле. Каждый цикл, таким образом, состоит из двух периодов: разогрева насадки и ее охлаждения. Переключение аппаратов после каждого периода нагревания и охлаждения, длящихся обычно по нескольку минут, происходит автоматически с помощью клапанов.