Конструкции теплообменных аппаратов.

5.1. Ещё раз о классификации теплообменных аппаратов.

Ранее было показано, что в соответствии с принципом действия теплообменные аппаратыбывают четырёх видов:

1. Рекуператоры или поверхностные аппараты (процесс передачи теплоты от горячей среды к холодной через теплопередающую поверхность, т. н. разделяющую стенку).

2. Регенераторы (нестационарный процесс передачи теплоты от горячей среды к холодной путём поочерёдного омывания теплопередающей поверхности, т. н. аккумулирующей насадки).

3. Контактные теплообменные аппараты. Они подразделяются на смесительные и барботажные аппараты (в них процесс передачи теплоты от горячей среды к холодной происходит при непосредственном контакте сред).

4. Теплообменные аппараты с внутренними источниками (приёмниками) теплоты (в них происходит теплоперенос между одной средой и теплопередающей поверхностью с внутренними источниками теплоты).

Далее будут рассмотрены конструкции рекуператоров. Они получили наибольшее распространение в технике. Теплообменные аппараты других видов описаны в специальной литературе (см., например [2, 13, 15 – 19].

Теплообменные аппараты – рекуператоры (далее: теплообменные аппараты и сокр. ТА) в соответствии функциональной классификацией теплообменных процессов и оборудования, предложенной в [6 и 7, стр. 15 – 27], являются определяющей, фундаментальной автономной составляющей любых теплообменных объектов. В частности, теплообменник может состоять из одного теплообменного аппарата, а в общем случае – из нескольких. С другой стороны с точки зрения расчёта теплопередачи теплопередающая поверхность теплообменного аппарата может представлять собой один, единственный теплообменный модуль (например, внутренняя труба, передающая теплоту, в ТА «труба в трубе», плоская стенка в зданиях, изоляционных ограждениях и т. п.).

Наиболее важным этапом в проектировании теплообменного оборудования является выбор типа конструкции для конкретного практического случая.

При выборе конструкций теплообменных аппаратов учитываются процессные, конструктивные и схемные признаки, которые предопределяют особенности конструкций и эффективную работу аппаратов.

Наиболее значимыми являются следующие признаки:

Признаки тепловых процессов в теплообменном аппарате (I группа).

1. Признак тепловых процессов с подводом теплоты средой, отдающей теплоту. Имеются в виду процессы нагрева теплоносителя без изменения агрегатного состояния, кипения индивидуальных веществ и многокомпонентных смесей, кристаллизация (выкипания растворителя из раствора), плавления.

2. Признак тепловых процессов с отводом теплоты средой, принимающей теплоту. Имеются в виду процессы охлаждения теплоносителя без изменения агрегатного состояния, конденсации индивидуальных веществ и многокомпонентных смесей, кристаллизация (из расплава при охлаждении растворов), вымораживания

3. Сочетание этих процессов теплопереноса в аппарате. Всего формируется 30 вариантов сочетание процессов тепло­переноса в аппарате. Сочетание процессов тепло­переноса обуславливают назначение аппаратов (нагреватели, холодильники, конденсаторы, испа­рители, перегреватели пара, кристаллизаторы и т. п.).

Конструктивные признаки теплообменного аппарата (II группа).

4. Форма теплообменных модулей, из которых комплектуется аппарат.

Теплообменный модуль — конструктивно характерная часть поверх­ности теплопередачи. Из теплообменных модулей можно набрать поверхность любых размеров и любой формы, от простой до самой сложной.

Форма теплообменного модуля задается с помощью пяти опреде­лителей:

4.1. Форма основной (несущей) поверхности теплообменного модуля (шифр Ф).

4.2. Форма наружной поверхности теплообменного модуля (шифр Н).

4.3. Форма профиля ребер (турбулизаторов) на наружной поверхности теплообменного модуля (шифр РН).

4.4. Форма внутренней поверхности теплообменного модуля (шифр В).

4.5. Форма профиля ребер (турбулизаторов) на внутренней поверх­ности теплообменного модуля (шифр РВ).

С помощью приведенных определителей формы можно идентифицировать свыше

1 млн. теплообменных модулей различной формы, в том числе различные трубчатые, змеевиковые, комбинированные, пластинчатые, ребристые, плавни­ковые, сотовые, спиральные, игольчатые и др. теплообменные поверхности.

5. Тип теплопередающей поверхности (шифр П). Он обусловлен спо­собом взаимного расположения в ней теплообменных модулей (например, единичный модуль, пучок труб, пакет про­фильных листов и т. п.), т. е. способом компоновки поверхности теплопередачи.

6. Конструкция аппарата. Она задается четырьмя определителя­ми:

6.1.Организация обтекания теплообменной поверхности (шифр О). Имеются в виду обтекание продольное, поперечное, под углом атаки (≠ 0º, 90º, 180º), комбинированные и более сложные случаи при напорном движении сред, естественная циркуляция большом и ограниченном объёме, пленочное течение, орошение, другие способы.

6.2. Конструктивное ограничение теплообменной поверхности (шифр КО). Имеются в виду размещение теплообменной поверхности в трубе (кожухе), коробе, шахте (прямоугольного либо другого профиля), ванне (для погружных поверхностей), без ограждения (для оросительных поверхностей) и в ограждении различной формы, в том числе с рубашкой, на поверхности либо в глубине массивов разной формы и протяжённости с частичным либо полным заглублением.

С помощью этого признака описывается т. н. компоновка теплообменной поверхности (имеются в виду аппараты кожуховые, элемент­ные, рубашечные, погружные, оросительные и др.).

6.3. Жесткость конструкции (шифр Ж). Имеются в виду аппараты жесткие, полужесткие (например, с линзовым компенсатором в кожухе), нежесткие (например, с плавающей головкой, сальниковыми компенсаторами, U-образными трубками) и др.

6.4. Ма­териальное оформление аппарата (шифр М). Имеются в виду аппараты металлические из одинакового металла, из разного металла, неметаллические из различных материалов.

7. Конструктивная компоновка аппаратов в теплообменнике.Если в теплообменнике несколько аппаратов, то они могут располагаться независимо, каждый на отдельном фунда­менте, на этажерке, в виде секции (секций), каждая из которых жестко связывает несколько аппаратов, в блоке, т. е. жёстко в одном наружном ограждении (кожухе, коробе и т. д.).

8. Пространственное расположение аппаратов. Имеется в виду размещение аппаратов горизонтальное, вертикальное, несколько в ряд горизонтально либо по высоте, в помещении либо на открытом воздухе и др.

Признак схемы тока сред в аппарате (III группа).

9. Схема тока сред в теплообменном аппарате бывает эле­ментарной, т. е. с точки зрения теплопередачи понятия «теплообменный аппарат» и «теплопередающий элемент» совпадают. Это имеет место, например, в противоточных, прямоточ­ных аппаратах без перегородок, в аппаратах смешанного и од­нократного перекрестного тока и ряде других аппаратов. В ряде случаев (в аппаратах с многократ­ным перекрестным током, аппаратах параллельного тока с по­перечными перегородками и др.) теплообменный аппарат представляет собой пару, ряд или комплекс теплообменных поверхностей. Каждая из них представляет собой элемент либо более сложную фрактальную схему, которая в свою очередь может являться совокупностью пар, рядов либо комплексов других теплообменных поверхностей, различающихся схемами тока сред. Число возможных вариантов схем тока сред в теплообменных аппаратах может быть практически неограниченным.

Сочетание определителей О, КО, Ж, М с определителями формы теплообменного модуля Ф, Н, РН, В, РВ и типа теплообменной поверхности П открывает воз­можности индексации конструкций практически необозримого множества существующих сейчас и возможных в перспективе теплообменных аппаратов, а также устройств для передачи теп­ла теплопроводностью.

Теплоперенос в промышленных условиях имеет настолько разнооб­разные формы, что трудно говорить о каком-либо стандартном типе конструкции теплообменного аппарата. Именно разнообразие практических задач вызывает необходимость в большом разнообразии конструкций. Часто теплообменник перестает быть самостоятельным аппаратом, предназна­ченным исключительно для теплопереноса, и становится частью того или иного аппарата, служащего для проведения определенного технологи­ческого процесса. Так, например, многие химические реакции требуют либо отвода, либо подвода тепла, притом различным способом для разных участков реактора. В реакторе может находиться также и ка­тализатор, и это выдвигает дополнительные требования к конструктив­ному решению. Характер реакции, ее тепловой эффект, пространствен­ное распределение теплоты реакции часто ставят перед проектантом очень трудную задачу подбора теплопередающей поверхности как по вели­чине, так и по распределению, которая могла бы обеспечить оптималь­ные условия для реакции. Конструкция элементов теплообменного аппарата в таких случаях приспосабливается главным образом к основному на­значению реактора и его технологическим функциям. Однако если речь идет только о теплопереносе, то разнообразие условий проведения про­цесса и свойств веществ, нагреваемых или охлаждаемых, конденсируе­мых или испаряемых, требует соответствия как проектируемой конструк­ции, так и материала, из которого изготовляется теплообменный аппарат.

После рассмотрения принципов теплопередачи представляется воз­можным охарактеризовать вкратце, в общем виде, как увязываются наиболее важные расчетные параметры с конкретным конструктивным оформлением теплообменного аппарата. Например, если мы примем для расчета коэффициентов теплопередачи некоторые скорости потоков, то должны будем предварительно проверить, можно ли их осуществить в приня­той конструкции. Точно так же мы должны еще до начала расчета решить, какой из потоков пропускать, например, внутри трубок и какой сна­ружи.

Часто конструкторы имеют некоторую склонность к принятию таких решений, которые подтверждаются не столько общей практикой, сколько собственным опытом или даже индивидуальным взглядом на целесообразность и эстетику конструкции.

Понятие «эстетики конструкции», которое здесь употреблено, не яв­ляется случайным термином. Об эстетике конструкции не только можно говорить, но надо принимать ее во внимание. Удачный монтаж уста­новки не всегда возможен, если отдельные аппараты конструируются без связи с контуром будущей установки. Поэтому, приступая к проектированию аппаратов, следует иметь хотя бы приблизительную предварительную диспозицию, с помощью которой можно принять не­которые условия, например расположение штуцеров и др.

Очень важным этапом проектирования теплообменного оборудования является выбор типа конструкции для конкретной технической системы. Первая стадия проектирования предусматривает анализ существующихконструкций и выбором из них наиболее приемлемой.

При выборе рациональной конструкции аппаратов учитывается множество факторов. Главные из них:

1. Специфика процесса теплопереноса в рабочих полостях аппарата.

2. Свойства теплоносителей.

3. Загрязнённость теплоносителей, загрязнение поверхностей, отложения на них.

4. Наличие в теплоносителях инертных газов, конденсата и прочего, ухудшающего процессы теплопереноса.

5. Требуемые скорости теплоносителей.

6. Рабочие давления в полостях аппарата.

7. Температуры сред.

8. Разность температур между элементами конструкции для учёта компенсации тепловых расширений, удлинений.

9. Реальные условия размещения аппарата в установке.

10. Стоимость изготовления.

Среди громадного конструктивного разнообразия рассмотрим конструкции наиболее распространённых в технике двухсредных рекуперативных теплообменных аппаратов, в которых имеет место теплоперенос между двумя теплоносителями.

Массовое применение в технике нашли аппараты следующих конструкций:

1. Кожухотрубчатые аппараты.

2. Элементные аппараты.

3. Аппараты «труба в трубе».

4. Аппараты воздушного охлаждения.

5. Витые аппараты.

6. Змеевиковые аппараты.

7. Спиральные аппараты.

8. Пластинчатые аппараты.

9. Аппараты батарейные оросительные.

10. Бытовые отопительные батареи.

11. Аппараты с обогреваемыми стенками.

12. Аппараты других конструкций.

В рамках каждой конструкции имеет место большое разнообразие аппаратов из–за специфики устройства составляющих их конструктивных элементов и узлов.

Разнообразие требований, предъявляемых к теплообменным аппаратам в конкретных технических системах, с одной стороны, и разнообразие физических состояний теплоносителей, обуславливающее существенное различие условий теплопереноса на поверхностях аппарата, с другой, делает необходимой разработку аппаратов различного типа.

По этой причине невозможно создание универсальной конструкции, соответствующей всем требованиям многих отраслей и при этом работающей эффективно.

Вместе с тем среди многообразия специфических условий для отдельных отраслей можно выявить наиболее типичные и повторяющиеся. Для них разрабатываются типовые конструкции. В рамках типовых конструкций обычно создаются типоразмерные ряды, охватывающие аппараты с поверхностями теплопередачи от нескольких до тысяч квадратных метров в одном аппарате. Нормативные в ряды типоразмеров теплообменных аппаратов разработаны в странах – основных производителях теплообменного оборудования. В частности, перечень действующих в странах СНГ советских нормативных документов на теплообменные аппараты различных конструкций приведен в табл. 5.1. В США применяются стандарты ТЕМА, близкие по типоразмерам к упомянутым советским ГОСТам, ОСТам и ТУ.

Таблица 5.1. Нормативные документы на теплообменные аппараты

Ниже более подробно рассмотрены наиболее распространённые в технике кожухотрубчатые аппараты и обзорно некоторые другие конструкции.