Спиральные теплообменные аппараты

Спиральные теплообменники получили в промышленности срав­нительно широкое распространение, что объясняется рядом важных преимуществ по сравнению с теплообменными аппаратами других типов. Спиральные теплообменники могут изготовляться из любого ру­лонного материала, подвергаемого холодной обработке и свариванию. Теплообменники компактны, их конструкция предусматривает возмож­ность полного противотока. Площадь поперечного сечения каналов по всей длине остается неизменной, и поток не имеет резких изменений направлений, благодаря чему загрязнение поверхности спиральных те­плообменников меньше, чем теплообменных аппаратов других типов, кроме того, ряд конструкций их позволяет проводить сравнительно легкую очистку в случае, не требующем для удаления осадка механи­ческого воздействия. Гидравлическое сопротивление спиральных теп­лообменников при одинаковой скорости движения жидкости меньше, чем у кожухотрубчатых.

Спиральные теплообменники различных конструкций нашли при­менение для систем жидкость-жидкость, для систем жидкость-пар в качестве конденсаторов, нагревателей и испарителей, для охлаждения и нагрева­ния парогазовых смесей. Спиральные те­плообменники специальной конструкции могут компоноваться с ректификационны­ми колоннами и применяться в качестве дефлегматоров. Одно из назначений спиральных тепло­обменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей. Так как вязкая жидкость проходит по одному каналу, то устраняется проблема равномерного рас­пределения вязкой жидкости по трубам. Нами для вязких жидкостей (прядильный раствор синтетического волокна «нитрон») испытывался спиральный теплообменник со сквозными каналами для прядильного раствора и спиральным каналом, по которому поступали пар или охлаждающая вода (рисунке 26). Спиральные теплообменники могут успешно применяться для шламов и жидкостей, содержащих во­локнистые материалы. Применение специальных теплообменников для газов ограничено малым поперечным сечением канала.

Рисунок 26 - Схема движения жидкости в спиральном теплообменнике

Спиральные теплообменники применяются в гидролизной промыш­ленности в качестве дефлегматоров, рекуператоров тепла в отбелочных отделениях, конденсаторов терпентиновых паров и поверхностных кон­денсаторов в выпарных отделениях; в химической промышленности - в качестве теплообменников при производстве серной, азотной и фос­форной кислот, в качестве конденсаторов для различных органических соединений; в коксогазовой промышленности - для охлаждения амми­ачной воды, бензола и поглотительного масла, в алюминиевой промыш­ленности — в качестве теплообменников для алюминатных растворов; в сахарной и пищевой промышленности — для нагрева и охлаждения раствора сахара и фруктовых соков.

Спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разде­лительной перегородки — керна.

По видам уплотнения торцов каналы делятся на три основных типа:

- тупиковые каналы, каждый из которых заваривается с противопо­ложной стороны при помощи вставленной ленты. Такой способ уплотнения исключает возможность смешения теплоносителей при прорыве прокладки. После снятия крышек оба канала легко подвергаются чистке. Этот способ уплот­нения каналов наиболее распространен;

— глухие каналы, в которых канал заваривается на торцах с обеих сто­рон. Недостаток этого типа уплотнения за­ключается в невозможности чистки каналов;

— сквозные каналы, открытые с торцов. Уплотнение до­стигается при помощи манжет U-образного сечения или листового прокладочного материала. Каналы такого типа легко поддаются чистке; основной их недостаток заключается в возможности пере­тока теплоносителя из одного канала в другой.

В конструкциях теплообменников встречаются и различные комби­нации вышеуказанных каналов. Для придания спиральным теплообменникам жесткости, особенно при давлении выше 0,3 МПа (3 кгс/см²), в большинстве теплообмен­ников к одной из лент перед навивкой приваривают штифты. Кроме создания жесткости, штифты фиксируют расстояние между спиралями.

Согласно ГОСТ 12067 навивка спиральных теплообменников про­изводится из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м, поверхность на­грева теплообменников от 3,2 до 100 м², ширина канала 8 или 12 мм, давление до 1 МПа (10 кгс/см²). Толщина стенок при давлении до 0,3 МПа - 2 мм, до 0,6 МПа - 3 мм.

Спиральные теплообменники выпускаются двух типов; тип 1 с тупиковыми каналами (с крышами) и тип 2 с глухими каналами (без крышек). Тип 1 выпускается в четырех исполнениях: горизонтальный теплообменник на лапах для жидкостей (рисунок 27а); горизонтальный теплообменник на цапфах для жидкостей (рисунок 276); вертикальный теплообменник на цапфах для конденсации паров (рисунок 27в); верти­кальный теплообменник на цапфах для парогазовой смеси (рисунок 27г).

а — горизонтальные на лапах для жидкостей; б — горизонтальные на цапфах для жидкостей; в — вертикальные на цапфах для конденсации пара; г — вертикальные на цапфах для парогазовых смесей

Рисунок 27- Спиральные теплообменники с тупиковыми каналами (тип 1)

Тип 2 выпускается в трех исполнениях: горизонтальный на лапах; горизонтальный на цапфах; вертикальный на лапах (рисунок 28). Спиральные теплообменники изготовляют из углеродистой стали СтЗ и из легированных марок 12Х18Н10Т, 0Х18Н10Т и Х17Н12М2Т. Для изготовления крышек может применяться двухслойная сталь марок СтЗ+12Х18Н10Т и 20К + Х17Н13М2Т и др. В качестве прокладок применяют резину, паронит, фторопласт, ас­бестовый картон и др.

Теплообменники спиральные для жидкости состоят из корпуса спи­рали с тупиковыми каналами, двух плоских крышек по торцам с про­кладками, четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в центральной части крышки, а два — в верхней части корпуса на коллекторах. Корпус спирали выполняется на лапах для установки непосредственно на фундаменте в горизонтальном ис­полнении или на цапфах для установ­ки в любом положении: вертикальном, горизонтальном и наклонном.

Принцип работы спиральных теп­лообменников для жидкостей заклю­чается в следующем: первый тепло­носитель поступает под давлением через штуцер на одной из крышек в камеру центровика, а затем по каналу спирали — в коллектор и через штуцер выходит из теплообменника. Второй теплоноситель через штуцер коллек­тора поступает в смежный канал спи­рали противотоком по отношению к первому теплоносителю и выходит через штуцер второй крышки. Спиральные теплообменники для конденсации паров изготовляют­ся только в вертикальном варианте и состоят из корпуса спирали с ту­пиковыми каналами, двух крышек (верхней — с конусом для подвода пара к каналам и нижней с прокладками для уплотнения каналов), че­тырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в крышках, а два — в боковых коллекторах, причем один из них для вывода конденсата установлен в нижней части коллектора.

Рисунок 28 - Вертикальный теплообменник на лапах с глухими каналами (тип 2)

Спиральные теплообменники для парогазовой смеси отличаются от теплообменников для конденсации паров только тем, что они имеют еще штуцер для выхода газов после отделения от них конденсата, ко­торый установлен в середине коллектора, на котором имеется штуцер для выхода конденсата. Вертикальное расположение каналов конденсаторов исключает об­разование пробок конденсата и гидравлические удары. Пар или паро­газовая смесь поступает в аппарат через штуцер большого диаметра одновременно в большинство каналов, кроме нескольких крайних на­ружных. Образующийся конденсат стекает по вертикальной стенке каналов, собирается в нижней части каналов теплообменника и стекает по спирали в штуцер для конденсата, расположенный у нижней стороны канала. Остатки не конденсировавшегося пара или парогазовой смеси проходят несколько наружных витков канала по спирали и после охлаждения отводятся через штуцер на коллекторе тупиковых каналов.

Гидравлическое сопротивление каналов по паровой стороне неве­лико вследствие достаточно большого поперечного сечения каналов, включенных на входе пара параллельно. Охлаждающая среда подается через наружный коллектор и движется по спиральному каналу к центру, откуда выводится через штуцер на нижней крышке. Спиральные теплообменники могут выполняться для движения теплоносителей по спиральному потоку, по поперечному, пересекаю­щему спираль потоку и по комбинированному потоку, сочетающему поперечный и спиральный поток. Конструктивное оформление таких теплообменников может быть разнообразным.

Зарубежные фирмы навивку спиральных теплообменников произ­водят из рулонного материала шириной от 0,1 до 1,8 м и толщиной от 2 до 8 мм. Диаметр сердечника (керна) 200... 300 мм. Ширина канала от 5 до 25 мм, поверхность нагрева выпускаемых теплообменников от 0,5 до 160 м². Для получения больших поверхностей теплообменники могут быть соединены в блоки.

За рубежом спиральные теплообменники изготовляют из углеродис­той и коррозионностоикой сталей, хастеллоя В и С, никеля и никелевых сплавов, алюминиевых сплавов и титана. При относительно высоких давлениях в каналах часть зарубежных фирм в целях снижения веса и придания достаточной прочности произ­водит навивку теплообменников из стали разной толщины. Внутренние витки с меньшим радиусом навиваются из более тонкого материала, а наружные витки с большим радиусом — из металла большей толщины. Полотнища разной толщины свариваются под углом, для того чтобы более жесткий шов не мешал навивке спирали.

В ряде случаев спиральные теплообменники конструируют с расче­том на применение анодной антикоррозионной защиты или защитных покрытий.