Конструкции теплообменных аппаратов

Теплообменниками называются аппараты, в которых происходит теплообмен между рабочими средами независимо от их технологического назначения.

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1. Поверхностные, где перенос тепла между рабочими средами осуществляется через твердую стенку, разделяющую их. При этом непосредственный контакт между средами исключен.

2. Смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Поверхностные теплообменники наиболее распространены. По конструкции их можно подразделить на кожухообразные, типа "труба в трубе", погружные, оросительные, с плоскими поверхностями нагрева и т.д.

Рассмотрим некоторые основные конструкции.

Кожухотрубные

Теплообменники.

Теплообменник (рис.1.5.) представляет собой пучок труб, помещенных в цилиндрическом корпусе 1 (кожухе). Пространство между трубками 3 и боковой поверхностью кожуха называется межтрубным. Трубки завальцованы (закреплены) или приварены к трубным решеткам 2. К фланцам корпуса крепятся крышка и днище 5, имеющие патрубки 4 для подвода и отвода рабочей жидкости Ж₂. На корпусе также имеются патрубки 4 для подвода и отвода рабочего тела Ж₁.

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.1.6 а ). Здесь рабочая жидкость проходит через трубное пространство в несколько ходов, протекая последовательно через все пучки труб.

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. Перегородки установлены параллельно трубкам и не достигают противоположной трубной решетки. Большое число перегородок не рекомендуется из-за трудности уплотнения их стыков с трубными решетками.

Поперечные перегородки бывают перекрывающие и неперекрывающие. Перекрывающие перегородки пересекают все межтрубное пространство, оставляя вокруг каждой трубки кольцевую щель шириной около 2 мм. Расстояние между перегородками обычно 100 мм. Рабочее тело протекает через кольцевые щели с большой скоростью. При этом в промежутках между перегородками образуются турбулентные завихрения, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи. Такие перегородки неприменимы, если жидкости могут выделять осадок, т.к. узкие щели легко им забиваются. Неперекрывающие перегородки (рис.1.6 б ) выполняют, например, с проходом в виде сектора или сегмента.

Двухходовый теплообменник часто выполняют с U-образными трубками, открытые концы которых завальцованы в одну и ту же трубную решетку (рис.1.7). При запуске в работу теплообменников нужно обращать внимание на направление движения рабочих тел. Горячая (охлаждаемая) жидкость должна опускаться (подача сверху), а холодная - подниматься. В этом случае принудительное движение совпадает с естественным.

1.13.2. Теплообменники "труба в трубе"

Такие теплообменники применяют при небольших расходах рабочих жидкостей и высоких давлениях. Они составляются из нескольких последовательно соединенных элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами (рис.1.8). Каждый элемент состоит из 2-х труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинированно. При этом трубы соединяются с трубами, а кольцевые пространства с кольцевыми пространствами. Достоинством таких теплообменников является соблюдение противотока, что обеспечивает наиболее полное использование теплоносителя. Они позволяют достигать довольно высоких скоростей жидкости в диапазоне 1-1,5 м/с, что уменьшает возможности отложения загрязнений на поверхности теплообмена и увеличивает значения коэффициентов теплоотдачи. Отметим, что эти теплообменники более громоздки, по сравнению с кожухотрубными, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена.