Характеристика теплообменных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Теплообменные аппараты созданы для проведения процессов теплообмена по мере надобности нагревания либо охлаждения технологической среды с целью ее обработки либо утилизации теплоты. Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химических и смежных отраслях индустрии. Удельный вес на предприятиях химических промышленности теплообменного оборудования составляет примерно 15-18 %, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей индустриях 50%Значимый объем теплообменного оборудования на химических предприятиях объясняется тем, что многие главные процессы химической технологии (выпаривание, ректификация, сушка и др.) связаны с потребностью подвода либо отвода теплоты.

Теплообменные аппараты можно классифицировать по последующим показателям:

по конструкции:

аппараты, изготовленные из труб (кожухотрубчатые, "труба в трубе", оросительные, погружные змеевиковые, воздушного охлаждения);

аппараты, поверхностность теплообмена которых изготовлена из листового материала (пластинчатые, спиральные, сотовые); аппараты с поверхностью теплообмена, изготовленной из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и др.);

по назначению:

холодильники, подогреватели, испарители, конденсаторы;

по направлению движения теплоносителей:

прямоточные, противоточные, перекрестного тока и др.

В целом выпуске теплообменных аппаратов для химических и смежных отраслей промышленности в России в пределах 80 % занимают кожухотрубчатые теплообменники. Данные теплообменники довольно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и вмести с этим довольно многофункциональны, т.е. имеют все шансы быть применены для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком спектре их давлений и температур.

1. Способы использования кожухотрубчатых теплообменников

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к более распространенным аппаратам. Их используют для теплообмена и термохимических действий между разными жидкостями, парами и газами - как в отсутствии изменения, но и с изменением их агрегатного состояния.

Кожухотрубчатые теплообменники возникли в начале 20 века связанным с нуждами тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таковых, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при сравнительно высочайшем давлении.

Кожухотрубчатыетеплообменники используются в виде конденсаторов, подогревателей и испарителей. В текущее время их система в результате специальных исследований с учетом навыка эксплуатации стала гораздо наиболее совершенной. В те же годы стартовало широкое промышленное использование кожухотрубчатыхх теплообменников в нефтяной промышленности.

Для эксплуатации в тяжелых условиях понадобились нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для разных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и потому их необходимо было проектировать так, чтоб обеспечить легкость ремонтных работ и очистки.

С годами кожухотрубчатые теплообменники стали более обширно используемым типом аппаратов. Это обосновано, сначала, надежностью сборки, огромным комплектом разновидностей выполнения для разных правил использования, а именно:

однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением

диапазон давления от вакуума до высоких значений

в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов

удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата

размеры от малых до предельно больших (5000 м2)

возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению

возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта

Но это широкое разнообразие условий внедрения кожухотрубчатых теплообменников и их конструкций никаким образом не должно ликвидировать поиск иных, других решений, таковых, как использование пластинчатых, спиральных либо малогабаритных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются применимыми и их использование сможет привести к экономически более прибыльным решениям. Кожухотрубчатые теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в данных аппаратах разобщены, при этом любое из них быть может разделено перегородками на несколько ходов.

Рисунок 1 -Классическая схема кожухотрубчатого аппарата .

2. Классификация кожухотрубчатых теплообменников

Классификация кожухотрубчатых теплообменников осуществляется по нескольким признакам.

По расположению:

вертикальные;

горизонтальные;

По числу ходов в трубном пространстве:

одноходовые;

двуходовые;

четёрёхходовые;

шестиходовые;

По компоновке:

одинарные;

сдвоенные;

По типам конструкции теплообменники бывают:

с неподвижными трубными решетками (типа Н);

с плавающей головкой (тип П);

-с температурным компенсатором на кожухе (тип К);

с U-образными трубами (тип У).

Использование теплообменного оборудования типов П и У оправдано при значимой разнице температур стенок труб и кожуха, также при необходимости механической очистки трубного пучка.

Теплопередающая поверхность аппаратов сможет составлять от нескольких сотен квадратных см до нескольких тысяч кв.м.. Так, конденсатор паровой турбины мощностью 150 Мвт состоят из 17 тысяч труб с совместной поверхностью теплообмена в пределах 9000 м2.

Схемы кожухотрубчатых аппаратов наиболее распространенных типов представлены на рисунке 2

а -жёсткая конструкция; одноходовой теплообменник с прямыми трубками. Эти аппараты просты по устройству, хотя могут применяться исключительно при сравнительно маленьких разностях температур меж корпусом и пучком труб (до 50С).б-полужесткая конструкция; теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией термических удлинений вследствие некой свободы движения верхней трубной доски.в- полужесткая конструкция с линзовым компенсатором;г-нежёсткая конструкция;д - нежёсткая конструкция;е - нежёсткая конструкция с "плавающей головкой"; ж - полужесткая конструкция с сильфоннымкомпенсатором;з - нежёсткая конструкция с сальниковым компенсатором;и- нежёсткая система с сальниковым компенсатором;к - жёсткая конструкция с поперечным током;

Рисунок 2 - Схемы кожухотрубчатых аппаратов наиболее распространенных типов.

Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, производят и еще однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, потому что изготовка водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления - операции сложные и дорогостоящие. Но аппараты с гнутыми трубами не в состоянии обрести широкого распространения в связи трудности производства труб с различными радиусами гиба, трудности замены труб и неудобства чистки гнутых труб.

Материалы, используемые для производства теплообменников, могут варьироваться и комбинироваться согласно с конкретными производственными нуждами и технологическими требованиями:

углеродистой сталь - СтЗ;

низколегированная сталь - 16ГС;

нержавеющая сталь - 12Х18Н10Т, 10X17Н13М2Т;

титан - ВТ-1-0;

возможно использование других материалов на основе технического задания.

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет из себя трубу, сваренную из 1-го либо нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но воспринимается не менее 4 мм.К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками либо днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.

Трубчатка кожухотрубчатых теплообменников выполняется из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного места в 2-3 раза более проходного сечения внутри труб. Потому при одинаковых затратах теплоносителей с схожим фазовым состоянием коэффициенты теплопотери на плоскости межтрубного места низки, собственно понижает единый коэффициент теплопередачи в агрегате. Прибор загородок в межтрубном месте кожухотрубчатого теплообменника содействует повышению скорости носителя тепла и увеличению производительности теплообмена.

Трубные доски (решетки) работают для укрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки либо сальниковых креплений. Трубные доски приваривают к кожуху (рис. а, в), зажимают болтами меж фланцами кожуха и крышки (рис. б, г) либо объединяют болтами исключительно с фланцем вольной камеры (рис. д, е).мат-лом дощечек работает традиционно листовая высококачественная сталь шириной более 20 мм.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой (рис. а, к), нежесткой (рис. г, д, е, з, и) и полужесткой (рис. б, в, ж) конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные.

На рисунке а) изображен одноходовой теплообменник с прямыми трубками жесткой конструкции. Кожух и трубки связаны трубными решетками и поэтому нет возможности компенсации тепловых удлинений. Такие аппараты просты по устройству, но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50оС). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи. На рисунке 1,б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.

В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве, а жидкость - по трубам. Разницу температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые (рис. в), сальниковые (рис. з, и) либо сильфонные (рис. ж) компенсаторы.

Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления - операции сложные и дорогие. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб с разными радиусами гиба, сложности замены труб и неудобства чистки гнутых труб.

Компенсационные устройства сложны в изготовлении (мембранные, сильфонные, с гнутыми трубами) или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые, сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной доски и свободным перемещением второй доски вместе с внутренней крышкой трубной системы (рис. е).некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса и изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников "с плавающей головкой". Теплообменники с поперечным током (рис. к) отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности вследствие того, что теплоноситель движется поперек пучка труб. При перекрестном токе снижается разность температур между теплоносителями, однако при достаточном числе трубных секций различие в сравнении с противотоком невелико. В некоторых конструкциях таких теплообменников при протекании газа в межтрубном пространстве и жидкости в трубах для повышения коэффициента теплоотдачи применяют трубы с поперечными ребрами.

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры.

По ГОСТ 9929-82 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: Н - с неподвижными трубными решетками; К - с температурным компенсатором на кожухе; П - с плавающей головкой; У - с U-образными трубами; ПК - с плавающей головкой и компенсатором на ней.

Медные кожухотрубчатые аппараты по ГОСТ 11971-77 изготовляют двух типов (Н и К).

В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.

Использование стальных, кожухотрубчатых, теплообменных аппаратов различных типов в химических производствах характеризуется приблизительно следующими данными: Н - 75 %, К - 15 %Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей.

3. Назначение кожухотрубчатых теплообменников

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники - для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. Кожухотрубчатые теплообменники и холодильники могут быть двух типов: Н - с неподвижными трубными решетками и К - с линзовым компенсатором неодинаковых температурных удлинений кожуха и труб. Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20 - 60 градусов, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.

Теплообменники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали.

Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. Конденсаторы могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространствуВкожухотрубчатых испарителях в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный, парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25X2 мм. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе. Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1,6-8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами. На рисунке 1 изображен кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой, предназначенной для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку. Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Кожухотрубчатые конденсаторы с плавающей головкой отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве - от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м.

кожухотрубчатый теплообменник конденсатор холодильник

1 - крышка распределительной камеры, 2 - распределительная камера, 3 - кожух, 4 - теплообменные трубы, 5 - перегородка с сегментным вырезом, 6 - штуцер, 7 - крышка плавающей головки, 8 - крышка кожуха.

Рисунок 3 - Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой.

Теплообменники с U-образными трубами (рисунок 2) применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20X2 мм. Кожухотрубчатые испарители с трубными пучками из U-образных труб или с плавающей головкой имеют паровое пространство над кипящей в кожухе жидкостью. В этих аппаратах, всегда расположенных горизонтально, горячий теплоноситель (в качестве которого могут быть использованы газы, жидкости или пар) движется по трубам. Кожухотрубчатые испарители могут быть с коническим днищем (рисунок 5) диаметром 800-1600 мм и с эллиптическим днищем диаметром 2400-2800 мм. Последние могут иметь два или три трубных пучка. Допустимые давления в трубах составляют 1,6-4,0 МПа, в кожухе - 1,0-2,5 МПа при рабочих температурах от 30 до 450°С, т. е. выше, чем для испарителей с линзовым компенсатором.

1 - распределительная камера, 2 - кожух, 3 - теплообменные трубы, 4 - перегородка с сегментным вырезом, 5 - штуцер.

Рисунок 4 - Кожухотрубчатый теплообменник с U образными трубами.

Размещено на Allbest.ru