Химические процессы

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. 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 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.

Размещение труб в трубных решетках может быть осуществлено несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (шахматное), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное), по концентрическим окружностям и по сторонам и вершинам шестиугольников со смещенной на угол в диагональю. Преимущественно трубы размещаются равномерно на всей площади решетки по сторонам и вершинам правильных шестиугольников. В аппаратах, предназначенных для работы на загрязненных жидкостях, часто принимают прямоугольное размещение труб для облегчения очистки межтрубного пространства.

В горизонтальных кожухотрубчатых теплообменниках-конденсаторах с целью уменьшения термического сопротивления на внешней поверхности труб, вызываемого пленкой конденсата, трубы рекомендуется размещать по сторонам и вершинам шестиугольника со смещенной на угол в диагональю, оставляя при этом в межтрубном пространстве свободные проходы для пара.

Если обе решетки пучка из прямых труб зажимаются между верхними и нижними фланцами корпуса и крышек, то такой аппарат будет жесткой конструкции. Теплообменники жесткой конструкции применяются при сравнительно небольшой разности температур между корпусом и трубами (примерно 25-30° С) и при условии изготовления корпуса и труб из материалов с близкими значениями их коэффициентов удлинения. При проектировании аппарата необходимо рассчитывать напряжения, возникающие вследствие тепловых удлинений труб в трубной решетке, особенно в местах соединения труб с решеткой. По этим напряжениям в каждом конкретном случае определяют пригодность или непригодность аппарата жесткой конструкции.

В кожухотрубчатом теплообменнике с линзовым компенсатором на корпусе тепловые удлинения компенсируются осевым сжатием или растяжением этого компенсатора. Такие аппараты рекомендуется применять при избыточном давлении в межтрубном пространстве не выше 2,5·10⁵ Па и при деформации компенсатора не более чем на 10-15 мм.

В кожухотрубчатых теплообменниках с двойными трубами каждый элемент состоит из двух труб: наружной - с закрытым нижним концом и внутренней - с открытым концом. Верхний конец внутренней трубы меньшего диаметра закрепляют развальцовкой или сваркой в верхней трубной решетке, а трубу большего диаметра - в нижней трубной решетке. При таких условиях монтажа каждый из элементов, состоящий из двух труб, может свободно удлиняться без возникновения тепловых напряжений. Нагреваемая среда движется по внутренней трубе, затем по кольцевому каналу между наружной и внутренней трубами. Тепловой поток от греющей к нагреваемой среде передается сквозь стенку внешней трубы. Кроме того, в процессе переноса теплоты участвует и поверхность внутренней трубы, потому что температура нагреваемой среды в кольцевом канале выше температуры той же среды во внутренней трубе.

В кожухотрубчатом теплообменнике с «плавающей» камерой закрытого типа трубный пучок собирается из прямых труб, соединенных двумя трубными решетками. Верхнюю решетку зажимают между верхним фланцем корпуса и фланцем верхней камеры. Эти теплообменники более совершенны, чем другие аппараты нежесткой конструкции. Некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса в зоне «плавающей» камеры и из-за необходимости изготовления дополнительной крышки оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации.

Змеевиковые теплообменники - это простейшие аппараты с небольшой теплопроизводительностью. Они бывают погружные и оросительные трубчатые из спирально согнутых труб с расположением витков по винтовой линии или из прямых труб, соединенных коленами с поворотом на 180°.

Оросительные змеевиковые теплообменники предназначаются для охлаждения жидких сред и конденсации пара. Их собирают из прямых горизонтальных труб, соединенных калачами. Пакеты таких змеевиков устанавливают и закрепляют на каркасе. Внутри труб змеевика проходит охлаждаемая среда, а снаружи поверхность орошается охлаждающей средой - водой или другой жидкостью. Над верхним рядом труб размещается желоб с перфорированным дном или с зубчатыми краями служащими для распределения орошающей жидкости. Под нижним рядом труб размещается поддон для сбора этой жидкости и отвода ее в сборный резервуар. В многоярусных змеевиках необходимо устанавливать над каждой или через одну горизонтальную трубу распределительные зубчатые козырьки для равномерного распределения охлаждающей жидкости на нижерасположенной трубе. В некоторых случаях целесообразно организовать охлаждение змеевиков с частичным испарением орошающей жидкости. При испарительном охлаждении расход жидкости следует регулировать так, чтобы нижние змеевики не были «сухими».

Простота устройства, доступность для осмотра, ремонта и очистки труб, несколько меньший расход охлаждающей воды (жидкой среды) по сравнению с погружными змеевиковыми теплообменниками способствуют распространенному применению их в промышленности и на транспорте. В то же время необходимо отметить, что часть воды при таком способе охлаждения другого теплоносителя теряется, теплообменники чувствительны к колебаниям подачи воды в орошающий желоб, занимают много места.

Корпус такого теплообменника чаще всего выполняют цилиндрическим, особенно аппарата, работающего под давлением или под вакуумом. В корпусе могут быть размещены одна или несколько спиралей из труб с внутренним диаметром до 25 мм. Спирали вальцовываются в верхнюю и нижнюю трубные решетки. Трубные решетки жестко закреплены во фланцевых соединениях между корпусом и крышками. Одна рабочая среда пропускается внутри труб, другая - в межтрубном пространстве. Для увеличения скорости потока в межтрубном пространстве, особенно среды, не изменяющей фазовое состояние, предусматривают устройства в виде цилиндра или каких-либо других перегородок, уменьшающие живое сечение. С увеличением скорости потока повышается коэффициент теплоотдачи с внешней стороны змеевика, а следовательно, и коэффициент теплопередачи.

Коэффициент теплоотдачи в змеевиковых теплообменниках между стенкой и конденсирующимся паром или жидким теплоносителем с внутренней стороны достаточно высокий вследствие повышенных скоростей потока и криволинейного течения жидкости.

Длина змеевика должна быть рассчитана таким образом, чтобы не было переохлаждения конденсата или жидкости на выходе из теплообменника. При накоплении конденсата в змеевике ухудшается теплообмен, затрудняется отвод неконденсирующихся газов, увеличивается гидравлическое сопротивление, что в свою очередь вызывает повышение давления рабочей среды на входе в змеевик.

В тех случаях, когда расчетную поверхность теплообмена невозможно скомпоновать в виде одного змеевика, параллельно включают несколько секций змеевиков. Если в качестве греющей среды используется водяной пар, то его подают в змеевик сверху (конденсат отводится снизу), если жидкость-то направление ее движения выбирается в соответствии с условиями работы аппарата. Поверхность теплообмена погружных змеевиковых теплообменных аппаратов выполняется из стальных, медных, латунных, алюминиевых или свинцовых труб, а также из кислотоупорных материалов - стекла, керамики или пластмасс.

К недостаткам погружных змеевиковых теплообменников следует отнести большой их объем, а следовательно, большой расход металла на единицу поверхности. Практически невозможно механически очистить поверхность теплообмена.

Длина змеевика должна быть рассчитана таким образом, чтобы не было переохлаждения конденсата или жидкости на выходе из теплообменника. При накоплении конденсата в змеевике ухудшается теплообмен, затрудняется отвод неконденсирующихся газов, увеличивается гидравлическое сопротивление, что в свою очередь вызывает повышение давления рабочей среды на входе в змеевик.

В тех случаях, когда расчетную поверхность теплообмена невозможно скомпоновать в виде одного змеевика, параллельно включают несколько секций змеевиков. Если в качестве греющей среды используется водяной пар, то его подают в змеевик сверху (конденсат отводится снизу), если жидкость-то направление ее движения выбирается в соответствии с условиями работы аппарата. Поверхность теплообмена погружных змеевиковых теплообменных аппаратов выполняется из стальных, медных, латунных, алюминиевых или свинцовых труб, а также из кислотоупорных материалов - стекла, керамики или пластмасс.

Простота устройства, доступность для осмотра, ремонта и очистки труб, несколько меньший расход охлаждающей воды (жидкой среды) по сравнению с погружными змеевиковыми теплообменниками способствуют распространенному применению их в промышленности и на транспорте.

Размещено на Allbest.ru