Одной из таких нежёстких конструкций теплообменника является теплообменник, в котором трубы закреплены в трубной решётке сальниковыми уплотнениями (рис. 20, г). Однако, как отмечалось выше, установка сальникового уплотнения на каждую трубу теплообменника слишком трудозатратна, что сказывается на стоимости такого теплообменника. Кроме того, сальниковое уплотнение не может выдержать повышенных давлений, и в целом менее надёжно, чем другие виды крепления труб в трубных решётках.

При небольших температурных деформациях (не более 10-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа) в качестве устройства для компенсации температурных деформаций может быть использован линзовый компенсатор (рис. 23, а). Линзовый компенсатор представляет собой гибкую складку на кожухе теплообменника и компенсирует температурные деформации своим осевым сжатием или расширением. Линзовый компенсатор прост, его установка не влияет существенно на стоимость теплообменника, однако он значительно снижает прочность кожуха, что ограничивает его применение.

Если отказаться от нижней трубной решётки и изогнуть трубы, закрепив обоими концами в верхней трубной решётке, то в таком теплообменнике с

U-образными трубами (рис. 23, б, рис. 24) они смогут удлиняться или сокращаться независимо от кожуха. Очевидно, что никаких механических напряжений при этом не возникнет. Такие аппараты не имеют ограничений по температурным деформациям и давлению в межтрубном пространстве, как аппараты с линзовым компенсатором. Однако в таких аппаратах усложняется монтаж труб, затруднена очистка их внутренней поверхности.

абв

Рис. 23. Кожухотрубчатые теплообменники с устройствами для компенсации температурных деформаций:

а - теплообменник с линзовым компенсатором (полужёсткая конструкция);

б - теплообменник с U-образными трубами; в - теплообменник с плавающей головкой; 1 - кожух; 2 - трубы; 3 - линзовый компенсатор; 4 - плавающая головка;

I, II - теплоносители

Рис. 24. Трубчатка теплообменника с U-образными трубами

Если сделать нижнюю трубную решётку не связанной с кожухом, снабдив отдельной крышкой, то она может независимо от кожуха перемещаться вдоль оси при температурных деформациях. Такой аппарат называют теплообменником с плавающей головкой (рис. 23, в). Обладая теми же достоинствами, что и аппарат с U-образными трубами, он лишён недостатков, связанных спроблемой монтажа труб и механической очистки их внутренних поверхностей. Однако стоимость таких аппаратов несколько выше.

Следует отметить, что и теплообменник с U-образными трубами, и теплообменник с плавающей головкой, изображённые на рис. 23, не могут обеспечить фазовый переход теплоносителя в трубном пространстве (как и многоходовые теплообменники), то есть не могут быть использованы в качестве испарителей. В том случае, если необходим теплообменник-испаритель, а без компенсации температурных деформаций обойтись невозможно, применяют теплообменные аппараты с паровым пространством (рис. 25).

аб

Рис. 25. Теплообменники с паровым пространством:

а - с плавающей головкой; б - с U-образными трубами;

1 - штуцер выхода паров; 2 - кожух; 3 - штуцер остатков продукта; 4 - отражательная перегородка; 5 - плавающая головка;

6 - теплообменные трубы; 7 - штуцер входа жидкости;

8 - неподвижная трубная решётка; 9 - распределительная камера

Достоинства кожухотрубчатых теплообменников:

1) Большая площадь поверхности теплопередачи при относительно компактных размерах кожухотрубчатого теплообменника.

2) Простота изготовления.

3) Расход материала на изготовление сравнительно невелик.

3) Надёжны в работе.

4) Способны работать под большими давлениями.

Недостатки кожухотрубчатых теплообменников:

1) Не способны работать при низких расходах теплоносителей.

2) Трудности изготовления из материала, не допускающего развальцовки и сварки.

3) Трудности при осмотре, чистке и ремонте.

Элементные (секционные) теплообменники

Устройство и принцип работы

Элементные (секционные) теплообменники (рис. 26) представляют собой ряд последовательно соединённых одноходовых кожухотрубчатых теплообменников, что позволяет существенно повысить скорость движения теплоносителей в межтрубном и трубном пространствах.



аб

Рис. 26. Секционный теплообменник:

а - вид в разрезе; б - схема устройства

Достоинства элементных (секционных) теплообменников:

1) Высокая скорость движения теплоносителей.

2) Возможность работы при больших давлениях, благодаря меньшему, чем у кожухотрубчатых теплообменников диаметру кожуха.

3) Меньшее гидравлическое сопротивление межтрубного пространства, чем у кожухотрубчатых, благодаря отсутствию сегментных перегородок.

Недостатки элементных (секционных) теплообменников:

1) Более громоздки, чем кожухотрубчатые теплообменники.

2) Более высокая стоимость изготовления, чем у кожухотрубчатых теплообменников.

3.1 Двухтрубчатые теплообменники

Устройство и принцип работы

Двухтрубчатые теплообменники, применяемые при небольших тепловых нагрузках, когда требуемая поверхность теплообмена не превышает 30 м², часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединённых элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис. 27). Один теплоноситель I движется по внутренним трубам 1, другой теплоноситель II - по кольцевому зазору, образован- ному внешними и внутренними трубами 2. Внутренние трубы соединяются с помощью «калачей» 3, а наружные с помощью соединительных патрубков 4.

Рис. 27. Неразборный однопоточный теплообменник типа «труба в трубе»:

1 - внутренняя труба; 2 - внешняя труба;

3 - соединительное колено (калач); 4 - соединительный патрубок

Теплообменники типа «труба в трубе» могут быть следующих видов: неразборные однопоточные (рис. 27), разборные однопоточные (рис. 28), разборные двух- и многопоточные (рис. 29). Неразборные однопоточные теплообменники изготавливают путём сварки труб. Длина элемента такого теплообменника обычно составляет 3ч6 м, диаметр наружной трубы 76ч159 мм, внутренней - 57ч108 мм. Эти теплообменники могут иметь один ход или несколько (обычно чётное число) ходов. Чистка таких теплообменников затруднена, поэтому срок службы таких теплообменников недолог. Однако их низкая стоимость позволяет часто заменять такие теплообменники на новые.

Разборные теплообменники типа «труба в трубе» более сложны в изготовлении и дороги. В таких теплообменниках трубы крепятся в трубных решёт ках и герметизируются с помощью сальниковых уплотнений, что позволяет без особых трудностей осуществлять чистку и ремонт. Однопоточный разборный теплообменник с наружными трубами малого диаметра (не более 57 мм) имеет распределительную камеру для наружного теплоносителя, разделённую на две зоны продольной перегородкой (рис. 28). При большом диаметре наружных труб (более 57 мм) теплообменник выполняется без распределительной камеры, так как штуцер можно приварить непосредственно к наружным трубам.

Рис. 28. Разборный однопоточный теплообменник типа «труба в трубе»:

1 - теплообменная (внутренняя) труба; 2 - распределительная камера для наружного теплоносителя; 3 - кожуховая (внешняя) труба; 4 - крышка

Двухпоточный разборный теплообменник (рис. 27) имеет две распределительные камеры, а в крышке размещены два «калача». Поверхность теплообмена и проходные сечения для теплоносителей при прочих равных условиях в два раза больше, чем в однопоточном теплообменнике. Многопоточные теплообменники принципиально не отличаются от двухпоточных.

Рис. 29. Разборный двухпоточный теплообменник типа «труба в трубе»:

1, 2 - распределительные камеры соответственно для внутреннего и наружного теплоносиетелей; 3 - кожуховая (внешняя) труба; 4 - теплообменная (внутренняя) труба; 5 - крышка

Достоинства двухтрубчатых теплообменников:

1) Высокие коэффициенты теплоотдачи благодаря высоким скоростям движения теплоносителей.

2) Возможность работы при небольших расходах теплоносителей.

3) Возможность работы при высоких давлениях.

Недостатки двухтрубчатых теплообменников:

1) Относительно небольшие площади поверхности теплопередачи при значительных габаритных размерах теплообменника.

2) Большой расход материала на изготовление.

3) В неразборных двухтрубчатых теплообменниках затруднена чистка.

3.2 

3.2 Оросительные теплообменники

Устройство и принцип работы

Оросительные теплообменники применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы паров. Ороситель--ный теплообменник представляет собой змеевик (рис. 30) из размещённых друг над другом прямых труб 1, соединённых между собой «калачами» 2, по которым протекает охлаждаемый теплоноситель. Снаружи трубы орошаются водой, которую подают в желоб 3, обеспечивающий равномерное распределение воды по всей длине верхней трубы змеевика. Вода, последовательно перетекая по наружным поверхностям расположенных одна над другой труб змеевика, частично испаряется. Не испарившаяся вода поступает в корыто 4. За счёт испарения части воды процесс теплообмена идёт интенсивнее, а расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках других типов. Но при этом происходит необратимая потеря испарившейся воды, а также увлажнение окружающего воздуха. Поэтому оросительные теплообменники чаще устанавливают на открытом воздухе, а при установке в помещениях снабжают кожухом и подключают к системе вытяжной вентиляции.

Достоинства оросительных теплообменников:

1) Простота изготовления и низкая стоимость.

2) Лёгкость чистки наружных стенок труб.

3) Интенсификация теплообмена за счёт частичного испарения воды.

4) Меньший расход охлаждающей воды (по сравнению с холодильниками других типов).



Рис. 30. Оросительный холодильник:

1 - трубы; 2 - соединительные колена (калачи); 3 - желоб для распределения охлаждающей воды; 4 - корыто для сбора воды

Недостатки оросительных теплообменников:

1) Безвозвратная потеря испарившейся воды и увлажнение воздуха.

2) Громоздкость оросительных теплообменников (особенно снабжённых кожухами для работы внутри помещений).

3) Неравномерность смачивания труб (нижние ряды могут слабо смачиваться и практически не участвовать в теплообмене).

3.3 Погружные теплообменники

Устройство и принцип работы

Погружные теплообменники (рис. 31) представляют собой змеевик 2, помещённый в сосуд 1 с жидким теплоносителем I. Другой теплоноситель II движется внутри змеевика. Скорость движения теплоносителя I в сосуде аппарата мала вследствие большой площади сечения аппарата, что обуславливает низкие значения коэффициента теплоотдачи между наружной поверхностью змеевика и теплоносителем I. Иногда для увеличения коэффициента теплоотдачи увеличивают скорость циркуляции теплоносителя в аппарате путём установки направляющего стакана 3, который упорядочивает движение теплоносителя, заставляя его направленно обтекать змеевик. При этом жидкость движется либо за счёт естественной конвекции, либо принудительно под действием мешалки 4. Зачастую погружной змеевик крепят к крышке аппарата, что позволяет при чистке и ремонте извлекать его из аппарата вместе со снятой крышкой.

Рис. 31. Теплообменный аппарат с погружным змеевиком:

1 - сосуд аппарата; 2 - змеевик; 3 - стакан; 4 - мешалка; I, II - теплоносители

При большом количестве этого теплоносителя применяют змеевики из нескольких параллельных секций (рис. 32, а). При больших размерах аппарата возникают сложности с изготовлением спиральных змеевиков. В этом случае змеевик может быть изготовлен из прямых труб, соединенных «калачами» (рис. 32, б).

Достоинства погружных теплообменников:

1) Простота устройства и низкая стоимость изготовления.

2) Доступность наружной поверхности для чистки.

3) Возможность работы при больших давлениях внутри змеевика.

4) Высокий коэффициент теплоотдачи внутри змеевика за счёт высокой скорости теплоносителя в змеевике.

Недостатки погружных теплообменников:

1) Небольшая поверхность теплопередачи (менее 15 м²).

2) Недоступность внутренней поверхности змеевика для чистки.

3) Низкий коэффициент теплоотдачи со стороны наружной поверхности змеевика.

аб

Рис. 32. Аппараты с погружными теплообменниками:

а - с тремя соосными спиральными змеевиками; б - с прямыми трубами

3.4 

3.4 Теплообменники с наружными змеевиками

Устройство и принцип работы

Довольно широкое применение в химической технологии находят аппараты с наружными змеевиками (рис. 33). К стенкам аппаратов (обычно реакторов) снаружи приваривают змеевики, изготовленные из полуцилиндров или угловой стали (рис. 33, б, в). Если необходимо обеспечить в змеевика высокое давление теплоносителя (например, перегретой воды при 25 МПа), то змеевик изготавливают из труб, приваривая их к корпусу аппарата многослойным швом (рис. 33, а). Гораздо сложнее изготовить аппарат, в стенки которого змеевик

«залит» (рис. 33, г), поэтому такие аппараты используют довольно редко, не- смотря на то, что они являются наиболее надёжными.

абвг

Рис. 33. Аппараты с наружными змеевиками:

а, б, в - с приваренными снаружи змеевиками; г - со встроенными в стенку змеевиками; 1 - корпус аппарата; 2 - змеевик; 3 - металлическая прокладка

Достоинства наружных змеевиков:

1) Возможность работы при больших давлениях внутри змеевика.

2) Простота устройства и надёжность.

3) Возможность разделить змеевик на секции, питаемые теплоносителем независимо, и за счёт такого разделения регулировать нагрев или охлаждение.

4) Высокий коэффициент теплоотдачи внутри змеевика за счёт высокой скорости теплоносителя в змеевике.

Недостатки наружных змеевиков:

1) Небольшая поверхность теплопередачи (менее 15 м²).

2) Недоступность внутренней поверхности змеевика для чистки.

3) Низкий коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны корпуса аппарата.

3.5 Оребрённые теплообменники

Устройство и принцип работы

В технике достаточно часто встречаются процессы теплообмена, в которых коэффициенты теплоотдачи по разные стороны поверхности теплопередача резко различаются по величине. Так, например, при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром коэффициент теплоотдачи от пара к стенке состав

ляет примерно 10 000ч15 000 Вт/(м²·К), а от стенки к нагревающему воздуху 10ч15 Вт/(м²·К). В этом случае оребрение труб со стороны воздуха позволяет существенно повысить тепловую нагрузку теплообменника за счёт увеличения поверхности теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи. Этот принцип используют при нагреве и охлаждении газов и сильновязких жидкостей.



Рис. 34. Элементы трубчатого теплообменника с поперечным оребрением:

а - прямоугольные рёбра; б - трапециевидные рёбра

Очевидно, что материал, из которого изготавливают ребристые трубы, должен иметь большой коэффициент теплопроводности. Для снижения гидравлического сопротивления поверхность рёбер должна быть параллельна направлению движения потока теплоносителя. Форма рёбер может быть различной. Наиболее часто используют рёбра прямоугольного (рис. 34, а) и трапециевидного (рис. 34, б) сечения.

Конструкции оребрённых теплообменников весьма разнообразны, причём разработаны конструкции как с оребрёнными трубами (рис. 35), так и с плоскими поверхностями теплообмена (рис. 36).

аб

Рис. 35. Оребрение труб поперечное (а) и продольное «плавниковое» (б)

На рис. 37 представлен широко распространённый теплообменник для нагрева воздуха - пластинчатый калорифер. Поверхность теплоотдачи со стороны воздуха в таком теплообменнике достаточно велика, что позволяет проводить теплообмен за счёт естественной конвекции воздуха. Соприкасаясь с пластинами теплообменника, воздух нагревается, его плотность уменьшается, и он поднимается вверх, а на его место приходит новая порция холодного воздуха. По такому принципу работают бытовые системы парового отопления, которые также являются оребрёнными воздушными калориферами. Однако принудительная циркуляция воздуха существенно улучшает теплоотдачу. С этой целью пластинчатый калорифер помещают в корпус, а подачу воздуха осуществляют с помощью вентиляторов и воздуходувок.

Рис. 36. Оребрение гофрированием плоских поверхностей теплообмена

Рис. 37. Пластинчатый калорифер для нагрева воздуха

Если целевым процессом является не нагрев воздуха, а охлаждение воздухом горячего теплоносителя, то такие аппараты называют теплообменниками воздушного охлаждения (рис. 38). Основными элементами теплообменников

воздушного охлаждения являются пучок оребрённых труб и мощный осевой вентилятор, создающий интенсивный поток воздуха через трубный пучок. Теплообменники воздушного охлаждения получают все более широкое применение. Это объясняется гораздо меньшей стоимостью воздуха как хладагента, по сравнению с водой.

Рис. 38. Теплообменник воздушного охлаждения:

1 - вход охлаждаемого продукта; 2 - выход охлаждённого продукта; 3 - вход воды для увлажнения воздуха

Достоинства оребрённых теплообменников:

1) Возможность работы со сложными (с точки зрения теплообмена) теплоносителями - воздухом и высоковязкими жидкостями.

2) Большая поверхность теплоотдачи со стороны сложного (с точки зрения теплообмена) теплоносителя при высокой компактности теплообменного аппарата.

3) Возможность использования в качестве хладагента воздуха, что экономически выгодно, поскольку позволяет сэкономить на более дорогой, чем воздух, водооборотной воде.

Недостатки оребрённых теплообменников:

1) Для изготовления пластин-оребрений требуется материал с высокой теплопроводностью (сталь подходит не всегда, зачастую используется алюминий или медь).

2) Теплообменники воздушного охлаждения всё же существенно более громоздки, чем теплообменники для охлаждения водой.

3.6 Пластинчатые теплообменники

Устройство и принцип работы

Пластинчатые теплообменники относятся к подклассу теплообменников с плоской поверхностью теплопередачи. Поверхностью теплопередачи в этих теплообменниках являются гофрированные параллельные пластины (рис. 39), которые установлены в раму и стянуты в пакет. Все пластины в пакете одинаковы, только развернуты одна за другой на 180°, поэтому при стягивании пакета пластин образуется система узких волнистых каналов (рис. 40) шириной 3ч6 мм, по которым и протекают теплоносители. Такая установка пластин обеспечивает чередование горячих и холодных каналов (рис. 41). В процессе теплообмена жидкости движутся навстречу друг другу (в противотоке). В местах их возможного перетекания находится либо стальная пластина, либо двойное резиновое уплотнение, что практически исключает смешение жидкостей.



аб

Рис. 39. Гофрированные пластины пластинчатых теплообменников:

а - обычные (симметричные) пластины; б - пластины с рисунком «ассиметричная ёлочка»; 1 - прокладка, ограничивающая пространство первого теплоносителя; 2, 3 - отверстия для входа и выхода первого теплоносителя; 4 - прокладка, ограничивающая пространство второго теплоносителя; 5, 6 - отверстия для прохода второго теплоносителя

Рис. 40. Характер движения потока жидкости в канале, образованном двумя соседними гофрированными пластинами

Рис. 41. Схема движения теплоносителей в пластинчатом теплообменнике

Разборный пластинчатый теплообменник (рис. 42) представляет собой пакет гофрированных пластин, зажатый в специальном станке, подобном тому, что используется для рамного фильтр-пресса. Сжатие пакета пластин в станке, состоящем из подвижной плиты 8 и неподвижной плиты, направляющих стержней 7 и 13, стойки 9 и стяжного винтового устройства 10, обеспечивает плотное прилегание прокладок между пластинами 6. Теплоноситель I поступает через штуцер 12 и движется по проходу 15, образованному отверстиями в пластинах. Продвигаясь по проходу, теплоноситель I распределяется по нечётным каналам (считая слева направо), образованным гофрированными пластинами 6. Отработанный теплоноситель I собирается в проход 4, и по нему направляется к выходному штуцеру 2. Теплоноситель II, поступая через штуцер 1 и двигаясь по проходу 5, распределяется по чётным каналам. Отработанный теплоноситель II собирается в проход 14 и по нему направляется к выходному штуцеру 11.



Рис. 42. Разборный пластинчатый теплообменник «фильтр-прессного» типа:

1 - штуцер ввода теплоносителя II;, 2 - штуцер вывода теплоносителя I; 3 - неподвижная плита;

4 - проход для движения отработанного теплоносителя I; 5 - проход для движения свежего теплоно- сителя II; 6 - гофрированные пластины; 7 - верхний направляющий стержень; 8 - подвижная плита; 9 - неподвижная стойка; 10 - стяжное винтовое устройство; 11 - проход для движения отработанного теплоносителя II; 12 - штуцер ввода теплоносителя I; 13 - нижний направляющий стержень;

14 - проход для движения отработанного теплоносителя II; 15 - проход для движения свежего теплоносителя I

На рис. 43 представлены разборные пластинчатые теплообменники. Такие аппараты достаточно просты в изготовлении, их легко разбирать для чистки и ремонта. Однако герметизация пластин представляет серьёзную проблему, поэтому они не могут работать при высоких давлениях. Эта проблема практически исчезает в сварных или паяных пластинчатых теплообменниках (рис. 44), однако последние являются неразборными, а значит, затруднены их чистка и ремонт. Применяют также полуразборные пластинчатые теплообменники, где пластины сварены попарно. В полуразборных теплообменниках для одного теплоносителя возможно создание более высокого давления, но затруднена чистка его пространства, а пространство второго доступно для чистки, но его давление ограничено.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 43. Внешний вид разборных пластинчатых теплообменников



Рис. 44. Внешний вид неразборных (сварных) пластинчатых теплообменников

Одно из существенных преимуществ пластинчатых теплообменников перед другими видами теплообменных аппаратов заключается в возможности различных схем пакетной компоновки пластин. Пакетом в данном случае названа группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении (сверху вниз или наоборот). Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках. На рис. 45 даны примеры различных схем компоновки. При заданном расходе теплоносителя увеличение числа па- кетов приводит к увеличению скорости теплоносителя, что интенсифицирует теплоотдачу, но увеличивает гидравлическое сопротивление. В условном обозначении схему компоновки число слагаемых в числителе соответствует числу

пакетов для горячего теплоносителя, в знаменателе - для холодного. Каждое слагаемое означает число параллельных каналов в пакете.

Рис. 45. Примеры компоновки пластин в пластинчатых теплообменниках:

а - однопакетная схема; б - симметричная двухпакетная схема;

в - несимметричная схема (три пакета для горячего теплоносителя, два - для холодного)

Достоинства пластинчатых теплообменников:

1) Пластинчатые теплообменники компактны (в 4ч8 раз меньше по габаритным размерам равных по площади поверхности теплопередачи кожухотрубчатых теплообменников).

2) Пластинчатые теплообменники обеспечивают высокий коэффициент теплопередачи 3000ч4000 Вт/(м²·К) (что более чем в 3 раза выше, чем в кожу- хотрубчатых), благодаря высокой скорости теплоносителей в каналах (1ч3 м/с), при сравнительно невысоких для таких скоростей гидравлических сопротивлениях.

3) Разборные пластинчатые теплообменники удобны для обслуживания, чистки и ремонта.

4) Возможность различных схем компоновки пластин, что позволяет подобрать оптимальный режим работы при заданных расходах теплоносителей.

Недостатки пластинчатых теплообменников:

1) Невозможность работы при высоких давлениях из-за недостаточной герметичности прокладок у разборных пластинчатых теплообменников и опасности деформации пластин у сварных (разборные теплообменники работают при давлениях до 1 МПа, сварные - до 4 МПа).

2) Проблема обслуживания сварных пластинчатых теплообменников -

чистка и ремонт затруднены.

3.7 Спиральные теплообменники

Устройство и принцип работы

В спиральных теплообменниках (рис. 46) поверхность теплообмена образована двумя длинными металлическими листами 1 и 2, свёрнутыми по спирали. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке 3. Между листами образованы два изолированных друг от друга спиральных канала прямоугольного сечения шириной 2ч12 мм. По каналам противотоком движутся теплоносители I и II. Иногда ширину канала фиксируют дистанционной полосой (штифтом) 7, которая обеспечивает одинаковое по всей длине каналов расстояние между листами, а также способствует упрочнению конструкции аппарата в целом. С торцов аппарат закрыт плоскими крышками 4 с уплотняющей прокладкой 6 между крышками и листами, изготавливаемая из резины, паронита, асбеста или мягкого металла. Крышки крепят болтами к фланцам 5. Штуцера для ввода и вывода теплоносителей крепятся на крышки и возле наружных концов свёрнутых в спираль листов. Спиральные теплообменники могут быть установлены как вертикально (рис. 46), так и горизонтально (рис. 47).

Спиральные теплообменники бывают разборными и неразборными сварными. Сварные теплообменники дешевле, но они не обладают таким преимуществом как возможность разборки, из-за чего затруднена их очистка.

Достоинства спиральных теплообменников:

1) Спиральные теплообменники компактны, обеспечивают большую площадь поверхности теплоотдачи (до 100 м²) при относительно небольших габаритных размерах.

2) Спиральные теплообменники обеспечивают высокий коэффициент теплопередачи, благодаря высокой скорости теплоносителей в каналах (1ч2 м/с), при сравнительно невысоких для таких скоростей гидравлических сопротивлениях.



Рис. 46. Схема устройства вертикального спирального теплообменника:

1, 2 - металлические листы; 3 - пластина-перегородка; 4 - крышки; 5 - фланцы; 6 - прокладка; 7 - дистанционная полоса;

I, II - теплоносители

Рис. 47. Внешний вид горизонтального спирального теплообменника

Недостатки пластинчатых теплообменников:

1) Невозможность работы при высоких давлениях (не более 1 МПа) из-за недостаточной герметичности прокладок.

2) Сложны в изготовлении.

3.8 Аппараты с двойными стенками (рубашками)

Устройство и принцип работы

Теплообменные аппараты с рубашками (рис. 48) используются в химической технологии как обогреваемые или охлаждаемые сосуды для проведения химических реакций. Как правило, они работают под избыточным давлением и в зависимости от характера технологического процесса носят название автоклавов, нитраторов, полимеризаторов, варочных аппаратов и др.

На рис. 48 представлен аппарат с греющей рубашкой. Корпус 1 аппарата снабжён с наружной стороны рубашкой 2, в которую сверху подаётся пар. К корпусу рубашку крепят с помощью сварки или болтами (шпильками). В случае, когда рубашка приварена, её очистка и ремонт затруднены.

Достоинства аппаратов с рубашками:

1) Удобство доступа к внутренней поверхности аппарата для её очистки.

2) Простота устройства.



Рис. 48. Аппарат с греющей рубашкой (а) и способы её присоединения

(б - фланцевое, в - сварное):

1 - корпус аппарата; 2 - греющая рубашка; 3 - кольца; 4 - фланцы

Недостатки аппаратов с рубашками:

1) Небольшая поверхность теплопередачи (менее 15 м²).

2) Ограниченность давления в рубашке (до 1 МПа) вследствие того, что стенка рубашки может деформироваться под действием высоких давлений.

3) Низкий коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны корпуса аппарата, для повышения которого необходимо осуществлять перемешивание с помощью мешалок или барботажом сжатого воздуха или пара.

4) Невысокий коэффициент теплоотдачи в рубашке, в том случае, если нагрев или охлаждение осуществляется жидким теплоносителем, поскольку площадь сечения потока в рубашке достаточно велика, а скорость теплоносителя в итоге низка (проблемы не возникает в случае обогрева конденсирующимся паром).

3.9 Блочные теплообменники

Устройство и принцип работы

Блочные теплообменники часто называют графитовыми, поскольку большинство блочных теплообменников, применяемых в химической технологии, изготовлено из этого материала. Реже встречаются блочные теплообменники из других материалов, например, из фторопласта. Однако все другие материалы, не уступающие графиту по химической стойкости и, вместе с тем, имеющие достаточную теплопроводность, существенно более дороги.

Рис. 49. Схема устройства блочного теплообменика:

1 - корпус аппарата; 2 - графитовые блоки; 3 - горизонтальные каналы; 4 - вертикальные каналы;

I, II - теплоносители

Основным элементом блочного теплообменника (рис. 49) является блок 2, имеющий форму параллелепипеда, в котором просверлены вертикальные 4 и горизонтальные 3 сквозные непересекающиеся отверстия. Теплообменный ап-парат состоит из одного или нескольких блоков, помещённых в корпус 1, который обеспечивает распределение теплоносителей по отверстиям. Теплоноситель II, движущийся по вертикальным каналам-отверстиям, может иметь один или два хода, в зависимости от конструкции крышки и днища. Теплоноситель I, движущийся по горизонтальным каналам-отверстиям, имеет число ходов на единицу большее, чем число блоков в теплообменнике.

Достоинства блочных теплообменников:

1) Химическая стойкость материала теплообменника (чаще всего, графита) позволяет использовать теплообменник для нагрева или охлаждения химически агрессивных жидкостей, когда использование теплообменников из других материалов невозможно.

2) Высокая теплопроводность графита (92ч116 Вт/(м·К)), благодаря которой значительная толщина стенок между каналами не ухудшает существенно теплопередачу.

Недостатки блочных теплообменников:

1) Блочные теплообменники более громоздки, чем сравнимые по площади поверхности теплопередачи кожухотрубчатые и пластинчатые.

2) Более высокая стоимость блочного теплообменника ограничивает его использование (блочные теплообменники целесообразно использовать только в том случае, если использование других теплообменных аппаратов невозможно из-за химической агрессивности теплоносителей).

3.10 Градирни

Устройство и принцип работы

Одними из самых распространенных смесительных теплообменников являются градирни. Первоначально градирни служили для сгущения (концентрирования) солевого раствора при добыче соли выпариваением. Отсюда проистекает и название этих устройств: gradieren (нем.) - сгущать соляной раствор. В настоящее время градирня - это устройство для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха. Иногда градирни называют также охладительными башнями (англ. cooling tower).

Рис. 50. Градирни с естественной (а) и принудительной (б) тягой: 1 - поддоны; 2 - слои насадки; 3 - распределители охлаждающей воды; 4 - полая часть градирни для обеспечения естественной тяги; 5 - осевой вентилятор; 6 - брызгоотбойник

Градирни (рис. 50) представляют собой полые башни, в которых сверху разбрызгивается охлаждаемая вода, а снизу вверх движется воздух. Движение воздуха обеспечивается либо естественной тягой (рис. 50, а), либо, если размеры градирни недостаточны для возникновения тяги, с помощью вентилятора (рис. 50, б). Расположенная внутри градирни насадка 2 служит для увеличения поверхности контакта между водой и воздухом. Вода в градирне охлаждается не столько за счёт передачи тепла более холодному воздуху, сколько за счёт испарительного охлаждения - охлаждения большей части воды за счёт испарения меньшей её части. Так испарение 1 % воды приводит к охлаждению остальной части воды примерно на 5,5 °С.

Наиболее широко градирни используются в водооборотных циклах химических предприятий (рис. 16), где служат для охлаждения отработанной воды, после которого вода может быть повторно использована как хладагент, что значительно сокращает расходы на водоподготовку.

Достоинства градирен:

1) Низкая стоимость процесса охлаждения (благодаря тому, что в качестве хладагента выступает воздух).

2) Простота конструкции.

3) Относительно невысокая стоимость обслуживания.

4) Большая производительность по охлаждаемой воде.

Недостатки градирен:

3.5.1.1. Громоздкость конструкции (особенно у градирен с естественной тягой).

3.5.1.2. Невосполнимые потери воды вследствие испарения.

3.5.1.3. Небольшая глубина охлаждения (в градирне вода охлаждается не более чем на 15-20 градусов от своей первоначальной температуры).

3.11 Барометрические конденсаторы

Устройство и принцип работы

К смесительным теплообменным аппаратам относятся конденсаторы смешения, предназначенные для конденсации паров путём их непосредственного контакта с жидкостью (чаще всего водой). Барометрические конденсаторы, помимо конденсации паров и охлаждения неконденсирующихся газов, обеспечивают поддержание вакуума в системе. Барометрические конденсаторы применяют для создания вакуума в аппаратах с паровой фазой, в частности в выпарных установках.

Наиболее распространёнными являются противоточный барометрический конденсатор с перфорированными полками (рис. 51, а) и противоточный барометрический конденсатор с кольцевыми полками (рис. 51, б). В этих аппаратах пар вводят в корпус конденсатора 1, где по полкам 2 каскадно перетекает охлаждающая вода, образуя многочисленные завесы на пути пара. При контакте с водой пар конденсируется, возникающее при этом уменьшение объёма создаёт разрежение в корпусе барометрического конденсатора. Разрежение поддерживается с помощью столба жидкости в барометрической трубе 3, этот столб компенсирует атмосферное давление, действуя по тому же принципу, что и трубка Торричелли (ртутный барометр). Барометрическая трубка вместе с ёмкостью 4 образует гидрозатвор, препятствующий проникновению наружного воздуха в аппарат. Из ёмкости 4 воду удаляют в линию оборотной воды или в канализацию. Несконденсировавшийся воздух, попавший в аппарат вместе с паром или

охлаждающей водой, пропускают через ловушку 5, где отделяют от брызг, и откачивают вакуум-насосом.



Рис. 51. Противоточный барометрический конденсатор с перфорированными полками (а) и противоточный барометрический конденсатор с кольцевыми полками (б):

1 - корпус; 2 - полки; 3 - барометрическая труба; 4 - ёмкость; 5 - ловушка

Достоинства барометрических конденсаторов:

1) Высокая интенсивность процесса благодаря непосредственному контакту между конденсирующимся паром и охлаждающей водой.

2) Простота конструкции по сравнению с поверхностными конденсатора-ми.

Недостатки барометрических конденсаторов:

1) Использование возможно, только если допустимо смешение парового конденсата и охлаждающей воды.

3.12 

3.12 Регенеративные теплообменники

Устройство и принцип работы

Регенеративные теплообменники периодического действия (рис. 52) обычно состоят из двух аппаратов цилиндрической или прямоугольной формы, корпуса которых заполнены насадкой в виде свёрнутой в спираль гофрированной металлической ленты, кирпича, кусков шамота, листового металла и других материалов. Эта насадка нагревается, аккумулируя тепло, при соприкосновении с горячим теплоносителем, и отдаёт накопленное тепло, соприкасаясь с холодным теплоносителем.

Рис. 52. Схема устройства регенеративных теплообменников с неподвижной насадкой: 1, 2 - регенеративные теплообменники с насад- кой; 3, 4 - клапаны; I, II - теплоносители

Цикл работы каждого из аппаратов состоит из двух периодов: периода нагрева насадки и периода её охлаждения. В то время как в первом аппарате происходит нагрев насадки путём пропускания через неё горячего теплоносителя, во втором аппарате насадка охлаждается, отдавая тепло проходящему через неё холодному теплоносителю. Затем с помощью клапанов происходит переключение аппаратов, теперь в первый аппарат поступает холодный теплоноситель, контактируя с нагретой в предыдущем периоде насадкой, а во второй аппарат - горячий теплоноситель, нагревая остывшую насадку. Таким образом, в целом установка работает непрерывно, благодаря автоматическому переключению потоков.

Основным элементом блочного теплообменника (рис. 49) является блок 2, имеющий форму параллелепипеда, в котором просверлены вертикальные 4 и горизонтальные 3 сквозные непересекающиеся отверстия. Теплообменный апаппарат - горячий теплоноситель, нагревая остывшую насадку. Таким образом, в целом установка работает непрерывно, благодаря автоматическому переключению потоков.

Рис. 53. Схема устройства регенеративных теплообменников с подвижной насадкой: 1 - камера нагревания насадки; 2 - переток на-

садки между камерами; 3 - камера охлаждения насадки; 4 - сборник охлаждённой насадки;

4 - транспортер (элеватор) насадки; 6 - бункер охлаждённой насадки; I - теплагент; II - хлада- гент

Другой тип регенераторов - это регенераторы непрерывного действия с подвижной насадкой. Подвижная насадка может представлять собой слой зернистого материала. Такая насадка движется под собственным весом через аппарат, состоящий из двух последовательно расположенных камер (рис. 53). Проходя через верхнюю камеру 1 слой насадки нагревается, аккумулирую тепло горячего теплоносителя, а при проходе насадки через нижнюю камеру 3 накопленное тепло отдаётся холодному теплоносителю. Остывшая насадка попадает в сборник 4, откуда элеватором 5 переносится в бункер 8, из которого дозирующим устройством вновь подаётся в верхнюю камеру.

Достоинства регенеративных теплообменников:

1) Простота устройства.

2) Возможность работы со значительными количествами теплоносителей.

3) Относительно невысокая стоимость обслуживания.

4) Возможность работы при высоких температурах (например, с дымовыми газами доменных печей).

Недостатки регенеративных теплообменников:

1) Громоздкость конструкции.

2) Необходима значительная разница температур теплоносителей, чтобы движущая сила процесса теплопередачи была достаточной на обоих стадиях процесса.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 10-е изд. стереотип., доработ. Перепеч. с изд. 1973 г. М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. 753 с.

2. Фраас А., Оцисик М. Расчёт и конструирование теплообменников. Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1971. 358 с.

3. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии: Часть 1. М.: Химия, 1992. 419 с.

4. Плановский А. Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Госхимиздат, 1962. 844 с.

5. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Книга 1. М.: Химия, 1981. 812 с.

6. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Книга 1/ В. Г. Айнштейн, М. К. Захаров, Г. А. Носов, В. В. Захаренко, Т. В. Зиновкина, А. Л. Таран, А. Е. Костанян. М.: Химия, 1999. 888 с.

7. Ульянов Б. А., Бадеников В. Я., Ликучёв В. Г. Процессы и аппараты химиче- ской технологии в примерах и задачах. Ангарск: Издательство АГТА, 2006. 743 с.

8. Игнатович Э. Химическая техника. Процессы и аппараты. Пер. с нем. М.: Техносфера, 2007. 656 с.

Размещено на Allbest.ru

...