Конструкции теплообменных аппаратов

Классификация теплообменных аппаратов. Теплообменные аппараты имеют разнообразное конструктивное оформление, которое зависит от характера и условий протекающих в них процессов. В связи с разнообразием требований в промышленности используются теплообменные аппараты различных типов, которые классифицируются:

– по назначению: для проведения теплопередачи без изменения агрегатного состояния рабочей среды (нагреватели, охладители), проведения теплопередачи с изменением агрегатного состояния рабочих сред (испарители, кипятильники, конденсаторы), одновременного проведения технологического процесса и теплопередачи (реакторы, абсорберы, теплообменники, встроенные в установки);

– роду рабочих сред: паро-жидкостные; жидкостно-жидкостные; газо-жидкостные; газо-газовые;

– взаимному направлению движения рабочих сред: прямоточные, в которых обе среды движутся в одном направлении; противоточные – обе среды движутся в противоположных направлениях; перекрестного тока – обе рабочие среды движутся во взаимно перпендикулярных направлениях; смешанного тока, в которых направления потоков рабочих сред возможны в различных сочетаниях (прямоток и противоток);

– характеру температурного режима в теплообменных аппаратах: аппараты с установившимся тепловым режимом, в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности теплообмена с течением времени не изменяется (теплообменники непрерывного действия); аппараты с неустановившимся тепловым режимом, в которых температура рабочей среды на данном участке поверхности теплообмена изменяется с течением времени (теплообменники периодического действия);

– конструктивному признаку: типа «труба в трубе», кожухотрубные, ламельные, пластинчатые, змеевиковые, спиральные, пластинчато-ребристые, оросительные, специальные (аппараты с рубашками, ребристые аппараты), комбинированные и др.

– принципу действия: рекуперативные (в них теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через эту стенку), регенеративные (в них рабочая поверхность попеременно омывается различными теплоносителями: при омывании одним из теплоносителей она нагревается за счет его теплоты; при омывании ее другим теплоносителем она охлаждается, передавая теплоту последнему) и смесительные, в которых передача теплоты происходит при непосредственном соприкосновении и смешении теплоносителей.

Теплообменники типа «труба в трубе». Они представляют собой один или несколько теплообменных элементов, расположенных один под другим (рис. 1). Каждый из элементов состоит из внутренней трубы 1 и охватывающей ее наружной трубы 2. Внутренние трубы отдельных элементов соединены последовательно коленами (калачами) 3. Наружные трубы соединены также последовательно патрубками 4. Теплоноситель I движется по внутренним трубам, теплоноситель II – по кольцевым каналам между трубами 1 и 2.

Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки внутренних труб. В этих теплообменниках обеспечиваются высокая скорость теплоносителей (даже при малых расходах) и высокая интенсивность теплообмена. Однако эти теплообменники громоздки и металлоемки, поэтому их применяют преимущественно для проведения процессов нагревания или охлаждения при высоких давлениях. При необходимости создания большой площади поверхности теплообмена устанавливают несколько параллельно соединенных элементов.

Кожухотрубные теплообменники – наиболее распространенный тип поверхностных теплообменников. Они допускают создание больших поверхностей теплообмена в одном аппарате, просты в изготовлении и надежны в работе.

Кожухотрубный вертикальный теплообменник с неподвижными трубными решетками (жесткой конструкции) состоит из цилиндрического корпуса, или кожуха 1, к которому с двух сторон приварены трубные решетки 2 (рис. 2). В трубных решетках закреплен пучок труб 3. К кожуху с помощью фланцев присоединены болтами крышки 5. Для ввода и вывода теплоносителей к корпусу (кожуху) и крышкам приварены патрубки 4. Теплообменник устанавливают на опорных лапах 6. Один поток теплоносителя (I) направляется через патрубок в нижнюю камеру, проходит по трубкам и выходит через патрубок в верхней камере, т. е. движется в трубном пространстве. Другой поток теплоносителя (II) вводится через верхний патрубок на кожухе в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи трубы и выводится через нижний патрубок, т. е. движется в межтрубном пространстве. Теплота от одного теплоносителя к другому передается через стенки труб.

Теплоносители обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемый теплоноситель направляют снизу вверх, а теплоноситель, отдающий теплоту, – в противоположном направлении. Такое направление движения каждого теплоносителя совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении. Кроме того, при указанных направлениях движения теплоносителей достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата.

Существует несколько способов размещения труб в трубных решетках: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников, по сторонам и вершинам квадратов и по концентрическим окружностям (рис. 3). Эти способы диктуются требованием наибольшей компактности теплообменника.

Преимущественное распространение имеет размещение труб по сторонам и вершинам правильных шестиугольников.

Трубы закрепляют в решетках развальцовкой, сваркой, а также пайкой, применяемой для соединения медных и латунных труб. Иногда используют соединение труб с решеткой посредством сальников, допускающих свободное продольное перемещение труб при температурных удлинениях и возможность их быстрой замены. Это позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.

Различают одноходовые и многоходовые кожухотрубные теплообменники. В одноходовом теплообменнике (см. рис. 2) один поток теплоносителей движется параллельно во всех трубах, другой – в межтрубном пространстве параллельно трубам. В многоходовом (по трубному пространству) теплообменнике (рис. 4, а) пучок труб разделен на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель I проходит последовательно. Разбивка труб на секции осуществляется перегородками 2 в верхнем и нижнем днищах 1 теплообменника. Путь теплоносителя I по четырем ходам показан стрелками. Этим достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве. На рис. 4, б показан многоходовый горизонтальный теплообменник, в котором увеличение скорости теплоносителя I в межтрубном пространстве достигается установкой ряда направляющих перегородок 2

Из двух теплоносителей, движущихся по трубному и межтрубному пространствам, нужно, в первую очередь, увеличивать скорость того, который при теплообмене имеет большее термическое сопротивление и, следовательно, обменивается теплотой при меньших значениях коэффициента теплоотдачи. В рассмотренных кожухотрубных теплообменниках (рис. 2, 4) трубы жестко закреплены в трубной решетке.

Вследствие разности температур между кожухом и трубами в них возникают температурные напряжения, которые могут привести к разрушению аппарата. Теплообменники с жестким креплением труб в трубной решетке надежно работают при разностях температур 25…30 °С. Если эта разность превышает указанные пределы, применяют теплообменники с различными компенсаторами температурных удлинений.

Пластинчатые теплообменники. Одними из перспективных видов теплообменных аппаратов являются пластинчатые. Основные требования к их конструкциям: обеспечение высокого коэффициента теплопередачи при наименьшем гидравлическом сопротивлении; минимальный расход материалов на единицу производительности аппарата; надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью к поверхности теплообмена для механической очистки ее от загрязнений; унификация узлов и деталей и технологичность механизированного изготовления разнообразных поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур и давлений.

Поверхность теплообмена образуется из отдельных пластин, а каналы для рабочей среды имеют щелевидную форму. Рабочая среда движется у поверхности теплообмена тонким слоем, что способствует интенсификации процесса теплоотдачи. Формы пластин и профили их поверхности разнообразны, а конструкции довольно сложны. Пластины располагают параллельно друг другу, причем между рабочими поверхностями двух смежных пластин создается небольшой зазор, образующий канал для рабочей среды, подвергаемой нагреванию или охлаждению. Пластины могут быть плоскими, с гладкими стенками и иметь прямоугольную, квадратную, круглую либо другую форму.

Малая толщина пластин и параллельная расстановка с малыми промежутками между пластинами позволяет разместить в пространстве рабочую поверхность теплообменника наиболее компактно с такой «плотностью», которая недостижима в других типах жидкостных теплообменников. Это в конечном счете приводит к тому, что пластинчатые теплообменные аппараты обладают при равной тепловой нагрузке значительно меньшими габаритными размерами и металлоемкостью, чем аппараты типа «труба в трубе», кожухотрубные и др.

На теплопередающих стенках могут остаться различные отложения, которые препятствуют процессу теплопередачи. Кроме того, при тепловой обработке термически нестойких продуктов на стенках образуется пригар. В этих случаях необходимо часто разбирать аппарат для очистки поверхности теплообмена от слоя пригара, осадка или остатков продукта. Пластины в этих аппаратах имеют прокладки для уплотнения межпластинных каналов при сборке всей системы.

Особенности конструкции пластины определяются конструкцией гофров или профилем рабочей теплообменной стенки; формой угловых отверстий для подвода и отвода рабочих сред с целью снижения гидравлического сопротивления участков входа и выхода; уплотнительной системой; системой подвески пластин на раме аппарата и фиксации положения пластин в пакете; устройством для безопасного обслуживания пакета пластин; устройством вспомогательных конструктивных элементов пластины, повышающих жесткость собранной системы, способствующих технологичности изготовления, создающих удобства обслуживания и ремонта и т. д.

Теплопередающие пластины классифицируются по форме профиля рабочей поверхности:

– на плоские;

– узкоканальчатые (со спиральными фрезерованными каналами, с зигзагообразными фрезерованными каналами, с зигзагообразными штампованными каналами, конические со спиральными каналами);

– с турбулизирующими вставками;

– на ленточно-поточные (с плоской рабочей поверхностью, с простыми горизонтальными гофрами, с рифлеными горизонтальными гофрами);

– сетчато-поточные (с прерывистыми турбулизаторами, с непрерывными турбулизаторами).

Каждая пластина имеет прокладки двух назначений: а) большая резиновая кольцевая прокладка, ограничивающая на лицевой стороне пластины канал для соответствующего потока рабочей среды и охватывающая также два угловых отверстия (с одной стороны пластины или по диагонали), через которые происходит приток среды в межпластинный канал и сток из него; б) две малые резиновые прокладки, изолирующие два остальных отверстия и создающие транзитный проход для второй рабочей среды.

Пластинчатые теплообменники по конструкции могут быть односекционными и многосекционными или комбинированными.

Односекционным пластинчатым теплообменником назовем аппарат, в котором в теплообмене участвуют только две рабочие среды.

В пищевой промышленности широкое применение находят и такие конструкции пластинчатых аппаратов, в которых происходит несколько видов тепловой обработки жидкого пищевого продукта – основной рабочей среды. Это достигается путем соединения в одном аппарате нескольких взаимосвязанных, но самостоятельных теплообменных зон, в которых, например, нагревают продукт паром с целью стерилизации или пастеризации, затем постепенно охлаждают его холодным продуктом, идущим на подогрев, потом холодной водой и, наконец, рассолом до конечной температуры. Такую конструкцию имеют известные пастеризационно-охладительные аппараты, которые принято называть комбинированными.

Элементом тракта движения жидкости в пластинчатом аппарате является канал – пространство между двумя соседними пластинами. Рабочая среда, входящая в аппарат, попадает в каналы через продольные коллекторы, образованные угловыми отверстиями пластин и малыми прокладками, окружающими эти отверстия.

Из коллектора рабочая среда распределяется обычно по нескольким параллельным каналам. Совокупность нескольких каналов, по которым рабочая среда течет в одном направлении, в практике проектирования называют пакетом. из первого пакета рабочая среда попадает в противоположный коллекторный канал, проходит по нему вдоль аппарата до очередной граничной пластины (пластины с заглушенным угловым отверстием) и распределяется по каналам второго пакета. Во втором пакете рабочая среда движется в направлении, противоположном ее движению в первом пакете. Второй пакет может быть по числу каналов равен первому или не равен ему.

При различном числе каналов в расположенных последовательно пакетах скорость движения рабочей среды в каждом пакете будет изменяться. При одинаковом числе каналов скорость рабочей среды практически не изменяется. Вторая рабочая среда, перемещение которой на схемах (рис. 9, а и рис. 9, б) показано штриховой линией, проходит по своему коллекторному каналу и движется затем в межпластинных каналах, смежных с каналами для первой рабочей среды.

В компоновках каналов для рабочих сред возможны различные варианты.

1. Каналы для первой рабочей среды составлены также, как и каналы для второй среды. Таким образом, если в первом пакете для первой рабочей среды есть четыре канала, то и в пакете со стороны второй рабочей среды четыре; далее идет пакет из трех каналов и т. д. Такую схему компоновки пластин в теплообменнике называют симметричной.

При данной схеме одна рабочая среда проходит последовательно такое же число пакетов, как и другая. Если расходы двух рабочих сред равны, то при симметричной компоновке равны и их скорости в межпластинных каналах.

2. Все каналы для второй рабочей среды соединены параллельно и образуют один общий пакет, охватывающий зону всех пакетов для первой рабочей среды. Схему компоновки, при которой число каналов в пакетах для первой и второй рабочих сред неодинаково, называют несимметричной.

Пластинчатые аппараты часто используют для подогрева и охлаждения рабочих сред без изменения их агрегатного состояния. При этом обычно применяют односекционные одно- и многопакетные аппараты. По расположению проходных отверстий для каждой рабочей среды на пластинах различают пластины с односторонним расположением отверстий (рис. 9, а) и с диагональным расположением отверстий (рис. 9, б).

При использовании пластин с односторонним направлением потока все штуцера для первой рабочей среды расположены по одну сторону аппарата, а для второй рабочей среды – по другую. При использовании пластин с диагональным направлением потока рабочая среда перемещается в каждом пакете поочередно с одной стороны аппарата на другую. Если количество пакетов в секции по линии движения данной среды четное, то места входа и выхода ее оказываются расположенными с одной стороны аппарата. Если же секция состоит из нечетного количества пакетов, то входной и выходной штуцера должны быть расположены в разных углах плит.

Пластинчатый теплообменник (рис. 10) состоит из группы теплообменных пластин 15, подвешенных на верхней горизонтальной штанге 7. Концы верхней и нижней штанг закреплены в передней стойке 3 (неподвижной плите) и на задней стойке 9. При помощи нажимной плиты 8 и винта 10 пластины в собранном состоянии сжаты в один пакет на резиновых прокладках 13 и 5. Большая резиновая кольцевая прокладка 13 ограничивает на пластине канал для потока рабочей среды и охватывает также два угловых отверстия, через которые происходит приток среды в межпластинный канал и сток из него. Две малые резиновые прокладки 5 изолируют два остальных отверстия и создают транзитный проход для второй рабочей среды.

Система уплотнительных прокладок построена так, что после сборки и сжатия пластин в аппарате образуются две системы герметичных каналов, изолированных одна от другой металлической стенкой и прокладками: одна для горячей рабочей среды, другая для холодной. Первая состоит из нечетных каналов между пластинами, а вторая – из четных, благодаря чему потоки горячей и холодной сред чередуются. Обе системы герметичных каналов соединяются со своими коллекторами и штуцерами для входа и выхода рабочих сред, расположенных на плитах.