Аппараты с трубчатой поверхностью теплообмена

1.2.1 Кожухотрубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники различных конструкций - наиболее распространённый тип теплообменных аппаратов[1,2]. Их устройство показано на рисунках 1 и 2.

1 - кожух, 2 - крышки, 3 - теплообменные трубки, 4 - трубная решетка, 5 – фланцы, 6 – соединительное кольцо с шпильками, 7 – прокладка, 8 - крепёж.

Рисунок 1- Кожухотрубчатый теплообменник

1 - трубная решетка с развальцованными трубами, 2 - перегородки в трубном пространстве, 3 - теплообменные трубки.

Рисунок 2 - Трубные пучки кожухотрубчатых теплообменников

В кожухе 1 помещается пучок теп­лообменных труб 3, трубы развальцованы, запаяны или вварены в трубную решетку 4, кожух закрыт крышками 2, теплоноси­тели вводятся в трубное и межтрубное пространство через штуцера 5. В меж­трубном пространстве очень часто уста­навливаются поперечные перегородки 2 (рисунок 2), закреплённые стяжками.

При малом расходе теплоносителя, подаваемого в трубное простран­ство, в крышках устанавливают перегородки 1 (рисунок 3) при этом теплоноситель проходит сначала по одной части труб потом по другой. На рисунке 3 изображен четырёхходовой теплообменник. Изготавливаются также двух и шестиходовые кожухотрубчатые теплообменники. На рисунке 4 представлен такой теплообменник в сборе: 1- распределительная камера с перегородками, 2 – кожух с трубным пучком.

1 – перегородки.

Рисунок 3 - Четырёхходовой теплообменник

1- распределительная камера с перегородками; 2 - кожух с трубным пучком.

Рисунок 4 - шестиходовой теплообменник в сборе

Если разность температур теплоносителей в кожухотрубчатом теплообменнике более 50 К, то исполь­зуют аппараты с компенсацией температурных напряжений, возникающих из-за того, что кожух и трубки претерпевают разные температурные деформации.

5-а - одноходовой теплообменник с линзовым компенсатором; 5-б - теплообменник с плавающей головкой; 5-в - теплообменник с U - образными трубкам.

Рисунок 5 - Теплообменники с компенсаторами

На рисунке 5 представлены кожухотрубчатые аппараты с компенсаторами: рисунок 5-а - одноходовой теплообменник с линзовым компенсатором (гибким элементом), вваренным между двумя частями ко­жуха; рисунок 5-б теплообменник с плавающей головкой (одна из трубных решеток имеет возможность свободно перемещаться в кожухе); рисунок 5-в теплообменник с U – образными трубками имеющими возможность изменять свою длину.

С целью увеличения коэффициента тепло­отдачи в межтрубном пространстве теплообменные трубы делают с ребрами на наружной поверхности (рисунок 6).

Рисунок 6 - Оребрённая теплообменная труба

Также теплообменные трубки изготавливают витыми, что увеличи­вает турбулизацию потока (рисунок 7 и рисунок 8) На рисунке 7 стрелками показано направление течения теплоносителя в межтрубном пространстве.

На рисунке 8 стрелкой показано течение теплоносителя по теплообменной трубе.

Рисунок 7 - Элемент межтрубного пространства теплообменника с витыми трубками.

Рисунок 8 - Элемент трубного пространства теплообменника с витыми трубками.

Кожухотрубчатые теплообменники изготовляют с площадью теплообмена от 1 м² до 5000м², с диаметром кожуха от 159мм до 3000мм, с длиной труб от1000мм до 9000мм и диаметром теплооб­менных трубок 20х2мм или 25х2мм. (Приложение А).

Основные преимущества кожухотрубчатых аппаратов:

¾ универсальность по назначению (холодильники, подогреватели жидкости или газа, а также как конденсаторы и кипятильники);

¾ простота конструкции;

¾ надежность;

¾ широкий диапазон давлений и температур рабочих сред.

Недостатком кожухотрубчатых теплообменников является низкий коэффициент унификации (отношение числа узлов и деталей, одинаковых для всего размерного ряда, к общему числу узлов и деталей в аппарате), который составляет всего 0.13. Поэтому кожухотрубчатые теплообменники малотехнологичны в условиях производства широкого ряда типоразмеров.

1.2.2 Те­п­ло­об­мен­ники «Труба в трубе»

Теплообменники «труба в трубе» или двухтрубные теплообменники [1,2] (рисунки 9,10,11) применя­ются при небольших расхо­дах теплоносителей.

Рисунок 9 - Элемент теплообменника «труба в трубе»

Такие теплообмен­ники представляют собой набор последо­вательно соединённых друг с дру­гом эле­ментов состоящих из двух труб: труба меньшего диаметра вставлена в трубу большего диаметра (рисунок 9). Поверх­ности теплопередачи таких тепло­обменни­ков как правило не бо­лее 20 м². Проходные сечения данных теплообменников обеспе­чи­вают высокие скоро­сти течения тепло­носи­телей, следовательно, высокие коэффици­ен­ты теплопередачи.

1 - внутренняя (теплообменная) труба, 2 - наружная (кожуховая труба), 3 - кронштейн,

4 - фланец, 5 - распределительная камера.

Рисунок 10 - Разборный теплообменник «труба в трубе»

Теплообменники «труба в трубе» могут быть изготовлены как разборными. так и неразборными. Неразборные теплообменники являются конструкцией жесткого типа, поэтому при разности тем­ператур теплоносителей больше 70 градусов их не используют. Разборный теплообменник (Рисунок 10) состоит из внутренней (теплообменной) трубы 1, наружной (кожуховой) трубы 2, кронштейна 3, фланца 4 и распределительной камеры 5. Направление движения теплоносителя по теплообменной трубе показано красной

стрелкой, в кольцевом пространстве белой и желтой.

Рисунок 11 - Теплообменник типа “ труба в трубе” в сборе

Стандартные диаметры теплообменной и кожуховой трубы d=25¸157мм и D=38¸220мм соответственно.

Секции теплообменника «труба в трубе» обычно со­единяют друг с другом в единую конструкцию (Рисунок 11). Про­странственная компоновка такой конструкции может быть любой, «трубу в трубе» иногда размещают вдоль стены по­мещения и т.п. Теплообменники «труба в трубе» используют в основном для охлаждения или нагревания в системе жидкость-жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и оно не изменяют своего агрегатного состояния. Иногда такие аппараты применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др. По сравнению с кожухотрубчатыми теплообменниками аппараты «труба в трубе» имеют меньшее гидравлическое сопротивление, и следовательно, допускают более высокие скорости движения теплоносителей. Однако они менее компактны и более металлоемки.