Конструкции теплообменных аппаратов поверхностного типа

Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия весьма разнообразны, поэтому рассмотрим только наиболее характерные.

Кожухотрубчатые теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами и крышками с патрубками. Трубное и межтрубное пространство в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Перегородки предназначены для увеличения скорости и, следовательно коэффициента теплоотдачи теплоносителей. Теплообменник этого типа предназначаются для теплообмена между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостя­ми и газами. Типовые конструкции кожухотрубчатых теплообменников применяются в случаях, когда требуется большая поверхность теплообмена.

При нагреве жидкости паром в большинстве случаев пар вво­дится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2... 3 раза больше проходно­го сечения внутри труб. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, скорости теплоносителя в межтрубном пространстве более низкие и коэф­фициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного простран­ства невысоки, что снижает коэффициент теплопередачи в аппа­рате. На рис. 4.5 показаны различные типы кожухотрубчатых теп­лообменников.

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор современной паровой тур­бины мощностью 300 МВт имеет более 20 тыс. труб с общей по­верхностью теплообмена около 15 тыс. м².

Корпус (кожух) кожухотрубчатого теплообменника представ­ляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких сталь­ных листов. Кожухи различаются, главным образом, способом со­единения с трубной решеткой и крышками. Толщина стенки ко­жуха определяется максимальным давлением рабочей среды и ди­аметром аппарата, но не меньше 4 мм. К цилиндрическим кром­кам кожуха привариваются фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха привариваются патрубки и опоры аппарата.

Трубки кожухотрубчатых аппаратов изготовляют прямыми или изогнутыми (11-образными) диаметром от 12 до 57 мм.

Материал трубок выбирается в зависимости от среды, омыва­ющей ее поверхность. Применяются трубки из стали, латуни и специальных сплавов.

Трубные решетки служат для закрепления в них труб при по­мощи развальцовки, заварки, запайки или сальниковых соедине­ний. Трубные решетки зажимаются болтами между фланцами кожуха и крышки или привариваются к кожуху, либо соединяются болтами только с фланцами свободной камеры (см. рис. 4.5).

Крышки кожухотрубчатых аппаратов имеют форму плоских плит, конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллип­сов.

Секционные теплообменники (рис. 4.6) представля­ет собой разновидность трубчатых аппаратов и состоят из несколь­ких последовательно соединенных секций, каждая из которых пред­ставляет собой кожухотрубчатый теплообменник с малым числом труб и кожухом небольшого диаметра.

В секционных теплообменниках при одинаковых расходах жидкостей скорости движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве почти равновелики, что обеспечивает повышенные коэффициенты теплопередачи по сравнению с обычными трубчатыми теплообменниками.

Простейшим из этого типа является теплообменник «труба в трубе» (в наружную трубу встав­лена труба меньшего диаметра). Все элементы аппарата соедине­ны сваркой.

Недостатками секционных теплообменников являются: высо­кая стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих эле­ментов аппарата — трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т.д.; значительные гидрав­лические сопротивления вследствие различных поворотов и пере­ходов вызывают повышенный расход электроэнергии на привод прокачивающего теплоноситель насоса.

Кожухи серийных секционных теплообменников изготовляют из труб длиной до 4 м, внутренним диаметром от 50 до 305 мм. Число труб в секции составляет от 4 до 151, поверхность нагрева от 0,75 до 26 м², трубы латунные диаметром 16/14 мм. Отношение поверхно­сти нагрева к объему теплообменника достигает 80 м²/м³, а удель­ный конструкционный вес составляет 50...80 кг/м² поверхности нагрева.

Спиральные теплообменники (рис. 4.7) состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, по которым движутся теплоносители /и //. Каналы образуются металлически­ми листами, которые служат поверхностью теплообмена. Внут­ренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой. Для обеспечения жесткости конструкции и фиксирования раcстояния между спиралями приваривают бобышки. С торцов спи­рали закрывают крышками и стягивают болтами.

Горизонтальные спиральные теплообменники применяют для теплообмена между двумя жидкостями. Для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью используют

вертикальные спиральные теплообменники. Такие теплообменники приме­няют в качестве конденсаторов и паровых подогревателей для жид­кости.

К достоинствам спиральных теплообменников можно отнести компактность (большая поверхность теплообмена в единице объ­ема, чем у многоходовых трубчатых теплообменников) при оди­наковых коэффициентах теплопередачи и меньшее гидравличес­кое сопротивление для прохода теплоносителей. К недостаткам — сложность изготовления и ремонта и пригодность работы под из­быточным давлении не свыше 1,0 МПа.

Пластинчатые теплообменники имеют плоские по­верхности теплообмена. Обычно такие теплообменники применя­ют для теплоносителей, коэффициенты теплоотдачи которых оди­наковы.

Недостатками изготовлявшихся до недавнего времени пластин­чатых теплообменников являлись малая герметичность и незначи­тельные перепады давлений между теплоносителями.

В последнее время изготовляют компактные разборные плас­тинчатые теплообменники, состоящие из штампованных металлических листов с внешними выступами, расположенными в коридорном или шахматном порядке. Такие конструкции приме­няются для теплообмена между жидкостями и газами и работают при перепадах давлений до 12 МПа. На рис. 4.8 представлено несколько конструкций теплообменников такого типа. Благодаря незначительному расстоянию между пластинами (6...8 мм) такие теплообменники весьма компактны. Удельная поверхность нагревава F/V составляет 200...300 м²/м³. Поэтому пластинчатые теплообменники в ряде случаев вытесняют трубчатые и спиральные.

В табл. 4.2 для сравнения представлены некоторые характеристики рекуперативных теплообменников, из которых видно, что поверхности теплообмена, приходящаяся на единицу объема, у пластинчатых устройств небольшая, а масса, приходя­щаяся на 1 м² поверхности теплообмена, наименьшая. Это пре­допределяет применение пластинчатых теплообменников в транс­портных тепловых установках, авиационных двигателях, криогенных системах, где при высокой эффективности процесса необходимы компактность и малая масса. Органически такой конструкции присущи следующие недостатки: нудность чистки внутри каналов, ремонта, частичной заме­ни поверхности теплообмена, а также невозможность изготовления пластинчатых теплообменников из чугуна и хрупких материалов и длительная эксплуатация.

В настоящее время в системах теплоснабжения жилищно-коммунальных хозяйств и ряда промышленных предприятий в каче­стве подогревателей горячего водоснабжения (ГВС) и отопления устанавливаются пластинчатые теплообменники (рис. 4.9) вместо ранее используемых для этих целей традиционных секционных кожухотрубных подогревателей. Это связано с целым рядом обстоя­тельств и преимуществ.

1. Коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменни­ках в 3...4 раза больше, чем в кожухотрубных, благодаря специальному гофрированному профилю проточной части пластины,

+

обеспечивающему высокую степень турбулизации потоков тепло­носителей. Соответственно в 3...4 раза поверхность пластинчатых теплообменников меньше, чем кожухотрубных.

2. Пластинчатые теплообменники имеют малую металлоем­кость, очень компактны, их можно установить в небольшом помещении.

3. В отличие от кожухотрубных они легко разбираются и быстро чистятся. При этом не требуется демонтаж подводящих трубопроводов.

4. В пластинчатом теплообменнике можно легко и быстро заменить пластину или прокладку, а также увеличить его поверхность, если со временем возрастет тепловая нагрузка.

Секционные кожухотрубные теплообменники трудно точно расчитать на требуемую тепловую производительность и допусти­мые потери напора, так как поверхность одной секции велика и достигает 28 м² (при D, = 300 мм).

Пластинчатые теплообменники набираются из отдельных пластин, поверхность нагрева которых, как правило, не превышает одного метра. Это обстоятельство в сочетании с оптимально выбранным типом пластины позволяет точно без лишнего запаса выбрать теплопередающую поверхность теплообменника.

По своим техническим характеристикам теплообменники «Теплотекс» являются разборными и одноходовыми; материал пластины — сталь АЬ8Ь 316; толщина пластины — 0,5...0,6 мм; материм прокладки — резина ЕРБМ; максимальная рабочая температура теплоносителя — 150 "С; рабочее давление — 1... 2,5 МПа; расходы воды в зависимости от типа теплообменника от 2 до 100 кг/с; по­верхность — от 1,5 до 373 м².

Ребристые теплообменники применяются в тех слу­чаях, когда коэффициент теплоотдачи для одного из теплоно­сителей значительно ниже, чем для второго. Поверхность теп­лообмена со стороны теплоносителя с низким значением а уве­личивают по сравнению с поверхностью теплообмена со сторо­ны другого теплоносителя. В таких аппаратах поверхность теплооб­мена имеет на одной стороне ребра различной формы (рис. 4.10). Как видно из рисунка, ребристые теплообменники изготовля­ют самых различных конструкций. При этом ребра выполняют поперечными, продольными, в виде игл, спиралей, из витой проволоки и т.д.

В таблицах 5.3– 5.6 приведены некоторые данные по теплообменникам.

Таблица 4.3

Технические характеристики пароводяных поверхностных сетевых подогревателей Саратовского завода энергетического машиностроения (ОСТ-108, 271, 101-76)

Показатель	ПСВ-200-7-15	ПСВ-200-14-23	ПСВ-315-14-23	ПСВ-500-14-23**
Поверхность нагрева, м2
Номинальный расход воды, т/ч			ИЗО
Сечение для прохода воды, м2	0,123	0,123	0,137	0,226
Потеря напора с водяной стороны, м	5,5	5,5	5,5	5,5
Число ходов воды
Число трубок*
Диаметр корпуса, мм
Общая высота подогревателя, мм
Рабочее давление (избыточное), МПа:
с водяной стороны	1,5	2,3	2.3	2,3
с паровой стороны	0,7	1,4	1,4	1,4
Максимальная температура среды, °С
пара
волы
Масса, т:
без воды	6,6	6,6		11,9
с водой	11,5	11,5	19,4	25,4

*Во всех подогревателях трубки латунные Л-68 диаметром 19/17,мм **Выпускается в нескольких модификациях

Таблица 4..5

Конструктивные характеристики секционных водо-водяных подогревателей с длиной секции 2 м

(ГОСТ 27590-88 и по ОСТ 34-588-68)*

			Обозначение подогревателя	по ГОСТ 27590-88
Характиристики
							13 15 17	19 21
Диаметр корпу-	57/50	76/69	89/82	114/106	168/156	219/207	273/259 325/309 377/359	426/408 530/514
са Dh /Db мм/мм
11овсрхность	0,37	0,65	1.11	1.76	3,40	5,89	10,0 13,8 19,8	25,8 41,0
нагрева одной
секции Р, м
Cопротивление			79.0	24,8	7,85	2,64	0,910 0,520 0,234	0,134 --
Трубок Sтр 10-3
м • с /м
Cопротивление				35,6	5,72	1,82	0,910 0,390 0,260	0,170 --
межтрубного
пространства
Sмт 10-3
м с2 /м6
Масса одной	32,2	43,2	55,2	76,5			304 412 559	719 958
секции,кг

•В ГОСТ 27590-88 входят подогреватели 01 —15 с диаметром корпуса 57/50-— 325/309 мм; в ОСТ 34-588-68 подогреватели17—21 с диаметром корпуса 377/359—530/514 мм

Примечание. Характеристики, не вошедшие н данную таблицу, такие же, как и для подогревателей с длиной секции 4

Характеристики	Обозначение подогревателя по ГОСТ 27590-88*
Диаметр корпуса Dн /Dв, мм/мм	57/50	76/69	89/82	114/106	168/156	219/207	273/259	325/30	377/359	426/408	530/514
Диаметр трубок dн /dв, мм/мм	16/14	16/14	16/14	16/14	16/14	16/14	16/14	16/14	16/14	16/14	16/14
Число трубок в одной секции п
Шаг трубок, мм						смешанный			--	--	--
Поверхность нагрева одной секции F, м2	0,75	1,31	2,24	3,54	6,90	12,0	20,3		40,1	52,5	83,4
Площадь сечения трубок fТР, м2	0,62- 10~3	1,08- 10~3	1,85- 10-3	2,93 • 10~3	5,70- 10~3	9,85 • 10~3	1,68- 10"2	2.33- 102	3,33- 10-2	4,36- 10-2	6,93-10 -2
Площадь сечения межтрубного Пространства fмт, м2	1,16- 10~3	2,33 • 10-3	2,87- 10-3	5,00 • 10~3	1,22- 10~2	2,08- 10"2	3,08 10~2	4,46-10-2	5,78-10-2	7,19- 10-2	11,54- 10-2
Отношение площадей сечений fМТ /fтр	1,87	2,13	1,55	1,77	2,14	2,11	1,86	1.84	1,79	1,65	1,66
Эквивалентный диаметр межтрубного пространства d э, мм		16,4	13,4	15,5	20,7	25,8	19,6	20.8	19,3	18,6	--
Сопротивление трубок Sтр 10-3, м • с2/м6				62,5	16,4	5,45	1,82	0,91	0,52	0,26	0,11
Сопротивление межтрубного пространства SМТ • 10-3, м • с2/м6				44,2	7,40	2,86	1,17	0,52	0,26	0,13	0,05
Масса одной секции, кг	45,2	61,6	80,4

Конструктивные характеристики секционных водо-водяных подогревателей с длиной cекции 4 м. (по ГОСТ 27590-88* и по ОСТ 34-588-68)* Таблица 4.4

♦В ГОСТ 27590-88 входят подогреватели 02—16 с диаметром корпуса 57/50—325/309 мм; в ОСТ 34-588-68 — подогреватели 18 -22 с диаметром корпуса 377/359—530/514 мм.

Таблица 4.6

Технические характеритики пластинчатых теплообменников

Характеристика		Тип пластины
0,3	0.5	0.6
Габаритный размер (длина х ширину х толщину), мм	1370 х 300 х 1	1400 х 670 х 1	1375х600x1
Поверхность теплообмена, м	0,3	0,5	0.6
Масса, кг	3,2	6,0	5.8
Эквивалентный диаметр канала ^э> м	0,008	0,009	0,001
Площадь поперечного сечения канала, м	0,0011	0,00285	0.00245
Смачиваемый периметр в поперечном сечении канала	0,55	1,27	1.111
Ширина канала, м	0,25	0,57	0,545
Зазор для прохода среды в канале, мм			4.5
Приведенная длина канала Lпр, м	1.12	0,8	1,01
Площадь поперечного сечения коллектора (угловое	0,0045	0,0283	0,024)
отверстие на пластине), м2
Коэффициент общего гидравлического сопротивления ξ	Re19,3/0,25	Re19,3/0,25	Re19,3/0,25
Коэффициент гидравлического сопротивления присоединительного штуцера ξшт	1,5	1,5	1.5
Коэффициент профиля пластины а