4.5.3. Конструкции теплообменных аппаратов

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1) поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена (глухую стенку);

2) теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Значительно реже применяются в химической промышленности ре­генеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми телами (насадкой), заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим теплоносителем.

Поверхностные теплообменники наиболее распространены, и их конст­рукции весьма разнообразны. Рассмотрим наиболее распространенные.

Кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. На рисунке 4.15 показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 8. К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред I движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая II — в межтрубном пространстве.

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, — в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные» зоны.

Трубы в решетках обычно равномерно размещают по периметрам правильных шестиугольников, т. е. по вершинам равносторонних треугольников (рисунок 4.16,а), реже применяют размещение труб по кон­центрическим окружностям (рисунок 4.16,6). В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рисунок 4.16,в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель — обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников.

Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой, причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки. Кроме того, используют закрепление труб сваркой, если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой, применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников, допускающих свобод­ное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.

Рисунок 4. 15 - Кожухотрубчатые одноходовой (а) и многоходовой (б) теплообменники:

/—корпус (обечайка); 2 — трубные решетки; 3—трубы; 4 — крышки; 5 — перегородки

в крышках; 6 — перегородки в межтрубном пространстве

Рисунок 4. 16- Способы размещения труб в теплообменниках'.

а—по периметрам правильных шестиугольников; б—по концентрическим окружностям;

в—по периметрам прямоугольников (коридорное расположение)

Пример расчета теплообменника представлен в приложении В.

Приложение А

Таблица А1- Примеры расчета концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе в районе источников их выброса при неблагоприятных метеорологических условиях. Котельная (ровная открытая местность)

Характеристики, обозначения, расчет	Единица измере­ния	Значение
Число дымовых труб, N	шт.	1
Высота дымовых труб, Н	м	35
Диаметр устья трубы, D	м	1,4
Скорость выхода газо-воздушной смеси, w0	м/с	7
Температура газо-воздушной смеси, ТГ	°С	125
Температура окружающего воздуха, ТВ	°С	25
Выброс двуокиси серы, MSO 2	г/с	12
Выброс золы, M3	г/с	2,6
Выброс окислов азота ( в пересчете на двуокись азота), MNO 2	г/с	0,2
Коэффициенты в формуле (1.15) А	- -	200 1
Максимальные разовые предельно допустимые концентрации (ПДК) двуокиси серы золы окислов азота	мг/м3 мг/м3 мг/м3	0,5 0,5 0,085
Объем газо-воздушной смеси	м3/с	10,8
Перегрев газо-воздушной смеси, ∆Т ∆Т =Тг - Тв.= 125-25	°С	100
Параметр f(по формуле (1.21))	-	0,56

Продолжение таблицы А. 1

Характеристики, обозначения, расчет	Единица измерения	Значение
Параметр vM (по формуле (1.25))	м/с	2,04
Параметр (по формуле (1.26))	-	0,36
Параметр fе = 800 (0,36)3	-	37,32
Параметр т (по формуле (1.20))	-	0,98
Параметр п (по формулам (1.22-1.24))	-	1
Опасная скорость ветра им (по формулам 1.39-1.41)	м/с	2,2
Параметр d (по формулам (1.31-1.33))	-	12,3