1. Назначение и классификация теплообменных аппаратов
Теплообменным аппаратом называется устройство, предназначенное для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.
По принципу действия различаю теплообменники поверхностные и контактные. Поверхностные, в свою очередь, могут быть рекуперативными и регенеративными. В рекуперативных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители движутся одновременно, и теплота передается от одного другому через разделяющую их стенку. В регенеративных теплообменниках одна и та же поверхность то нагревается, то охлаждается теплоносителями. В контактных теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении греющего и нагреваемого теплоносителей, например, при смешении.
По конструктивному оформлению рекуперативные теплообменные аппараты можно разделить на трубчатые, выполненные из гладких или оребренных труб, и пластинчатые, выполненные из плоских штампованных листов различного профиля. Трубчатые теплообменные аппараты подразделяются на теплообменные аппараты типа “труба в трубе” и кожухотрубчатые.
В качестве теплоносителей в теплообменниках могут быть использованы: вода, воздух, водяной пар, дымовые газы, а также высокотемпературные теплоносители.
Такие достоинства воды как высокая теплоемкость, высокий коэффициент теплоотдачи и доступность, способствуют широкому применению ее в качестве как нагреваемого, так и греющего теплоносителя. Воздух используется в основном как нагреваемый теплоноситель.
В качестве греющих теплоносителей широкое применение нашли водяной пар, дымовые газы и высококипящие органические теплоносители (ВОТ).
Для нагревания до 150…170С наиболее удобен водяной пар. Водяной пар обладает следующими преимуществами: большой теплотой парообразования, высоким коэффициентом теплоотдачи, постоянством температуры при конденсации и удобством транспортирования по трубопроводам без перекачивающих устройств.
Для нагревания до температур выше 170 С применяют вещества с высокой температурой кипения при атмосферном давлении.
Дымовые газы, образующиеся при сжигании топлива, применяются для нагрева до высоких температур (700 и более). Однако низкий коэффициент теплоотдачи, малая удельная теплоемкость и трудность регулирования расхода ограничивают применение газообразных продуктов сгорания в качестве теплоносителей в теплообменных аппаратах.
Кожухотрубчатые теплообменники (рис. 1) в настоящее время являются самыми распространенными аппаратами в промышленности.
Они состоят из кожуха (обечайки) и пучка труб, герметично укрепленных в трубных решетках. Большое количество труб в пучке позволяет получить теплообменники с большой теплопередающей поверхностью (до нескольких тысяч квадратных метров).
У паровых нагревателей (конденсаторов) нагреваемая жидкость движется внутри труб, а пар, поступающий в межтрубное пространство, конденсируется на наружной поверхности труб. Если оба теплоносителя капельные жидкости (например, вода-вода) внутрь труб подают греющую
Рис. 1. Пароводяной теплообменный аппарат
жидкость, а в межтрубное пространство нагреваемую. Такое распределение теплоносителей способствует уменьшению тепловых потерь в окружающую среду.
Кожух теплообменника представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких листов (обычно стальных). Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не выполняется по конструктивным соображениям тоньше 4 мм. К торцам кожуха приварены фланцы для соединения с крышками. Трубчатый пучок кожухотрубчатых аппаратов изготовляют из прямых или изогнутых труб наружным диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы. Трубные решетки служат для крепления в них пучка труб посредством развальцовки, сварки, пайки или сальниковых соединений. Трубные решетки либо приваривают к кожуху, либо зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки. Материалом трубных решеток служит обычно листовая сталь толщиной, зависящей от расчетного давления, но не менее 20 мм.
В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2…3 раза больше проходного сечения трубного пучка. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым агрегатным состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена. У горизонтальных теплообменников эти перегородки также предохраняют трубки от прогиба. Перегородки имеют форму круга с отсеченным сегментом.
В парожидкостных теплообменниках разность температур стенок кожуха и труб бывает значительной. Вследствие этого температурные удлинения кожуха и труб различны. Для компенсации разности тепловых удлинений кожуха и труб на кожухе устанавливают линзовые, сальниковые или сильфонные компенсаторы. Компенсаторы необходимо устанавливать при разности средних температур кожуха и труб более 50С. Напряжения в металле, обусловленные тепловыми удлинениями, устраняют также изготовлением однокамерных теплообменников с гнутыми U и W-образными трубами.