Конструкції теплообмінних апаратів

Усі теплообмінники залежно від способу передачі тепла поділяють на дві групи:

1. Поверхневі теплообмінники – перенесення тепла між середовищами відбувається через стінку, яка їх розділяє.

2. Теплообмінники змішування – тепло від одного середовища до іншого передається під час їхнього безпосереднього контакту.

Регенеративні теплообмінники використовують рідко, тепло в них рідині передається від попередньо нагрітих твердих тіл (насадки).

Найчастіше у хімічній промисловості використовують поверхневі тепло­обмінники.

Вибір матеріалу для виготовлення апаратів теплообміну зумовлений його корозійною стійкістю, теплопровідністю, його конструкцією. Найчастіше застосо­вують для цього вуглецеві і леговані сталі, мідь, титан, тантал, графіт, тефлон тощо.

Конструкція апарата повинна відповідати певним вимогам таким, як: простота і зручність монтажу та ремонту, забезпечення меншої забрудненості поверхонь теплообміну, доступність для огляду і ремонту.

3.1. Трубчасті теплообмінники

3.1.1. Кожухотрубні теплообмінники

Цей тип поверхневих теплообмінників найчастіше використовують у промисловості. Схему одноходового теплообмінника показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Кожухотрубний одноходовий теплообмінник: 1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки

Одноходовий кожухотрубний теплообмінник жорсткої конструкції містить корпус або кожух 1 з привареними до нього трубними решітками 2, в яких закріплено пучок труб 3. До трубних решіток на болтах і прокладках кріпляться кришки 4. Одне із середовищ, що обмінюється теплом, рухається трубним простором, а інше – міжтрубним. Середовища здебільшого направлені протитоком одне до другого. Вибір напряму руху кожного із середовищ обумовлений напрямом, у якому вони прагнуть рухатися під впливом зміни їх густин під час нагрівання або охолодження. Тобто середовище, яке підлягає нагріванню, направляють знизу вверх, а те, що віддає тепло, – у протилежному напрямі. За таких умов досягають рівномірнішого розподілу швидкостей. Інакше більш нагріта частина рідини, як більш легка, накопичуватиметься у верхній частині апарата, утворюючи застійні зони.

Труби в решітках рівномірно розміщені по периметрах правильних шестикутників (рис. 3.2, а), по концентричних колах (рис. 3.2, б) або по периметрах прямокутників (рис. 3.2, в), коли необхідно забезпечити зручне очищення зовніш­ньої поверхні труб. Найкомпактніше розміщення необхідної поверхні теплообміну всередині апарата досягається у разі розміщення труб по периметрах правильних шестикутників.

а б в

Рис. 3.2. Способи розміщення труб у теплообміннику: а – по периметрах правильних шестикутників; б – по концентричних колах; в – по периметрах прямокутників (коридорне розміщення)

Труби закріпляють в решітках найчастіше розвальцьовуванням (рис. 3.3, а, б). Для роботи апарата за підвищених тисків необхідно забезпечити особливо міцне з’єднання, що досягається у разі розміщення у трубних решітках отворів з кільцевими каналами, які заповнюють металом трубу під час її розвальцьовування (рис. 3.3, б). Якщо матеріал труби не піддається витягуванню і припустиме жорстке з’єднання труб з трубною решіткою, то їхнє закріплення здійснюють зварюванням (рис. 3.3, в). Для з’єднання мідних та латунних труб використовують припаювання (рис. 3.3, г). У разі необхідності зменшення температурної деформації труб, а також для можливості їхнього поздовжнього переміщення і швидкої заміни, труби з’єднують з решіткою сальниками (рис. 3.3, д). Однак таке з’єднання є складним, дорогим та ненадійним, тому використовують його рідко.

Рис. 3.3. Кріплення труб в трубних решітках: а – розвальцьовуванням; б – розвальцьовуванням з каналами; в – зварюванням; г – припаюванням; д – сальниковими пристроями

У разі невеликих витрат рідини її швидкість в трубах одноходових теплооб­мінників є низькою, а коефіцієнти тепловіддачі – невеликі. Цього можна уникнути зменшенням діаметра труб і збільшенням їх довжини. Однак такі теплообмінники (невеликого діаметра і значної висоти) не зручні для монтажу, потребують високих приміщень і підвищеної витрати металу для виготовлення кожуха апарата (дета­лей, що безпосередньо не задіяні у теплообміні). У цьому разі доцільніше збільшу­вати швидкість теплообміну застосуванням багатоходових теплообмінників.

Схему багатоходового теплообмінника показано на рис. 3.4. Від одноходового теплообмінника ця конструкція відрізняється тим, що труби розділені на секції поперечними перегородками 5, встановленими в кришках теплообмінника. Розбиття на ходи, якими послідовно рухається рідина, що протікає у трубному просторі теплообмінника, здійснюють в такий спосіб, щоб в усіх секціях знаходилась приблизно однакова кількість труб. Через те, що площа сумарного поперечного перерізу труб, розміщених в одній секції, є меншою, ніж поперечний переріз усього пучка труб, швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника зростає (відносно до швидкості в одноходовому теплообміннику) в кількість разів, що дорівнює кількості ходів. Для збільшення швидкості і подовження шляху руху середовища у міжтрубному просторі призначені сегментні перегородки 6, які в горизонтальних теплообмінниках є й проміжними опорами для пучка труб.

Рис. 3.4. Кожухотрубний багатоходовий теплообмінник: 1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришки; 5 – перегородки в кришках; 6 – перегородки у міжтрубному просторі

Однак підвищення інтенсивності теплообміну у багатоходових теплообмін­никах супроводжується зростанням гідравлічного опору та ускладненням їх конструкції. Тому доцільно використовувати 5–6-ходові апарати.

У верхній частині кожуха теплообмінників встановлюють продувні крани для періодичного видалення повітря та інших газів, що не конденсуються і спричиняють погіршення теплообміну.

Одноходові та багатоходові теплообмінники можуть бути вертикальними або горизонтальними. Простішими в експлуатації і компактнішими є вертикальні апарати. Горизонтальні теплообмінники здебільшого багатоходові і забезпечують більшу швидкість середовищ, задіяних у теплообміні, для того, щоб мінімізувати розшарування рідин внаслідок різниці їхніх густин і температур, а також уникнути утворення застійних зон.

Для уникнення неоднакового подовження труб і кожуха, значної напруги в трубних решітках, порушення щільності з’єднання труб з решітками, руйнування зварних швів, змішування середовищ, які обмінюються теплом, що є наслідком різниці температур між трубами і кожухом, більшої, ніж 50 С, використовують кожухотрубні теплообмінники з лінзовим компенсатором 1 (рис. 3.5, а), який піддається пружній деформації. Така конструкція придатна для експлуатації за невеликих надлишкових тисків у міжтрубному просторі, що не перевищують 6 атм.

Рис. 3.5. Кожухотрубні теплообмінники з компенсувальними механізмами: а – з лінзовим компенсатором; б – з плаваючою головкою; в – з U- подібними трубами; 1 – компенсатор; 2 – рухома трубна решітка; 3 – U-подібні труби

За необхідності забезпечення великих зміщень труб і кожуха використо­вують теплообмінник з плаваючою головкою (рис. 3.5, б), в якому рухома нижня трубна решітка 2 дає змогу вільно переміщатись незалежно від корпусу апарата в усьому пучку труб. Однак така конструкція є складною і громіздкою. Простішою і менш металоємною конструкцією апарата є кожухотрубний теплообмінник з U- подібними трубами (рис. 3.5, в), в якому труби 3 виконують функцію компенсу­вальних пристроїв. Ці теплообмінники є зручними під час обслуговування, а у двох- та багатоходових досягають інтенсивного теплообміну. До недоліків цих теплообмінників належать: складність очищення внутрішньої поверхні труб та складність розміщення великої кількості труб у трубній решітці.

Під дією температури труби можуть подовжуватись незалежно від корпусу апарата у теплообмінниках з подвійними трубами (рис. 3.6), в яких з одного боку апарата розміщено дві трубні решітки.

Рис. 3.6. Кожухотрубний теплообмінник з подвійними трубами: 1, 3 – трубна решітка; 2 – внутрішні труби; 4 – зовнішні труби

У решітці 1 закріплено пучок труб 2 з меншим діаметром, відкритих з двох кінців, а в решітці 3 – труби 4 з більшим діаметром і закритими кінцями з лівого боку, встановлені концентрично щодо труб 2. Середовище І рухається кільцевим простором між трубами 2 і 4 і виводиться з міжтрубного простору апарата трубами 2. Середовище ІІ рухається зверху вниз міжтрубним простором теплообмінника і омиває труби 4 ззовні.