Теплообмінні апарати
Теплообмінники – це апарати, в яких здійснюється обмін між нагрітим середовищем і середовищем, що нагрівається.
В теплообмінних апаратах можуть відбуватися різні теплові процеси: нагрівання, охолодження, випарювання, кипіння, затвердіння і складні комбіновані процеси.
Теплообмінні апарати використовуються в усіх галузях промисловості і в залежності від призначення називаються нагрівниками, випаровувачами, конденсаторами, регенераторами, пароутворювачами, скруберами, кип'ятильниками, випарними апаратами тощо.
Класифікація теплообмінних апаратів наведена в табл. 10.
Таблиця 10
Класифікація теплообмінних апаратів
Принцип дії |
Типи теплообмінних апаратів |
Поверхневі теплообмінники |
- з трубчатою поверхнею теплообміну (кожу-хотрубчаті, заглибні змійовикові, типу „тру-ба в трубі”, зрошувальні); - з плоскою поверхнею теплообміну (плас-тинчаті, спіральні, з оребреною поверхнею теплообміну; з поверхнею теплообміну, що утворена стінками апарата); - блочні; - шнекові |
Змішувальні теплообмінники |
- градирні; - конденсатори змішування; - апарати з барботажем газу; - апарати з заглибними горілками |
Регенеративні теплообмінники |
- з нерухомою насадкою; - з рухомою насадкою |
Конструкції теплообмінників. В залежності від способу передачі тепла розрізняють дві основні групи теплообмінників: поверхневі теплообмінники, в яких тепло передається через поверхню теплообміну (глуху стінку), і теплообмінники змішування, в яких тепло передається від одного середовища до іншого під час безпосереднього їх стикання. У хімічній технології іноді застосовуються і регенеративні теплообмінники, в яких нагрівання різних матеріалів відбувається внаслідок дотику їх до раніше нагрітих тіл-насадок, що періодично нагріваються іншим теплоносієм. У виробництві використовуються також теплообмінники, які виготовлені з різних металів. Вибір металів диктується в основному їх корозійною стійкістю і теплопровідністю, причому конструкція теплообмінного апарату суттєво залежить від властивостей вибраного матеріалу.
Трубчаті теплообмінники. Кожухотрубчаті теплообмінники – це найбільш поширені поверхневі теплообмінники. На рис. 20 зображений кожухотрубчатий теплообмінник, який складається з корпусу або кожуха 1 і приварених до нього трубних граток 2. В них вмонтований пучок труб 3, до яких прикріплюють кришки 4. В теплообміннику одне з середовищ І, що обмінюється теплом, рухається всередині труб, а друге II – протитоком в міжтрубному просторі.
а) б)
Рис. 20. Кожухотрубчаті одноходовий (а) і багатоходовий (б) теплообмінники:
1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришка;
5, 6 – перегородки
Робочі середовища направляють протитоком одне до одного. При цьому середовище, яке нагрівають, направляють знизу вверх, а середовище, яке віддає тепло, - в протилежному напрямку. Такий напрямок руху кожного середовища співпадає з напрямком, в якому намагається рухатися речовина даної густини при нагріванні чи охолодженні.
Теплообмінник, який зображений на рис. 20а, є одноходовим. При порівняно невеликих витратах рідини швидкість її руху в трубах таких теплообмінників є низька, і, відповідно, коефіцієнти тепловіддачі невеликі. Для збільшення коефіцієнтів тепловіддачі при даній поверхні теплообміну можна зменшити діаметр труб, відповідно збільшивши їх висоту (довжину). Для збільшення продуктивності використовують багатоходові теплообмінники (рис. 20б). В ньому за допомогою перегородок 5, встановлених у кришках 4, та перегородок 6 в міжтрубному просторі труби поділені на секції або ходи, якими рідина рухається послідовно. В багатоходовому теплообміннику швидкість руху рідини зростає в стільки разів, скільки є ходів. Теплообмінники бувають вертикальними і горизонтальними. Вертикальні теплообмінники – простіші і займають меншу виробничу площу.
Змієвикові теплообмінники виготовляють з труб діаметром 15-75 мм, занурених у рідину, яка знаходиться в корпусі. Внаслідок великого об’єму корпусу швидкість рідини в ньому невелика, тому коефіцієнт теплопередачі малий, а різні заходи для підвищення швидкості руху рідини зменшують корисний об’єм корпусу. Незважаючи на істотні недоліки, змієвикові теплообмінники широко застосовуються в хімічній промисловості завдяки простоті їх будови, економічності, легкості очищення і ремонту, зручності роботи при високих тисках і в агресивних середовищах.
У зрошувальних теплообмінниках (рис. 21) змійовики 1, з’єднані калачами 2, зрошуються згори водою, що рівномірно розподіляється за допомогою жолоба. Відпрацьована вода відводиться з піддону 3, розміщеного під змійовиком. Зрошувальні теплообмінники застосовуються, в основному, як холодильники і конденсатори, причому майже половина тепла відводиться при випаровуванні зрошувальної води. Мала витрата води – важлива перевага зрошувальних теплообмінників, які, крім того, мають просту конструкцію, легко ремонтуються і очищаються (зовнішня поверхня). Ці теплообмінники, як правило, встановлюються поза виробничим приміщенням на відкритому повітрі.
Рис. 21. Зрошувальний холодильник:
1 – змійовик; 2 – з’єднувальні калачі; 3 – піддон
У пластинчатих теплообмінниках поверхня теплообміну утворюється гофрованими паралельними пластинами, за допомогою яких створюється система вузьких (3-6 мм) каналів з хвилястими стінками. Рідини, між якими відбувається теплообмін, рухаються в каналах між суміжними пластинами, обмиваючи протилежні бокові сторони кожної пластини. Внаслідок великої швидкості руху рідин між пластинами при малому гідравлічному опорі досягаються високі коефіцієнти теплопередачі. Пластинчаті теплообмінники легко розбираються і очищаються від забруднень. Недоліком їх є те, що вони не можуть працювати при високих тисках.
Ребристі теплообмінники є компактними і ефективними. Застосування ребер з боку теплоносія, який має низький коефіцієнт тепловіддачі, значно підвищує теплові навантаження апаратів. Труби з поперечними ребрами різної форми широко використовують, зокрема в апаратах для нагрівання повітря – калориферах, а також в апаратах повітряного охолодження.
У спіральних теплообмінниках (рис. 22) поверхня теплообміну утворюється двома металевими листами 1 і 2, скрученими в спіраль. Внутрішні кінці листів приварені до глухої перегородки 3, а зовнішні – зварені один з одним. З торців спіралі закриті встановленими на прокладках кришками 4 і 5. Отже, всередині апарата утворюються два ізольовані один від одного спіральні канали 2-8 мм завширшки, якими протитоком рухаються теплоносії. Спіральні теплообмінники дуже компактні, працюють при високих швидкостях теплоносіїв, мають невеликий гідравлічний опір і тому їх широко застосовують в промисловості.
Теплообмінні пристрої реакційних апаратів. Для обігрівання і охолодження реакційних апаратів застосовують різні пристрої, в яких поверхня теплообміну утворюється стінками самого апарату. До таких пристроїв належать „сорочки” (рис. 23), коли до корпусу апарату 1 прикріплюється сорочка 2. В просторі між сорочкою і зовнішньою поверхнею стінок апарата рухається теплоносій. Тиск теплоносія в сорочці – не більш як 6-10.105 Па, тому що при більших тисках треба набагато збільшувати товщину стінок апарату і сорочки.
Рис. 22. Спіральний теплообмінник:
1, 2 – металеві листи; 3 – глуха перегородка; 4, 5 – кришки
Блочні теплообмінники з неметалевих матеріалів використовуються для процесів теплообміну, що відбуваються в агресивних середовищах. Такі матеріали, як скло, кераміка, тефлон тощо, за винятком графіту, мають набагато меншу теплопровідність, ніж метали. Для усунення пористості графіту його просочують фенолоформальдегідною смолою. Такий графіт є хімічно стійким у досить агресивних середовищах, навіть таких, як гаряча хлоридна, розбавлена сульфатна, хлорна кислоти тощо. Крім того, він має високий коефіцієнт теплопровідності.
Рис. 23. Апарат з сорочкою:
1 – корпус; 2 – сорочка; 3 – штуцери для введення пари;
4 – штуцер для відведення конденсату
Конденсатори змішування. В хімічних виробництвах не використовується чистий конденсат водяної пари. Тому широко застосовуються конденсатори змішування, які є простішими за будовою і відповідно дешевшими, ніж кожухотрубчаті теплообмінники, що використовуються як поверхневі конденсатори.
Одним з найпоширеніших конденсаторів змішування є сухий полочний барометричний конденсатор, в якому рух охолоджуючої води і пари є протиточним. Конденсатори змішування широко використовуються для створення розрідження в установках, які працюють під вакуумом, зокрема в вакуум-фільтрах, вакуум-сушарках, випарних апаратах.
Тепловий розрахунок теплообмінника, що проектується, проводять в такій послідовності:
1. Визначаються теплові навантаження і витрати теплоносіїв.
2. Визначаються середня різниця температур і середні температури теплоносіїв.
Крім трубчатих теплообмінників застосовуються теплообмінники інших конструкцій: змієвикові, пластинчаті, ребристі, спіральні, зрошувальні теплообмінники, теплообмінні пристрої реакційних апаратів та теплообмінники інших типів.