Преимущества и недостатки спиральных теплообменников. Теплообменный аппарат

Теплообменный аппарат (теплообменник) - это устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами. Устройства, в которых между средами происходит массообмен, называют массообменными аппаратами. Аппараты, в которых одновременно протекают тепло- и массообмен, называют тепломассообменными. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел и веществ к менее нагретым, называют теплоносителями.

Наибольшее распространение в тепломассообменных и теплотехнологических установках получили следующие процессы: нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание, сушка, дистилляция, плавление, кристаллизация, затвердевание. По потенциалу теплоносителя теплотехническое оборудование можно разделить на низкотемпературное, среднетемпературное и высокотемпературное. К высокотемпературным установкам относятся промышленные печи, им соответствуют рабочие температуры в пределах 400...2000 °С. Низко- и среднетемпературное оборудование представляет собой теплообменные аппараты, установки для тепловлажностной обработки и сушки материалов и изделий, установки утилизации тепла и пр. Рабочий диапазон среднетемпературных процессов и установок находится, как правило, в пределах 150...700 °С. Процессы с более низкими температурами, до -150 °С, называют криогенными.

Изучение тепло- и массообменных процессов и установок дает возможность правильно осуществлять выбор теплоиспользующего оборудования для решения вопросов по экономии энергоресурсов на промышленных объектах, а это является одной из задач в работе инженера-энергетика.

1. Классификация теплообменного оборудования предприятий

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями. Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим знакам .

По назначению теплообменные аппараты делятся на подогреватели, испарители, конденсаторы, холодильники и т. д.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются такие аппараты, в которых тепло от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. Примером таких аппаратов являются паровые котлы, подогреватели, конденсаторы и др.

Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости тепло воспринимается стенками аппарата и в них аккумулируется, при протекании холодной жидкости это аккумулированное тепло ею воспринимается. Примером таких аппаратов являются регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей и др.

В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи тепла неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. В этом случае теплопередача протекает одновременно с материальным обменом. Примером таких теплообменников являются башенные охладители (градирни), скрубберы и др.

Если участвующие в тепломассообмене горячий и холодный теплоносители перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направлении, тепломассообменный аппарат называют прямоточным , при встречном движении теплоносителей и сред - противоточным, а при перекрестном движении - перекрестноточным . Перечисленные схемы движения теплоносителей и сред в аппаратах называют простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из потоков по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей и сред.

2. Виды и свойства теплоносителей

В качестве теплоносителей в зависимости от назначения производственных процессов могут применяться: водяной пар, горячая вода, дымовые и топочные газы, высокотемпературные и низкотемпературные теплоносители.

Водяной пар как греющий теплоноситель получил большое распространение вследствие ряда своих достоинств:

1. Высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации водяного пара позволяют получать относительно небольшие поверхности теплообмена.

2. Большое изменение энтальпии при конденсации водяного пара позволяет расходовать малое его массовое количество для передачи сравнительно больших количеств теплоты.

3. Постоянная температура конденсации при заданном давлении дает возможность наиболее просто поддерживать постоянный режим и регулировать процесс в аппаратах.

Основным недостатком водяного пара является значительное повышение давления в зависимости от температуры насыщения.

Наиболее часто употребляемое давление греющего пара в теплообменниках составляет от 0,2 до 1,2 МПа. Теплообменники с паровым обогревом для высоких температур получаются очень тяжелыми и громоздкими по условиям обеспечения прочности, имеют толстые фланцы и стенки, весьма дороги и поэтому применяются редко.

Горячая вода получила большое распространение в качестве греющего теплоносителя, особенно в системах отопления и вентиляционных установках. Подогрев воды осуществляется в специальных водогрейных котлах или водонагревательных установках ТЭЦ и котельных. Достоинством воды как теплоносителя является сравнительно высокий коэффициент теплоотдачи

Дымовые и топочные газы как греющая среда применяются обычно на месте их получения для непосредственного обогрева промышленных изделий и материалов, если физико-химические характеристики последних не изменяются при взаимодействии с сажей и золой.

Достоинством топочных газов является возможность нагрева ими материала до весьма высоких температур. Однако оно не всегда может быть использовано вследствие трудности регулировки и возможности перегрева материала. Высокая температура топочных газов приводит к большим тепловым потерям. Газы, покидающие топку с температурой выше 1000 °С, доходят до потребителя с температурой не выше 700 °С, так как осуществить удовлетворительную термоизоляцию при таком высоком уровне температур достаточно трудно.

К недостаткам дымовых и топочных газов при использовании их в качестве теплоносителя можно отнести следующее:

1. Малая плотность газов, которая влечет за собой необходимость получения больших объемов для обеспечения достаточной теплопроизводительности, что приводит к созданию громоздких трубопроводов.

2. Вследствие малой удельной теплоемкости газов их необходимо подавать в аппараты в большом количестве с высокой температурой; последнее обстоятельство вынуждает применять огнеупорные материалы для трубопроводов. Прокладка таких газопроводов, а также создание запорных и регулирующих приспособлений по тракту течения газа связаные с большими трудностями.

3. Вследствие низкого коэффициента теплоотдачи со стороны газов теплоиспользующая аппаратура должна иметь большие поверхности нагрева и поэтому получается весьма громоздкой.

К высокотемпературным теплоносителям относятся: минеральные масла, органические соединения, расплавленные металлы и соли. Низкотемпературные теплоносители - это вещества, кипящие при температурах ниже 0 °С. К ним относят: аммиак, двуокись углерода, сернистый ангидрид, фреоны.

3. Рекуперативные теплообменные аппараты

Рекуперативные теплообменные аппараты - это установки, работающие в периодическом или в стационарном тепловом режиме. Аппараты периодического действия обычно представляют собой сосуды большой вместимости, которые через определенные промежутки времени заполняют обрабатываемым материалом или одним из теплоносителей, нагревают или охлаждают его, а затем удаляют. В стационарном режиме работают, как правило, аппараты непрерывного действия. Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов весьма разнообразны и предназначены для работы с теплоносителями типов жидкость-жидкость, пар-жидкость, газ-жидкость.

Значительно чаще используются теплообменные аппараты непрерывного действия , среди которых наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники (рис. 1). Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток и ограниченных кожухами и крышками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них разделено перегородками на несколько ходов.

В кожухотрубчатых теплообменниках обычно применяют трубы внутренним диаметром не менее 12 мм и не более 38 мм, так как при увеличении диаметра труб значительно снижается компактность теплообменника и возрастает его металлоемкость.

Длина трубного пучка колеблется от 0,9 до 5...6 м. Толщина стенки труб - от 0,5 до 2,5 мм. Трубные решетки служат для закрепления в них труб при помощи развальцовки, запайки или сальниковых соединений. Кожух аппарата представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Он снабжен фланцами, к которым болтами крепятся крышки. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не делается тоньше 4 мм. Из-за различия температур греющей и нагреваемой сред кожух и трубы работающего аппарата также имеют различные температуры. Для компенсации напряжений, возникающих в результате различия температурных расширений труб и кожуха, применяют линзовые компенсаторы, U- и W-образные трубы, теплообменники с плавающими камерами (рис. 1).

Рис. 1. : а, б - с жестким креплением труб в трубных решетках; в - с линзовыми компенсаторам корпусе; г, д - с U- и W-образными трубками; е - с нижней плавающей распределительной камерой

С целью интенсификации теплообмена увеличивают скорость теплоносителей с низким коэффициентом теплоотдачи, для чего теплообменники по теплоносителю, проходящему в трубах, делают двух-, четырех- и многоходовыми, а в межтрубном пространстве устанавливают сегментные или концентрические поперечные перегородки (рис. 1).

Если перепады давления между греющей и нагреваемой средами в аппарате достигают 10 МПа и более, применяют змеевиковые теплообменники с витыми трубами (рис. 2, а), концы которых вваривают в распределительные коллекторы или в меньшие по размерам, чем в кожухотрубных аппаратах, трубные решетки. Эти аппараты более компактны, а также позволяют обеспечить более высокие скорости и коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя, движущегося в трубах, в случае малых его расходов.

Рис. 2. : а - с витой трубчатой поверхностью нагрева (змеевиковый); б - секционный; в - «труба в трубе»

Секционные теплообменники (рис. 2, б), как и кожухотрубчатые, применяют в самых различных областях. Они характеризуются меньшим, чем в кожухотрубчатых аппаратах, различием скоростей в межтрубном пространстве и в трубах при равных расходах теплоносителей. Из них удобно подбирать необходимую площадь поверхности нагрева и изменять ее в случае необходимости. Однако у секционных теплообменников велика доля дорогостоящих элементов - трубных решеток, фланцев, переходных камер, калачей, компенсаторов и т. п.; выше расход металла на единицу поверхности нагрева, больше длина пути теплоносителей, а следовательно, больше расход электроэнергии на их прокачку. В случае малых тепловых мощностей секции выполняют по типу теплообменников «труба в трубе», у которых в наружную трубу вставлена единственная внутренняя труба меньшего диаметра (рис. 2, в).

Разборные многопоточные теплообменники «труба в трубе» нашли применение в технологических установках заводов нефтяной, химической, газовой и других отраслей промышленности при температурах от - 40 до +450 °С и давлениях до 2,5...9,0 МПа. Для улучшения теплообмена трубы могут иметь продольные ребра или поперечную винтовую накатку.

Спиральные теплообменники -аппараты, в которых каналы для теплоносителей образованы двумя свернутыми в спирали на специальном станке листами (рис. 3). Расстояние между ними фиксируется приваренными бобышками или штифтами. В соответствии с ГОСТ 12067-80 навивку спиральных теплообменников производят из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м с поверхностями нагрева от 3,2 до 100 м2 при расстоянии между листами от 8 до 12 мм и толщине стенок 2 мм для давления до 0,3 МПа и 3 мм - до 0,6 МПа. Зарубежные фирмы изготовляют специальные теплообменники из рулонного материала (углеродистых и легированных сталей, никеля, титана, алюминия, их сплавов и некоторых других) шириной от 0,1 до 1,8 м, толщиной от 2 до 8 мм при расстоянии между листами от 5 до 25 мм. Поверхности нагрева составляют от 0,5 до 160 м2.

Рис. 3. : а - принципиальная схема спирального теплообменника; б - способы соединения спиралей с торцевыми крышками

Спиральные теплообменники устанавливают по штуцерам горизонтально и вертикально. Их часто монтируют блоками по два, четыре, восемь аппаратов и применяют для нагревания и охлаждения жидкостей и растворов. Вертикальные аппараты используют также для конденсации чистых паров и паров из парогазовых смесей. В последнем случае на коллекторе для конденсата имеется штуцер для удаления неконденсирующегося газа.

Пластичные теплообменники (рис. 4, а, б) имеют щелевидные каналы, образованные параллельными пластинками. В простейшем случае пластины могут быть плоскими. Для интенсификации теплообмена и повышения компактности пластинам при изготовлении придают различные профили (рис. 4, в, г), а между плоскими пластинами помещают профилированные вставки. Первые профилированные пластины изготовлялись из бронзы фрезерованием и отличались повышенной металлоемкостью и стоимостью. В настоящее время пластины штампуют из листовой стали (углеродистой, оцинкованной, легированной), алюминия, мельхиора, титана и других металлов и сплавов. Толщина пластин - от 0,5 до 2 мм. Поверхность теплообмена одной пластины - от 0,15 до 1,4 м2, расстояние между пластинами - от 2 до 5 мм.

Рис. 4. : а - пластинчатый воздухоподогреватель; б - разборный пластинчатый теплообменник для тепловой обработки жидких сред; в - гофрированные пластины; г - профили каналов между пластинами; I, II - вход и выход теплоносителя

Теплообменники делаются:

а) разборными;

б) неразборными.

В разборных аппаратах герметизацию каналов обеспечивают с помощью прокладок на основе синтетических каучуков. Их целесообразно применять при необходимости чистки поверхностей с обеих сторон. Они выдерживают температуры в диапазоне от -20 до 140...150 °С и давления не более 2...2,5 МПа. Неразборные пластинчатые теплообменники выполняют сварными. Они могут работать при температурах до 400 °С и давлениях до 3 МПа. Из попарно сваренных пластин изготовляют полуразборные теплообменники. К аппаратам этого же типа относятся блочные, которые набирают из блоков, образованных несколькими сваренными пластинами. Пластинчатые теплообменные аппараты применяют для охлаждения и нагревания жидкостей, конденсации чистых паров и паров из парогазовых смесей, а также в качестве греющих камер выпарных аппаратов.

Ребристые теплообменники (рис. 5) применяются в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи для одного из теплоносителей значительно ниже, чем для второго. Поверхность теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи увеличивают по сравнению с поверхностью теплообмена со стороны другого теплоносителя. Из рис. 5 (е...и) видно, что ребристые теплообменники изготовляют самых различных конструкций. Ребра выполняют поперечными, продольными, в виде игл, спиралей, из витой проволоки и т. д.

Трубы с наружным и внутренним продольным оребрением изготовляют методами литья, сварки, вытяжкой из расплава через фильеру, выдавливанием металла, нагретого до пластического состояния, через матрицу. Для закрепления ребер на трубах и пластинах используют также гальванические покрытия, покраску. Для повышения эффективности ребер их изготовляют из более теплопроводных, чем стальные трубы, материалов: меди, латуни, чаще из алюминия. Однако из-за нарушения контакта между ребром или ребристой рубашкой и стальной несущей трубой биметаллические трубы применяют при температурах не выше 280 °С, трубы с навивным оребрением - до 120 °С; навивные завальцованные в канавку ребра выдерживают температуру до 330 °С, но быстро корродируют у основания в загрязненном воздухе и других агрессивных газах.

Рис. 5. Типы ребристых теплообменников : а - пластинчатый; б - чугунная трубка с круглыми ребрами; в - трубка со спиральным оребрением; г - чугунная трубка с внутренним оребрением; д - плавниковое оребрение трубок; е - чугунная трубка с двухсторонним игольчатым оребрением; ж - проволочное (биспиральное) оребрение трубок; з - продольное оребрение трубок; и - многоребристая трубка

4. Регенеративные теплообменные аппараты

Для повышения эффективности теплотехнологических систем, работающих в широком интервале перепадов температуры между теплоносителями, часто оказывается целесообразным применение регенеративных теплообменных аппаратов .

Регенеративным теплообменным аппаратом называют устройство, в котором передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит с помощью теплоаккумулирующей массы, называемой насадкой. Насадка периодически омывается потоками горячего и холодного теплоносителей. В течение первого периода (периода нагревания насадки) через аппарат пропускают горячий теплоноситель, при этом отдаваемая им теплота расходуется на нагревание насадки. В течение второго периода (периода охлаждения насадки) через аппарат пропускают холодный теплоноситель, который нагревается за счет теплоты, аккумулированной насадкой. Периоды нагревания и охлаждения насадки продолжаются от нескольких минут до нескольких часов.

Для осуществления непрерывного процесса теплопередачи от одного теплоносителя к другому необходимы два регенератора: в то время, когда в одном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается холодный теплоноситель. Затем аппараты переключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении. Схема соединения и переключения пары регенераторов приведена на рис. 6.

Рис. 6. : I - холодный теплоноситель, II - горячий теплоноситель

Переключение производится поворотом клапанов (шиберов) 1 и 2. Направление движения теплоносителей показано стрелками. Обычно переключение регенераторов производится автоматически через определенные промежутки времени.

Из применяемых в технике регенераторов можно выделить конструкции аппаратов, работающих в областях высоких, средних и очень низких температур. В металлургической и стеклоплавильной промышленности применяют регенераторы с неподвижной насадкой из огнеупорных кирпичей. Воздухонагреватели доменных печей выделяются своими размерами. Два или несколько совместно работающих таких воздухонагревателя имеют высоту до 50 м и диаметр до 11 м, они могут нагревать до 1300 °С примерно 500 000 м3/ч воздуха. На рис. 7, а представлен продольный разрез воздухонагревателя доменной печи с кирпичной насадкой. В камере сгорания сжигают горючие газы. Продукты сгорания поступают в воздухонагреватель сверху и, двигаясь вниз, нагревают насадку, а сами при этом охлаждаются и выходят снизу. После переключения шибера воздух движется снизу вверх через насадку в обратном направлении и при этом нагревается. Другим примером высокотемпературного регенератора является воздухонагреватель сталеплавильной печи (рис. 7, б). Г азообразное (жидкое) топливо и воздух перед подачей в печь нагреваются за счет теплоты продуктов сгорания.

Рис. 7. Некоторые типы регенераторов : а - схема мартеновской печи с регенераторами: 1 - шибер; 2 - горелки; 3 - насадка; б - воздухоподогреватель доменной печи: 1 - теплоаккумулирующая насадка; 2 - камера сгорания; 3 - выход горячего дутья; 4 - вход воздуха в камеру сгорания; 5 - вход горячего газа; 6 - вход холодного дутья; 7 - уходящие газы; в - регенеративный аппарат системы Юнгстрема; г - схема регенератора с падающей насадкой

Теплообменники, работающие при высоких температурах, обычно изготовляют из огнеупорного кирпича. Недостатками регенераторов с неподвижной кирпичной насадкой являются громоздкость, усложнение эксплуатации, связанное с необходимостью периодических переключений регенераторов, колебания температуры в рабочем пространстве печи, смещение теплоносителей во время переключения шибера.

Для среднетемпературных процессов в технике используют воздухонагреватели непрерывного действия с вращающимся ротором системы Юнгстрема (рис. 7, в). Регенеративные вращающиеся подогреватели (РВП) применяют на электростанциях в качестве воздухонагревателей для использования теплоты дымовых газов, выходящих из котлов. В качестве насадки в них используют плоские или гофрированные металлические листы, прикрепленные к валу. Насадка в виде ротора вращается в вертикальной или горизонтальной плоскости с частотой 3...6 об./мин и попеременно омывается то горячими газами (при этом нагреваясь), то холодным воздухом (при этом охлаждаясь). Преимуществами РВП перед регенераторами с неподвижной насадкой являются: непрерывный режим работы, практически постоянная средняя температура нагреваемого воздуха, компактность, недостатками - дополнительный расход электроэнергии, сложность конструкции и невозможность герметичного отделения полости нагрева от полости охлаждения, поскольку через них проходит одна и та же вращающаяся насадка.

5. Смесительные теплообменные аппараты

В тепломассообменных аппаратах и установках контактного (смесительного) типа процессы тепло- и массообмена протекают при непосредственном соприкосновении двух и более теплоносителей.

Тепловая производительность контактных аппаратов определяется поверхностью соприкосновения теплоносителей. Поэтому в конструкции аппарата предусматривается разделение потока жидкости на мелкие капли, струи, пленки, а газового потока - на мелкие пузырьки. Передача теплоты в них происходит не только путем кондуктивной теплопередачи, но и путем обмена массой, причем при массопередаче возможен даже переход теплоты от холодного теплоносителя к горячему. Например, при испарении холодной воды в горячем газе теплота испарения переносится от жидкости к газу.

Контактные теплообменники нашли широкое применение для конденсации паров, охлаждения газов водой, нагревания воды газами, охлаждения воды воздухом, мокрой очистки газов и т. п.

По направлению потока массы контактные теплообменники могут быть разделены на две группы:

1) аппараты с конденсацией пара из газовой фазы. При этом происходят осушка и охлаждение газа и нагревание жидкости (конденсаторы, камеры кондиционеров, скрубберы);

2) аппараты с испарением жидкости в потоке газа. При этом увлажнение газа сопровождается его охлаждением и нагреванием жидкости или его нагреванием и охлаждением жидкости (градирни, камеры кондиционеров, скрубберы, распылительные сушилки).

По принципу диспергирования жидкости контактные аппараты могут быть насадочными, каскадными, барботажными, полыми с разбрызгивателями и струйными (рис. 8).

Каскадные (полочные) аппараты применяются преимущественно в качестве конденсаторов смещения (рис. 8, а). В полом вертикальном цилиндре установлены на определенном расстоянии одна от другой (350...550 мм) плоские перфорированные полки в виде сегментов. Охлаждающая жидкость подается в аппарат на верхнюю полку. Основная масса жидкости вытекает через отверстия в полке тонкими струями, меньшая ее часть переливается через борт на нижележащую полку.

Пар для конденсации подается через патрубок в нижней части конденсатора и движется в аппарате противотоком к охлаждающей жидкости. Жидкость вместе с конденсатом выводится через нижний патрубок аппарата и барометрическую трубу, а воздух отсасывается через верхний патрубок вакуум-насосом. Кроме сегментных полок в барометрических конденсаторах применяются кольцевые, конические и иной формы полки.

Барботажные аппараты (рис. 8, б) отличаются простотой конструкции, их применяют для нагревания воды паром, выпаривания агрессивных жидкостей и растворов, содержащих шламы, взвеси и кристаллизующиеся соли, горячими газами и продуктами сгорания топлива. Принцип работы барботажных подогревателей и испарителей состоит в том, что перегретый паp или горячие газы, поступающие в погруженные барботеры, диспергируются в пузырьки, которые при всплытии отдают теплоту жидкости и одновременно насыщаются водяным паром. чем больше пузырьков образуется в растворе, тем лучше структура барботажного слоя и тем больше межфазная поверхность. Структура барботажного слоя зависит от размеров газовых пузырьков и режима их движения.

Рис. 8. : а - каскадный теплообменник; б -барботажный; в - полый с разбрызгивателем; г - струйный; д - насадочная колонна: 1 - контактная камера; 2 - насадка; 3 - штуцер для входа газа; 4 - патрубок для подачи жидкости; 5 - штуцер для удаления газа; 6 - спускной штуцер для жидкости; 7 - распылительное устройство; 8 - распределительная тарелка; 9 - решетка

Полые контактные теплообменники (с разбрызгивателями) нашли применение при конденсации паров, охлаждении, сушке и увлажнении газов, упаривании и сушке растворов, нагревании воды и др. На рис. 8, в показана схема контактного водонагревательного теплообменника.

Струйные (эжекторные аппараты) применяются редко и только для конденсации паров. На рис. 8, г показана схема такого конденсатора.

Конструктивно смесительные теплообменные аппараты выполняются в виде колонн из материалов, устойчивых к воздействию обрабатываемых веществ, и рассчитываются на соответствующее рабочее давление. Насадочные и полые аппараты чаще всего изготовляются железобетонными или кирпичными. Каскадные, барботажные и струйные аппараты выполняются из металла. Высота колонн обычно в несколько раз превышает их поперечное сечение.

Каждому типу контактного устройства свойственны особенности, которые следует учитывать при выборе аппарата.

На сегодняшний день в той или иной сфере человеческой деятельности используются такое оборудование, как теплообменники. В настоящее время можно выделить немалое количество разновидностей таких устройств, основная задача которых заключается в передаче тепла от теплоносителя к холодной среде.

Такая модель, как теплообменник кожухотрубный , как правило, используется в газовой, нефтяной, химической промышленности. Кроме того, нередко их можно обнаружить и в большой теплоэнергетике, поскольку там эксплуатируются теплоносители с высокими параметрами. Необходимо также сказать о том, что такие модели теплообменных аппаратов достаточно часто применяются на пищевом, молочном и пивном производстве. Разносторонняя сфера использования данных агрегатов говорит о наличии такого замечательного достоинства, как высокий уровень мощности. К примеру, немалая часть аналогичных устройств используется только в бытовом применении и способно обеспечивать теплом только одну часть здания.

Следующее, на что необходимо обратить внимание, - это такая характеристика, как стойкость к гидравлическим ударам. Те или иные аппараты очень часто размещаются в сложной и тяжёлой эксплуатационной среде. При непредвиденных обстоятельствах некоторые приборы просто выходят из строя, в то время как кожухотрубные теплообменники способны исправно работать даже при гидроударах.

Немаловажным достоинством кожухотрубных теплообменных аппаратов является и способность прекрасно функционировать даже в загрязнённой рабочей среде. Многие модели теплообменников могут работать только с чистой средой. Описываемые устройства не предъявляют жёстких требований к чистоте среды, и это оказывается очень важным.

Несколько слов необходимо сказать о стоимости. К примеру, на пластинчатый теплообменник цена установлена очень высокая. Многих от покупки данного прибора останавливает именно этот фактор. Кожухотрубные устройства стоят намного дешевле. При этом их КПД будет ничуть не хуже тех аппаратов, в чьих конструкциях установлены пластины.

Однако и минусов у кожухотрубных теплообменников обнаруживается немало. Прежде всего, нужно сказать о том, что они достаточно сложно поддаются чистке. Во-первых, этот процесс отнимет много физических сил. Во-вторых, на чистку уйдёт много времени. При этом не исключается вероятность, что после этой процедуры трубки перестанут должным образом функционировать.

Ещё один существенный недостаток заключается в том, что такой агрегат занимает немало места, в отличие, например, от пластинчатых приборов.

Однако, несмотря на имеющиеся недостатки, кожухотрубные теплообменники всё равно очень активно используются в настоящее время.

Лекция 4

2 вариант

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА

Теплообмен широко используется в химической технологии для организации процессов разделения веществ, интенсификации массообменных и химических процессов, а также утилизации тепла. Прямыми источниками тепла могут служить топочные (дымовые) газы , получающиеся в результате сгорания топлива, а также электрическая энергия . Среды, служащие для передачи тепла от этих источников к охлаждающим агентам, носят название промежуточных теплоносителей .

Топочные газы получают, сжигая в топках печей твердое, жидкое или газообразное топливо. При этом тепло промежуточным теплоносителям передается, как правило, через стенки встроенных в печь труб за счет излучения, теплопроводности и конвекции (сложный теплообмен). Существенная доля тепла, передаваемого излучением, объясняется высокой температурой, достигаемой при горении (~1000 0 С). Температуру нагревания топочными газами можно регулировать за счет их частичной рециркуляции, возвращая в печь отработанные газы либо подводя дополнительное количество воздуха.

Подвод тепла электрическим током обеспечивает легкую регулировку температурного режима. Различают следующие способы подвода тепла электрическим током: за счет электрического сопротивления (прямого или косвенного), индукционный, высокочастот-ный и дуговой.

В случае электрического сопротивления прямого действия тепло выделяется при прохождении электрического тока через среду, помещенную в аппарат. При этом одним из электродов служит корпус аппарата, а другой находится в самой среде. Подвод теплоты за счет электрического сопротивления косвенногодействия осущест-вляется при прохождении электрического тока через специальные нагревательные элементы, от которых тепло передается среде путем излучения, теплопроводности и конвекции.

При индукционном подводе тепла аппарат является сердечником соленоида, по которому пропускают переменный электрический ток. Переменное магнитное поле индуцирует в стенках аппарата индукционные токи, вызывающие нагрев аппарата.

Высокочастотный способ подвода тепла применим к диэлектрикам. Они помещаются в переменное электрическое поле высокой частоты, под действием которого молекулы поляризуются и поворачиваются с высокой частотой. В результате трения между молекулами выделяется теплота. Основным преимуществом данного способа является равномерный прогрев материала, так как выделение теплоты происходит во всем его объеме.

Электродуговой способ подвода тепла осуществляется за счет пламени дуги, возникающей между электродами. Причем одним из электродов может служить сам теплоноситель. Этот способ позволяет достичь высокой температуры (1500-3000 0 С), но сложен в регулировании.

Основные виды теплоносителей

Целесообразность выбора теплоносителя определяется многими факторами: температурными, экономическими, экологическими и т.д. Промышленный теплоноситель должен удовлетворять ряду основных требований: обеспечивать высокий коэффициент теплоотдачи, следовательно, как это вытекает из (6.47), (6.81), (6.93), (6.113), (6.116), (6.132), (6.147), (6.151), обладать высокими значениями коэффициента теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости, а также низким значением коэффициента кинематической вязкости; предоставлять возможность обходиться малым расходом теплоносителя, то есть, как это следует из уравнений теплового баланса (1) – (6), обладать высокими значениями плотности, удельной теплоемкости и удельной теплоты парообразования (конденсации). Кроме того, желательно, чтобы теплоноситель был нетоксичным, взрывобезопасным, негорючим, дешевым и доступным, не взаимодействовал с материалом теплообменника. Исходя из вышесказанного рассмотрим достоинства и недостатки основных промышленных теплоносителей.

Нагревающие агенты

Насыщенный водяной пар является наиболее распространен-ным нагревающим агентом вследствие того, что удовлетворяет практически всем вышеперечисленным требованиям. При конденсации водяного пара обеспечивается высокий коэффициент теплоотдачи, значительная удельная теплота конденсации позволяет передать большое количество теплоты малыми расходами пара. Поскольку температура насыщенного пара жестко связана с его давлением это позволяет легко регулировать температуру данного теплоносителя. Кроме того, учитывая, что при конденсации насыщенного пара при постоянном давлении его температура не меняется, можно отметить еще одно преимущество – неизменность температуры теплоносителя вдоль всей поверхности теплообмена. Очевидны и такие достоинства, как нетоксичность, взрыво- и пожаробезопасность, дешевизна и доступность. Тепло может подводиться как с помощью «глухого» (через стенку), так и «острого» (при непосредственном контакте с охлаждающим агентом) водяного пара. Последний способ применяется реже, лишь в тех случаях, когда допустимо смешение конденсата с охлаждающим агентом. При использовании «глухого» пара требуется дополнительное устройство – конденсатоотводчик . Он предназначен для обеспечения отвода только конденсата, предотвращая выход несконденсировавшегося пара. Принцип действия большинства конденсатоотводчиков заключается в открывании клапана, соединенного с поплавком, лишь при заполнении корпуса до определенного уровня конденсатом. При этом слой конденсата препятствует выходу пара.

Существенным недостатком водяного пара является резкий рост давления при увеличении температуры, что ограничивает область его применения 180-190 0 С (10-12 атм), так как более высокие значения температуры и, следовательно, давления приводят к утяжелению и удорожанию оборудования и коммуникаций.

Поэтому для нагрева до более высоких температур используются так называемые высокотемпературные теплоносители . К ним относятся: перегретая вода, высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), расплавы солей и жидкие металлы.

Перегретая вода может использоваться вплоть до критических значений параметров состояния Т кр =374 0 С, Р кр =225 атм. Однако недостатком данного теплоносителя является высокое давление, что существенно усложняет и удорожает аппаратуру.

Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ) позволяют производить нагрев до 250-400 0 С при давлениях, не превышающих десяти атмосфер. В качестве ВОТ используются как индивидуальные вещества (глицерин, этиленгликоль, нафталин, дифенил и др.), так и смеси. Наибольшее промышленное применение получила дифенильная смесь (26,5% дифенила и 73,5% дифенилового эфира), которая обладает большей термической стойкостью и меньшей температурой плавления (12,3 0 С), чем составляющие ее компоненты. Температура кипения дифенильной смеси составляет при атмосферном давлении 258 0 С. Она может использоваться как в жидком, так и в паровом состоянии. Недостатком дифенильной смеси, как и большинства других ВОТ, являются меньшие по сравнению с водой значения удельной теплоты конденсации и удельной теплоемкости.

Расплавы солей используются для нагрева до более высоких температур (550 0 С). Теплоносители этой группы применяют, как правило, в жидком виде. Наиболее широко в промышленности используется нитрит-нитратная смесь (40% NaNO 2 , 7% NaNO 3 , 53% KNO 3). Недостатками данного теплоносителя являются меньшие коэффициенты теплоотдачи, чем у перегретой воды, а также высокая температура плавления (142,3 0 С), что требует парового обогрева трубопроводов во избежание затвердевания теплоносителя.

Жидкие металлы применяют для нагрева до 400-800 0 С. В промышленности используют ртуть, литий, натрий, калий, свинец и другие легкоплавкие металлы и их сплавы. Их преимуществами являются высокие коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи, а недостатками – токсичность и химическая агрессивность металлов щелочной группы.

Для нагрева до более высоких температур могут использоваться прямые источники тепла и, в частности, топочные газы (1000 -
1100 0 С). Их недостатки заключаются в низких коэффициентах теплопроводности и теплоотдачи, невысоких удельных теплоемкостях, что приводит к необходимости больших расходов газа, а также к его значительному охлаждению.

Охлаждающие агенты

Вода получила наиболее широкое распространение при охлаждении до 15-30 0 С. Ее преимущества заключаются в высоких значениях удельных теплоемкости и теплоты парообразования, коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи, взрыво- и пожаробезопасности, нетоксичности, дешевизне и доступности. Охлаждающая вода может находиться в жидком состоянии, а также и испаряться. Вода может использоваться как из естественных открытых водоемов, так и артезианская. Достоинством последней является малое изменение температуры (8 - 15 0 С) в течение года. В случае дефицита воды применяют оборотную воду, охлаждая ее в градирнях.

Воздух также широко используется в промышленности в качестве охлаждающего агента для достижения тех же температур, что и при охлаждении водой. Его преимуществом является большая доступность, а недостатками – меньшие значения удельной теплоемкости, а также коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи. Воздух широко используется для охлаждения оборотной воды в градирнях, которые представляют собой полые башни, заполненные насадкой. Сверху распыляется нагретая вода, а снизу противотоком движется воздух. Насадка служит для увеличения поверхности контакта фаз между этими теплоносителями.

Низкотемпературные холодильные агенты применяют для достижения более низких температур, в том числе и менее 0 0 С. В их число входят холодильные рассолы (водные растворы солей), жидкие аммиак и диоксид углерода. Они циркулируют в холодильных машинах, где тепло отнимается при их испарении с последующей конденсацией при сжатии.

Классификация и конструкции теплообменных аппаратов

Теплообменные процессы – нагревание, охлаждение, конденсация паров, испарение жидкостей – проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках). Теплообменники – аппараты предназначенные для передачи тепла от одних теплоносителей к другим.

По способу контакта теплоносителей теплообменники могут быть поверхностными и смешения . В поверхностных теплообменниках перенос тепла от одного теплоносителя к другому происходит через стенку, а в теплообменниках смешения – при непосредственном контакте теплоносителей. Поверхностные теплообменники подразделя-ются на рекуперативные (перенос тепла между теплоносителями происходит через разделяющую их глухую стенку) и регенеративные (попеременный контакт теплоносителей с одной и той же стенкой, телом).

Теплообменники смешения, как правило, конструктивно проще поверхностных теплообменников, однако смешение теплоносителей в химической технологии редко допустимо. Наиболее распространены поверхностные рекуперативные теплообменники.

По способу организации процесса теплообменники подразделяются на периодические и непрерывные , по своему назначению – на нагреватели , холодильники , испарители и конденсаторы.

По расположению в пространстве теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными . По конструкции поверхности теплообмена их можно подразделить на теплообменники из труб и из листового материала .

К теплообменникам, основу конструкции которых составляют трубы, относятся: кожухотрубчатые , типа «труба в трубе» , оросительные , змеевиковые , оребренные .

Из листового материала изготавливаются теплообменники: с рубашкой , пластинчатые , спиральные .

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты. Кожухотруб-чатые теплообменники относятся к числу наиболее широко применяемых поверхностных теплообменников. Теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплооб-менники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. На рис. 1 показаны кожухотрубчатые теплообменники, которые состоят из корпуса, или кожуха 1, к которому приварены трубные решетки 2. В трубных решетках, представляющих собой диск с отверстиями (рис. 3), закреплен герметично пучок труб. К трубным решеткам крепятся с помощью фланцевых соединений (на прокладках и болтах) крышки 3. К корпусу приварены лапы 6, на которые устанавливают теплообменник.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая – в межтрубном пространстве между трубами и кожухом.

Если теплоноситель по трубному пространству проходит только в одном направлении – такой теплообменник называется одноходовым (рис. 1а). При двух и более последовательных проходах теплоносите-ля через трубное пространство теплообменники называются многоходовыми по трубному пространству (рис. 1б). Разбивку на

Рис. 1. Кожухотрубчатые теплообменники: а – однохо-довый; б – двуходовый по трубному пространству: 1 – кожух, 2 – трубные решетки, 3 – крышки, 4 – перегородка в крышке, 5 – поперечные перегородки в межтрубном пространстве,
6 – лапы; I и II – входы и выходы теплоносителей

ходы в трубном пространстве производят установкой перегородок 4 в крышках теплообменника. Перегородки размещают таким образом, чтобы на каждый ход приходилось примерно одинаковое число труб.

Одноходовые кожухотрубчатые теплообменники обычно используются при больших расходах теплоносителя в трубах или при теплопередаче, определяемой теплоотдачей в межтрубном пространстве. Одноходовые кожухотрубчатые теплообменники могут использоваться в качестве испарителей.

Многоходовые по трубному пространству кожухотрубчатые теплообменники применяются в качестве подогревателей жидкостей и конденсаторов. Многоходовые теплообменники целесообразно использовать для проведения процессов теплообмена при высоких тепловых нагрузках.

При одинаковом диаметре кожуха и числе труб площадь поперечного сечения трубного пространства для прохода теплоносителя у многоходового теплообменника меньше по сравнению с одноходовым. Меньшая площадь сечения вызывает большую скорость течения теплоносителя, а следовательно, и больший коэффициент теплоотдачи. Однако увеличение скорости течения теплоносителя и длины пути его движения сопровождается увеличением гидравлического сопротив-ления. Поэтому с экономической точки зрения более шести ходов по трубному пространству в теплообменниках не делают. Аналогичными соображениями руководствуются, устанавливая перегородки в продольном направлении (вдоль труб) в межтрубном пространстве
(рис. 4б). Такое разбиение перегородками межтрубного пространства приводит к последовательному движению теплоносителя сначала в одном направлении вдоль труб, затем в противоположном и т.д. Число таких проходов теплоносителя вдоль труб называется числом ходов теплообменника по межтрубному пространству. Недостаток много-ходовых теплообменников заключается также в невозможности использования противотока, обеспечивающего наибольшую движущую силу; в них наблюдается смешанный ток.

Для увеличения скорости и удлинения пути движения теплоносителя в межтрубном пространстве могут устанавливаться поперечные сегментные перегородки 5. Это приводит к перекрестному току теплоносителей и не является признаком многоходового теплообменника.

При выборе пути движения теплоносителей через теплообменник руководствуются следующими соображениями. По трубам (по сравнению с межтрубным пространством) обычно пропускают жидкость либо более агрессивную и более загрязненную, либо находящуюся под большим давлением. По межтрубному пространству обычно направляется пар. В многоходовом теплообменнике в трубное пространство нельзя направлять жидкость или пар, если они меняют свое агрегатное состояние.

Обычно среды направляют противотоком друг к другу. Ввод теплоносителя в теплообменник проводят таким образом, чтобы направление движения теплоносителя совпадало с направлением движения за счет естественной конвекции, вызванной изменением плотности теплоносителя при нагреве или охлаждении.

Трубы закрепляются в трубных решетках (рис. 2) развальцовкой (а, б), сваркой (в) или пайкой (г). Изредка используется соединение с помощью сальников (д).

Рис. 2. Крепление труб в трубных решетках:
а – развальцовкой; б – развальцовкой с канавкой; в – сваркой; г – пайкой; д – сальниковыми устройствами

Размещают трубы (рис. 3) по вершинам правильных шести-угольников (а), по концентрическим окружностям (б) или по вершинам правильных прямоугольников (в). Если трубы жестко закреплены (сварка, пайка, развальцовка) в трубных решетках, а решетки жестко связаны с кожухом аппарата, то такая конструкция аппарата называется конструкцией с неподвижным или жестким креплением трубных решеток (рис. 1).

Рис. 3. Способы размещения труб в трубных решетках:
а – по периметрам правильных шестиугольников; б – по концентрическим окружностям; в – по периметрам прямоугольников (коридорное расположение)

При значительной разности температур кожуха и труб (равной приблизительно или более 50 0 С) или большой длине труб применяются аппараты, допускающие перемещение друг относительно друга труб и кожуха (рис. 4). Это необходимо для избежания возникновения напряжений при неодинаковом линейном температурном расширении (удлинении) труб и кожуха, что может привести к разрушению аппаратов с двумя неподвижными трубными решетками.

В качестве компенсирующего устройства могут применяться линзовыекомпенсаторы 1 (рис. 4а), соединяющие две части кожуха теплообменника и упруго деформирующиеся при возникновении напряжений. В теплообменниках с U-образными трубами (рис. 4б) имеется одна трубная решетка, в которую жестко закреплены оба конца U-образных труб 2. Такая конструкция также обеспечивает некоторое перемещение труб относительно кожуха, не приводя к возникновению напряжений. Однако линзовое компенсационное устройство недостаточно надежно в эксплуатации и может применяться при невысоких давлениях в межтрубном пространстве теплообменника (обычно до 1,6 МПа). Теплообменники с U-образными трубами сложны в изготовлении. Кроме того, в них довольно трудно проводить очистку внутренней поверхности труб. Таких недостатков лишена конструкция теплообменного аппарата с плавающей головкой с компенсацией в виде подвижной трубной решетки (рис. 4в). В таком аппарате подвижная трубная решетка 3 соединена с дополнительной внутренней крышкой трубной системы. Это позволяет свободно перемещаться

Рис. 4. Кожухотрубчатые теплообменники, применяемые при большой разности температур между кожухом и трубами:
а – с линзовым компенсатором; б – с U-образными трубами; в – с плавающей головкой. 1 – линзовый компенсатор; 2 – U-образ-ные трубы; 3 – подвижная трубная решетка; 4 – продольная перегородка в межтрубном пространстве

трубному пучку независимо от кожуха аппарата даже при значительных температурных линейных разностях расширения труб и корпуса. Напряжения, вызванные разностями температур, могут возникнуть в аппаратах такой конструкции лишь при существенном различии температур самих труб. Теплообменники с плавающей головкой из-за усложнения конструкции по сравнению с аппаратами других типов являются более дорогими, но эти затраты оправдываются надежностью при эксплуатации.

Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменники типа «труба в трубе» состоят из последовательно соединенных секций. Каждая секция представляет собой конструкцию из двух концентрически расположенных труб. Один из теплоносителей движется по внутренней трубе, а другой – по кольцевому пространству между трубами (рис. 5). Внутренняя труба, называемая теплообменной 1, с диаметром d н соединяется с другой секцией калачом 2. Внешняя труба с диаметром D н называется кожуховой 3. Кольцевое пространство секции соединяется с другим кольцевым пространством следующей секции с помощью патрубков.

Рис. 5. Теплообменник типа "труба в трубе" 1 – теплообменная труба; 2 – калач; 3 – кожуховая труба; I , II –входы и выходы теплоносителей

При подборе размеров теплообменной и кожуховой труб даже при небольших расходах в теплообменниках типа «труба в трубе» можно обеспечить большие скорости движения теплоносителей. Это позволяет достигать высоких коэффициентов теплоотдачи теплоносителей при их низких расходах. Недостатком таких аппаратов является громоздкость и большая металлоемкость на единицу поверхности теплообмена. Теплообменники этого типа целесообразно применять, когда требуется небольшая поверхность теплообмена (не более 20-30 м 2).

Оросительные теплообменники. Оросительные теплообмен-ники представляют собой конструкцию, изображенную на рис. 6. Трубы 1, по которым протекает теплоноситель, располагаются горизонтально параллельными рядами: одна под другой. Каждый ряд труб посредством калачей 2 соединяется со следующим рядом труб. Над рядами труб располагается желоб 3 с зубчатыми краями, в который подается вода. Вода из желоба стекает вниз и орошает последовательно ряды труб. Орошение из желоба стараются проводить равномерно по длине труб. Под рядами труб для сбора отработанной воды располагается поддон 4.

Оросительные теплообменники в основном применяются в качестве холодильников и конденсаторов. По сравнению с кожухотрубчатыми в оросительных теплообменниках расход охлаждающей воды меньше. Меньший расход объясняется отводом тепла от труб за счет испарения воды. Такая простая конструкция теплообменника обеспечивает доступность наружной поверхности труб для очистки.

Рис. 6. Оросительный тепло-обменник: 1 – секция прямых труб; 2 – калачи; 3 – распреде-лительный желоб; 4 – поддон

Оросительные теплообменники обладают следующими недостатками: громоздкость. неравномерность смачивания труб, как по их длине, так и по высоте; большая коррозия труб окружающим воздухом; загрязнение окружающей среды каплями и парами охлаждающей воды; невосполнимая потеря воды за счет испарения; небольшие значения коэффициентов теплоотдачи.

Змеевиковые теплообменники. Теплообменники такого типа (рис. 7) обычно изготавливают из труб диаметром 15 - 89 мм, сгибая их в виде цилиндрической или плоской спирали 1. Змеевики устанавливают непосредственно внутри аппарата 2, погружением в теплоноситель. Один теплоноситель движется внутри трубы змеевика, а другой снаружи змеевика в аппарате. Внутри аппарата может располагаться один или несколько змеевиков. Для интенсификации теплоотдачи от наружной стенки змеевика за счет увеличения скорости движения теплоносителя в аппарате устанавливают внутренний стакан 3, уменьшающий проходное сечение для теплоносителя II, или перемешивающее устройство. Погружные змеевиковые теплообменники

Рис. 7 Змеевиковый теп-лообменник: 1 – спиральный змеевик; 2 – корпус аппарата; 3 – внутренний стакан; 4 – конструкция для крепления змеевика

просты по конструкции. Коэффициенты теплопередачи в них относительно невелики.

Змеевиковые теплообменники имеют доступную для ремонта и очистки поверхность, могут использоваться при высоком давлении и химически агрессивных теплоносителях. Стоимость теплообменников такой конструкции невысока. Они применяются при требуемых поверхностях теплообмена не более 10-15 м 2 .

Оребренные теплообменники. Оребренные теплообменники (рис. 8) представляют собой конструкцию, состоящую из труб 1, на которых располагаются в продольном либо в поперечном направлении ребра 2. Ребристая поверхность гораздо больше поверхности труб. Это позволяет использовать оребренные теплообменники в тех случаях, когда коэффициенты теплоотдачи теплоносителей сильно различаются. Оребрение располагают со стороны теплоносителя, имеющего наименьший коэффициент теплоотдачи (газы, вязкие жидкости). Оребрением увеличивают тепловую нагрузку аппарата за счет увеличения поверхности теплоотдачи, а также коэффициента теплоотдачи путем турбулизации потока теплоносителя, в последнем случае ребра либо надрезаются и отгибаются в стороны, либо выполняются в виде спирали. Ребра должны иметь высокие коэффициенты теплопроводности и хороший контакт с трубами (литье, сварка, пайка), то есть обладать малым термическим сопротивлением.

Рис. 8 Элементы оребренных теплообменников:
1- труба; 2- ребра

Пластинчатые теплообменники . В пластинчатом теплооб-меннике (рис. 9) поверхность теплообмена образуется гофрирован-ными штампованными пластинами. Пластины соединяются между собой с использованием специальных прокладок из термостойких материалов. Пластинчатые теплообменники могут быть разборной, полуразборной и неразборной сварной конструкции. В результате образуется система узких каналов шириной 3-6 мм, по которым движутся теплоносители, не смешиваясь друг с другом. Каждая пластина отделяет один теплоноситель от другого, являясь поверхностью теплопередачи. Из-за малого сечения каналов в пластинчатых теплообменниках скорости течения теплоносителей высоки, что обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи при относительно невысоких гидравлических сопротивлениях.

б	в

Рис. 9 Пластинчатый теплообменник: а – монтажная схема однопоточного аппарата: 1 – четные пластины; 2 – нечетные пластины; 3,4 – штуцера для входа и выхода теплоносителя I;
5,6 – штуцера для входа и выхода теплоносителя II; 7 – неподвижная головная плита; 8 – подвижная головная плита; 9 – стяжное винтовое устройство; б – устройство пластин: 1,4 – прокладки; 2,3 – отверстия для теплоносителя I; 5,6 – отверстия для теплоносителя II; 7 – четные пластины; 8 – нечетные пластины; в – схема движения теплоносителей в однопоточном (одноходовом) теплообменнике

Другим достоинством таких теплообменников является простота их очистки при разборной конструкции. Однако эти теплообменники не могут работать при высоких давлениях теплоносителей. Кроме того, возникают сложности с подбором материалов для прокладок между пластинами, которые должны быть эластичны и химически стойки к воздействию теплоносителей.

Спиральные теплообменники . В спиральных теплообменниках (рис. 10) поверхность теплообмена образована двумя металличес-кими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. С торцов спирали на прокладках устанавливаются крышки. В центре спирали и по ее краям устанавливаются штуцеры для подвода и отвода теплоносителей. Теплоносители движутся по двум узким спиральным изолированным друг от друга каналам прямоугольного сечения шириной 2-8 мм, обычно противотоком.

Рис. 10. Спиральный теплообменник: 1, 2 – листы, свернутые в спирали; 3 – перегородка; 4, 5 – крышки

Основными преимуществами спиральных теплообменных аппаратов являются их компактность и высокая интенсивность теплообмена. Спиральные теплообменные аппараты используют для нагрева и охлаждения жидкостей, газов и парогазовых смесей.

Спиральные теплообменники компактны, работают при высоких скоростях теплоносителей и обладают относительно малым гидравлическим сопротивлением. Однако теплообменники такого типа имеют и недостатки. Они могут использоваться при невысоком давлении теплоносителей (до 1,0 МПа) и сложны в изготовлении.

Теплообменные аппараты с рубашками . Для подвода и отвода тепла в аппаратах могут использоваться теплообменные рубашки
(рис. 11).

В теплообменниках с рубашками в качестве поверхности теплообмена используют поверхность самого аппарата. Рубашки с помощью прокладок и болтов или сваркой крепятся к корпусу аппарата. Один теплоноситель движется внутри аппарата, а другой – по пространству между рубашкой и стенкой аппарата. Поверхность теплообмена при такой конструкции ограничена площадью поверхности аппарата и обычно не превышает 10 м2. Теплообменные рубашки используются при давлении теплоносителя не более 0,6-1,0 МПа. Теплообменные рубашки могут выполняться не только из листового металла, но и из приваренных к стенкам аппарата полутруб, труб и угловой стали. Недостатком данных теплообменников является малое значение коэффициента теплоотдачи от стенок к теплоносителю, находящемуся в аппарате, вследствие малой скорости его движения.

Рис. Теплообменные аппараты с рубашками:
а – с гладкостенной приварной рубашкой; б – с теплообменной рубашкой из полутруб

Для интенсификации теплообмена в аппарате могут быть установлены перемешивающие устройства. Достоинствами теплооб-менников с рубашками являются простота конструкции и удобство очистки внутренней поверхности аппарата.

Смесительные теплообменники. Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей друг с другом обладает наибольшей интенсивностью и эффективностью. Однако смешение теплоносителей не всегда технологически возможно. Смешение возможно в тех случаях, когда теплоносителями является одно и то же вещество, либо когда смесь теплоносителей легко разделяется на исходные теплоносители, либо когда изменение состава теплоносителя в результате смешения с другим теплоносителем технологически оправдано или теплоносители в теплообменниках смешения могут находиться в различных фазовых состояниях. Причем фазовое состояние теплоносителей может изменяться в процессе теплообмена. Смешение потоков теплоносителей может быть прямоточным или противоточным. Фазовое состояние теплоносителей определяет конструкцию аппарата, позволяющую оптимальным образом проводить процесс теплообмена.

Конструкция смесительного теплообменного аппарата должна обеспечить высокий коэффициент теплопередачи и высокую поверхность соприкосновения теплоносителей. Для этого в аппаратах устанавливаются устройства, турбулизирующие течение и разделяющие потоки жидких теплоносителей на капли, струи, пленки, а газообразных теплоносителей – на мелкие пузырьки.

Для смешения газовых потоков теплоносителей используется емкостное оборудование, снабженное инжекторами. Смешение жидкостей также проводится в емкостном оборудовании с помощью инжекторов или различных конструкций перемешивающих устройств (механические мешалки, насосы). Смешение газовых (паровых) и жидкостных потоков может быть осуществлено в аппаратах множества конструкций: в емкостях с помощью барботеров или в колоннах, снабженных для увеличения контакта между фазами полками, насадкой, тарелками, различными разбрызгивающими устройствами. При смешении газовых или жидкостных потоков с целью теплообмена с твердой гранулированной фазой обычно используются аппараты со взвешенным (псевдоожиженным) слоем твердой фазы.

Из-за большого разнообразия конструкций, рассмотрим лишь некоторые из них. Наиболее часто теплообменники смешения используются для конденсации паров. При этом конденсаторы смешения подразделяются на сухие и мокрые. В сухих конденсаторах смешения конденсат отводится вместе с охлаждающей жидкостью, обычно, самотеком, а неконденсирующиеся газы отсасываются отдельно вакуум-насосом. В мокрых конденсаторах смешения газы, конденсат и охлаждающая жидкость откачиваются из аппарата насосом совместно.

Конденсатор смешения рассмотрим на примере сухого полочного аппарата (рис. 12). Конструкции полок весьма разнообразны: они могут быть сегментными, кольцевыми, коническими и т.д. Сверху подается в аппарат охлаждающая жидкость, а снизу пар. Охлаждающая жидкость, стекая сверху по перфорированным полкам, разделяется на множество струй, контактирующих с паровым потоком. В результате пары конденсируются, смешиваясь с потоком охлаждающей жидкости, и стекают по барометрической трубе высотой около 10 м в приемный колодец.При этом за счет гидростатического давления столба жидкости в барометрической трубе создается разность давлений на поверхности колодца (обычно атмосферное) и в корпусе конденсатора, приводящая к вакуумированию последнего. Барометрическая труба, помещенная в слой жидкости в колодце, образует гидрозатвор, препятствующий подсосу в аппарат атмосферного воздуха. Некоторое количество неконденсирующихся газов, попадающее в аппарат с жидкостью и паром, отводится из верхней части конденсатора с помощью вакуум - насоса. Такие аппараты, как будет показано ниже, используются в многокорпусных выпарных установках для конденсации паров и создания вакуума.

Рис. 12. Сухой противоточный полочный барометрический конденсатор: 1 – корпус;
2 – распределительные полки; 3 – штуцер для подвода пара; 4 –штуцер для подвода охлаждающей жидкости; 5 – штуцер для отвода охлаждающей жидкости и конденсата; 6 – барометрическая труба; 7 – колодец; 8 – штуцер для отвода неконденси-руемых газов

Насадочные теплообменники смешения могут использоваться как для конденсации паров, так и для охлаждения газа жидкостью или жидкости газом.

В насадочных колоннах (рис. 13) жидкость подается через распределительное устройство сверху аппарата 1. Равномерно распределенная по сечению аппарата жидкость попадает на насадку 2 и, стекая в виде тонкой пленки вниз, контактирует с газовой фазой, поднимающейся вверх. Насадка служит для увеличения поверхности контакта между жидкой и газообразной фазами. Насадка насыпается внавал или укладывается в определенном порядке на опорную колосниковую решетку 3. В качестве насадки используют кольца, седла, стальные спирали, сетки, куски кокса, кварца и т.д. Снизу аппарата противотоком к жидкой фазе подается газ.

Насадочные аппараты могут применяться и в качестве поверхностных регенеративных теплообменников. В этом случае теплоносители проходят через слой насадки попеременно. Для непрерывного проведения процесса устанавливаются параллельно два аппарата. В одном из них нагревающий агент отдает тепло насадке, а в другом в это время охлаждающий агент его отбирает. Потоки теплоносителей попеременно переключают от одного аппарата к другому.

В емкостном оборудовании для эффективного смешения газового потока с жидким используются барботёры (рис. 14).

Рис. 14. Смесительный аппарат с барботером:
1 – барботер, I – газ; II – жидкость

Барботером 1 является устройство в виде трубы, изогнутой по окружности, спирали или иным образом, и уложенное на дне аппарата. В стенах труб имеется множество мелких отверстий для разбиения потока на струи или пузыри.

Выбор типа теплообменного аппарата. Для проведения процесса теплообмена необходимо подобрать такую конструкцию теплообменного аппарата, которая обеспечила бы выполнение поставленной задачи с минимальными затратами. Выбор конструкции теплообменного аппарата зависит от температур и давлений, при которых будет проходить процесс теплообмена, агрегатного состояния, физико-химических свойств, химической агрессивности и расходов теплоносителей, тепловой нагрузки аппарата и необходимости очистки теплообменной поверхности от возможных загрязнений.

В качестве критерия оптимальности выбора конструкции и конструктивных параметров аппарата обычно используются экономические затраты. Кроме того, оптимальная конструкция аппарата может подбираться при наложении ограничений на несколько параметров по принципу: параметры не должны выходить за заданные пределы (габаритный размер, масса и т.д.)

В настоящее время в системах теплоснабжения всех развитых стран используются преимущественно именно пластинчатые теплообменники, ведь они имеют ряд значимых преимуществ по сравнению с кожухотрубными (подогреватели пароводяные ПП, подогреватели водоводяные ВВП, ПВВ, ПВ ).
Коэффициент теплопередачи пластинчатых теплообменников значительно выше (в 3-5 раз) коэффициента кожухотрубных.
Масса пластинчатых теплообменников меньше массы кожухотрубных в 3-10 раз в зависимости от их мощности. Подводящие трубы к пластинчатым теплообменникам можно присоединять с одной стороны. В пластинчатых теплообменниках проще производить внутренний осмотр. Также их преимуществом перед кожухотрубными является меньшая подверженность вибрации. Вальцовочные соединения в кожухотрубных теплообменниках теряют плотность даже от незначительных вибраций, что чревато перетеканием одной воды в другую, в зависимости от более высокого давления.
Изменение мощности происходит путем увеличения или уменьшения поверхности теплообмена, для этого достаточно просто изменить количество пластин в пакете. В случае применения изменение мощности происходит значительно сложнее.
Важным показателем является и то, что для пластинчатых теплообменников теплоизоляция не требуется, также нет необходимости производить их ремонт на протяжении долгого времени эксплуатации.
Часто очищать теплообменники пластинчатые от отложений нет необходимости. Производить очистку можно двумя способами – механическим или химическим. Выбор способа очистки зависит от состава отложений.
Механическим способом теплообменники очищаются от кальциевых отложений. Для этого нужно разобрать устройство и очистить его, например, щеткой или чем-то подобным. Для небольших теплообменников такой способ очистки занимает около четырех часов, а для больших теплообменников с большим количеством пластин примерно восемь. Перед разборкой замеряется расстояние между плитами и по этому размеру изготавливается шаблон. После сборки нужно довести расстояние между плитами до первоначального для восстановления усилия стяжки шпилек.
Химическая очистка применяется к механически прочным отложениям с магнием и кремнием. В зависимости от состава отложений подбирают тип чистящего раствора. Химическая чистка производится следующим образом. При помощи специального устройства, состоящего из насоса и емкости для разведения раствора, происходит циркуляция чистящего средства через теплообменник. Для подобной очистки необходимо, чтобы подводящие и отводящие трубопроводы были оснащены штуцерами или специальными фланцами со штуцерами. В силу агрессивности химических растворов, трубопроводы из углеродистой стали нужно оградить от их губительного воздействия, например, путем отключения трубопроводов от теплообменников перед очисткой.