Спиральный теплообменник

      В зависимости от назначения производственных процессов в качестве теплоносителей могут применяться самые различные газообразные, жидкие и твердые среды.

      Теплообменные аппараты по принципу действия разделяют  на: поверхностные, смесительные и регенеративные.

      Поверхностные теплообменники:

      а) с трубчатой поверхностью теплообмена  – кожухотрубные (кожухотрубчатые), погружные змеевиковые, типа ‹‹труба в трубе››, оросительные;

      б) с плоской поверхностью теплообмена  – пластинчатые, спиральные, с оребренной поверхностью теплообмена; с поверхностью теплообмена, образованной стенками аппарата;

      в) блочные;

      г) шнековые.

      Смесительные  теплообменники:

      а) градирни;

      б) конденсаторы смешения;

      в) аппараты с барботажем газа;

      г) аппараты с погружными горелками.

      Регенеративные  теплообменники:

      а) с неподвижной насадкой;

      б) с движущейся насадкой.  

 

1.2.2 Поверхностные теплообменные аппараты 

В поверхностных  теплообменниках оба теплоносителя  разделены стенкой, и теплота  передается через стенку от одного теплоносителя к другому. Поверхностные  теплообменники – наиболее распространенны.

      Кожухотрубчатые теплообменники  применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена, т.е. для испарения и конденсации  теплоносителей в различных технологических процессах, а также для нагревания и охлаждения жидкостей и газов. В большинстве случаев пар (горячий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубам. Загрязненные потоки (например, запыленные газы или суспензии) следует направлять в трубки, а не в межтрубное пространство (так как трубки легче очищать).

            
 
 

      Кожухотрубчатые теплообменники  применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена, т.е. для испарения и конденсации  теплоносителей в различных технологических процессах, а также для нагревания и охлаждения жидкостей и газов. В большинстве случаев пар (горячий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубам. Загрязненные потоки (например, запыленные газы или суспензии) следует направлять в трубки, а не в межтрубное пространство (так как трубки легче очищать).     

      

      1 – кожух;

      2 – крышка;

      3 – трубная решетка;

      4 – трубы;

        а – кожухотрубчатый теплообменник;

        б – двухходовой (по трубному  пространству) кожухотрубчатый теплообменник;

        в - двухходовой (по межтрубному  пространству) кожухотрубчатый теплообменник;

        г – кожухотрубчатый теплообменник  с поперечными перегородками  в    межтрубном пространстве.

      Рисунок 5 – Виды теплообменников 

      Кожухотрубчатый теплообменник, рисунок а, представляет собой аппарат, состоящий из пучка  труб 4, жестко закрепленных в трубных решетках 3 и ограниченных кожухом 1 и крышками 2 со штуцерами. Крышки и трубы образуют трубное пространство, а между кожухом и наружной поверхностью труб имеется межтрубное пространство.

      Трубное и межтрубное пространства, по которым  движутся теплоносители, разделены между собой поверхностью теплообмена, причем каждое из них может быть поделено перегородками на несколько ходов, на рисунке б, изображен многоходовой теплообменник, который имеет два хода по трубному пространству. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости  движения теплоносителя, а следовательно, и интенсивности теплообмена. В этих аппаратах с помощью перегородок в крышках трубы делятся на секции, которые последовательно проходит жидкость. Число труб в секциях одинаково. В многоходовом теплообменнике по сравнению с одноходовым  той же поверхности  скорость и коэффициент теплоотдачи возрастают соответственно  числу ходов.

             Для повышения коэффициента теплоотдачи  со стороны жидкости, движущейся  в межтрубном пространстве, в нем так же устанавливаются перегородки. Перегородки могут быть продольными, рисунок в, и поперечными, рисунок г. 

      Различают следующие поперечные перегородки  на рисунке 8:  сегментные, секторные, кольцевые.

      

      а) сегментные;

      б) секторные;

      в) чередующиеся кольца и диски;

      г) сплошные диски с отверстиями  на 1,5 – 2 мм больше наружного диаметра труб; 

      Рисунок 6 – Схемы поперечных перегородок  трубного пучка  

                  Наибольшее распространение получили  сегментные перегородки. В горизонтальных  теплообменниках  эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для труб.

      Перегородки в межтрубном пространстве изменяют направление движения теплоносителя  так, что наружная поверхность труб омывается преимущественно в  поперечном направлении, т.е. по принципу смешанного тока.

      Способ  соединения труб в трубных решетках определяется свойствами материалов, применяемых для данной конструкции.

      Трубы  в трубных решетках закрепляют,  показано на рисунке 9 развальцовкой, сваркой, пайкой и т.д. чаще используют развальцовку. Иногда трубы крепят с помощью разъемных  сальниковых устройств, допускающих свободное продольное перемещение труб. Размещение труб в решетках осуществляется по периметрам правильных шестиугольников, рисунок а, а по концентрическим окружностям, рисунок б, и по вершинам квадратов, рисунок в. 

      

      а) развальцовкой;

      б) сваркой;

      в) пайкой;

      Рисунок 7 – Закрепление труб в трубных  решетках 

      Наиболее  часто трубы размещают по периметрам правильных шестиугольников.

      Кожухотрубчатые теплообменники располагаются вертикально или горизонтально.

      При разности температур между теплоносителями  свыше 50 ⁰С возникают температурные напряжения, которые могут превысить предел прочности материала; в результате, появляются неплотности,  нарушается герметичность.

       Для компенсации неодинакового удлинения труб и корпуса аппарата используют теплообменники с линзовыми компенсаторами, с плавающей головкой, с U – образными трубами, а также теплообменники с сальниковыми устройствами на рисунке 8. 
 
 
 

       Рисунок 8 – Кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором 

        

       Рисунок 9 – Кожухотрубчатый теплообменник  с сальниковым устройством для  компенсации неодинакового удлинения  труб и корпуса

Наиболее  распространены аппараты с линзовыми  компенсаторами на рисунке 9, которые  применяются, когда температурные деформации не превышают 10 – 15 мм, а условное давление не превышает 2,5МПа. Различают следующие виды линзовых компенсаторов:  тарельчатые, торовые, трапецеидальные. 

      а) тарельчатый;

      б) торовый;

      в) трапецеидальный;

      Рисунок 10 – Линзовые компенсаторы 

Линзовые  компенсаторы на рисунке 10 ввариваются  между обечайками кожуха. 
 

  

      а) открытый тип;

      б) закрытый тип;

      Рисунок 11 – Кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой 

      Кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой на рисунке 11 применяют для нагрева или охлаждения жидких и газообразных средств в пределах рабочих температур от – 30⁰С до +450⁰С и условного давления 1,6 – 6,4 МПа в трубном или межтрубном пространстве. Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса. Кроме того, трубные пучки легко вынимаются из корпуса для ремонта, чистки или замены.[2, с 225]

                     

      Рисунок 12 – Кожухотрубчатый теплообменник  с U- образными трубами. 

        Теплообменники с U – образными трубами, рисунок 12 имеют одну трубную решетку, в которую вальцованы оба конца каждой  U – образной трубы. Корпус теплообменника не связан жестко с трубами, и каждый элемент может удлиняться, не вызывая термических напряжений в местах присоединения. Недостатком таких  теплообменников является трудность внутренней очистки труб. 
 

      Двухтрубные теплообменники, иначе называют теплообменниками типа «труба в трубе», состоят из нескольких элементов, расположенных  один над другим,  рисунок 13, каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы 2 и концентрически расположенной в ней трубы 1. внутренние трубы соединены между собой последовательно калачами 3, наружные – патрубковые с фланцами.

      

      1 – внутренняя труба;

      2 – наружная труба;

      3 соединительные калачи;

      Рисунок 13 – Теплообменник типа «труба в трубе» 

      Для нагревания или охлаждения газообразных сред, поступающих в межтрубное пространство, применяют внутренние трубы с  оребрением в виде пластин или  наварных шипов.

      Высокие скорости теплоносителей в этих теплообменниках позволяют получать высокие коэффициенты теплопередачи, но громоздкость ограничивает их применение.

      Теплообменники  типа «труба в трубе» подразделяют на аппараты жесткой конструкции (типа ТТ), с сальниками на одном или  на обоих концах труб (типа ТТС) и  с оребренными внутренними трубами (типа ТТР).

      Теплообменники  типа ТТ применяют для нагрева  и охлаждения жидкостей при давлении теплоносителей до 2,5 МПа и при  температуре теплоносителя, пропускаемого  по внутренним трубам, до 450⁰С. Теплообменники типа «труба в трубе» могут компоноваться путем последовательного соединения их в секции и параллельного соединения секций между собой. Это позволяет создавать теплообменные аппараты с поверхностью от 1 до 250м². Эти теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые и требую, большего расхода метала, на единицу поверхности теплообмена, которая в аппаратах такого типа образуется только внутренними трубами.

      Двухтрубчатые теплообменники могут эффективно работать при небольших расходах теплоносителей, а так же при высоких давлениях. Если требуется большая поверхность теплообмена, то эти аппараты выполняют из нескольких параллельных секций.

      Теплообменники  типа «труба в трубе» изготовляют  из труб, углеродистой стали,  или  нержавеющей стали. [2,с 227]        
 

      Оросительные  трубчатые теплообменники состоят из расположенных друг над другом прямых горизонтальных труб, соединенных между собой калачами, и орошаемых снаружи водой.  

 

      1 – желоб для подачи воды;

      2 -  калач;

      3 – труба;

      4 – поддон;