Теплообмінники - короткий огляд

Велике значення для промисловості мають процеси теплообміну. Особливо це стосується хімічної, металургійної, енергетичної та харчової галузей. Процес тепловіддачі, що протікає у теплообмінниках, є досить складним. Тепло з одного середовища в інше передається за допомогою пластини, що їх розділяє. Сам процес тепловіддачі слід розділяти на 3 види: конвекція, теплопровідність та теплове випромінювання. Однак на практиці найчастіше ці явища протікають одночасно. Велике значення для теплообмінників має теплопередача, що здійснюється при перебігу одночасних процесів конвекції та теплопровідності. Тобто такий процес називається конвективний теплообмін. Він протікає в апаратах різних конструкцій і типів.

Також теплообмінники діляться за способом передачі тепла на змішувальні (тепло передається за допомогою перемішування робочих середовищ) та поверхневі (обмін тепла відбувається через стінки, виготовлені з теплопровідного матеріалу). По устрою змішувальні теплообмінники простіше, проте їх використання можливе лише тоді, коли дозволено змішання робочих середовищ.

У свою чергу теплообмінники поверхневого типу можуть бути рекуперативними (теплообмін відбувається зі збереженням напрямку теплового потоку через розділові стінки) та регенеративними (теплоносії стикаються з поверхнею нагріву поперемінно з постійною зміною напряму теплового потоку).

Пластинчасті теплообмінники

Останнім часом особливою популярністю користувалися пластинчасті розбірні теплообмінники. Вони відрізняються не лише малими габаритами та гідравлічними опорами, але й простотою збирання, інтенсивним теплообміном, а також зручністю очищення від забруднень та монтажу.

До складу даних апаратів входятьокремі пластини, виготовлені з тонколистової сталі завтовшки не більше 0,6 мм. Вони поділені каучуковими ущільненнями. Також у переліку складових кінцеві камери (2 шт.), рами та стяжні болти.

Для того щоб збільшити турбулізацію потоку теплоносія та його теплообмін, певну частину пластин (проточну) роблять гофрованою (ребристою). Далі до пластин за допомогою клею або за безклеєвою технологією приєднують гумові прокладки, найчастіше, круглої форми. Теплоносій прямує до наступного каналу через отвір або вздовж пластини.

У пластинчастих апаратах потік теплоносіїв може здійснюватися за змішаною схемою або протитечією. При цьому поверхня теплообміну теплообмінника 1 може досягати до 360 м2. Тиск має бути не більше 25 кгс/см2, а температура – 150°С.

Виті теплообмінники

Відповідно до назви, вся поверхня нагріву даних апаратів складається з безлічі концентричних змійовиків. Вони укладені в кожух та закріплені у спеціальних головках. Рух теплоносіїв спрямований трубним і міжтрубним простором. Зазвичай кручені апарати використовують для поділу сумішей з газу за допомогою глибокого охолодження в апаратурі високого тиску. Це зумовлено тим, що теплообмінники даного виду відрізняються здатністю до самокомпенсації, яка є достатньою для сприйняття деформацій, що виникли від температурних напруг.

Спіральні теплообмінники

Поверхня нагріву у спіральних теплообмінниках утворюється за допомогою 2 тонких металевих листів, які згорнуті у вигляді спіралей та приварені до керна (розділова перегородка). До аркушів з обох боків для надання міцності та жорсткості приварені боби (дистанційні). Також вони допомагають фіксувати відстань між спіралями.Спіральні канали із прямокутним перерізом обмежують торцеві люки. У спіральних теплообмінниках ущільнення каналів досягається кількома способами. Найбільш прийнятним є варіант, коли кожен канал з одного боку ущільнюють плоскою прокладкою, з другого заварюють. Це виключає змішання теплоносіїв. Якщо прокладка зіпсуватися, то просочиться лише один теплоносій. Також завдяки такому способу ущільнення канали можна легко обслуговувати.

У разі порушення матеріалу прокладки одного теплоносія, один канал роблять «глухим», тобто заварюють з обох сторін. Інший повністю ущільнюють плоскою прокладкою. Варто зазначити, що при таких маніпуляціях "глухий" стає недоступним для механічного очищення. Якщо змішання робочих середовищ не небезпечне, то ущільнення обох наскрізних каналів можна виконати плоскою прокладкою. Також при відносно постійному тиску в наскрізні каналах можна ущільнити U-подібними спіральними. притиснуті виступам у кришці силою внутрішнього тиску.

Головна перевага спірального теплообмінника полягають у малих габаритах, гідравлічних опорах, а також суттєвій інтенсивності теплообміну за наявності підвищених швидкостей теплоносіїв.

Серед недоліків - складність ремонту та виробництва, у поєднанні з обмеженнями застосування обладнання при тиску робочих середовищ, що перевищує 10 кгс/см2.

Кожухотрубчасті теплообмінники

Основні елементи кожухотрубчастих теплообмінників – це пучки труб, корпус, трубні грати, патрубки та кришки. Закріплення кінців труб у трубних решітках відбувається за допомогою розвальцювання, зварювання та паяння.

Часто для підвищення швидкості руху теплоносіїв використовують перегородки, які встановлюють у міжтрубному та трубномупросторах. Це допомагає досягти інтенсифікації теплообміну.

Залежно від вимог технологічного процесу та зручності здійснення монтажу кожухотрубчасті апарати бувають горизонтальними, вертикальними та похилими. Величина корпусу та температурних подовжень трубок впливає на жорсткість конструкції кожухотрубчастих теплообмінників. Вона може бути нежорсткою, жорсткою та напівжорсткою.

У разі відносно невеликих різниць температур пучка труб та корпусу встановлюють теплообмінники жорсткої конструкції (відрізняються простотою пристрою).

При додаткових напругах від температурних подовжень доцільно використання кожухотрубчастих теплообмінників нежорсткої конструкції, яка забезпечується пучком U-подібних труб, сальниковим ущільненням, розташованим на корпусі або патрубку та рухомими трубними решітками будь-якого типу (закритого або відкритого).

При температурних деформаціях в апаратах напівжорсткої конструкції компенсація відбувається за рахунок осьового стиснення або розширення спеціальних компенсаторів, які розташовані на корпусі.

Двотрубні теплообмінники типу "труба в трубі"

До складу теплообмінників цього типу входить ряд ланок, які послідовно з'єднані. Кожна ланка - це 2 співвісні труби. Часто для спрощення заміни та зручності обслуговування, внутрішні труби між собою з'єднують колінами. До складу 2-трубних теплообмінників, які мають більшу поверхню нагріву, входить ряд паралельно з'єднаних секцій і колекторів. Якщо насичена пара є одним із теплоносіїв, то її направляють у міжтрубний простір. Теплообмінники цього виду можуть бути рідинними або газорідинними. За допомогою підбору діаметра зовнішньої та внутрішньої труби, обом робочим середовищам можна забезпечити швидкість,необхідну для досягнення теплообміну та високої інтенсивності.

Перевагами 2-трубного теплообмінника є простота виготовлення, обслуговування та монтажу, високий коефіцієнт тепловіддачі та використання при високому тиску середовищ для нагрівання чи охолодження. Серед недоліків – велика вартість та розміри, а також складності в очищенні кільцевого простору.

Графітові теплообмінники

Теплообмінники цього виду входять до окремої групи. Це зумовлено високою корозійною стійкістю та великою теплопровідністю, які у деяких виробництвах роблять графіт просто незамінним. Існують блокові, зрошувальні, кожухотрубчасті теплообмінники, а також заглибні теплообмінні елементи.

Графітовий теплообмінник блочного типу - це один блок прямокутної або циліндричної форми. Іноді блоків може бути кілька. Вони мають 2 системи перпендикулярних отворів, що не перетинаються, які створюють перехресний напрямок руху всіх теплоносіїв. Всі системи отворів оснащені графітовими кришками, призначеними для введення (виведення) робочих середовищ. На кришки накладаються металеві плити, після чого система стягується болтами до створення найменш небезпечної напруги стиску в графіті.

До складу графітового теплообмінника кожухотрубчастого виду входять трубні грати, труби, графітові кришки та металевий кожух, оснащений сальниковим ущільненням. Труби приклеюються до ґрат замазкою під назвою "Арзаміт", а прокладки, що ущільнюють, виготовляються з фторопласту.

Підрахуємо загальну кількість труб за формулою: n = F / d*l Тут F – це поверхня теплообміну; d – діаметр труби; l - Довжина туб. n0 = 3,54*10-4(Gmp / d2*b*w) , тут Gтр – це витрата теплоносія у трубному просторі; d-внутрішнійдіаметр трубок; b - щільність теплоносія; w – швидкість теплоносія.

Число ходів у трубному просторі знаходять за формулою: z = n/n0.

Елементні (секційні) теплообмінники

Дані теплообмінники складаються із секцій - елементів послідовно з'єднаних за принципом багатоходового кожухотрубчастого обладнання. Якщо швидкість руху теплоносіїв можна порівняти зі швидкістю без зміни агрегатного стану, ефективність елементних теплообмінників очевидна. Також їх застосування є доцільним у разі високого тиску робочих середовищ. Забруднення міжтрубного простору знижує відсутність перегородок, також завдяки цьому зменшується гідравлічний опір. Однак ці теплообмінники є менш компактними і дорожчими, ніж кожухотрубчасті.

Занурювальні теплообмінники

До складу теплообмінників даного типу входять плоскі або циліндричні змійовики, занурені в посудину з робочим середовищем (рідкою). Однак вони недостатньо ефективні через низьку швидкість омивання рідиною та малу тепловіддачу зовні змійовика. Їх використання доцільно при рідкому робочому середовищі в стані кипіння, а також при механічних включеннях та необхідності застосування нагрівання поверхні зі спеціальних матеріалів.

Зрошувальні теплообмінники

Зрошувальні теплообмінники - це ряд прямих труб, які розташовані одна над одною і зрошуються зовні. З допомогою зварювання труби з'єднують на фланцях колінами. Головним чином зрошувальні теплообмінники використовують як холодильники для газів та рідин, а також як конденсатори. Вода, яка через жолоб поступово подається зверху, почасти випаровується. Тому її витрата в зрошувальних теплообмінниках нижча, ніж у інших холодильниках.

Зрошувальні теплообмінникипрості у виготовленні та експлуатації, але відрізняються великими габаритами та низькою інтенсивністю теплового обміну.