Теплообмінники та теплообмінні апарати
Теплообмінники
Теплообмінник - апарат для передачі тепла між двома середовищами: від нагрітого (рідкого або газоподібного) теплоносія більш холодному. Велике значення мають процеси теплообміну у хімічній, енергетичній, металургійній, харчовій та інших галузях промисловості. Складним процесом є теплопередача одного середовища до іншого через стінку, що розділяє їх у теплообмінних апаратах. Такий процес прийнято розділяти на три елементарних види теплообміну: теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання. Для теплообмінників найбільше значення має конвективний теплообмін або тепловіддача, що здійснюється при сукупній та одночасної дії теплопровідності та конвекції. Теплообмінні апарати можуть бути представлені різними типами та конструкціями.
За способом передачі тепла теплообмінні апарати ділять на поверхневі та змішувальні. У поверхневих апаратах робочі середовища обмінюються теплом через стінки теплопровідного матеріалу, а в змішувальних апаратах тепло передається при безпосередньому перемішуванні робочих середовищ.
Змішувальні теплообмінники по конструкції простіші за поверхневі: тепло в них використовується повніше. Але вони придатні лише в тих випадках, коли за технологічними умовами виробництва припустимо змішання робочих середовищ.
Поверхневі теплообмінні апарати, у свою чергу, поділяються на рекуперативні та регенеративні. У рекуперативних апаратах теплообмін між різними теплоносіями відбувається через розподільні стінки. При цьому тепловий потік у кожній точці стінки зберігає один і той же напрямок. У регенеративних теплообмінниках теплоносія поперемінно стикається з однією і тією ж поверхнею нагріву. При цьому напрям теплового потоку в кожній точці стінкиперіодично змінюється. Розглянемо рекуперативні поверхневі теплообмінники безперервної дії, найпоширеніші у промисловості.
Ці пристрої використовують у технологічних процесах нафтопереробної, нафтохімічної, хімічної, нафтової, газової та інших галузей промисловості. І що більше розвиваються ці перелічені види індустрій, тим більше зростає необхідність збільшення випуску теплообмінного устаткування.
Крім того, теплообмінники також використовуються для підігріву води в системах опалення та гарячого водопостачання громадських, виробничих та житлових приміщень.
Виробництво теплообмінників – процес складний та високотехнологічний. Тут повинні враховуватися найсучасніші вимоги до виготовлення даної продукції та дотримуватися достатнього рівня надійності в експуатації.
Залежно від призначення виділяють такі типи теплообмінників:
- кожухотрубчасті (основними елементами у них є пучки труб, які пов'язані в трубні ґрати та закриті корпусом, а самі патрубки та кінці труб кріпляться у трубних ґратах розвальцюванням, паянням чи зварюванням);
- пластинчасті (вони складаються з окремих пластин, розділених між собою гумовими прокладками, двох кінцевих камер, рами та стяжних болтів);
- кручені (поверхня нагріву комплектується з ряду концентричних змійовиків, укладених у кожух і закріплених у відповідних головках, теплоносії рухаються трубним і міжтрубним просторами);
- спіральні (у них поверхня нагріву утворюється двома тонкими металевими листами, привареними до розділової перегородки (керну) та згорнутими у вигляді спіралі);
- а також водяні та повітряні теплообмінники.
Пластинчасті теплообмінники розбірного типу відрізняються інтенсивним теплообміном, малими гідравлічними опорами, компактністю, зручністю монтажу, простотою виготовлення і можливістю очищення від забруднень.
А ось нафтове, нафтохімічне та газове виробництво неможливе без кожухотрубчастих, кручених, спіральних теплообмінників великої провідності і, так званих теплообмінників «труба в трубі».
Кожухотрубчасті теплообмінники Основними елементами кожухотрубчастих теплообмінників є пучки труб, трубні грати, корпус, кришки, патрубки. Кінці труб кріпляться у трубних решітках розвальцюванням, зварюванням і паянням.
Для збільшення швидкості руху теплоносіїв з метою інтенсифікації теплообміну нерідко встановлюють перегородки як і трубному, так і міжтрубному просторах. Залежно від великої кількості температурних подовжень трубок і корпусу застосовують кожухотрубчасті теплообмінники жорсткий, напівжорсткої і нежорсткої конструкції. Апарати жорсткої конструкції використовують при порівняно невеликих різницях температур корпусу і пучка труб; ці теплообмінники відрізняються простотою пристрою. У кожухотрубчастих теплообмінниках нежорсткої конструкції передбачається можливість деякого незалежного переміщення теплообмінних труб і корпусу для усунення додаткових напруг від температурних подовжень. Нежорсткість конструкції забезпечується сальниковим ущільненням на патрубку абокорпусі, пучком U про-різних труб, рухомими трубними гратами закритого і відкритого типу. В апаратах напівжорсткої конструкції температурні деформації компенсуються осьовим стиском або розширенням спеціальних компенсаторів, встановлених на корпусі. Напівжорстка конструкція надійно забезпечує компенсацію температурних деформацій, якщо вони не перевищують 10-15 мм, а умовний тиск у міжтрубному просторі становить не більше 2,5 кгс/см 2 . теплообмінник
Елементні (секційні) теплообмінники Ці теплообмінники складаються з послідовно з'єднаних елементів-секцій. Поєднання кількох елементів з малим числом труб відповідає принципу багатоходового кожухотрубчастого апарату, що працює на найбільш вигідній схемі - протиточною. Елементні теплообмінники ефективні у разі, коли теплоносія рухається з порівнянними швидкостями без зміни агрегатного стану. Їх також доцільно застосовувати при високому тиску робочих середовищ. Відсутність перегородок знижує гідравлічні опори та зменшує ступінь забруднення міжтрубного простору. Однак у порівнянні з багатоходовими кожухотрубчастими теплообмінниками елементні теплообмінники менш компактні і більш дорогі через збільшення числа дорогих елементів апарату-трубних решіток, фланцевих з'єднань, компенсаторів та ін. трубок - від 4 до 140.Елементний (секційний) теплообмінник Теплообмінники цього типу складаються з ряду послідовно з'єднаних ланок. Кожна ланка є дві співвісні труби. Для зручності чищення та заміни внутрішні труби зазвичай з'єднують між собою «калачами» або колінами. Двотрубні теплообмінники,мають значну поверхню нагріву, складаються з низки секцій, паралельно з'єднаних колекторами. Якщо одним із теплоносіїв є насичена пара, то її, як правило, направляють у міжтрубний (кільцевий) простір. Такі теплообмінники часто застосовують як рідинні чи газорідинні. Підбором діаметрів внутрішньої і зовнішньої труб можна забезпечити обом робочим середовищам, що беруть участь у теплообміні, необхідну швидкість для досягнення високої інтенсивності теплообміну. обслуговування. Недоліки двотрубного теплообмінника - громіздкість, висока вартість внаслідок великої витрати металу на зовнішні труби, що не беруть участі в теплообміні, складність очищення кільцевого простору.Виті теплообмінники Поверхня нагріву кручених теплообмінників компонується з низки концентричних змійовиків, укладених у кожух і закріплених у відповідних головках. Теплоносії рухаються трубним і міжтрубним просторами. Виті теплообмінники широко застосовують у апаратурі високого тиску процесів поділу газових сумішей методом глибокого охолодження. Ці теплообмінники характеризуються здатністю до самокомпенсації, достатньою до деформацій від температурних напруг.
Допоміжні водо-водяні теплообмінники Теплообмінні апарати (теплообмінники) призначені для підігріву хімічно очищеної води в цехах водопідготовки теплових електростанцій за рахунок використання тепла продувної води та інших гарячих дренажів. Корпус виконаний з листового прокату або катонної труби -3. Трубний пучок виконаний з прямих латуннихтрубок (Л0-70-1)