Все про теплообмінники кожухотрубчасті теплообмінники, елементні(секційні) та кручені
Теплообмінники
Процеси теплообміну мають велике значення у хімічній, енергетичній, металургійній, харчовій та інших галузях промисловості. У теплообмінних апаратах теплопередача від одного середовища до іншого через стінку, що розділяє їх, обумовлена низкою факторів і є складним процесом, який прийнято розділяти на три елементарних види теплообміну: теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання.
Насправді ці явища не відокремлені, перебувають у якомусь поєднанні і протікають одночасно. Для теплообмінників найбільше значення має конвективний теплообмін або тепловіддача, що здійснюється при сукупній та одночасної дії теплопровідності та конвекції.
Процеси теплообміну здійснюються в теплообмінних апаратах різних типів та конструкцій.
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 точцістінки періодично змінюється. Розглянемо рекуперативні поверхневі теплообмінники безперервної дії, найпоширеніші у промисловості.
Кожухотрубчасті теплообмінники
Основними елементами кожухотрубчастих теплообмінників є пучки труб, трубні ґрати, корпус, кришки, патрубки. Кінці труб кріпляться у трубних решітках розвальцюванням, зварюванням та паянням.
кожухотрубчастий теплообмінник
Для збільшення швидкості руху теплоносіїв з метою інтенсифікації теплообміну нерідко встановлюють перегородки як у трубному, так і міжтрубному просторах.
Кожухотрубчасті теплообмінники можуть бути вертикальними, горизонтальними та похилими відповідно до вимог технологічного процесу або зручності монтажу. Залежно від невеликості температурних подовжень трубок і корпусу застосовують кожухотрубчасті теплообмінники жорсткої, напівжорсткої та нежорсткої конструкції.
Апарати жорсткої конструкції використовують при порівняно невеликих різницях температур корпусу та пучка труб; ці теплообмінники відрізняються простотою пристрою.
У кожухотрубчастих теплообмінниках нежорсткої конструкції передбачається можливість деякого незалежного переміщення теплообмінних труб та корпусу для усунення додаткових напруг від температурних подовжень. Нежорсткість конструкції забезпечується сальниковим ущільненням на патрубку або корпусі, пучком U-різних труб, рухомими трубними гратами закритого і відкритого типу.
В апаратах напівжорсткої конструкції температурні деформації компенсуються осьовим стисненням або розширенням спеціальних компенсаторів, встановлених на корпусі. Напівжорстка конструкція надійно забезпечує компенсацію температурних деформацій, якщо вони не перевищують 10-15 мм, а умовнетиск у міжтрубному просторі становить трохи більше 2,5 кгс/см2 .
Елементні (секційні) теплообмінники
Елементний (секційний) теплообмінник
Двотрубні теплообмінники типу "труба в трубі"
Теплообмінники цього типу складаються з низки 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, що мають значну поверхню нагріву, складаються з ряду 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 та зовнішньої труб можна забезпечити обом робочим середовищам, що беруть участь у теплообміні, необхідну швидкість для досягнення високої інтенсивності теплообміну.
Переваги двотрубного теплообмінника: високий коефіцієнт тепловіддачі, придатність для нагрівання або охолодження середовищ при високому тиску, простота виготовлення, монтажу та обслуговування.
Недоліки двотрубного теплообмінника - громіздкість, висока вартість внаслідок великої витрати металу на зовнішні труби, що не беруть участь у теплообміні, складність очищення кільцевого простору.
Двотрубний теплообмінник типу “труба в трубі”
Виті теплообмінники
Поверхня нагрівання 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 в апаратурі високого тиску для процесів поділугазових сумішей методом глибокого охолодження Ці теплообмінники характеризуються здатністю до самокомпенсації, достатньою до деформацій від температурних напруг.
Витий теплообмінник
Занурювальні теплообмінники
Теплообмінники цього типу складаються з плоских або циліндричних змійовиків (аналогічно витим), занурених у посудину з рідким робочим середовищем. Внаслідок малої швидкості омивання рідиною та низької тепловіддачі зовні змійовика занурювальні теплообмінники є недостатньо ефективними апаратами. Їх доцільно використовувати, коли рідке робоче середовище знаходиться в стані кипіння або має механічні включення, а також при необхідності застосування поверхні нагріву зі спеціальних матеріалів (свинець, кераміка, феросилід та ін), для яких форма змійовика найбільш прийнятна.
Зрошувальні теплообмінники
Зрошувальні теплообмінники є рядом розташованих одна над одною прямих труб, зрошуваних зовні водою. Труби з'єднують зварюванням або на фланцях за допомогою «калачів». Зрошувальні теплообмінники застосовують головним чином як холодильники для рідин і газів або як конденсатори. Зрошуюча вода рівномірно подається зверху через жолоб із зубчастими краями. Вода, що зрошує труби, частково випаровується, внаслідок чого витрата її в зрошувальних теплообмінниках дещо нижча, ніж у холодильниках інших типів. Зрошувальні теплообмінники - досить громіздкі апарати; вони характеризуються низькою інтенсивністю теплообміну, але прості у виготовленні та експлуатації. Їх застосовують, коли потрібна невелика продуктивність, а також при охолодженні хімічно агресивних середовищ або необхідності застосування поверхні нагріву зі спеціальних матеріалів (наприклад, для охолодження кислот застосовуютьапарати з кислототривкого феросилід, який погано обробляється).
Ребристі теплообмінники
Ребристі теплообмінники застосовують для збільшення теплообмінної поверхні ребра з того боку, яка характеризується найбільшими термічними опорами. Ребристі теплообмінники (калорифери) використовують, наприклад, при нагріванні парою повітря або газів. Важливою умовою ефективного використання ребер є їх щільний зіткнення з основною трубою (відсутність повітряного прошарку), а також раціональне розміщення ребер.
Спіральні теплообмінники
У спіральних теплообмінниках поверхня нагріву утворюється двома тонкими металевими листами, привареними до розділової перегородки (керну) та згорнутими у вигляді спіралей. Для надання аркушам жорсткості та міцності, а також для фіксування відстані між спіралями до аркушів з обох боків приварені дистанційні боби. Спіральні канали прямокутного перерізу обмежуються торцевими кришками. Ущільнення каналів у спіральних теплообмінниках здійснюють у різний спосіб. Найбільш поширений спосіб, при якому кожен канал з одного боку заварюють, з другого ущільнюють плоскою прокладкою. При цьому запобігається змішування теплоносіїв, а у разі нещільності прокладки назовні може просочуватися лише один із теплоносіїв. Крім того, такий спосіб ущільнення дозволяє легко чистити канали.
Якщо матеріал прокладки руйнується одним з теплоносіїв, один канал заварюють з обох сторін (“глухий” канал), а інший ущільнюють плоскою прокладкою. При цьому глухий канал недоступний для механічного очищення.
Ущільнення плоскою прокладкою обох відкритих (наскрізних) каналів застосовують лише у випадках, коли змішання робочих середовищ (при порушеннігерметичності) безпечно і не викликає псування теплоносіїв.
Наскрізні канали також можна ущільнити, при більш менш постійному тиску в каналах, спіральними U-подібними манжетами, притискними силою внутрішнього тиску до виступів у кришці.
Спіральні теплообмінники відрізняються компактністю, малими гідравлічними опорами та значною інтенсивністю теплообміну при підвищених швидкостях теплоносіїв.
Недоліки спіральних теплообмінників - складність виготовлення та ремонту, неможливість застосування їх при тиску робочих середовищ понад 10 кгс/см2.
Спіральний теплообмінник
Пластинчасті теплообмінники
Останнім часом поширені пластинчасті розбірні теплообмінники, що відрізняються інтенсивним теплообміном, простотою виготовлення, компактністю, малими гідравлічними опорами, зручністю монтажу та очищення від забруднень.
Ці теплообмінники складаються з окремих пластин, розділених гумовими прокладками, двох кінцевих камер, рами та стяжних болтів. Пластини штампують із тонколистової сталі (товщина 0,7 мм). Для збільшення поверхні теплообміну та турбулізації потоку теплоносія проточну частину пластин виконують гофрованою або ребристою, причому гофри можуть бути горизонтальними або розташовані "в ялинку" (крок гофр 11,5; 22,5; 30 мм; висота 4-7 мм).
До пластин приклеюють гумові прокладки круглої та спеціальної форми для герметизації конструкції; теплоносій направляють або вздовж пластини, або через отвір наступного каналу.
Рух теплоносіїв у пластинчастих теплообмінниках може здійснюватися прямострумом, протитечією та за змішаною схемою. Поверхня теплообміну одного апарату може змінюватися від 1 до 160 м2 число пластин-від 7 до 303.
Упластинчасті теплообмінники температура теплоносія обмежується 150°С (з урахуванням властивостей гумової прокладки), тиск не повинен перевищувати 10 кгс/см2.
Пластинчастий теплообмінник
Графітові теплообмінники
Ці теплообмінники становлять окрему групу. Висока корозійна стійкість та значна теплопровідність роблять графіт незамінним у деяких виробництвах. Промисловістю випускаються блокові, кожухотрубчасті, зрошувальні теплообмінники та занурювальні теплообмінні елементи.
Блоковий графітовий теплообмінник являє собою один або кілька прямокутних або циліндричних блоків, що мають дві системи перпендикулярних отворів, що не перетинаються, створюють перехресну схему руху теплоносіїв. Кожна система отворів має графітові кришки для введення та виведення робочих середовищ. На кришки накладають металеві плити і систему стягують болтами, створюючи у графіті найменш небезпечну напругу стиснення.
Графітові теплообмінники
Кожухотрубчастий графітовий теплообмінник складається з труб, трубних решіток та кришок з графіту, а також металевого кожуха із сальниковим ущільненням для компенсації температурних подовжень. Труби приклеєні до ґрат замазкою "Арзаміт". Прокладки, що ущільнюють, виготовлені з фторопласту.
Загальна кількість труб:n = F / d*l, де F – поверхня теплообміну; d – діаметр труби; l - Довжина туб.
Кількість труб одного ходу в трубному просторі:n0 = 3,54 * 10-4 (Gmp / d2 * b * w), де Gтр - витрата теплоносія в твубному просторі; d-внутрішній діаметр трубок; b - щільність теплоносія; w – швидкість теплоносія.
Кількість ходів у трубному просторі:z = n/n0.