Классификация и конструкция теплообменного, реакторного, колонного и ёмкостного оборудования (стр. 10 )

Аппарат оборудован штуцерами 5 для теплообменивающихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство.

Существенное различие между температурами трубок и кожуха в этих аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом, что обусловливает возникновение напряжения в трубной решетке 3, нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство не более 50° и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Схема теплообменного аппарата с неподвижными трубными решетками

Рис. 43

1 - кожух; 2 - трубки; 3 - трубная решетка; 4 - крышки; 5 - штуцеры

Очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрессивной, т. е. когда нет необходимости в чистке.

Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.

Теплообменные аппараты с температурным компенсатором приведены на рис. 44.

Схема теплообменного аппарата с температурным компенсатором

Рис. 44

Они имеют неподвижные трубные решетки и снабжены устройствами в виде линз для компенсации различия в удлинении кожуха и труб, возникающего вследствие различия их температур.

Теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом (рис. 45) поверхностных аппаратов. Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возникать лишь при существенном различии температур трубок.

Схема теплообменного аппарата с плавающей головкой

Рис. 45

В теплообменных аппаратах подобного типа трубные пучки сравнительно легко могут быть удалены из корпуса, что облегчает их ремонт, чистку или замену.

Теплообменники с U-образными трубками (рис. 46) имеют одну трубную решетку, в которую ввальцованы оба конца U-образных трубок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней поверхности труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистых продуктов.

Схема теплообменного аппарата с U-образными трубками

Рис. 46

1 - корпус; 2 - трубки; 3 - трубные решетки; 4 - штуцеры

Теплообменные аппараты с двойными трубками (рис. 47).

В таких аппаратах имеются две трубные решетки, размещенные с одной стороны аппарата. В одной трубной решетке развальцованы трубы меньшего диаметра, верхние концы которых открыты, в другой - трубы большего диаметра, нижние концы которых заглушены. Такая конструкция обеспечивает независимое удлинение труб.

Схема теплообменного аппарата с двойными трубками

Рис. 47

В аппаратах этого типа одна из теплообменивающих сред поступает через штуцер в пространство между крышкой и верхней трубной решеткой, откуда направляется вниз по трубкам малого диаметра. По выходе из них поток возвращается по кольцевому пространству между трубками, собирается в пространстве между трубными решетками, а затем выводится из аппарата.

В зависимости от типа и числа перегородок описанные выше кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на одноходовые (рис. 43), двухходовые (рис. 44), многоходовые как в трубном, так и в межтрубном пространстве (рис. 48); аппараты с продольными и поперечными перегородками в межтрубном пространстве, аппараты с перегородками сегментными, секторными, кольцевыми и др.

Схема многоходового теплообменного аппарата

Рис. 48

В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального типа.

Вопросы к размышлению:

1.  Для каких целей используют теплообменные аппараты?

2.  Назовите основные типы теплообменных аппаратов.

3.  В каких случаях применяют кожухотрубчатые аппараты?

4.  Какие различают теплообменные аппараты в зависимости от температурной компенсации?

5.  Как делятся теплообменники в зависимости от типа перегородок?

2.3.2. Эффективность теплообменных аппаратов

Эффективность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов повышается с увеличением скорости движения теплообменивающихся потоков и степени их турбулентности. Для повышения скорости потоков теплообменивающихся сред, лучшей обтекаемости поверхности теплообмена и создания большей турбулентности потоков в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах применяют специальные перегородки. Увеличение скорости движения жидкости в трубках при неизменной производительности достигается размещением перегородок в крышках распределительной камеры теплообменного аппарата, в связи, с чем изменяется число ходов потока жидкости, проходящей через трубки (см. рис. 48).

Таким путем могут быть созданы аппараты с любым числом ходов. При помощи продольных перегородок можно изменять число ходов теплоносителя в межтрубном пространстве, тем не менее такие перегородки не получили широкого распространения, так как трудно обеспечить герметичность между перегородками и корпусом.

Схемы поперечных перегородок трубного пучка

Рис. 49

а - сегментные; б - секторные с продольной перегородкой; в, г - варианты кольцевых перегородок

Поперечные перегородки разных типов показаны на рис.49. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки. Важно, чтобы зазор между внутренней поверхностью кожуха и перегородкой был минимальным, что позволяет сократить утечку жидкости, проходящей через межтрубное пространство и не участвующей в теплообмене. Вместе с тем этот зазор должен быть достаточным для удобства извлечения пучка труб при его ремонте.

В зависимости от характера направления потоков, теплообменные аппараты делятся на прямоточные, противоточные, смешанного и перекрестного тока.

Вопросы к размышлению:

1.  Как повышается эффективность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов?

2.  Какие бывают теплообменники в зависимости от характера направления потоков?

2.3.3. Теплообменные аппараты типа «труба в трубе»

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» могут иметь жесткую конструкцию (рис.50) или быть разборными (рис. 51). В таких аппаратах теплообмен происходит между средами, двигающимися по трубкам и кольцевому пространству, которое образуется между трубами большого и малого диаметров. В аппарате этого типа легче, чем в кожухотрубчатых теплообменных аппаратах обеспечиваются более высокие скорости движения, что позволяет иметь более высокие коэффициенты теплопередачи и значения теплонапряженности поверхности нагрева. Кроме того, в аппаратах типа «труба в трубе» легче обеспечить противоток между теплообменивающимися средами.

Схема теплообменного аппарата типа "труба в трубе" жесткого типа

Рис. 50

Поверхность теплообменных аппаратов рассматриваемого типа, работающих с более высокими скоростями движения теплообменивающихся сред, в меньшей степени подвержена загрязнению продуктами коррозии и механическими смесями, содержащимися в теплообменивающихся средах. Во многих случаях аппараты типа «труба в трубе» работают с более высокими тепловыми показателями, чем кожухотрубчатые.

Схема разборного теплообменного аппарата типа "труба в трубе"

Рис. 51

В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» конструктивно значительно легче обеспечивается оребрение поверхности теплообмена, что позволяет в 4-5 раз увеличить поверхность теплообмена со стороны одной из теплообменивающихся сред. Такое мероприятие оказывается полезным в том случае, когда со стороны одной из теплообменивающихся сред трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (движется газ, вязкая жидкость, поток имеет ламинарный характер и т. п.). В этом случае оребрение поверхности со стороны такой теплообменивающейся среды позволяет значительно увеличить количество переданного тепла.

На рис. 52 приведены варианты оребрения трубы.

Схемы оребренных труб

Рис. 52

а - ребра закреплены в канавках; б - корытообразные ребра; в - оребрение накаткой

Недостатками теплообменных аппаратов типа «труба в трубе» по сравнению с кожухотрубчатыми аппаратами являются большие габариты, а также более высокий расход металла на единицу поверхности нагрева.

Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» жесткой конструкции, так же как и кожухотрубчатые с неподвижными решетками, используются при сравнительно небольшой разности температур теплообменивающихся сред и при теплообмене незагрязненных жидкостей (частая очистка кольцевого пространства не требуется).

В теплообменных аппаратах типа «труба в трубе» разборной конструкции сравнительно легко очищается внутренняя и наружная поверхности труб; эти аппараты обладают высоким коэффициентом теплопередачи и являются надежными в эксплуатации.

К теплообменным аппаратам типа «труба в трубе» относится также кристаллизатор типа КПС-90, наиболее распространенного на установках депарафинизации масел.