Автор работы: Пользователь скрыл имя, 15 Декабря 2012 в 23:34, реферат
Такие теплообменники широко распространены в промышленно¬сти, особенно теплообменники трубчатого типа.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ
Такие теплообменники широко распространены в промышленности, особенно теплообменники трубчатого типа.
Трубчатые теплообменники
Кожухотрубчатые теплообменники. Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе.
На рис. 13-1 показан вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками 2, в которых закрепляются трубы 3. К кожуху / с помощью болтов 6 и прокладок 7 крепятся крышка 4 и днище 5.
Один из теплоносителей / протекает по трубам, другой //-по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу, а охлаждаемый теплоноситель-сверху вниз противотоком. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты, так как при этом происходит совпадение направления движения каждого теплоносителя с направлением, в кото-
Рис. 13-1. Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции:
/-кожух; 2-трубные решетки; 3-трубы; 4-крышка; 5-днище; б-болт; 7 прокладка; / и //—теплоносители
Рис. 13-2. Способы размещения труб в трубных решетках:
а-по вершинам правильных шестиугольников; б-по вершинам квадратов; в-по концентрическим окружностям: [/-корпуса; 2-трубы (/-шаг труб; d-диаметр трубы)]
ром стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении. Наиболее распространенный способ размещения труб в трубных решетках-по вершинам правильных шестиугольников (рис. 13-2, и). Применяются и другие способы размещения труб (рис. 13-2, б, в). Важно выбрать способ размещения, который обеспечит максимально возможную компактность поверхности теплообмена в аппарате.
Для обеспечения хорошей
Шаг размещения труб / при их закреплении развальцовкой выбирают в зависимости от наружного диаметра dn труб в пределах
Рис. 13-3. Способы крепления труб в трубных решетках:
а-развальцовка; б-развальцовка в отверстиях с канавками; в-сварка; г-сальниковые уплотнения
Рис. 13-4. Многоходовые (по трубному пространству) кожухотрубчатые теплообменники жесткой конструкции:
а-двухходовый; б-четырехходовый; /-крышки; 2 -перегородки в крышках; / и Я-теплоносители
t = (1,3 н- 1,5)й?н. Тогда диаметр D теплообменника можно найти по выражению
D = t(b-l) + 4dH,
где Ъ = 1а — 1 -число труб, размещенных на диагонали шестиугольника при шахматном расположении труб; а-число труб на стороне наибольшего шестиугольника.
Рассмотренный кожухотрубчатый теплообменник (рис. 13-1) является одноходовым, т. е. в этом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой-по межтрубному). В тех случаях, когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффициенты теплоотдачи, целесообразно использовать многоходовые теплообменники.
В многоходовом по трубному
пространству теплообменнике (рис. 13-4)
с помощью поперечных перегородок
2, установленных в крышках
Рис. 13-5. Многоходовый (по межтрубному пространству) кожухотрубчатый теплообменник:
1 -кожух; 2-перегородки; / и Л-теплоносители
вое. Очевидно, что в таких теплообменниках при одном и том же расходе теплоносителя скорость его движения по трубам увеличивается кратно числу ходов. Для увеличения скорости в межтрубном пространстве в нем устанавливают ряд сегментных перегородок 2 (рис. 13-5). В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для труб.
Увеличение скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменника влечет за собой увеличение его гидравлического сопротивления и усложнение конструкции теплообменника. В таких случаях необходимо определить экономически целесообразную скорость движения теплоносителя (см. ниже). Следует отметить, что в многоходовых теплообменниках по сравнению с противоточными движущая сила процесса несколько снижается в результате того, что они работают по принципу смешанного тока.
Если разность температур труб и кожуха достаточно велика (больше 50 °С), то трубы и кожух удлиняются существенно неодинаково, что приводит к значительным напряжениям в трубных решетках, нарушению плотности соединения труб с трубными решетками, а это может привести к смешению теплоносителей или деформации труб. Поэтому при разностях температур труб и кожуха более 50 °С и значительной длине труб применяют теплообменники нежесткой конструкции, в которых возможно перемещение труб по отношению к кожуху аппарата.
На рис. 13-6 представлены некоторые
конструкции кожухотруб-чатых
На рис. 13-6, а показана схема теплообменника с линзовым компенсатором 3 на корпусе. В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением компенсатора. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 10-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа).
Теплообменник с плавающей головкой (рис. 13-6,6) применяют при значительных относительных перемещениях труб и кожуха, поскольку в нем одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях.
В теплообменнике с [/-образными трубами (рис. 13-6, в) оба конца труб закреплены в одной трубной решетке, что позволяет трубам свободно удлиняться. В аппаратах этого типа, так же как и в аппарате с плавающей головкой, наружные стенки труб довольно легко очищать от накипи и загрязнений при выемке всей трубчатки из кожуха. Однако в этом аппарате усложняется монтаж труб, затруднена очистка их внутренних стенок.
Элементные теплообменники представляют собой ряд последовательно соединенных одноходовых кожухотрубчатых теплообмен-
fine. 13-6. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсацией неодинаковости температурных удлинений труб и кожуха:
а-теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция); б-аппарат с плавающей головкой; «-аппарат с U-образными трубами; 1-кожухи; 2-трубы; 3-линзовый компенсатор; 4-плавающая головка; / и /7-теплоносители
ников (элементов), что позволяет существенно повысить скорость движения теплоносителей в межтрубном и трубном пространствах без использования перегородок. Теплоносители последовательно проходят через все элементы. В межтрубных пространствах элементных теплообменников можно создавать большие давления, так как диаметр кожуха элементов мал. В этих теплообменниках процесс протекает практически при чистом противотоке. Однако элементные теплообменники, по сравнению с многоходовыми кожу-хотрубчатыми, при одинаковой поверхности теплопередачи более громоздки и требуют большего расхода металла на их изготовление.
Двухтрубные теплообменники часто называют теплообменниками типа «труба в трубе». Они представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб (рис. 13-7).
Один теплоноситель / движется по внутренним трубам /, другой //-по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы / соединяются с помощью калачей 3, а наружные-с помощью соединительных патрубков 4. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3-6 м, диаметр наружной трубы-76-159 мм, внутренней-57-108 мм.
Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтруб-
Рис. 13-7. Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»:
/-внутренние трубы; 2-наружные трубы; 3-соединительные колена (калачи); 4-соединительные патрубки; / и //-теплоносители
ные теплообменники более
громоздки, чем кожухотрубчатые, на
их изготовление требуется больше металла
на единицу поверхности
Змеевиковые теплообменники. Основным теплообменным элементом является змеевик-труба, согнутая по определенному профилю.
На рис. 13-8, а, б показаны погружные теплообменники с одним (а) и несколькими (б) спиральными змеевиками 1, по которым движется теплоноситель. Змеевики погружаются в жидкость (теплоноситель Я), находящуюся в корпусе аппарата. Скорость движения жидкости мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что
Рис. 13-8. Аппараты с погружными теплообменниками:
а-с одним спиральным змеевиком; б-с несколькими спиральными змеевиками; e-с прямыми трубами; /-погружные трубы; 2-корпуса; / и Я-теплоносители
Рис. 13-9. Аппараты с наружными змеевиками:
а-в-с приваренными снаружи змеевиками различной формы; г-с залитыми при изготовлении в стенке змеевиками; /-корпуса аппаратов; 2-змеевики; 3-металлическая прокладка
обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи от наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот). Для увеличения этого коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в корпусе аппарата 2, внутри змеевика, стакана (на рис. 13-8 не показан). В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью. Часто в погружных теплообменниках устанавливают змеевики из прямых труб 1 (рис. 13-8, в), соединенных калачами.
Вследствие простоты устройства, низкой стоимости, доступности наружных стенок змеевика для чистки и осмотра, возможности работы змеевиков при высоких давлениях эти теплообменники находят достаточно широкое применение в промышленности. Погружные змеевиковые теплообменники имеют сравнительно небольшую поверхность теплообмена (до 10-15 м2).
Довольно широкое применение в технике находят теплообменники с наружными змеевиками (рис. 13-9), применение которых позволяет проводить процесс при высоких давлениях (до 6 МПа). К стенкам аппаратов (обычно реакторов) снаружи приваривают змеевики, изготовленные из полуцилиндров или угловой стали (рис. 13-9, б, в). Если же необходимо использовать теплоноситель при еще более высоком давлении (например, перегретую воду при 25 МПа), то змеевик приваривают к корпусу аппарата многослойным швом (рис. 13-9, а).
К достоинствам аппарата с приваренными змеевиками следует отнести возможность разделения системы труб змеевика на несколько секций, питаемых независимо друг от друга. Включением и отключением отдельных секций становится возможным регулировать обогрев или охлаждение. Кроме того, материал привариваемых змеевиков может быть отличным (более дешевым) от материала корпуса аппарата.
Гораздо сложнее изготовить аппарат, в стены которого змеевик «залит» (рис. 13-9, г); ремонт такого аппарата практически невозможен. Кроме того, коэффициент теплоотдачи в данном случае имеет низкое значение. Поэтому такие аппараты используют довольно редко.
Рис. 13-10. Оросительный холодильник:
/-трубы; 2-соединительные колена (калачи); 3-желоб для распределения охлаждающей воды;
4-корыто для сбора воды
Оросительные теплообменники применяют в основном для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров.
Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис. 13-10) из размещенных друг над другом прямых труб 1, соединенных между собой калачами 2. Снаружи трубы орошают водой, которую подают в желоб 3 для равномерного распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода поступает в корыто 4 для сбора воды. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.
Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется: при этом процесс теплообмена идет интенсивнее, вследствие чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках других типов. Но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении оросительные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. По этой же причине, если оросительный теплообменник необходимо установить в помещении, его приходится помещать в громоздкие кожухи, которые подключают к системе вытяжной вентиляции. К недостаткам этих теплообменников следует отнести также громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, легкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.