Теплообменная аппаратура

Подробные методы расчетов кожухотрубчатых ТА с учетом протечек теплоносителей через зазоры между  поперечными перегородками, трубками и кожухом, с учетом влияния стекающего с верхних горизонтальных трубок на нижние конденсата, а также с  учетом влияния сливающихся паровых  пузырей на движение парожидкостной смеси внутри вертикальных кипятильных  труб и многих других осложняющих  эффектов приводятся в специальной  литературе [1–4, 10, 12, 34, 35, 45].

В качестве примера  в табл. 6.2.5.1, 6.2.5.2 приведены справочные данные о некоторых теплообменниках типа ТН и ТК по ГОСТ 15122–79. Аналогичные таблицы для теплообменников типа ТП и ТУ можно найти в [59].

Пример условного  обозначения кожухотрубчатого теплообменника. Обозначение  ГОСТ 15122–79 показывает, что теплообменник с неподвижными трубными решетками в горизонтальном исполнении (буква Г в числителе) имеет кожух диаметром 1000 мм, неразъемные распределительные камеры (цифра 1 в числителе); рассчитан на условное давление 16 МПа; трубы имеют наружный диаметр 20 мм, гладкие (буква Г в знаменателе), длиной 6 м; число ходов в трубном пространстве — 4. Обозначение Б9 в числителе указывает материалы кожуха и трубок в соответствии с ГОСТ 15122–79.

Рис. 6.2.5.2. Кожухотрубчатые теплообменники с линзовым компенсатором (а), с плавающей головкой (б) и с U-образными трубками (в)

Таблица 6.2.5.1

Площадь поверхности теплообмена  в аппаратах типа ТН и ТК

Примечание. Трубы гладкие с толщиной стенки 2 мм. D — диаметр кожуха теплообменника, мм; d — наружный диаметр труб, мм; z — число ходов в трубном пространстве теплообменника; n — общее число труб; n_р — число рядов труб по вертикали (для горизонтальных аппаратов — по ГОСТ 15118–79).

Таблица 6.2.5.2

Площади проходных сечений  трубного и межтрубного  пространств в  аппаратах типа ТН и ТК

Рис. 6.2.5.3. Двухтрубный теплообменник «труба в трубе»

Рис. 6.2.5.4. Змеевиковый погружной теплообменник с механическим перемешиванием жидкости

Элементные  ТА представляют собой ряд последовательно соединенных одноходовых кожухотрубчатых ТА (рис. 6.2.1.1), что позволяет при многократно увеличенной поверхности теплообмена сохранить относительно высокую скорость движения теплоносителей как в трубном, так и в межтрубном пространствах без использования перегородок. Преимуществом такого способа интенсификации теплопередачи является возможность реализации практически чистого противотока теплоносителей. Еще одно достоинство элементной схемы состоит в возможности создавать большие давления в межтрубных пространствах, поскольку диаметр кожуха каждого из ТА здесь меньше, чем у единственного аппарата с перегородками при приблизительно одинаковой поверхности теплопередачи. Недостатком элементной схемы соединения аппаратов является повышенная металлоемкость.

При малых расходах теплоносителей для создания значительных скоростей теплоносителей используются двухтрубные ТА (труба в трубе — ТТ), представляющие собой набор последовательно соединенных элементов, составленных из двух труб (рис. 6.2.5.3) и потому выдерживающих значительные давления в обоих пространствах. Поперечные сечения внутренней трубы (обычно диаметром 37–108 мм) и кольцевого сечения межтрубного пространства (диаметр наружных труб от 76 до 159 мм) невелики, что и обеспечивает для обоих жидкофазных теплоносителей достаточные для интенсивной теплоотдачи в обоих пространствах ТТ скорости (до 3 м/с). При повышенных скоростях замедляются процессы отложения загрязнений на теплообменных поверхностях. Двухтрубные ТТ имеют общую плоскую конфигурацию и, не занимая много места, удобно монтируются в одну, две или три параллельных линии, например у стенки помещения. Быстрый и гибкий перемонтаж выгодно отличает теплообменники ТТ от других типов ТА. Недостаток двухтрубных теплообменников — относительно малая теплообменная поверхность, приходящаяся на единицу их массы. Область использования теплообменников ТТ — передача относительно небольших количеств теплоты Q < 1000 кВт) через суммарную теплообменную поверхность, обычно не превышающую 50 м². Специфика тепловых и гидравлических расчетов двухтрубных ТА представлена в [1].

Змеевиковый ТА представляет собой трубу, свернутую чаще всего в форме спирали (рис. 6.2.5.4). Иногда в спираль параллельно свернуты 2–3 трубы, внутри которых обычно проходит более горячий теплоноситель. Второй теплоноситель (чаще нагреваемая жидкость) заполняет емкость, внутри которой и находится змеевик. Жидкость нагревается либо периодически, либо непрерывно в режиме ее непрерывного протока через емкость. В таком погружном ТА для интенсификации внешней теплоотдачи от поверхности змеевика может использоваться вращающаяся мешалка, что одновременно уменьшает скорость отложения загрязнений на наружной поверхности труб змеевика. Погружные змеевиковые ТА предельно просты, наружная поверхность труб легко доступна для осмотра и механической очистки, а малый диаметр трубок (обычно 25–37 мм) позволяет работать с весьма высокими давлениями греющего пара или жидкого теплоносителя внутри трубок. Однако змеевиковые ТА обладают сравнительно незначительной теплопередающей поверхностью, обычно не превышающей 10–15 м².

Наиболее высокие  давления и, следовательно, температуры (до 6 МПа и, соответственно, до 275 °С для насыщенного водяного пара) возможны в ТА с наружными змеевиками, которые привариваются снаружи к стенкам аппарата цилиндрической формы (рис. 6.2.5.5). Вместо полуцилиндров могут привариваться цельные стальные трубки, сворачиваемые в спираль. Это дешевле в изготовлении, но и не гарантирует хорошего контакта трубки с наружной поверхностью аппарата. Высокое термическое сопротивление поверхности контакта трубок с корпусом аппарата может существенно снизить коэффициент теплопередачи. Вместо трубок и полутрубок могут использоваться стальные уголки, что обеспечивает наилучший контакт со стенкой сосуда, но одновременно несколько снижает возможность создания высоких давлений внутри профиля некруглой формы. Дополнительное достоинство аппаратов с наружными приваренными змеевиками состоит в возможности использовать для змеевиков более дешевые материалы. Это важно в случаях, когда нагреваемое внутри емкости вещество представляет собой химически агрессивную среду. Внутренняя поверхность емкости (например химического реактора) относительно просто покрывается соответствующим защитным слоем (эмалируется, гуммируется), либо корпус емкости выполняется из двухслойной стали (внутренний слой — из коррозионностойкой стали, наружный — из углеродистой), при этом контакт змеевика с химически активной средой в таких ТА отсутствует. Очистка внутренней поверхности емкости обычно не представляет трудностей. Очевидные недостатки аппаратов с наружными приваренными змеевиками — малая теплопередающая поверхность и высокая стоимость изготовления (приваривания змеевика). Особенности расчетов теплопередачи и гидравлического сопротивления ТА змеевикового типа рассматриваются в литературе по теплообменникам [1] и химическим реакторам [16].

Рис. 6.2.5.5. Теплообменник с наружным приваренным змеевиком

Рис. 6.2.5.6. Теплообменный аппарат с наружной рубашкой

Теплообменные аппараты с двойными стенками (с рубашкой) используются в качестве обогреваемых емкостей для проведения химических реакций (рис. 6.2.5.6). Давление теплоносителя, подаваемого в рубашку (греющий пар, горячая вода или какой-либо высокотемпературный теплоноситель), здесь ниже, чем в ТА с наружными змеевиками, и может составлять величину до 0,6–1,0 МПа, что в основном обусловлено потерей устойчивости корпуса аппарата, нагруженного наружным давлением, но и изготовление рубашки проще, чем наружных змеевиков. Поверхность теплопередачи здесь также может быть защищена, но ее величина не превышает 10 м² для сосудов даже значительных диаметров и высот.

Оросительные  ТА используются, как правило, для охлаждения горячих жидкостей (реже — газов) или для конденсации паров при температурах, соответствующих температуре природной воды. Орошающая вода подается сверху из водораспределителя на наружную поверхность горизонтальных труб, по которой и стекает с верхних труб на нижние в форме тонкой пленки (рис. 6.2.5.7). Оросительные ТА предельно просты и обладают малой металлоемкостью на один квадратный метр теплопередающей поверхности, поскольку не имеют конструктивно оформленного объема для охлаждающей воды. Коэффициенты теплоотдачи от наружной поверхности труб к гравитационно стекающей тонкой пленке воды имеют значительные величины. Наружная поверхность труб доступна для осмотра и механической очистки от минеральных отложений и ржавчины. С другой стороны, при работе ТА оросительного типа происходит потеря некоторой доли охлаждающей воды вследствие ее частичного испарения, кроме того, эта испаренная влага оказывается в помещении и ее необходимо удалять, если оросительный ТА не установлен специально вне помещения. Имеются определенные трудности с созданием равномерного распределения орошающей трубы воды по значительной (до 8 метров) длине труб и по их вертикальным рядам. Расчеты оросительных ТА как аппаратов пленочного типа при практическом отсутствии или с наличием заметного испарения воды с наружной поверхности пленки соответствуют условиям движения пленки по наружным поверхностям труб (см. 4.2.2) и подробно рассматриваются в литературе [1, 13, 17, 18, 37].

Рис. 6.2.5.7. Однотрубный оросительный теплообменник

Рис. 6.2.5.8. Спиральный теплообменник

В спиральных ТА поверхность теплопередачи и каналы для прохождения теплоносителей образуются двумя протяженными металлическими листами, спирально свернутыми в компактный аппарат цилиндрической внешней формы (рис. 6.2.5.8). Интенсивность  
теплообмена в таких аппаратах весьма высока ввиду значительной скорости (до 3 м/с и более) перемещения обоих теплоносителей в гладких щелевых каналах. Спиральные ТА отличаются большими значениями теплообменных поверхностей на единицу объема конструкции, в них без трудностей создается противоточное движение теплоносителей (чаще жидкофазных). Однако такие аппараты сложны в изготовлении и не могут работать при давлениях выше 0,6–1,0 МПа, поскольку торцевая герметизация металлических листов и плоских крышек таких ТА представляет серьезную механическую проблему. Разъемные уплотнения здесь недостаточно надежны, поэтому возможно попадание некоторого количества одного теплоносителя в массу другого. Зазоры между пластинами обычно не превышают нескольких сантиметров, толщина свернутых листов составляет 2–3 мм. По соображениям механической прочности величины давлений внутри каналов для одного и другого теплоносителя должны быть близкими по значению. Теплообменные поверхности спиральных ТА составляют десятки квадратных метров. Расчеты теплопередачи и гидравлического сопротивления производятся по имеющимся в литературе корреляционным соотношениям для обычно турбулентного режима движения однофазных потоков в плоских каналах с легко определяемым эквивалентным диаметром [1, 2, 8, 9]; особенности конструктивного оформления ТА спирального типа см. в [42].