Теплообменная аппаратура

Спиральные теплообменники в соответствии с ГОСТ 12067–80 рассчитаны на давление до 1 МПа и температуры рабочих сред от –20 до +200 °С. По конструктивному исполнению они подразделяются на два типа.

Конструкции типа 1 имеют  два вида исполнения с вертикальной установкой. В исполнении 1 оба спиральных канала заглушены (заварены полоской металла) с противоположных торцов и перекрыты  плоскими крышками. Такой аппарат  предназначен для теплообмена между  жидкостями и газами, текущими по спиральным каналам противотоком. В исполнении 2 оба канала — тупиковые, однако в один из них теплоноситель подается по спирали, а другой перекрыт конической крышкой, что позволяет пропускать пар в направлении оси теплообменника. Подобный аппарат предназначен для  конденсации паров при перекрестном токе теплоносителей.

Конструкции типа 2 имеют  три вида исполнения. В исполнении 1 (при горизонтальной установке) один канал тупиковый, а другой перекрыт плоскими крышками (сквозной). Этот аппарат предназначен для подогрева сточных вод, загрязненных рабочих сред и высоковязких жидкостей, подаваемых в широкий канал вдоль оси теплообменника. Сквозные каналы легче чистить, однако их уплотнения не исключают возможности смешения теплоносителей. В исполнении 2 (при вертикальной установке) один канал тупиковый, а другой — сквозной, перекрытый сферическими крышками. Этот аппарат предназначен для нагревания паром газа. В исполнении 3 (при вертикальной установке) один канал тупиковый, а другой перекрыт плоскими крышками (уплотнение канала с торцов осуществляется прокладками). Такие аппараты используются в основном для охлаждения нитрозной серной кислоты.

Условное обозначение  аппарата, например, теплообменник спиральный 1–2–20–6–К ГОСТ 12067–80 расшифровывается следующим образом: теплообменник типа 1 в исполнении 2 имеет площадь поверхности теплообмена 20 м², рассчитан на рабочее давление 0,6 МПа и изготовлен из коррозионностойкой стали. Теплообменник из углеродистой стали обозначается буквой У.

В таблицах 6.2.5.3 и 6.2.5.4 приведены основные параметры спиральных теплообменников типа 1 и 2 соответственно.

ТА  пластинчатого типа, в которых интенсивность теплообмена выше, чем в спиральных аппаратах, отличаются еще большей объемной и массовой компактностью. Пластинчатые ТА — это собранные в пакеты параллельные гофрированные металлические пластины толщиной до 1 мм, зазоры между которыми составляют обычно 3–6 мм и представляют собой щелевые волнистые каналы для параллельного движения обоих теплоносителей (рис. 6.2.5.9). При значительных скоростях движения (2–3 м/с) в таких каналах коэффициенты теплоотдачи от потоков жидких теплоносителей к поверхностям пластин достигают 3000–4000 Вт/(м² ×  К) при относительно невысоких гидравлических сопротивлениях. Пластинчатые ТА также не допускают заметной разности давлений в смежных каналах, где перемещаются обменивающиеся теплотой жидкие теплоносители. По некоторым данным [1] общее давление в компактных ТА пластинчатого типа может достигать 2 МПа, а предельная температура — 250 °С.

Рис. 6.2.5.9. Пластинчатый ТА с гофрированными каналами

Таблица 6.2.5.3

Основные  параметры спиральных теплообменников  типа 1  
(условные давления 0,6 и 1,0 МПа)

Примечание. Диаметры условных проходов штуцеров: D_у1 — для сквозного канала; D_у2 — для заглушенного с торцов (спирального) канала

Таблица 6.2.5.4

Основные  параметры спиральных теплообменников  типа 2 
(условные давления 0,6 и 1,0 МПа)

Примечание. Диаметры условных проходов штуцеров: D_у1 — всех четырех или для сквозного канала; D_у2 — для узкого канала.

Таблица 6.2.5.5

Основные  параметры пластинчатых теплообменников  типа Р  
(ГОСТ 12218–83)

Таблица 6.2.5.6

Число пластин и диаметры штуцеров пластинчатых теплообменников  типа Р  
(ГОСТ 12218–83)

Наибольшее распространение  теплообменники пластинчатого типа получили в пищевой промышленности вследствие относительной простоты разборки и легкости очистки и  дезинфекции теплообменных поверхностей. Пластины могут изготавливаться  из нержавеющей стали, титана, никеля или других металлов или сплавов, необходимых для конкретных химически  активных теплоносителей. В качестве материала прокладок между соседними  пластинами используются силикон или  фторуглерод, резины и асбест. Герметичность  многочисленных соединений пластин  в разборных пластинчатых аппаратах  представляет известную проблему, поэтому  здесь вероятно некоторое взаимное проникновение теплоносителей. В  герметичных сварных пластинчатых аппаратах исчезает возможность  осмотра и очистки теплообменных  поверхностей. Впрочем, турбулизация потоков  внутри волнистых щелевых каналов  более чем в два раза замедляет  отложение загрязнений по сравнению  с ТА кожухотрубчатого типа. Пластинчатые ТА используются, как правило, для  теплообмена между теплоносителями, не изменяющими своего фазового состояния (чаще — для капельных жидкостей), но в некоторых случаях они  находят применение и в качестве конденсаторов или даже испарителей, например при выпаривании небольших  количеств высоковязких растворов. Существует до 60 конфигураций пластин, изготовление которых не является легкой механической операцией, особенно для  пластин крупных размеров. Поэтому  пластинчатые ТА обычно имеют относительно скромные габариты или собираются из наборов пластин, размеры которых  не превышают одного метра. Комбинированием  пластинчатых ТА сравнительно просто организуются системы противотока  теплоносителей или теплообмен между  тремя или более теплоносителями (рис. 6.2.5.9). Расчеты пластинчатых ТА проводятся по корреляционным соотношениям, получаемым в соответствующих опытах [1, 50, 51]. Подробные данные о конструкциях существующих пластинчатых аппаратов приводятся в [43, 44].

Пластинчатые теплообменники в соответствии с ГОСТ 12218–83 рассчитаны на избыточное давление до 0,4 МПа, а  также на вакуум с остаточным давлением  не ниже 0,002 МПа, и на температуры  рабочих сред от -40 до +300 °С. Пластинчатые теплообменники согласно ГОСТ 12218–83 подразделяются на два типа: Р — разборные, Н — неразборные. Наиболее распространенные теплообменники типа Р имеют пять видов конструктивного исполнения: 1 — одинарные пластины крепятся на консольной раме; 2 — одинарные пластины на двухопорной раме; 3 — одинарные пластины на трехопорной раме; 4 — сдвоенные (сваренные попарно) пластины на двухопорной раме; 5 — сдвоенные пластины на трехопорной раме.

Условное обозначение  пластинчатого аппарата, например, теплообменник Р–0,2–6,3–1К, расшифровывается так: площадь поверхности одной  пластины —0,2 м²; общая площадь теплопередающей поверхности — 6,3 м²; 1-е конструктивное исполнение; детали, соприкасающиеся с рабочей средой, выполнены из коррозионностойких материалов.

Информация, необходимая  для технологического расчета пластинчатых теплообменников типа Р, представлена в табл. 6.2.5.5. Конструктивное исполнение аппарата выбирается из табл. 6.2.5.6 с учетом общего числа пластин в нем , где F — рассчитанная общая площадь поверхности теплообмена; F₁ — площадь поверхности одной пластины.

Особенности расчета  коэффициентов теплоотдачи и  гидравлического сопротивления  пластинчатых теплообменников приведены  в [59].

Оребренные  ТА используются в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи a₁ для одного из теплоносителей на один или два порядка меньше коэффициента теплоотдачи a₂ со стороны второго теплоносителя: a₁ œ   a₂. Такая ситуация типична для аппаратов воздушного охлаждения (реже — нагревания), когда вторым теплоносителем является капельная жидкость или конденсирующийся пар. Малое значение a₁ со стороны воздуха (в общем случае любого газа) компенсируется искусственным увеличением теплоотдающей поверхности F₁, контактирующей с воздухом, так, чтобы по возможности соблюдалось соотношение a₁F₁ »  a₂F₂, в котором F₂ — теплообменная поверхность со стороны жидкости (пара). Увеличение F₁ (обычно в 15–25 раз по сравнению с наружной поверхностью трубы) достигается установкой поперечных или продольных металлических ребер на наружной поверхности труб. На рис. 6.2.5.10 в качестве примера показано оребрение горизонтальной трубы поперечными ребрами прямоугольной формы. Поперечные ребра могут иметь форму дисков, в том числе и уменьшающейся к периферии дисков толщины, что эффективней с точки зрения процесса теплообмена, но и дороже в изготовлении. Продольные ребра — это узкие пластины, привариваемые к наружной поверхности трубы вдоль ее оси. Существенно, что воздушный поток должен быть направлен так, чтобы вся суммарная поверхность ребер хорошо омывалась воздухом без каких-либо застойных зон. Если теплоотдача от ребер носит характер гравитационной конвекции (см. 4.1.5), то ребра должны располагаться вертикально.