Теплообменники - краткий обзор

Огромное значение для промышленности имеют процессы теплообмена. Особенно это касается химической, металлургической, энергетической и пищевой отраслей. Процесс теплоотдачи, который протекает в теплообменниках, довольно сложный. Тепло из одной среды в другую передается при помощи разделяющей их пластины. Сам процесс теплоотдачи следует разделять на 3 вида: конвекция, теплопроводность и тепловое излучение. Однако на практике чаще всего эти явления протекают одновременно. Большое значение для теплообменников имеет теплопередача, осуществляемая при протекании одновременных процессов конвекции и теплопроводности. Другими словами такой процесс называется конвективный теплообмен. Он протекает в аппаратах самых разных конструкций и типов.

Также теплообменники делятся по способу передачи тепла на смесительные (тепло передается при помощи перемешивания рабочих сред) и поверхностные (обмен тепла происходит через стенки, сделанные из теплопроводного материала). По устройству смесительные теплообменники проще, однако, их использование возможно лишь тогда, когда разрешено смешение рабочих сред.

В свою очередь теплообменники поверхностного типа могут быть рекуперативными (теплообмен происходит с сохранением направления теплового потока через разделительные стенки) и регенеративными (теплоносители соприкасаются с поверхностью нагрева попеременно с постоянным изменением направления теплового потока).

Пластинчатые теплообменники

В последнее время особой популярностью стали пользоваться пластинчатые разборные теплообменники. Они отличаются не только малыми габаритами и гидравлическими сопротивлениями, но и простотой сборки, интенсивным теплообменом, а также удобством очистки от загрязнений и монтажа.

В состав данных аппаратов входят отдельные пластины, изготовленные из тонколистовой стали толщиной не более 0,6 мм. Они разделены каучуковыми уплотнениями. Также в перечне составляющих концевые камеры (2 шт.), рамы и стяжные болты.

Для того чтобы увеличить турбулизацюию потока теплоносителя и его теплообмен, определенную часть пластин (проточную) делают гофрированной (ребристой). Далее к пластинам при помощи клея или по бесклеевой технологии присоединяют резиновые прокладки, чаще всего, круглой формы. Теплоноситель направляется в следующий канал через отверстие или вдоль пластины.

В пластинчатых аппаратах поток теплоносителей может осуществляться по смешанной схеме или противотоком. При этом поверхность теплообмена 1 теплообменника может достигать до 360 м2. Давление должно быть не более 25 кгс/см2, а температура - 150°С.

Витые теплообменники

Согласно названию, вся поверхность нагрева данных аппаратов состоит из множества концентрических змеевиков. Они заключены в кожух и закреплены в специальных головках. Движение теплоносителей направлено по трубному и межтрубному пространству. Обычно витые аппараты используют для процессов разделения смесей из газа при помощи глубокого охлаждения в аппаратуре высокого давления. Это обусловлено тем, что теплообменники данного вида отличаются способностью к самокомпенсации, которая достаточна для восприятия деформаций, возникших от температурных напряжений.

Спиральные теплообменники

Поверхность нагрева в спиральных теплообменниках образуется при помощи 2 тонких металлических листов, которые свернуты в виде спиралей и приварены к керну (разделительная перегородка). К листам с обеих сторон для придания прочности и жесткости приварены бобышки (дистанционные). Также они помогают фиксировать расстояние между спиралями. Спиральные каналы с прямоугольным сечением ограничивают торцовые люки. В спиральных теплообменниках уплотнение каналов достигается несколькими способами. Наиболее приемлемым является вариант, когда каждый канал с одной стороны уплотняют плоской прокладкой, а с другой заваривают. Это исключает смешение теплоносителей. Если прокладка испортиться, то просочится лишь один теплоноситель. Также благодаря такому способу уплотнения каналы можно легко обслуживать.

В случае нарушения материала прокладки одного теплоносителя, один канал з делают «глухим», то есть заваривают с обеих сторон. Другой полностью уплотняют плоской прокладкой. Стоит отметить, что при таких манипуляциях “глухой" становиться недоступным для механической очистки. Если смешение рабочих сред не опасно, то уплотнение обоих сквозных каналов можно выполнить плоской прокладкой. Также при относительно постоянном давлении в каналах сквозные можно уплотнить U-образными спиральными манжетами, которые прижаты выступам в крышке силой внутреннего давления.

Главное преимущество спирального теплообменника состоят в малых габаритах, гидравлических сопротивлениях, а также существенной интенсивности теплообмена при наличии повышенных скоростей теплоносителей.

Среди недостатков - сложность ремонта и производства, в сочетании с ограничениями применения оборудования при давлении рабочих сред, которое превышает 10 кгс/см2.

Кожухотрубчатые теплообменники

Основные элементы кожухотрубчатых теплообменников – это пучки труб, корпус, трубные решетки, патрубки и крышки. Закрепление концов труб в трубных решетках происходит посредством развальцовки, сварки и пайки.

Часто для повышения скорости движения теплоносителей используют перегородки, которые устанавливают в межтрубном и трубном пространствах. Это помогает достичь интенсификации теплообмена.

В зависимости от требований технологического процесса и удобства осущствления монтажа кожухотрубчатые аппараты бывают горизонтальными, вертикальными и наклонными. Величина корпуса и температурных удлинений трубок влияет на жесткость конструкции кожухотрубчатых теплообменников. Она может быть нежесткой, жесткой и полужесткой.

В случае относительно небольших разностей температур пучка труб и корпуса устанавливают теплообменники жесткой конструкции (отличаются простотой устройства).

При дополнительных напряжениях от температурных удлинений целесообразно использование кожухотрубчатых теплообменников нежесткой конструкции, которая обеспечивается пучком U-образных труб, сальниковым уплотнением, расположенным на корпусе или патрубке и подвижной трубной решеткой любого типа (закрытого или открытого).

При температурных деформациях в аппаратах полужесткой конструкции компенсация происходит за счет осевого сжатия или расширения специальных компенсаторов, которые расположены на корпусе.

Двухтрубные теплообменники типа “труба в трубе”

В состав теплообменников данного типа входит ряд звеньев, которые последовательно соединены. Каждое звено - это 2 соосные трубы. Часто для упрощения замены и удобства обслуживания, внутренние трубы между собой соединяют коленами. В состав 2-трубных теплообменников, которые обладают большей поверхностью нагрева, входит ряд параллельно соединенных секций и коллекторов. Если насыщенный пар является одним из теплоносителей, то его, направляют в межтрубное пространство. Теплообменники этого вида могут быть жидкостными или газожидкостными. При помощи подбора диаметра наружной и внутренней трубы, обеим рабочим средам можно обеспечить скорость, необходимую для достижения теплообмена и высокой интенсивности.

Преимуществами 2-трубного теплообменника является простота изготовления, обслуживания и монтажа, высокий коэффициент теплоотдачи и использование при высоком давлении сред для нагрева или охлаждения. Среди недостатков - большая стоимость и размеры, а также сложности в очистке кольцевого пространства.

Графитовые теплообменники

Теплообменники этого вида входят в отдельностоящую группу. Это обусловлено высокой коррозионной стойкостью и большой теплопроводностью, которые в некоторых производствах делают графит просто незаменимым. Существуют блочные, оросительные, кожухотрубчатые теплообменники, а также теплообменные погружные элементы.

Графитовый теплообменник блочного типа - это один блок, прямоугольной или цилиндрической формы. Иногда блоков может быть несколько. Они обладают 2 системами перпендикулярных непересекающихся отверстий, которые создают перекрестное направление движения всех теплоносителей. Все системы отверстий оснащена графитовыми крышками, предназначенными для ввода (вывода) рабочих сред. На крышки накладываются металлические плиты, после система стягивается болтами до создания наименее опасного напряжения сжатия в графите.

В состав графитового теплообменника кожухотрубчатого вида входят трубные решетки, трубы, графитовые крышки и металлический кожух, оснащенный сальниковым уплотнением. Трубы приклеиваются к решеткам замазкой под названием “Арзамит”, а уплотняющие прокладки изготавливаются из фторопласта.

Подсчитаем общее число труб по формуле:
n = F / d*l
Здесь F – это поверхность теплообмена; d – диаметр трубы; l – длина туб.
<Число труб одного хода в трубном пространстве:
n0 = 3,54*10-4(Gmp / d2*b*w) ,
здесь Gтр – это расход теплоносителя в трубном пространстве; d -внутренний диаметр трубок; b - плотность теплоносителя ; w – скорость теплоносителя.

Число ходов в трубном пространстве находят по формуле: z = n/n0.

Элементные (секционные) теплообменники

Данные теплообменники состоят из секций - элементов последовательно соединенных по принципу многоходового кожухотрубчатого оборудования. Если скорость движения теплоносителей соизмерима со скоростью без изменения агрегатного состояния, эффективность элементных теплообменников очевидна. Также их применение целесообразно в случае высокого давления рабочих сред. Загрязнение межтрубного пространства снижает отсутствие перегородок, также благодаря этому уменьшается гидравлическое сопротивление. Однако данные теплообменники являются менее компактными и более дорогими, чем кожухотрубчатые.

Погружные теплообменники

В состав теплообменников данного типа входят плоские или цилиндрические змеевики, погруженные в сосуд с рабочей средой (жидкой). Однако они недостаточно эффективны из-за низкой скорости омывания жидкостью и малой теплоотдачи снаружи змеевика. Их использование целесообразно при жидкой рабочей среде в состоянии кипения, а также при механических включениях и необходимости применения нагрева поверхности из специальных материалов.

Оросительные теплообменники

Оросительные теплообменники - это ряд прямых труб, которые расположены одна над другой и орошаются водой снаружи. При помощи сварки трубы соединяют на фланцах коленами. Главным образом оросительные теплообменники используют как холодильники для газов и жидкостей, а также в качестве конденсаторов. Вода, которая через желоб равномерно подается сверху, частично испаряется. Поэтому ее расход в оросительных теплообменниках ниже, чем в других холодильниках.

Оросительные теплообменники просты в изготовлении и эксплуатации, но отличаются крупными габаритами и низкой интенсивностью теплового обмена.

Ребристые теплообменники

Калориферы или ребристые теплообменники используют для увеличения поверхности теплового обмена при помощи оребрения со стороны, которая характеризуется самыми большими термическими сопротивлениями. Например, их применяют для нагревания воздуха паром. Плотное соприкосновение ребер с основной трубой - это важное условие их эффективного использования. Большое значение имеет и их рациональное размещение.
Наиболее часто ребристые теплообменники применяют в отопительных системах, а также в сушильных установках и в качестве экономайзеров.