Материал: PAKhT_LEKTsII_1sem

ЛЕКЦИЯ №16

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Теплообменные аппараты в зависимости способа передачи теплоты подразделяют на поверхностные, смесительные (контактные), регенеративные (Рис.16.1).

Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее значительную группу аппаратов, используемых в химической технологии. В таких аппаратах теплоносители разделены стенкой, через которую теплота передаѐтся за счѐт теплопроводности материала стенки. Главной характеристикой таких аппаратов является площадь поверхности стенки,

поскольку именно от еѐ размера зависит количество теплота, передаваемое в аппарате от одного теплоносителя к другому. Форма поверхности стенки может быть трубчатой, плоской или иной.

В смесительных (контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей. В регенеративных теплообменниках

процесс переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному происходит на насадке,

которая нагревается горячим теплоносителем, а затем сама нагревает холодный теплоноситель.

Рис.16.1. Классификация теплообменных аппаратов

1

По назначению поверхностные теплообменные аппараты подразделяют на следующие

типы:

холодильники – для охлаждения жидких или газовых сред;

подогреватели – для нагрева жидких или газовых сред жидким теплагентом или конденсирующимся паром;

конденсаторы – для конденсации паров при охлаждении водой или другим хладагентом;

испарители – для испарения жидкостей при обогреве паром или жидким высокотемпературным теплоносителем.

Кожухотрубчатые теплообменники

Устройство и принцип работы вертикального одноходового кожухотрубчатого теплообменника

Холодный теплоноситель II через штуцер на днище 1 (Рис.16.2) поступает во входную камеру, образованную днищем и нижней трубной решѐткой 2. Во входной камере поток теплоносителя распределяется по трубам 3, движется вверх, попадая в верхнюю камеру,

образованную крышкой 4 и верхней трубной решѐткой 5, и покидает аппарат через штуцер на крышке. Горячий теплоноситель I поступает в межтрубное пространство 6 и движется сверху вниз, обтекая трубы. В межтрубном пространстве установлены сегментные перегородки 7, способствующие турбулизации течения теплоносителя.

Такое движение теплоносителей (нагреваемый – снизу вверх, а охлаждаемый – сверху вниз) способствует более эффективному переносу теплоты, так как направление

естественной конвекции из-за разности температур совпадает с направлением вынужденной конвекции.

трубная решѐтка; 3 – трубы; 4 – крышка;

5 – верхняя трубная решѐтка; 6 – межтрубное пространство; 7 – сегментные перегородки;

I, II – теплоносители

2

Размещение и способы крепления труб в трубных решѐтках

Наиболее распространѐнный способ размещения труб в трубных решѐтках – по вершинам равносторонних треугольников (рис.16.3, а). Применяются и другие способы размещения труб (рис.16.3, б, в). Способ размещения должен обеспечит максимальную компактность аппарата, высокое значение коэффициента теплоотдачи, низкое гидравлическое сопротивление и возможность очистки межтрубного пространства.

а б в

Рис. 16.3. Способы размещения труб в трубных решѐтках:

а – по вершинам равносторонних треугольников; б – по вершинам квадратов; в – по концентрическим окружностям

Для обеспечения герметизации теплообменников и предотвращения смешения теплоносителей разработаны различные способы крепления труб в трубных решѐтках

(рис.16.4). Чаще всего трубы закрепляют при помощи развальцовки, это наиболее удобный и распространенный метод. Если материал труб не поддается развальцовке, или при большом давлении теплоносителя - используют сварку. Применение сальниковых уплотнений дорого,

сложно и недостаточно надежно, хотя значительно упрощает разбор теплообменника для его чистки. Кроме того, крепление труб с помощью сальникового уплотнения является одним из способов компенсации температурных деформаций теплообменника.

а б в г

Рис.16.4. Крепление труб в трубных решетках:

а – развальцовка; б – развальцовка с канавками; в – сварка; г – сальниковые уплотнения

3

Многоходовые кожухотрубчатые теплообменники

Теплоноситель, поступающий в трубное пространство одноходового теплообменника,

распределяется по всем трубам равномерно. Однако, в случае относительно небольших расходов теплоносителя, это приводит к малой скорости теплоносителя в трубах и, как следствие, к низкому значению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве.

Для интенсификации теплоотдачи в трубном пространстве необходимо увеличить скорость теплоносителя в нѐм. Для этого теплоноситель распределяют не по всем трубам, а

направляют его таким образом, чтобы он последовательно поступал только в первую часть труб, затем в вторую часть и т.д. При этом площадь сечения потока, поступающего в часть труб меньше, чем в исходном варианте одноходового теплообменника, следовательно,

скорость теплоносителя возрастает. Такие теплообменники называют многоходовыми по трубному пространству (рис.16.5).

В многоходовом по трубному пространству кожухотрубчатом теплообменнике с помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышке и днище теплообменника,

пучок труб разделѐн на секции или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. Очевидно, что в таких теплообменниках скорость движения теплоносителя по трубам, при неизменном его расходе, увеличивается кратно числу ходов.

Для увеличения скорости, турбулизации потока, повышения коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника применяют сегментные перегородки. Применение сегментных перегородок эффективно только для теплоносителей, которые нагреваются или охлаждаются, т.е. не изменяющих фазового состояния.

Рис.16.5. Схема многоходовых (по трубному пространству)

кожухотрубчатых теплообменников:

а – двухходовой, б – четырѐхходовой;

1 – крышки и днища, 2 – перегородки;

I, II – теплоносители

4

Увеличение скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменника влечѐт за собой увеличение гидравлического сопротивления,

а также снижение движущей силы теплопередачи. Поэтому выбор конструкции кожухотрубчатого теплообменника должен быть сделан на основе техно-экономического анализа.

Устройства для компенсации температурных деформаций

Кожух теплообменника и его трубы контактируют с разными теплоносителями,

температура этих элементов конструкции теплообменника различна. Если разница температур кожуха и труб достаточно велика (более 50 К), то кожух и трубы удлиняются существенно неодинаково, что влечѐт за собой значительные механические напряжения в трубных решѐтках, и может привести к нарушению плотности соединения труб с трубными решѐтками. Поэтому при значительных разницах температур кожуха и труб и большой длине труб теплообменника применяют теплообменники нежѐсткой конструкции (Рис.16.6).

При небольших температурных деформациях (не более 10–15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа) в качестве устройства для компенсации температурных деформаций может быть использован линзовый компенсатор -

гибкая складка на кожухе теплообменника. Линзовый компенсатор прост, дешев, однако он значительно снижает прочность кожуха.

а б в

Рис.16.6. Кожухотрубчатые теплообменники с устройствами для компенсации температурных деформаций: а – теплообменник с линзовым компенсатором; б – теплообменник с U-образными трубами; в – теплообменник с плавающей головкой; 1 – кожух; 2 – трубы; 3 – линзовый компенсатор; 4 – плавающая головка; I, II – теплоносители

5