Теплообменные аппараты. 
Тепловые процессы в химической аппаратуре

Теплообменные аппараты предназначены для проведения теплообменных процессов. По принципу действия делятся на рекуперативные, регенеративные, смесительные.

• 1) В рекуперативных аппаратах теплоносители разделены стенкой, тепло передается через стенку.
• 2) В регенеративных аппаратах — одна и та же поверхность омывается попеременно различными теплоносителями. Один теплоноситель нагревает поверхность, а сам охлаждается, другой принимает тепло от поверхности — нагревается. Таким образом, необходимо наличие твердых тел, которые бы аккумулировали тепло.
• 3) В смесительных — передача тепла происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

Рассмотрим подробнее.

1) Рекуперативные теплообменные аппараты. Главная черта таких аппаратов: наличие поверхности разделяющей теплоносители.

А) В зависимости от конструкции поверхности теплообмена рекуператоры подразделяются на — кожухотрубчатые, 2-х трубчатые, змеевиковые, спиральные, оросительные. Рассмотрим кожухотрубчатые теплообменники — наиболее распространенные в химической технике. Они надежны, просты, имеют большую F теплообмена. Рассмотрим кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции (одноходовой).

Состоит из: 1- цилиндрическая обечайка-кожух, 2- трубные решетки, 3- трубы, 4-крышки, 5- днище, 6-болт; 7-прокладка; I, II-теплоносители.

К кожуху с двух сторон приварены решетки, в которых закреплен пучок труб. К кожуху при помощи фланцев болтами присоединены днища. Уплотнение обеспечивается прокладкой. Для ввода и вывода теплоносителя используются патрубки. Один теплоноситель направлен вверх, другой — вниз. 1 — в трубное пространство, IIв межтрубное, омывает трубы снаружи.

Соединение труб с трубной решеткой — сваркой или развальцовкой, редко — сальниковое уплотнение.

Способы размещения труб в трубных решетках.

апо вершинам правильных шестиугольников;б — по вершинам квадрата, в-по концентрическим окружностям.

(1-корпус; 2-трубы; t-шаг труб; в-диаметр трубы) Способы расположения диктуются наибольшей компактностью.

Длина труб определяется:

Различают одноходовые и многоходовые теплообменники.

В одноходовом — потоки параллельны ^^ или ^v.

Многоходовые — могут быть по трубному пространству и по межтрубному. В многоходовом по трубному пространству — пучок труб разделен на несколько ходов перегородками в днищах. Для чего увеличение ходов? — в многоходовом теплообмене увеличивается соответственно числу ходов скорость, а следовательно (коэффициент теплоотдачи). Нужно увеличивать скорость того теплоносителя в первую очередь, у которого коэффициент теплоотдачи меньше.

Многоходовые кожухотрубчатые теплообменники (по трубному пространству), жесткая конструкция.

а-двухходовой; бчетырехходовой.

1- крышки; 2-перегородки в крышках; I и II-теплоносители.

В межтрубном пространстве также устанавливаются сегментные перегородки.

Многоходовой кожухотрубчатый теплообменник (по межтрубному пространству):

1-кожух; 2-перегородки; I и II — теплоносители Мы рассмотрели жесткие конструкции кожухотрубчатых теплообменников, которые используются, если разность температур кожуха и труб не превышает 25−30?С. При больших Дt возникают температурные напряжения, которые могут привести к разрушению теплообменника. Поэтому при Дt >30?С применяются теплообменники с различными компенсаторами. Например, используется теплообменник с «плавающей головкой», в котором одна из трубных решеток не соединена с кожухом и свободно перемещается. Используют также теплообменники с линзовым компенсатором на кожухе, теплообменник с Uобразными трубами и другие.

Кожухотрубчатые теплообменники с компенсацией неодинаковости температурных удлинений труб и кожуха:

а-теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция); б-аппарат с плавающей головкой;

в-аппарат с U-образными трубами;

1-кожухи; 2 -трубы; 3 -линзовый компенсатор; 4-плавающая головка; I и II — теплоносители Очень важным является скорость движения теплоносителя. При увеличении скорости возрастает интенсивность теплообмена, но и увеличивается гидравлическое сопротивление. Оптимальный режим работы соответствует развитому турбулентному режиму (т.е. скорость? 0,1−2 м/с для жидкости).

Двухтрубные теплообменники (типа «труба в трубе»). Эти теплообменники представляют собой батарею из элементов, каждый из которых состоит из внешней и внутренней трубы (рис.).

Теплообмен осуществляется через стенку внутренней трубы. В данном виде теплообменника достигается высокая скорость теплоносителей и высокая интенсивность теплообмена. Но они громоздки и металлоемки.

Змеевиковые теплообменники — в них теплообменный элементзмеевик, — это труба, согнутая каким-либо образом помещается в жидкость, другая жидкость движется внутри трубки. Недостаток: имеет большое гидравлическое сопротивление, трудность очистки.

Спиральные теплообменники — компактны, но сложны в изготовлении.

Оросительные теплообменники — просты, но громоздки, б невысоки.

Пластинчатые — поверхность образуется гофрированными параллельными пластинами.

Оребренные теплообменники — применение оребрения позволяет увеличить тепловые нагрузки аппарата.

Для повышения скорости движения в межтрубном пространстве аппарата без применения сегментных перегородок, которые затрудняют очистку аппарата, используют элементные теплообменники. Каждый элемент — это простейший кожухотрубчатый теплообменник. Элементные теплообменники допускают значительный избыток давления в межтрубном пространстве. Но громоздки и дороги.

Выбирая теплообменник, нужно учитывать ряд требований (тепловую нагрузку аппарата, температуры, давление, агрегатное состояние теплоносителей, физико-химические свойства теплоносителей, агрессивность, возможность загрязнения и т. д.), а также простоту, компактность, металлоемкость и другие технико-экономические показатели. Обычно ни одна из конструкций не в состоянии удовлетворить всем требованиям.

В одноходовых теплообменниках — можно получать достаточно высокие скорости в трубах только при высоких объемных расходах среды. Поэтому эти аппараты используются, когда интенсивность теплообмена определяется величиной коэффициента теплоотдачи б в межтрубном пространстве.

Многоходовые теплообменники применяются главным образом в качестве нагревателей жидкости (от пара) и конденсаторов, поскольку здесь смешанный ток не приводит к уменьшению Дt_{ср по сравнению с противотоком.}

Расчет кожухотрубчатых теплообменников (алгоритм).

• 1. Расчет тепловой нагрузки из уравнения теплового баланса.
• 2. Расчет средней разности температур и средних температур сред.
• 3. Расчет расхода второго теплоносителя.
• 4. Определение числа труб n по заданному Re~10 000 из условия

Первый подбор теплообменника по n и ориентировочному значению F (по табличному К).

• 5. Уточнение Re и расчет б при tсред.
• 6. Расчет К по рассчитанным б.
• 7. Уточнение Re, F и выбор теплообменника.
• 8. Расчет б при температуре стенки методом последовательных приближений.
• 10. Расчет F по точному К и выбор теплообменника.