Общие сведения о теплообменниках. 
Кожухотрубчатые аппараты

Теплообменными аппаратами, теплообменниками, называются аппараты для передачи тепла от более нагретого теплоносителя к другому менее нагретому. Теплообменники как самостоятельные агрегаты или части других аппаратов и устройств широко применяются на химических заводах, потому что проведение технологических процессов в большинстве случаев сопровождается выделением или поглощением тепла.

Для осуществления длительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке среды, загрязненной или выделяющей отложения на стенках аппарата, необходимо производить периодические осмотры и очистку поверхностей.

Аппараты должны обладать достаточной прочностью и иметь возможно малые габаритные размеры. При конструировании необходимо находить оптимальные решения, учитывающие требования обеспечения возможности разборки рабочей части аппарата и герметичности системы каналов, возможно высоких коэффициентов теплопередачи за счет повышения скорости движения рабочей среды при минимальных гидравлических потерях в аппарате.

В химических производствах до 70% теплообменных аппаратов применяют для сред жидкость — жидкость и пар — жидкость при давлении до 1 МПа и температуре до 200 °C. Для указанных условий разработаны и серийно изготовлены теплообменные аппараты общего назначения кожухотрубчатого и спирального типов. В последнее время получают распространение пластинчатые теплообменные аппараты общего назначения. Одним из преимуществ трубчатых теплообменных аппаратов является простота конструкции. Однако коэффициент унификации узлов и деталей размерного ряда этих аппаратов, являющийся отношением числа узлов и деталей (размеры одинаковы для всего ряда) к общему числу узлов и деталей данного размерного ряда, составляет примерно 0,13. В то же время этот коэффициент применительно к пластинчатым теплообменным аппаратам составляет 0,9. Удельная металлоемкость кожухотрубчатых аппаратов в 2 — 3 раза больше металлоемкости новых пластинчатых аппаратов.

Режим работы теплообменного аппарата и скорость движения теплоносителей необходимо выбирать таким образом, чтобы отложение загрязнений на стенках происходило возможно медленнее. Например, если охлаждающая вода отводится при температуре 45 — 50^oС, то на стенках теплообменного аппарата интенсивно осаждаются растворенные в воде соли.

При конструировании следует обоснованно решать вопрос о направлении теплоносителей в трубное или межтрубное пространство. Например, теплоносители, загрязненные и находящиеся под давлением, обычно направляют в трубное пространство. Насыщенный пар лучше всего подавать в межтрубное пространство, из которого легче удалить конденсат. Чистка трубного пространства (в котором вероятнее всего будут выпадать загрязнения) легче, а живое сечение для прохода теплоносителя меньше. Вследствие этого в трубном пространстве можно обеспечить теплоносителю более высокие скорости и, следовательно, более высокие коэффициенты теплоотдачи.

Аппараты теплообменные кожухотрубчатые Они достаточно просты в изготовлении, отличаются возможностью развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате, надежны в работе. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве, применяемые в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, обозначаются индексами и классифицируются:

• * по назначению (первая буква индекса): Т — теплообменники; Х — холодильники; К — конденсаторы; И — испарители;
• * по конструкции (вторая буква индекса) — Н — с неподвижными трубными решетками; К — с температурным компенсатором на кожухе; П — с плавающей головкой; У — с U-образными трубами; ПК — с плавающей головкой и компенсатором на ней;
• * по расположению (третья буква индекса): Г — горизонтальные; В — вертикальные.

Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники — для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожарои невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырехи шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников — также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали. Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рис. 2.1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5, Кожух и камеры соединены фланцами.

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой — в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха.

Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырехи шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.

При малом расходе теплоносителя, подаваемого в трубное пространство, в крышках устанавливают перегородки 1 при этом теплоноситель проходит сначала по одной части труб потом по другой. Изготавливаются также двух и шести ходовые кожухотрубчатые теплообменники.

С целью увеличения коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве теплообменные трубы делают с ребрами на наружной поверхности. Теплообменные трубки изготавливают также витыми, что увеличивает турбулентность потока.

Кожухотрубчатые теплообменники изготовляют с площадью теплообмена от 1 м² до 5000 м², с диаметром кожуха от 159 мм до 3000 мм, с длиной труб от 1000 мм до 9000 мм и диаметром теплообменных трубок 20×2 мм или 25×2 мм.

Основные преимущества кожухотрубчатых аппаратов: универсальность по назначению (холодильники, подогреватели жидкости или газа, а также конденсаторы и кипятильники); простота конструкции; надежность; широкий диапазон давлений и температур рабочих сред.

Недостатком кожухотрубчатых теплообменников является низкий коэффициент унификации (отношение числа узлов и деталей, одинаковых для всего размерного ряда, к общему числу узлов и деталей в аппарате), который составляет всего 0.13. Поэтому кожухотрубчатые теплообменники мало технологичны в условиях производства широкого ряда типоразмеров.

Оросительные теплообменники состоят из нескольких рядов труб, расположенных одна над другой, по наружной поверхности которых тонкой пленкой стекает охлаждающая их вода (рис. 2.2). Трубы 2, через которые прокачивается охлаждаемая рабочая среда, соединены коленами 3. Для распределения орошающей воды над верхней трубой установлен желобковый или трубчатый ороситель 1. В трубчатых оросителях вода вытекает многочисленными струями через отверстия трубы, в желобковых — через прорези в верхней кромке желоба. При большом числе труб в ряду или большом расстоянии между трубами оросители можно устанавливать и между рядами труб. Внизу теплообменника расположен поддон 4 для сбора воды.

Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется: при этом процесс теплообмена едёт интенсивнее, в следствии чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках других типов, Но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении оросительные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. По этой же причине, если оросительный теплообменник необходимо установить в помещении, его приходится помещать в громоздкие кожухи, которые подключают к системе вытяжной вентиляции. К недостаткам этих теплообменников следует отнести также громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, лёгкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.

В химической промышленности подобные теплообменники используют для охлаждения химически агрессивных сред, например серной кислоты, поскольку они просты в изготовлении и могут быть выполнены из коррозионно-стойкого дешевого материала, плохо поддающегося обработке, например из кислотоупорного ферросилида.

Теплообменные аппараты «труба в трубе» используют главным образом для охлаждения или нагревания в системе жидкость — жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния. Иногда такие теплообменники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др.

Двухтрубные теплообменники по ГОСТ 9930–78 изготавливаются с площадью поверхности теплообмена от 0.5 до 93 м. Аппараты представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из концентрически расположенных труб.

Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена Двухтрубные теплообменники применяют для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соответственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров).