трубчасті теплообмінники
Кожухотрубчасті теплообмінники. Ці теплообмінники відносяться до числа найбільш часто вживаних поверхневих теплообмінників. На рис. XII-5, а показаний кожухотрубчасті теплообмінник жорсткої конструкції, який складається з корпусу, або кожуха 1, і приварених до нього трубних решіток 2. У трубних решітках закріплений пучок труб 3. До трубним грат кріпляться (на прокладках і болтах) кришки 4.
У Кожухотрубчасті теплообмін-ніку одна з обмінюються теплом середовищ I рухається всередині труб (в трубному просторі), а інша II - в міжтрубному просторі.
Середовища зазвичай направляють проти-вотока один до одного. При цьому на-Гревал середу направляють знизу вгору, а середу, що віддає тепло, - в протилежному напрямку. Такий напрям руху кожної середовища збігається з напрямком, в якому прагне рухатися дан-ва середовищі під впливом зміни її щільності при нагріванні або охолодженні.
Крім того, при зазначених право-тичних руху середовищ досягається більш рівномірний розподіл швидкостей і ідентичні умови тепло-обміну по площі поперечного перерізу апарату. В іншому випадку, наприклад при подачі холоднішою (нагрівається) середовища зверху тепло-обмінника, більш нагріта частина рідини, як легша, може Скапа-Ліван у верхній частині апарату, утворюючи «застійні» зони.
Труби в решітках зазвичай рівномірно розміщують по периметрах правильних шести-кутників, тобто по вершинах рівносторонніх трикутників (рис. XII-6, а), рідше при-міняють розміщення труб по концентричних колах (рис. XII-6, б). В окремих випадках, коли необхідно забезпечити зручну очищення зовнішньої поверхні труб, їх розміщують по периметрах прямокутників (рис. XII-6, в). Всі зазначені способи раз-ня труб переслідують одну мету - забезпечити максимально компактне розміщення необхідної поверхні теплообміну усередині апарату. У більшості випадків наиболь-Шая компактність досягається при розміщенні труб по периметрах правильних шестикутників.
Труби закріплюють в гратах найчастіше розвальцюванням (pіc. XII-7, а, б), причому особливо міцне з'єднання (необхідне в разі роботи апарату при підвищеному тиску) досягається при влаштуванні в трубних решітках отворів з кільцевими канав-ками, які заповнюються металом труби в процесі її розвальцьовування (рис. XII-7, б). Крім того, використовують закріплення труб зварюванням (рис. XII-7, в), якщо матеріал труби не піддається витяжці і допустимо жорстке з'єднання труб з трубною решіткою, а також паянням (рис. XII-7, г), що застосовується для соеди-вати головним чином мідних і латунних труб.
Зрідка використовують з'єднання труб з решіткою за допомогою сальників (рис. XII-7, д), що допускають вільне поздовжнє переміщення труб і можливість їх швидкої заміни. Таке з'єднання дозволяє значно зменшити температурну деформацію труб, але є складним, дорогим і недостатньо надійним.
Теплообмінник, який ви бачите на рис. XII-8, а, є одноходовой. При порівняно невеликих витратах рідини швидкість її руху-ня в трубах таких теплообмінників низькі і, отже, коефіцієнти тепловіддачі невеликі. Для збільшення останніх при даній поверхні теп-лообмена можна зменшити діаметр труб, відповідно збільшивши їх ви-соту (довжину). Однак теплообмінники невеликого діаметру і значної висоти незручні для монтажу, вимагають високих приміщень і підвищеного рас-ходу металу на виготовлення деталей, які не беруть участі безпосередньо в теп-лообмене (кожух апарату). Тому більш раціонально збільшувати ско-кість теплообміну шляхом застосування багатоходових теплообмінників.
У багатоходову теплообміннику (рис, XII-8, б) корпус 1, трубні решітки 2, укріплені в них труби 3 і кришки 4 ідентичні зображеним на рис. XII-8, а. За допомогою поперечних перегородок 5, встановлених в кришках теплообмінника, труби розділені на секції, або ходи, по яких послідовно рухається рідина, що протікає в трубному просторі теплообмінника, Зазвичай розбивку на ходи виробляють таким чином, щоб у всіх секціях знаходилося приблизно одина-ковое число труб .
Внаслідок меншої площі сумарного поперечного перерізу труб, розміщених в одній секції, в порівнянні з поперечним перерізом всього пучка труб швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника зростає (по відношенню до швидкості в одноходовой теплообмінник) в число раз, дорівнює кількості ходів. Так, в чотирьохходові теплообміннику (рис. XII-8, б) швидкість в трубах при інших рав-них умовах в чотири рази більше, ніж в одноходовой. Для збільшення швидкості і подовження шляху руху середовища в міжтрубному просторі (рис. XII-8, б) служать сегментні перегородки. У горизонтальних теплообменниках ці перегородки є одночасно проміжний-ними опорами для пучка труб.
Підвищення інтенсивності теплообміну в багатоходових теплообмінних-ках супроводжується зростанням гідравлічного опору і усло-жненіем конструкції теплообмінника. Це диктує вибір економічно доцільною швидкості, яка визначається числом ходів теплообмінника, яке зазвичай не перевищує 5-6. Багатоходові теплообмінники рабо-тануть за принципом змішаного струму, що, як відомо, призводить до деякого зниження рушійної сили теплопередачі в порівнянні з чисто протитечійним рухом беруть участь в теплообміні середовищ.
У одноходових і особливо в багатоходових теплообмінниках тепло-обмін може погіршуватися внаслідок виділення розчинених в рідині (або парі) повітря і інших газів,. Для їх періоді-чеського видалення у верхній частині кожуха теплообмінників встанов-вают продувальні краники.
Одноходові і багатоходові теплообмінники можуть бути вертикаль-ними або горизонтальними. Вертикальні теплообмінники більш прості в експлуатації і займають меншу виробничу площу. Гори-зонтальним теплообмінники виготовляються зазвичай багатоходовими і працюють при великих швидкостях беруть участь в теплообміні середовищ для того, щоб звести до мінімуму розшарування рідин внаслідок різниці їх температур і щільності, а також усунути утворення застій-них зон.
Якщо середня різниця температур труб і кожуха в теплообмінниках жорсткої конструкції, тобто з нерухомими, привареними до корпусу трубними решітками, стає значною (приблизно рівною або більшою 50 ° С), то труби і кожух подовжуються неоднаково. Це викликає значні напруги в трубних решітках, може порушити щільність з'єднання труб з гратами, привести до руйнування зварних швів, неприпустимого змішання обмінюються теплом середовищ. Тому при різницях температур труб і кожуха, великих 50 ° С, або при значи-тельной довжині труб застосовують кожухотрубчасті теплообмінники НЕ-жорсткої конструкції, що допускає деяке переміщення труб відно-сительно кожуха апарату.
Для зменшення температурних деформацій, обумовлених великою різницею температур труб і кожуха, значною довжиною труб, а також розрізняємо матеріалу труб і кожуха, використовують кожухотрубчасті теплообмінники з лінзовим компенсатором (рис. XII-8, а), у яких на корпусі є лінзовий компенсатор 1, піддається пружною деформації. Така конструкція відрізняється простотою, але примі-нима при невеликих надлишкових тисках в міжтрубному просторі, зазвичай не перевищують 6 × 10 5 н.м.д.г. / м 2 (6 am).
При необхідності забезпечення великих переміщень труб і кожуха використовують теплообмінник з плаваючою головкою (рис. XII-8, б). Нижня трубна решітка 2 є рухомий, що дозволяє всьому пучку труб вільно переміщатися незалежно від корпусу апарата. Цим запобігають небезпечна температурна деформація труб і порушення щільності їх з'єднання з трубними решітками. Однак компенсація температурних подовжень досягається в даному слу-чаї за рахунок ускладнення і обважнення конструкції теплообмінника. У кожухотрубчасті теплообмінник з U-образні тру-бами (рис. XII-8, в) самі труби 3 виконують функцію компенсую-чих пристроїв. При цьому спрощується і полегшується конструкція аппа-рата, що має лише одну нерухому трубну решітку. Зовнішня поверхня труб може бути легко очищена при виїмці всій трубчатки з корпусу апарату. Крім того, в теплообмінниках такої конструкції, які є дво- або багатоходовими, досягається досить інтенсив-ний теплообмін. Недоліки теплообмінників з U-подібними трубами: труднощі очищення внутрішньої поверхні труб, складність розміщення великої кількості труб в трубній ре-щітка.
У хімічній промисловості застосовуються також теплообмінники з подвійними трубами (рис. XII-9). З одного боку апарату розміщені дві трубні решітки, при-ніж в решітці 1 закріплений пучок труб 2 меншого діаметру, відкритих з обох кінців, а в решітці 3 - труби 4 біль-шого діаметра з закритими лівими кінцями, встановлені концентр-но щодо труб 2 . з-поміж I рухається по кільцевим простий-ранство між трубами 2 і 4 і виводиться з межтрубного простору-ства теплообмінника по трубах 2. Друге середовище II рухається зверху вниз по міжтрубному просторі корпусу теплообмінника, омиваючи труби 4 зовні. У теплообмінниках такої конструкції труби можуть подовжуватися під дією температури незалежно від корпусу теплообмінника.
Елементні теплообмінники. Для підвищення швидкості руху середовища в міжтрубному просторі без застосування перегородок, ускладнюють-щих очищення апарату, використовують елементні теплооб-меннікі. Кожен елемент такого теплообмінника є простим кожухотрубчасті теплообмінник. Нагрівається і охоло-даємо середовища послідовно проходять через окремі елементи, що складаються з пучка труб в кожусі невеликого діаметру. Теплообмінник, що складається з таких елементів (ходів), допускає значні надлишкові тиску в міжтрубному просторі; його можна розглядати як моди-сифікацію багатоходового кожухотрубчасті теплообмінника.
В елементних теплообменниках взаємне рух середовищ наближається до ефективної схемою чистого противотока. Однак внаслідок розділі-ня загальної поверхні теплообміну на окремі елементи конструкція стає більш громіздкою і вартість теплообмінника зростає.
Двухтрубчатие теплообмінники. Теплообмінники цієї конструкції, звані також теплообмінниками типу «труба в трубі», складаються з декількох послідовно з'єднаних трубчастих елементів, образо-ванних двома концентрично розташованими трубами (рис. XII-9). Один теплоносій рухається по внутрішнім трубам 1, а інший - по кільцевому зазору між внутрішніми 1 і зовнішніми 2 трубами. Вну-тертя труби (зазвичай діаметром 57-108 мм) з'єднуються калачами 3, а зовнішні труби, які мають діаметр 76-159 мм. - па-трубками 4.
Завдяки невеликим по-перцевим перетинах трубного і міжтрубному простору в двухтрубчатих теплообмін-никах навіть при невеликих витратах досягаються до-вільно високі Швидкості рідини, рівні зазвичай 1-1.5 м / сек. Це дозволяє отримувати більш високі коефіцієнти теплопередачі і досягати більш високих теплових навантажень на одиницю маси апарату, ніж в кoжухотрубчатих теплообмінниках. Крім того, зі збільшенням швидкостей теплоносіїв зменшується мож-ливість відкладення забруднень на поверхні теплообміну.
Разом з тим ці теплообмінники більш громіздкі, ніж кожухотрубчасті, і вимагають більшої витрати металу на одиницю поверхні тепло-обміну, яка в апаратах такого типу утворюється тільки внутрішніми трубами.
Двухтрубчатие теплообмінники можуть ефективно працювати прі не-великих витратах теплоносіїв, а також при високому тиску. Якщо потрібна велика поверхня теплообміну, то ці апарати виконують з декількох паралельних секцій.