Трубчатые теплообменники
Кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. На рис. УШ-П, а показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 3.
К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4.
В кожухотрубчатом теплообмен- нике одна из обменивающихся теп- лом сред I движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая II — в межтрубном пространстве.
Среды обычно направляют проти- вотоком друг к другу. При этом на- греваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, — в противоположном направлении.
Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться дан- ная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или охлаждении.
Кроме того, при указанных напра- влениях движения сред достигается
более равномерное распределение скоростей и идентичные условия тепло- обмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху тепло- обменника, более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скап- ливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные» зоны.
Трубы в решетках обычно равномерно размещают по периметрам правильных шестиугольников, т. е. по вершинам равносторо1 них треугольников (рис. УШ-12, а), реже применяют размещение труб по концентрическ ш окружностям (рис. УШ-12, б). В отдельных
Рис. VII1-11. Кожухотрубчатые одноходовой (а) и многоходовой (б) теплообменники:
1 — корпус (обечайка); 2 — трубные решетки; 3 — трубы; 4 — крышки; 5 — перегородки в крышках; 6 — перегородки в межтрубном пространстве.
328 Гл. VIII. Нагревание, охлаждение и конденсация случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рис. УІІІ-12, Рис. VIІІ-12. Способы размещения труб в теплообменниках: а — по периметрам правильных шестиугольников; б — по концентрическим окружностям; в — по периметрам прямоугольников (коридорное расположение). Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой (рис. УШ-13, пайкой (рис. УПЫЗ, нения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соединения труб с решет- кой посредством сальников (рис. VIII-13, 3), допускающих свободное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб (см. ниже), ио является сложным, дорогим и недостаточно надежным. Сварочный шоВ г Припой 'А Теплообменник, изображенный на- рис. УШ-11, а, является однохо- довым. При сравнительно небольших расходах жидкости скорость ее движе- ния в трубах таких теплообменников низка и, следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной поверхности теп- лообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно увеличив их вы- соту (длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и значительной высоты неудобны для монтажа, требуют высоких помещений и повышенного рас- хода металла иа изготовление деталей, не участвующих непосредственно в теп- лообмене (кожух аппарата). Поэтому более рационально увеличивать ско- рость теплообмена путем применения многоходовых теплообменников. В многоходовом теплообменнике (рис. УШ-11, б) корпус 1, грубные решетки 2, укрепленные в них трубы,? и крышки 4 идентичны изображенным на рис. УШ-11, а. С помощью поперечных перегородок 5, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы, по которым последовательнс движется жидкость, протекающая в трубном пространстве'теплообменник 1, Обычно разбивку на ходы произ Рис. УШ-13. Закрепление труб в трубных решетках: а — развальцовкой; 6 — развальцовкой с канавками; в — сваркой; г — пайкой; дв). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель — обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении труб по периметрам правильных шестиугольников.а, б), причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канав- ками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки (рис. УПЫЗ, б). Кроме того, используют закрепление труб сваркой (рис. УПЫЗ, в), если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубиой решеткой, а такжег), применяемой для соеди- — Сальниковыми устройствами.
//. Трубчатые теплообменники 329 водят таким образом, чтобы во всех секциях находилось примерно одинаковое число труб. Вследствие меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, размещенных в одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастает (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов. Так, в четырехходовом теплообменнике (рис. УШ-Н, б) скорость в трубах при прочих равных условиях в четыре разз больше, чем в одноходовом. Для увеличения скорости и удлинения пути движения среды в межтрубном пространстве (рис. УШ-11,6) служат сегментные перегородки 6. В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для пучка труб. ✓ Повышение интенсивности теплообмена в многоходовых теплообменниках сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления и усложнением конструкции теплообменника. Это диктует выбор экономически целесообразной скорости, определяемой числом ходов теплообменника, которое обычно не превышает 5—6. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тока, что, как известно, приводит к некоторому снижению движущей силы теплопередачи по сравнению с чисто противоточным движением участвующих в теплообмене сред. В одноходовых и особенно в многоходовых теплообменниках теплообмен может ухудшаться вследствие выделения растворенных в жидкости (или паре) воздуха и других неконденсирующихся газов. Для их периодического удаления в верхней части кожуха теплообменников устанавливают продувочные краники. Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают, меньшую производственную площадь. Горизонтальные теплообменники изготавливаются обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон. Если средняя разность температур труб и кожуха в теплообменниках жесткой конструкции, т. е. с-неподвижными, приваренными к корпусу трубными решетками, становится значительной (приблизительно равной или большей 50° С), то трубы и кожух удлиняются неодинаково. Это вызывает значительные напряжения в трубных решетках, может нарушить плотность соединения труб с решетками, привести к разрушению сварных швов, недопустимому смешению обменивающихся теплом сред. Поэтому при разностях температур труб и кожуха^ больших 50° С, или при значительной длине труб применяют кожухотрубчатые теплообменники нежесткой конструкции, допускающей некоторое перемещение труб относительно кожуха аппарата. Для уменьшения температурных деформаций, обусловленных большой разностью температур труб и кожуха, значительной длиной труб, а также различием материала труб и кожуха, используют кожухотрубчатые теплообменники с линзовым компенсатором (рис. УП-14, а), у которых на корпусе имеется линзовый компенсатор 1, подвергающийся упругой деформации. Такая конструкция отличается простотой, но применима при небольших избыточных давлениях в межтрубном пространстве, обычно не превышающих 6-105 н/м2 (6 ат). При необходимости обеспечения больших перемещений труб и кожуха используют теплообменник с плавающей головкой (рис. УШ-14, б). Нижняя трубная решетка 2 является подвижной, что позволяет всему пучку труб свободно перемещаться независимо от корпуса аппарата. Этим предотвращаются опасная температурная деформация
330 Гл. VIII. Нагревание, охлаждение и конденсация труб и нарушение плотности их соединения с трубными решетками. Однако компенсация температурных удлинений достигается в данном случае за счет усложнения и утяжеления конструкции теплообменника. В кожухотрубчатом теплообменнике с ЦГ-о бразными трубами (рис. УШ-14, в) сами трубы 3 выполняют функцию компенсирующих устройств. При этом упрощается и облегчается конструкция аппарата, имеющего лишь одну неподвижную трубную решетку. Наружная I' -V 1\ к —Г г- -г— а 6 в Рис. УШ-14. Кожухотрубчатые теплообменники с компен- сирующими устройствами: а — с линзовым компенсатором; 6 — с плавающей головкой; в — с и-образными трубками; 1 — компенсатор; 2 — подвижная труб- ная решетка; 3 и-образыые трубы. поверхность труб может быть легко очищена при выемке всей трубчатки из корпуса аппарата. Кроме того, в теплообменниках такой конструкции, являющихся двух- или многоходовыми, достигается довольно интенсив- ный теплообмен. Недостатки теплообменников с и-образными трубами: трудность очистки внутренней поверхности труб, сложность размещения большого числа труЪ в трубной ре- шетке. Стальные кожухотрубчатые тепло- обменники стандартизованы по ГОСТ 9929—67 и ГОСТ 15118—69. . В химической промышленности применяются также теплообменники с двойными трубами (рис. УШ-15). С одной стороны аппарата размещены две трубные решетки, при- чем в решетке 1 закреплен пучок труб 2 меньшего диаметра, открытых с обоих концов, а в решетке 3 — трубы 4 боль- шего диаметра с закрытыми левыми концами, установленные концентри- чески относительно труб 2. Среда / движется по кольцевым прост- ранствам между трубами 2 и 4 и выводится из межтрубного простран- ства теплообменника по трубам 2. Другая среда II движется сверху вниз по межтрубному пространству корпуса теплообменника, омывая трубы 4 снаружи. В теплообменниках такой конструкции трубы могут удлиняться под действием температуры независимо от корпуса теплообменника. Элементные теплообменники. Для повышения скорости движения среды в межтрубном пространстве без применения перегородок, затрудняющих очистку аппарата, используют элементные теплообменники. Каждый элемент такого теплообменника представляет собоц простейший кожухотрубчатый теплообменник. Нагреваемая и охлаждаемая среды последовательно проходят через отдельные элементы, со Рис. VIП-15. Кожухотрубчатый теп- лообменник с двойными трубами: 1,3 — трубная решетка; 2 — внутренние трубы; 4 — наружные трубы.
12. Змеевиковые теплообменники 331 стоящие из пучка труб в кожухе небольшого диаметра. Теплообменник, состоящий из таких элементов (ходов), допускает значительные избыточные давления в межтрубном пространстве; его можно рассматривать как моди- фикацию многоходового кожухотрубчатого теплообменника. В элементных теплообменниках взаимное движение сред приближается к эффективной схеме чистого противотока. Однако вследствие разделе- ния общей поверхности теплообмена на отдельные элементы конструкция становится более громоздкой и стоимость теплообменника возрастает. Двухтрубчатые теплообменники. Теплообменники этой конструкции, называемые также теплообменниками типа «труба в трубе», состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образо- ванных двумя концентрически расположенными трубами (рис. У1П-16). Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, а другой — по кольцевому зазору между внутренними 1 й наружными 2 трубами. Вну- тренние трубы (обычно диаметром 57—108 мм) соединяются калачами 3, а наружные трубы, имеющие диаметр 76—159 мм, — па- трубками 4. Благодаря небольшим по- перечным сечениям трубного и межтрубного пространства в двухтрубчатых теплообмен- никах даже при небольших расходах достигаются до- вольно высокие скорости жидкости, равные обычно 1—1,5 м/сек. Это позволяет получать более высокие коэф- фициенты теплопередачи и достигать более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата, чем в кежухотрубчатых теплообменниках. Кроме того, с увеличением скоростей теплоносителей уменьшается воз- можность отложения загрязнений на поверхности теплообмена. Вместе с тем эти теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена, которая в аппаратах такого типа образуется только внутренними трубами. Двухтрубчатые теплообменники могут эффективно работать при небольших расходах теплоносителей, а также при высоких давлениях. Если требуется большая поверхность теплообмена, то эти аппараты выполняют из нескольких параллельных секций.