logo
КАСАТКИН

16. Теплообменные устройства реакционных аппаратов

Для обогрева и охлаждения реакционных и других аппаратов разно­образных конструкций применяют различные устройства, в которых поверхность теплообмена образуется стенками самого аппарата.

К числу устройств, использующих в качестве теплообменного эле­мента стенки аппарата, относятся рубашки (рис. У1П-25)/К фланцу корпуса аппарата 1 крепится на прокладке и болтах рубашка 2. В неко­торых случаях рубашку приваривают к стенкам аппарата, но при этом затрудняются ее очистка и ремонт. В пространстве между рубашкой и 'внешней поверхностью стенок аппарата движется теплоноситель. На рис. VIП-25, а показан обогрев аппарата через рубашку паром, который, при диаметре аппарата более 1 м, вводят, для повышения равномерности обогрева, с двух сторон через штуцера 3, а конденсат удаляется через штуцер 4.

Поверхность теплообмена рубашек ограничена площадью стенрк и днища аппарата и обычно не превышает 10 м2. Давление теплоносителя в рубашке равно не более 6—10 ат, поскольку при больших давлениях чрезмерно утолщаются стенки аппарата и рубашки.

Для давлений вплоть до 73,6-105 н/м2 (75 ат) применимы рубашки с анкерными связями (рис. УШ-25, б). Эти рубашки имеют выштампованные в шахматном порядке круглые отверстия, и по внутренней кромке отверстий стенка рубашки 2 приварена к на­ружной стенке аппарата. Рубашки такой конструкции обладают не только повышенной механической прочностью, но и обеспечивают более высокие скорости движения тепло­носителя в полостях между анкерными связями, а следовательно,, и большие коэффициенты теплоотдачи.

336

Гл. VIII. Нагревание, охлаждение и конденсация

Нагревание или охлаждение при повышенных давлениях теплоносителя (до 58,4-105 н/м2 или 60 ат) может быть осуществлено также с помощью змеевиков, приваренных к наружной стенке аппарата в изготовленных из полуцилиндров — разрезанных по образующей труб (рис. VIП-26, а)

или угловой стали (рис. УШ-26, б).

*3

7

г,

'ч

и

1

Рис. VII1-25. Аппарат с рубашкой:

а — аппарат с паровой рубашкой: б — рубашка с анкерными связями (деталь); 1 — корпус аппа­рата; 2 — рубашка; 3 — штуцера для ввода пара; 4 — штуцер для отвода конденсата.

Рис. VIII-26. Варианты исполнения змеевиков:

а — из разрезанных по образующей (поло­винок) труб; б — из угловой стали; в — из труб, приваренных многослойным швом; г — из тр'уб, залитых в стенки аппаратов.

Для более высоких давлений, достигающих 246-105 н/л2 (250 ат), например в системах обогрева перегретой водой, к наружной стенке ап- парата многослойным швом приваривают змеевики (рис. уШ-26, в).

Эти устройства вытесняют применявшиеся ранее для такого же диапазона давлений стальные змеевики, залитые в чугунные стенки аппарата (рис. VII1-26, г) при его отливке.

При заливке змеевиков получают относи- тельно низкие коэффициенты теплопередачи, так как вследствие различия коэффициентов объемного расширения стали и чугуна воз- можно образование местных воздушных за- зоров между змеевиком и стенкой аппарата, что приводит к возрастанию термического сопротивления. Кроме того, изготовление такой системы сложно, а ремонт змеевиков практически невозможен.

17. Теплообменники других типов

Блочные теплообменники. Для процессов теплообмена, протекающих в химически агрессивных средах, в ряде случаев исполь- зуют теплообменники из неметаллических материалов. Обычно такие материалы (стекло, керамика, тефлон и др.) обладают более низ- кой, чем у металлов, теплопроводностью. Исключение составляет графит, который для устранения пористости предварительно про-

питывают феноло-формальдегидными смолами. Пропитанный графит яв- ляется химически стойким материалом в весьма агрессивных средах (например, в горячей соляной, разбавленной серной, фосфорной кислоте

Рис. VIII-27. Блочный теплооб­менник из графита:

/ — графитовые блоки; 2 — верти­кальные круглые каналы; 3 — го­ризонтальные круглые каналы; 4 — боковые переточные камеры; 5 — торцовые крышки.

18. Сравнительная характеристика теплообменных аппаратов

337

и др.) и отличается высокими коэффициентами теплопроводности, равными 92— 116 вт/(м • град), или 70 — 90 ккал!(м-ч-град).

Типичными теплообменными аппаратами из графита являются блоч­ные теплообменники (рис. VIП-27), состоящие из отдельных графитовых блоков 1, имеющих сквозные вертикальные каналы 2 круглого сечения и перпендикулярные им каналы 3. Теплоноситель / движется по вертикаль­ным каналам, а теплоноситель II — по горизонтальным каналам 3, проходя последовательно все блоки, как показано на рис. У1П-27. Гори­зонтальные каналы различных блоков сообщаются друг с другом через боковые переточные камеры 4. Графитовые блоки уплотн'яются между собой прокладками из резины или тефлона и стягиваются торцовыми крыш­ками 5 на болтах.

Кроме прямоугольных блоков применяют также цилиндрические блоки, в которых горизонтальные каналы располагаются радиально.

Рис. VII1-28. Шнековый теплообменник:

1 — корпус; 2 — рубашка; 3,4 — полые шнеки; 5 — сальники полых

валов.

Рабочее давление в блочных теплообменниках не превышает 2,9 х X Ю5 н/м2 (3 ат) .

Шнековые теплообменники. При тепловой обработке высоковязких жидкостей и сыпучих материалов, обладающих низкой теплопроводно­стью, теплоотдача может быть интенсифицирована путем непрерывного обновления поверхности материала, соприкасающегося со стенками ап­парата. Это достигается при механическом перемешивании и одновременном перемещении материала с помощью шнеков (рис. VIП-28). Материал поступает у одного конца корпуса 1 с рубашкой 2 и перемешивается вращающимися навстречу друг другу шнеками 3 и 4, которые транспорти­руют его к противоположному, разгрузочному концу корпуса. Иногда для увеличения поверхности теплообмена шнеки изготавливают полыми и в них через полые валы, снабженные сальниками 5, теплоноситель подается в полые витки шнеков.

  1. Сравнительная характеристика теплообменных аппаратов

Конструкция теплообменника должна удовлетворять ряду требований, зависящих от конкретных условий протекания процесса теплообмена (тепловая нагрузка аппарата, температура и давление, при которых осу­ществляется процесс, агрегатное состояние и физико-химические свой­ства теплоносителей, их химическая агрессивность, условия теплоотдачи, возможность загрязнения рабочих поверхностей аппарата и др.). При выборе теплообменника необходимо учитывать также простоту устройства и компактность аппарата, расход металла на единицу переданного тепла и другие технико-экономические показатели. Обычно ни одна из конструк­

338

Гл. VIII. Нагревание, охлаждение и конденсация

ций не удовлетворяет полностью всем требованиям и приходится ограни­чиваться выбором наибблее подходящей конструкции.

В одноходовых кожухотрубчатых теплообменниках суммарное попе­речное сечение труб относительно велико, что позволяет получать доста­точно высокие скорости в трубах только при больших объемных расходах движущейся в них среды. Поэтому такие аппараты рационально исполь­зовать, когда скорость процесса определяется величиной коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве, а также в процессе испарения жидкостей.

Многоходовые (по трубному пространству) кожухотрубчатые теплооб­менники применяются главным образом в качестве паровых подогрева­телей жидкостей и конденсаторов. Именно в этих случаях взаимное на­правление движения теплоносителей в многоходовых теплообменниках (смешанный ток) не приводит к снижению средней движущей силы сравни­тельно с противотоком, по принципу которого работают одноходовые теплообменники. Многоходовые теплообменники целесообразно исполь­зовать также для процессов теплообмена в системах жидкость—жидкость и газ—газ при больших тепловых нагрузках. Если же требуемая поверх­ность теплообмена невелика, то для указанных систем более пригодны элементные теплообменники. Особое значение имеют трубчатые тепло­обменники нежесткой конструкции (в том числе многоходовые) в тех слу­чаях, когда разность температур теплоносителей значительна и необходима компенсация неодинакового теплового расширения труб и корпуса аппа­рата. Однако эти аппараты дороже теплообменников жесткой конструкции.

Теплообменники с двойными трубами применяются в основном в кон- тактно-каталитических и реакционных процессах, протекающих |при высоких температурах, когда необходимо надежно обеспечить свободное удлинение всех труб, не считаясь с удорожанием аппарата и более труд­ным его монтажом.

Змеевиковые теплообменники (погружные, оросительные, змеевики, приваренные к наружным стенкам аппаратов) наиболее эффективно ис­пользуют для охлаждения и нагрева сильно агрессивных сред, когда не­обходимо применение химически стойких материалов, из которых затруд­нительно или невозможно изготовить трубчатые теплообменники. Кроме того, эти аппараты пригодны для процессов теплообмена, протекающих под высоким давлением. Однако аппараты таких конструкций работают лишь, при умеренных тепловых нагрузках.

Как указывалось, основными преимуществами спиральных и пластин­чатых теплообменников являются компактность и высокая интенсивность теплообмена. Вместе с тем их применение ограничено небольшими раз­ностями давлений и температур обоих теплоносителей. Спиральные тепло­обменники используются для нагрева и охлаждения жидкостей, газов и паро-газовых смесей. Область применения пластинчатых теплообмен­ников — процессы теплообмена между жидкостями.

Важным фактором, влияющим на выбор типа теплообменника, является стоимость его изготовления, а также эксплуатационные расходы, склады- вающиеся из стоимости амортизации аппарата и стоимости энергии, затра­чиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений.

Теплообменные аппараты всех типов должны работать при оптималь­ном тепловом режиме, соответствующем сочетанию заданной производи­тельности и других показателей, определяемых технологическими усло­виями, с минимальным расходом тепла,

  1. Yandex.RTB R-A-252273-3
    Yandex.RTB R-A-252273-4