2.1. Конструкции рекуперативных теплообменников

Первые технические теплообменные аппараты представляли собой варочные котлы с огневым или дымовым обогревом. Позднее стали применяться рубашечные (цилиндр в цилиндре) теплообменные аппа­раты, т. е. теплообменники с двойными стенками, в пространстве меж­ду которыми проходит греющий теплоноситель – пар или горячая вода. Необходимость интенсификации теплообмена привела к созданию ап­паратов с поверхностями нагрева змеевикового типа и с погружными змеевиковыми поверхностями (рис. 2.1). Рубашечные и змеевиковые аппараты применяют и в настоящее время. Однако периодический ха­рактер действия, низкая производительность, сложность регулирования тепловых процессов и чистки поверхностей ограничивают область их применения.

Значительно, чаще используют теплообменные аппараты непрерыв­ного действия. Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники (рис. 2.2). Они предназначены для работы с теп­лоносителями жидкость – жидкость, пар – жидкость, газ – жидкость, газ – газ и представляют собой аппараты, выполненные из рядов труб, собранных при помощи решеток в пучок и заключенных в кожух обычно цилиндрической формы. Концы труб для обеспечения плотности их соединения с трубными решетками (досками) развальцовывают, реже припаивают или приваривают к трубным решеткам. Возможно также их закрепление с помощью сальниковых уплотнений. Способы их крепления показаны на рис. 2.3.

Рис. 2.1. Емкостные теплообменные рекупера­тивные аппараты:

а– варочный котел; б – рубашечный (цилиндр в цилиндре); е – с погружной змеевиковой греющей поверхностью; г – с приваренным снаружи змееви­ком

Рис. 2.2. Кожухотрубчатые рекуперативные теплообменные аппараты: б – с жестким креплением труб в трубных решетках; в –с линзовыми компенсаторами на корпусе; г и д – с U- и W-образными трубками; е –с нижней и ж– с верхней плавающими распределительными камерами; з – с сальниковым уплотнением на штуцере; и – с трубами Фильда; к и л –с концентрическими и сегментными поперечными перегородками

В кожухотрубчатых теплообменниках промышленных технологиче­ских установок, в конденсаторах паровых турбин, водоподогревателях тепловых электростанций и тепловых сетей обычно применяют труб внутренним диаметром не менее 12 мм (для удобства чистки поверхностей) и не более 38 мм, так как при увеличении диаметра труб значительно снижается компактность теплообменника и возрастает его металлоемкость. Длина трубного пучка колеблется от 0,9 до 5–6 м. Толщина стенки труб– от 0,5 до 2,5 мм.

Если вероятность загрязнения отсутствует, можно использовать трубы меньших диаметров, что приводит к интенсификации теплообмен) Теплообменники с трубам диаметром 4–10 мм используются в топливных и масляных контурах факторных, судовых и авиационных двигателей и систем. Их недостатком являются повышенные гидравлические сопротивления и необходимость точного изготовления, так как при малых проходных сечениях уже небольшие различия в диаметрах и расположении труб в пучке вызывают, значительную неравномерность расходов теплоносителя по параллельным каналам и снижают тепловую мощность аппарата. Кожух аппарата снабжен фланцами, к которым болтами крепятся крышки.

Рис. 2.3. Способы крепления труб в трубных решетках:

а – развальцовкой; б – развальцовкой с отбортовкой;. в – развальцовкой с уплотнительными ка­навками; г – сваркой; д – пайкой; в – сальниковым соединением; ж – на клею

Из-за различия температур греющей и нагреваемой сред кожух и трубы работающего аппарата. также имеют различные температуры. Для компенсации напряжений, возникающих в результате различия температурных расширений труб и кожуха, применяют линзовые ком­пенсаторы, U- и W-образные трубы, трубы Фильда, теплообменники с плавающими камерами и сальниковыми уплотнениями (рис 2.2).

Проходное сечение межтрубного пространства кожухотрубного теп­лообменника превышает проходное сечение труб в 2,5–3 раза. Если теплообмен происходит без изменения фазового состояния теплоносите­лей, коэффициенты теплоотдачи в межтрубном пространстве из-за более низких скоростей теплоносителя могут быть значительно ниже коэффициентов теплоотдачи в трубах. Существенное различие коэффициентов теплоотдачи может иметь место и в газожидкостном теплообменнике (см. табл. 1.4). С целью интенсификации теплообмена увеличивают скорости теплоносителей с низким коэффициентом теплоотдачи, для чего теплообменники по теплоносителю, проходящему в трубах, дела; двух-, четырех- и многоходовыми, а в межтрубном пространстве устанавливают сегментные или концентрические поперечные перегородки (рис. 2.2).

Дымовые газы обычно пропускают по трубам с целью уменьшения засорения аппарата золой и сажей и облегчения его чистки; пар и воздух направляют в межтрубное пространство. Если воздух запылен, его предварительно очищают, пропуская через фильтры.

Помимо входных и выходных штуцеров для теплоносителей тепло­обменники могут иметь приборные штуцера (например, для маномет­ров, водомерных стекол, датчиков регуляторов уровня, расхода, дав­ления и т. п.), технологические штуцера, штуцера и краны для удале­ния воздуха и газов из верхней части, сливные и промывочные краны и т. д.

Если перепады давления между греющей и нагреваемой средами в аппарате достигают 10 МПа и более, применяют змеевиковые теплооб­менники с витыми трубами (рис.. 2.4,а), концы которых вваривают в распределительные коллекторы или в меньшие по размерам, чем в кожухотрубных аппаратах, трубные решетки. Эти аппараты более компактны и позволяют также обеспечить более высокие скорости и ко­эффициенты теплоотдачи от теплоносителя, движущегося в трубах, в случае малых его расходов.

Секционные теплообменники (рис. 2.4,6), как и кожухотрубчатые, применяют в самых различных областях. Они характеризуются мень­шим различием скоростей в межтрубном пространстве и в трубах, чем в кожухотрубчатых аппаратах, при равных расходах теплоносителей. Из них удобно подбирать необходимую площадь поверхности нагрева и изменять ее в случае необходимости. Однако у секционных теплооб­менников велика доля дорогостоящих элементов – трубных решеток, фланцев, переходных камер, калачей, компенсаторов и т. п.; выше расход металла на единицу поверхности нагрева, большая длина пути теп­лоносителей, а следовательно, и больший расход электроэнергии на их прокачку. В случае малых тепловых мощностей секции выполняют по типу теплообменников «труба в трубе», у которых в наружную трубу вставлена единственная внутренняя труба меньшего диаметра (рис. 2.4,0).

Разборные многопоточные теплообменники «труба в трубе» нашли применение в технологических установках заводов нефтяной, химиче­ской, газовой и других отраслей промышленности при температурах от –40 до +450 °С и давлениях до 2,5–9,0 МПа. Для улучшения теплооб­мена трубы могут иметь продольные ребра или поперечную винтовую накатку.

Для восполнения потерь конденсата в теплоиспользующих промыш­ленных, и также в транспортных установках применяют испарители и паропреобразователи. На рис. 2.5 показан вертикальный испаритель. Греющий пар от ТЭЦ или котельной подается в межтрубное простран­ство отдает теплоту воде и конденсируется. Вода, поднимаясь по тру­бам, закипает. Разница плотностей пароводяной эмульсии в трубах и воды в зазоре между греющей камерой и корпусом аппарата обеспечи­вает естественную циркуляцию нагреваемого теплоносителя. Конденсат возвращается на ТЭЦ или в котельную. Вторичный пар подается в теплоиспользующие установки или используется для получения кон­денсата на восполнение потерь питательной воды котлов. Применяют также горизонтальные испарители, которые представляют собой кожухотрубчатые аппараты. В них греющий пар обычно проходит по тру­бам, а над горизонтальным пучком, труб имеется свободное простран­ство для сепарации (удаления) капель жидкости из пара.

В холодильных установках применяют горизонтальные испарители с кипением хладагента внутри труб и оросительные горизонтальные кожухотрубчатые испарители, в которых греющий теплоноситель прохо­дит по трубам, а испаряющаяся жидкость стекает в виде пленки по наружной поверхности труб.

Ламельные теплообменники аналогично кожухотрубчатым имеют кожух, в который заключен пучок труб, но не круглых, а плоских, об­разованных попарно сваренными пластинами толщиной 1,5–2 мм (рис. 2.6,а). Внутренний гидравлический диаметр таких труб составляет от 7 до 14 мм, длина 2–6 м, диаметр кожуха – от 100 до 1000 мм. Рабо­чее давление в аппарате может достигать 4,5 МПа. При низких давле­ниях кожух может иметь не цилиндрическую, а прямоугольную форму. Плоские стенки такого корпуса обычно укрепляют ребрами жесткости. Ламельные теплообменники предназначены для работы с теплбносителями жидкость – жидкость, газ – газ, пар – жидкость. Эффективно их применение в области температур, больших 150 °С, и давлений 1–4,5 МПа, т. е. в области применения пластинчатых теплообменников (см. ниже). Ламельные теплообменники можно компоновать в блоки.

В холодильных установках применяют блочно-панельные конденсаторы и испарители, в которых конденсация или кипение хладагента происходит в вертикальных каналах панелей, изготовляемых так же, как трубные пучки ламельных теплообменников.

Спиральные теплообменники – аппараты, в которых каналы для теплоносителей образованы двумя свернутыми в спирали на специаль­ном станке листами (рис 2.6,е). Расстояние между ними фиксируется Приваренными бобышками или штифтами. В СССР в соответствии с ГОСТ 12067-80 навивку спиральных теплообменников производят из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м с поверхностями нагрева от 3,2 до 100 м² при расстоянии между листами от 8 до 12 мм и толщине стенок 2 мм для давления до 0,3 МПа а и 3 мм – до 0,6 МПа. Зарубеж­ные фирмы изготовляют специальные теплообменники из рулонного материала (углеродистых и легированных сталей, никеля, титана, алюминия, их сплавов и некоторых других) шириной от 0,1 до 1,8 м, тол­щиной от 2 до 8 мм при расстоянии между листами от 5 до 25 мм. Поверхности нагрева составляют от 0,5 до 160 м².

Рис. 2.6. Ламельный и спиральный теплообменники:

а –общий вид ламельного теплообменника; б –схема расположения ламелей в кожухе аппара­та; в – принципиальная схема спирального теплообменника; г–способы соединения спиралей с торцевыми крышками

Спиральные теплообменники устанавливают по штуцерам горизон­тально и вертикально. Их часто монтируют блоками по два, четыре, восемь аппаратов и применяют для нагревания и охлаждения жидко­стей и растворов. Вертикальные аппараты используют также для кон­денсации чистых паров и паров из парогазовых смесей. В последнем случае на коллекторе для конденсата имеется штуцер для удаления не­конденсирующегося газа.

Пластинчатые теплообменники (рис. 2.7,а, б) имеют щелевидные каналы, образованные параллельными пластинами. В простейшем слу­чае пластины могут быть плоскими. Для интенсификации теплообмена, и повышения компактности пластинам при изготовлении придают раз личные профили (рис. 2.7,г), а между плоскими пластинами помещают профилированные вставки. Первые профилированные пластины изго­товлялись из бронзы фрезерованием и отличались повышенной метал­лоемкостью и стоимостью. В настоящее время пластины штампуют из листовой стали (углеродистой, оцинкованной, легированной), алюми­ния, мельхиора, титана и других металлов и сплавов. Толщина пла­стин– от 0,5 до 2 мм. Поверхность теплообмена одной пластины – от 0,15 до 1,4 м², расстояние между пластинами – от 2 до 5 мм.

Рис. 2.7. Пластинчатые теплообменники:

а – пластинчатый воздухоподогреватель; б –разборный пластинчатый теплообменник для тепло­вой обработки жидких сред; в – гофрированные пластины; г – профили каналов между пласти­нами; /, // – вход и выход теплоносителя

Теплообменники выполняют разборными и неразборными. В раз­борных аппаратах герметизацию каналов обеспечивают с помощью про­кладок на основе синтетических каучуков. Их Целесообразно приме­нять при необходимости чистки поверхностей с обеих сторон. Они вы­держивают температуры от –20 до 140–150°С и давления не более 2–2,5 МПа. Неразборные пластинчатые теплообменники выполняют сварными. Они могут работать при температурах до 400 °С и давлени­ях до 3 МПа. Из попарно сваренных пластин изготовляют полуразбор­ные теплообменники. К аппаратам этого же типа относятся блочные, которые набирают из блоков, образованных несколькими сваренными пластинами. Пластинчатые теплообменные аппараты применяют для охлаждения и нагревания жидкостей, конденсации чистых паров и паров из парогазовых смесей, а также в качестве греющих камер вы­парных аппаратов.

В некоторых промышленных установках (например, холодильных) получили распространение пленочные вертикальные конденсаторы. Па­ры аммиака в этих аппаратах поступают в межтрубное пространство и конденсируются на внешней поверхности вертикальных, труб, имею­щих длину 3–6 мм. В верхний конец каждой трубы вставлен завихритель, обеспечивающий спиральное движение пленки охлаждающей воды по внутренней поверхности трубы. Тем самым при малой толщине пленки и небольших расходах воды обеспечивается высокая скорость движения по поверхности и значительно интенсифицируется тепло­обмен.

Теплообменники с пленочным движением жидкости часто применя­ют в пищевой промышленности [90] для тепловой обработки термолабильных, т. е. склонных к разложению при повышенных температурах, материалов. Положительный эффект объясняется тем, что в пленке температурные напоры меньше, чем при заполнении всего сечения ка­нала, а скорость движения выше. В итоге удается избежать перегрева и разложения обрабатываемой среды в пристенных областях.

Рис. 2.8. Воздухоподогреватели и рекуператоры:

а – стальной ребристый воздухоподогреватель (калорифер); б – термоблочный рекуператор; в – трубы с плавниковыми ребрами; г - чугунная труба с внутренним оребрением в прямоугольном канале; о – чугунная литая труба с игольчатым двусторонним оребрением; е – чугунные литые трубы с наружным продольным и поперечным оребрением

Для нагревания воздуха горячей водой или паром в системах кон­диционирования и вентиляции, а также с целью полезного использо­вания теплоты дымовых газов котлов, промышленных печей, газотур­бинных и других установок используют воздухоподогреватели, калори­феры, рекуператоры и экономайзеры [88, 91, 95].

Умеренный подогрев воздуха (до 300–400 °С) осуществляют в ка­лориферах или воздухоподогревателях и конвективных рекуператорах. Они могут быть выполнены в виде пластинчатых теплообменников из плоских стальных листов, чугунных и стальных ребристых труб, шахматных или коридорных пучков гладких стальных труб, устанавливае­мых в газоходах или за ними. Некоторые из таких рекуператоров по­казаны на рис. 2.8.

В запыленных потоках используют преимущественно пучки гладких труб. Они имеют высокие технико-экономические показатели. Дымо­вые газы с целью снижения загрязнения поверхностей пропускают по трубам диаметром 25–60 мм, воздух – в межтрубном пространстве.

Для высокотемпературного нагревания воздуха (до 800 °С) исполь­зуют конвективно-радиационные и радиационные рекуператоры [95]. При температурах газа 800–900°С применяют трубчатые рекуператоры из углеродистой стали, чугунных ребристых труб (рис. 2.8,в–е). При температурах дымовых газов 900-4000°С часто используют тер­моблочные рекуператоры, в которых гладкие трубы установлены в про­филированном чугунном каркасе, имеющем каналы для дымовых газов (рис. 2.8,6). При температурах таза 1000–1200°С и выше, внутри труб, по которым проходит -воздух, устанавливают металлические вставки. Они нагреваются за счет излучения от стенок труб и передают теплоту воздуху конвекцией. В результате температура поверхности труб по­нижается. Использование легированных сталей Х23Н13 и Х23Н18 обеспечивает нормальную работу рекуператоров при температурах по­верхностей до 1100°С. При этом температура газов может достигать 1350 °С. Радиационные рекуператоры нерационально применять, если температура газов за ними ниже 650–750 °С.

Экономайзеры имеют змеевиковые трубчатые поверхности, омывае­мые снаружи поперечным потоком дымовых газов. В них получают во­ду с температурой 200–350 °С.

Змеевиковые поверхности и трубные пучки из гладких и ребристых -стальных труб используют также в испарителях-охладителях, конден­саторах воздушного и водо-воздушного охлаждения холодильных ма­шин to кондиционеров, применяемых для охлаждения оборотной воды, жидких и парообразных технологических продуктов (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Аппараты воздушного н водо-воздушного охлаждения: а – змеевиковый; б – с горизонталь­ным кожухотрубчатым ребристым теп­лообменником; в – с шатровым распо­ложением ребристых теплообменников; 1 – вентилятор; 2 – ребристая поверх­ность или теплообменник; 3 – насос; 4 – поддон; 5 – змеевик; в – коллек­тор с форсунками для распыления во­ды; 7 – сепаратор

Поверхность нагрева ребристых теплообменников набирают из труб с поперечными, продольными, проволочными, стерженьковыми и дру­гими ребрами (рис. 2.10). Закрепление насаженных на трубы круглых, прямоугольных и общих для нескольких труб или всего пучка поперечных пластинчатых ребер обеспечивают за счет натяга, создаваемого при последующих дорновании или опрессовке труб [11]. Пайкой, в рас­плавленном цинке, навивкой, с натягом, завальцовкой в канавку или сваркой создают надежный контакт поверхности трубы с поперечно-спиральными ребрами [11, 28]. Трубы с наружным и внутренним про­дольным оребрением изготовляют методами литья, сварки, вытяж­кой из расплава через фильеру, выдавливанием металла, нагретого до пластического состояния, через матрицу [11]. Для закрепления ребер на трубах и пластинах используют также гальванические покрытия, покраску. Медно-латунные и стальные пластинчато-ленточные, трубчатоленточные и трубчатопластинчатые транспортные теплообменни­ки (рис. 2.11) паяют мягкими припоями на основе свинца и олова, а алюминиевые – припоем на основе алюминия в среде инертных газов или под флюсом. Применяют также электронно-лучевую и другие со­временные методы сварки.

Наиболее производительными и экономичными являются практиче­ски полностью автоматизированные процессы изготовления труб с на­вивным, накатным и приварным поперечно-спиральным оребрением, за счет которого поверхность труб при толщине ребер 0,3–0,6 мм и шаге 3 мм увеличивается до 20 раз. Автоматизирован и процесс изготовления труб с эффективным проволочно- и ленточно-спиральным оребрением, но стоимость таких труб по сравнению с другими выше.

Рис. 2.10, Ребристые трубы:

а – с оцинкованным; б – с навитым в натяг L-образным и в – с завальцованным в канавку поперечно-спиральным оребрением; г и д – моно- и биметаллические накатные ребристые трубы; е и ж – трубы с проволочно- и ленточно-спиралыными ребрами

Рис. 2.11. Ребристые поверхности нагрева для транспортных теплообменников и тепло­обменников газотурбинных двигателей:

а, б – трубчато-пластинчатые; в – трубчато-ленточная; г, д и е – пластинчато-ленточные; s₁ s₂ – , шаги труб; d_н – наружный диаметр труб

Для повышения эффективности ребер их изготовляют из более теплопроводных материалов, чем стальные трубы: из меди, латуни, чаще из алюминия. Однако из-за нарушения, контакта между ребром или ребристой рубашкой и стальной несущей трубой биметаллические тру­бы применяют при температурах не выше 280 °С, трубы с навивным оребрением– до 120 °С; навивные завальцованные в канавку ребра вы­держивают температуру 330 °С, но быстро корродируют у основания в загрязненном воздухе и других агрессивных газах.